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Environment

Herstellung einfacher und kostengünstiger Bodenoberflächentemperatur- und Gravimetrischer Wassergehaltssensoren

Published: December 21, 2019
doi:
10.3791/60308
, , , , , , ,
1Southwest Biological Science Center,U.S. Geological Survey, 2Centre for Energy Technology Brandenburg, 3Institute of Environmental Sciences,Brandenburg University of Technology Cottbus-Senftenberg, 4Umweltanalytische Produkte GmbH, 5Institute of Plant Sciences,University of Graz, 6Multiphase Chemistry Department,Max Planck Institute for Chemistry

Summary

Die genaue Messung der Temperatur und des Wassergehalts der oberen 5 mm der Bodenoberfläche kann unser Verständnis von Umweltkontrollen an biologischen, chemischen und physikalischen Prozessen verbessern. Hier beschreiben wir ein Protokoll zur Herstellung, Kalibrierung und Durchführung von Messungen mit Bodenoberflächentemperatur- und Feuchtigkeitssensoren.

Abstract

Die Quantifizierung von Temperatur und Feuchtigkeit an der Bodenoberfläche ist entscheidend, um zu verstehen, wie die Bodenoberflächenbiota auf Veränderungen in der Umgebung reagieren. An der Bodenoberfläche sind diese Variablen jedoch hochdynamisch und Standardsensoren messen Temperatur oder Feuchtigkeit in den oberen wenigen Millimetern des Bodenprofils nicht explizit. Dieses Papier beschreibt Methoden zur Herstellung einfacher, kostengünstiger Sensoren, die gleichzeitig die Temperatur und Feuchtigkeit der oberen 5 mm der Bodenoberfläche messen. Neben der Sensorkonstruktion werden Schritte zur Qualitätskontrolle sowie zur Kalibrierung für verschiedene Substrate erläutert. Die Sensoren verfügen über ein Thermoelement Typ E zur Temperaturmessung und zur Bewertung der Bodenfeuchtigkeit, indem sie den Widerstand zwischen zwei vergoldeten Metallsonden am Ende des Sensors in einer Tiefe von 5 mm messen. Die hier vorgestellten Methoden können geändert werden, um Sonden für verschiedene Tiefen oder Substrate anzupassen. Diese Sensoren waren in einer Vielzahl von Umgebungen wirksam und haben monatelange starke Regenfälle in tropischen Wäldern sowie intensive Sonneneinstrahlung in Wüsten im Südwesten der USA ertragen. Ergebnisse zeigen die Wirksamkeit dieser Sensoren für die Bewertung Erwärmung, Trocknung und Einfrieren der Bodenoberfläche in einem globalen Veränderungsexperiment.

Introduction

Umweltsensoren sind wichtige Werkzeuge zur Bewertung, Überwachung und zum Verständnis der Ökosystemdynamik. Temperatur und Feuchtigkeit sind grundlegende Treiber biologischer Prozesse im Boden und beeinflussen die Aktivität und Zusammensetzung der Bodenorganismen1,2. Darüber hinaus haben Temperatur und Feuchtigkeit gezeigt, dass das Timing der Setzling Entstehung und Wurf Zersetzung Raten3,4,5beeinflussen. In Trockenlandökosystemen werden Bodenoberflächen, die nicht von Gefäßpflanzen bedeckt sind, oft mit Gemeinschaften von Moosen, Flechten und Cyanobakterien gekrönt, die als biologische Bodenkruste (Biokruste) bekannt sind (Abbildung 1). Diese Gemeinschaften existieren an der Bodenoberfläche und dringen selten tiefer als ein paar Millimeter in den Boden6ein. Biologische Bodenkrusten können die Bodenstabilisierung, Wasserinfiltrations- und Verdunstungsraten, Albedo, Temperatur, Nährstoffkreislauf und BodenatmosphäreCO2-Austausch 7,8,9stark beeinflussen. Im Gegenzug kann für einige Systeme die Aktivität dieser Oberflächengemeinschaften die gesamten Bodeneigenschaften und die Raten verschiedener Prozesse dominieren10. Sensoren, die Messungen explizit auf flache Tiefen fokussieren, können uns weiter helfen zu verstehen, wie sich Surficial Temperatur und Feuchtigkeit auf die Keimung von Saatgut, Zersetzungsraten und Reaktionen von Bodenoberflächenbiota sowie viele andere Ökosystemfunktionen auswirken.

Jüngste Entwicklungen in der Bodensensorik haben gezeigt, wie wichtig räumlich explizite Messungen für das Verständnis biologischer Prozesse an der Bodenoberfläche11,12sind. Herkömmliche Methoden zur Analyse der Bodenfeuchtigkeit umfassen Sensoren, die unter der Bodenoberfläche platziert sind, und integrieren häufig Messungen über Tiefen hinweg. Die von diesen Sonden aufgezeichnete Bodenfeuchtigkeit kann unser Verständnis von Umweltkontrollen an Bodenorganismen vermitteln, aber wahrscheinlich viele der Nuancen vermissen, die an der Bodenoberfläche auftreten. Um den Wassergehalt der oberen wenige Millimeter Boden explizit zu messen, haben Weber et al. kürzlich Biokrusten-Nässessonden (BWP) entwickelt, die die Bodenfeuchte über die elektrische Leitfähigkeit der Bodenoberfläche bis zu einer Tiefe von 3 mm11bestimmen. Mit Webers Sensoren in Verbindung mit 0 bis 5 cm integrierten Feuchtesonden demonstrierten Tucker et al. die Bedeutung von Feuchtigkeitssensoren, die sich auf die oberen Millimeter der Bodenoberfläche konzentrieren. Insbesondere bei kleinen Niederschlagsereignissen, die für die Aktivität von Biokrustengemeinschaften von großer Bedeutung waren, wurden die integrierten Sonden 0-50 mm (d.h. 5 cm) nicht registriert und nur von den BP12nachgewiesen. Sensoren, die auf die oberen wenigen Millimeter des Bodens fokussiert sind, sind wichtig, um Feuchtigkeitsereignisse zu messen, die nicht groß genug sind, um an der Oberfläche vorbei zu infiltrieren, aber ausreichend sind, um Reaktionen aus der Biota an der Oberfläche auszulösen.

Die Bodenoberflächentemperatur ist ein weiterer wichtiger Umweltfaktor, der physiologische Prozesse antreibt. Die oberflächenhohen Temperaturen des tageshohen Bodens können sehr variabel sein, insbesondere in Pflanzenzwischenräumen, in denen die unbeschattete Bodenoberfläche großen Mengen sonnendurchdrungen ausgesetzt ist. Auch ist die Temperatur an der Bodenoberfläche variabler als tiefer im Bodenprofil13 oder der Luft14. Beispielsweise zeigten Tucker et al. einen maximalen tagesbodenoberflächentemperaturbereich von fast 60 °C (13-72 °C) über nur 24 h. Diese Temperaturen wurden mit Thermoelementen gemessen, die 3 mm in die Bodenoberfläche eingeführt wurden. In der Zwischenzeit haben nahegelegene Temperaturfühler 50 mm tief einen Bereich von nur 30 °C (22-52 °C) am selben Tag12gemessen. Die Thermoelemente, die explizit die Temperatur an der Bodenoberfläche messen, zeigten in 50 mm Tiefe eine wesentlich höhere Streuung als Sensoren, da die Oberflächenböden nachts 10 °C kälter und während der Hitze des Tages 20 °C wärmer waren als die 50 mm tiefen Werte.

Die Temperatur stellt eine kritische Kontrolle über physiologische Prozesse dar. Zum Beispiel, bei konstanter Bodenfeuchtigkeit unter Laborbedingungen,CO2-Verluste aus Boden dramatisch mit steigenden Temperaturen in den meisten Ökosystemen2,15,16. In ähnlicher Weise haben Daten aus Feldklimamanipulationsstudien, die darauf abzielen, die Bildwettertemperaturen im Vergleich zu Kontrollen zu erhöhen, gezeigt, dass erwärmte Böden mehr CO2 freisetzen als unbeheizte Böden in der Nähe (zumindest in den ersten Jahren der Behandlungen17,18) und dass bioverkrustete Böden eine ähnliche Reaktion auf die Erwärmung von7,9zeigen. Sowohl Temperatur als auch Feuchtigkeit haben sich als wichtige Umweltvariablen erwiesen und Sensoren, die die klimatischen Bedingungen der Bodenoberfläche genau erfassen können, können klären, wie sie die physiologischen Prozesse von Organismen an der Bodenoberfläche beeinflussen11,12.

Dieses Papier präsentiert Sensoren, die sowohl Temperatur als auch Feuchtigkeit bis zu einer Tiefe von 5 mm unter der Bodenoberfläche messen und eine erhebliche Leistung bei der Beurteilung der Interaktion dieser Variablen mit der biologischen Reaktion von surficial biota bieten. Das Thermoelement Typ E besteht aus zwei Metallen (Chrom und Constantan), und Temperaturänderungen in den Metallen erzeugen unterschiedliche Spannungen, die von einem Datenlogger aufgezeichnet werden. Der Bodenfeuchtesensor misst den Widerstand zwischen zwei vergoldeten Metallzinken. Der Widerstand wird durch den Bodenwassergehalt beeinflusst, da mehr Wasser die Leitfähigkeit erhöht und somit den Widerstand zwischen den Zinken verringert. Nach dem Entwurf von Weber et al.11messen diese Sensoren die Bodenfeuchtigkeit bis zu einer Tiefe von 5 mm und enthalten zusätzlich ein Thermoelement zur Temperaturmessung an derselben Sonde. Diese Sensoren ermöglichen einen verfeinerten Blick darauf, wie Temperatur und Feuchtigkeitsdynamik an der Bodenoberfläche mit einer einzigen Sonde variieren. Diese Sonden bieten unzählige Möglichkeiten zu erkunden, wie an der Oberfläche lebende Organismen auf Veränderungen in ihrer Umgebung reagieren. Ein weiterer Vorteil dieser Sensoren ist, dass sie relativ einfach und kostengünstig zu bauen und zu kalibrieren sind, und Forscher werden leicht in der Lage sein, ihre Verwendung zu übernehmen.

Das folgende Protokoll beschreibt detailliert die Materialien und Methoden für den Aufbau der Sensoren, einschließlich einer Gliederung für den Anschluss der Sensoren an Datenlogger. Diese Sensoren verwendeten handelsübliche Logger, aber jeder Datenlogger, der an einen Multiplexer angeschlossen werden kann, konnte verwendet werden. Es werden auch Methoden zur Kalibrierung der Sensoren auf den von Interesse befallenen Substraten beschrieben.

Protocol

1. Herstellung von Sensoren Schneiden Sie die entsprechenden Kabellängen. Bestimmen Sie den maximalen Abstand von der Position des Datenloggers zur gewünschten Sensorplatzierung. Berücksichtigen Sie die zusätzliche Kabellänge, die für Biegungen im Kabel, Hindernisse und die Befestigung am Datenlogger benötigt wird. Schneiden Sie alle Thermoelement- und Bodenfeuchtekabel auf diese maximal gewünschte Länge. Unterschiede in der Kabellänge können zu variablen Widerständen unter den Sensoren führen. Dieses Problem kann vermieden werden, indem alle Sensorkabellängen gleich bleiben. Bereiten Sie das Thermoelementkabel vor. Ziehen Sie die Kabelmantel4 x 5 cm vom Ende des Kabels ab. Entfernen Sie die neu freiliegenden, kleinen Durchmesser Hüllen 5 mm vom Ende der Drähte. Bogen schweißen die freiliegenden Spitzen der Drähte zusammen und testen die Festigkeit der neuen Schweißnaht, indem Sie sanft an den Drähten ziehen, um sicherzustellen, dass sie sich nicht trennen.VORSICHT: Ein Schweißhelm oder Gesichtsschutz sollte verwendet werden, um vor der Strahlung zu schützen, die beim Lichtbogenschweißen entsteht. Halten Sie alles in der Arbeitsumgebung trocken, um potenzielle Schocks zu vermeiden. Arbeiten Sie in einem gut belüfteten Bereich, um Dämpfe oder Gase aus Ihrem Atembereich zu halten. Tauchen Sie die lichtbogengeschweißten Spitzen des Thermoelementkabels in flüssiges elektrisches Band, um die freiliegenden Drähte zu schützen. Das flüssige Elektrische Band sollte das freiliegende Metall der Drähte und mindestens 3 mm der Drahthüllen mit kleinem Durchmesser abdecken.VORSICHT: Flüssiges elektrisches Band hat brennbare Dämpfe, die die Atemwege reizen können. Einsatz in einem gut belüfteten Bereich abseits offener Flammen. Vermeiden Sie eine direkte Exposition gegenüber den Augen und der Haut, da dies zu Reizungen führen kann. Lassen Sie das flüssige elektrische Band für ca. 4 h oder nach Anweisung des Herstellers trocknen. Schneiden Sie ein Stück von 0,13 in (ca. 3,3 mm) feuchtigkeitsabdichten Schrumpfschläuche, die lang genug sind, um das flüssige elektrische Klebeband auf den Kleinen Durchmesser Hüllen und mindestens 1 cm der Thermoelement-Kabelummantelung (ca. 6 cm lang) zu bedecken. Setzen Sie die Drähte in das Schrumpfrohr ein und bewegen Sie das Rohr wieder über die Kabelmantel. Warten Sie, bis zu einem späteren Schritt (Schritt 1.5.3) Hitze angewendet wird. Bereiten Sie das Bodenfeuchtigkeitskabel vor. Ziehen Sie die Kabelmantel5 cm vom Ende des Kabels ab. Schneiden Sie den Erddraht (kein Mantel) an der Kabeljacke ab, damit er nicht über die Jacke hinaus freigelegt wird. 1 cm der inneren Kleindurchmesserhüllen von den Enden der Bodenfeuchtedrähte streifen. Drehen Sie das freiliegende Metall jedes Drahtes, um die kleinen Stränge zu konsolidieren. Verzinnen Sie die kleinen verdrehten Stränge, indem Sie an jedem Drahtende Dasatodes auf das freiliegende Metall auftragen.VORSICHT: Bei der Verwendung der extrem heißen Instrumente, die zum Löten erforderlich sind, ist Vorsicht geboten. Löten sie in gut belüfteten Bereichen und tragen Sie einen angemessenen Augen- und Hautschutz. Schneiden Sie ein Stück von 0,38 in (ca. 10 mm) Schrumpfschläuche, die 1 cm länger als der Abstand von dem, wo die Kabelummantelung bis zum Ende der Verzinnungsdrähte abgezogen wurde, ist. Legen Sie dieses Rohr über beide Drähte und schieben Sie es wieder über die Kabelmantel, um es bei einem späteren Schritt zu fixieren. Schneiden Sie zwei 1,5 cm große Stücke von 0,13 in (ca. 3,3 mm) Feuchtigkeitssiegel-Wärmeschrumpfschläuche und legen Sie einen über jeden Draht. Erhitzen Sie diese erst, wenn Sie den Draht an den zweizackigen Sockelstreifen gelötet haben. Tragen Sie den Lötfluss auf die Zinken des zweizackigen Sockelstreifens auf. Löten Sie die verzinnten Enden des Drahtes an die Enden des zweizackigen Sockelleisten. Achten Sie darauf, die beiden Enden getrennt zu halten, damit sie nicht berühren. Bewegen Sie die beiden Teile von 0,13 in (ca. 3,3 mm) feuchtigkeitsabdichten Schrumpfschläuche nbis zur Basis des zweizackigen Sockelstreifens, so dass alle Metallteile abgedeckt sind. Verwenden Sie die Wärmepistole, um die Wärmeschrumpfschläuche zu haften, wobei darauf geachtet wird, das Lot unter den Rohren nicht zu überhitzen und zu schmelzen. Bewegen Sie das 0,38 Zoll (ca. 10 mm) feuchte Dichtungs-Wärmeschrumpfrohr vom Ende des zweizackigen Sockelstreifens auf 1 mm, sodass es den Sockelstreifen, die Drähte mit kleinem Durchmesser und einen Teil der Kabelummantelung bedeckt. Verwenden Sie die Wärmepistole, um dieses Wärmeschrumpfrohr an Ort und Stelle zu fixieren. Ändern Sie den Klemmenstreifen für den Sensorkopf. Um den achtzackigen Klemmenstreifen zu modifizieren, richten Sie den Streifen so aus, dass die oberen Zinken aus dem Blickfeld gekrümmt sind. Verwenden Sie Drahtschnipsel, um den zweiten, vierten und siebten Zinken von links direkt unter dem schwarzen Kunststoff-Kontaktstreifen zu schneiden (Abbildung 2). Messen Sie 5 mm unter dem schwarzen Kunststoff-Kontaktstreifen und markieren Sie den dritten, fünften und sechsten Zinken von links bei 5 mm. Schnippen Sie diese Zinken an der 5 mm-Marke. Diese Länge kann an verschiedene Forschungsfragen angepasst werden. Montieren Sie den Sensorkopf. Schneiden Sie zwei 1 cm Große von 0,5 in (ca. 13 mm) Feuchtigkeitssiegel-Wärmeschrumpfschläuche und schieben Sie eine über jedes Thermoelement und Bodenfeuchtigkeitskabel. Bewegen Sie das lichtbogengeschweißte Ende der Thermoelementdrähte über die Oberseite des dritten abgeschnittenen Stifts, so dass die Spitze des Thermoelements mit dem Ende der abgeschnittenen Zange ausgerichtet ist. Biegen Sie die Drähte, so dass sie der oberen Kurve des Stifts folgen. Schieben Sie das 0,13 in (ca. 3,3 mm) feuchtigkeitsabdichtungs-Wärmeschrumpfrohr (ab Schritt 1.2.6) über den gekrümmten Teil des Zinken und die Thermoelementdrähte nach oben. Stellen Sie fest, ob das Schrumpfrohr auch einen Teil der Thermoelement-Kabelmantel bedeckt, und verwenden Sie eine Wärmepistole, um das Schrumpfrohr an Ort und Stelle zu befestigung. Drücken Sie den Teil des Schrumpfschlauchs, der sich über dem gekrümmten Zinken befindet, mit den Fingern, um ihn zu sichern. Setzen Sie die oberen gekrümmten Enden der Zinken 5 und 6 in den zweizackigen Sockelstreifen ein (Abbildung 2). Bewegen Sie das obere Stück von 0,5 in (ca. 13 mm) Stück Feuchtigkeitssiegel-Wärmeschrumpfrohr in Richtung des Sensorkopfes, so dass es etwa 1 cm vom Kopf entfernt positioniert ist. Verwenden Sie eine Wärmepistole, um es an Ort und Stelle zu haften, wobei darauf zu achten ist, dass der Sockelstreifen fest mit den Zinken 5 und 6 und dem Thermoelementdraht an der Zange 3 verbunden bleibt. Verwenden Sie eine Wärmepistole, um das andere 0,5 in (ca. 13 mm) Stück Feuchtigkeitssiegel-Wärmeschrumpfschläuche ein paar Zentimeter hinter dem vorherigen Stück Schrumpfschläuche zu haften. Tragen Sie flüssiges Elektroband auf alle Seiten des Thermoelementdrahtes und des Stifts 3 auf. Tragen Sie flüssiges Elektroband auf alle Seiten des Steckdosenleistenanschlusses auf, um sicherzustellen, dass alle freiliegenden Metalle abgedeckt sind. Bedecken Sie jedoch nicht die mit dieser Verbindung verbundenen 5 mm abgeschnittenen Zangen (Abbildung 3). 2. Anschließen von Sensoren an Datenlogger und Multiplexer HINWEIS: Diese Sensoren müssen mit einem Multiplexer verwendet werden, der mit einem Datenlogger verbunden ist. Alle Schritte in diesem Protokoll sind für die Verwendung mit dem Datenlogger und Multiplexer in der Tabelle der Materialien aufgeführt (andere Datenlogger würden auch funktionieren). Bei jeder Messzeit öffnet der Datenlogger die Kommunikation zum Multiplexer, der wiederum als Relais fungiert und stromfließen lässt zum Widerstandssensor. Verbinden Sie den Multiplexer über Audiodrähte mit dem Datenlogger. Verbinden Sie den COM-Port des Datenloggers mit dem RES-Port des Multiplexers. Verbinden Sie den separaten COM-Port des Datenloggers mit dem CLK-Port am Multiplexer. Verbinden Sie die G- und 12-V-Ports des Datenloggers mit den GND- bzw. 12-V-Ports am Multiplexer. Erstellen Sie einen Spannungsteiler am Datenlogger, indem Sie einen Durchbohrwiderstand von 1 k x 0,1 % zwischen einem VX-Port und einem H-DIFF-Port am Datenlogger anschließen. Schließen Sie zwei Audiodrähte mit einem Boden von diesem Spannungsteiler an den Multiplexer an. Schließen Sie einen Draht vom gleichen H DIFF-Port an, mit dem der Spannungsteiler am Datenlogger verbunden ist, an den COM ODD L-Port am Multiplexer. Stellen Sie sicher, dass der andere Draht einen Bodenanschluss am Datenlogger mit dem COM ODD H-Port am Multiplexer verbindet. Stellen Sie sicher, dass ein Erdungsdraht einen Boden vom Datenlogger mit einem Boden auf dem Multiplexer verbindet. Schließen Sie einen Thermoelementdraht Typ E an den Datenlogger und Multiplexer an. Der violette Draht verbindet den DIFF 1 H-Port am Datenlogger mit dem COM EVEN H-Port am Multiplexer. Der rote Draht verbindet den DIFF 1 L-Port am Datenlogger mit dem COM EVEN L-Port am Multiplexer. Stellen Sie sicher, dass der Erdungsdraht mit einem Boden sowohl auf dem Datenlogger als auch auf dem Multiplexer verbunden ist. Ändern Sie den Multiplexer in den 4 x 16-Modus. Schließen Sie die Sensoren an den Multiplexer an. Bodenfeuchtigkeit Stols verbindet sich mit ODD-Anschlüssen mit dem schwarzen Draht zu H und dem roten Draht zu L. Thermoelementdrähte verbinden sich mit dem violetten Draht zu H und dem roten Draht zu L an EVEN-Anschlüsse. Die Reihenfolge der Thermoelementdrähte ist entscheidend für ordnungsgemäße Messungen. 3. Prüfsensoren Löten Sie die Enden eines Filmwiderstands an den Zinken an einem zweizackigen Steckdosenstecker mit Bleilöt- und Lötfluss. Schließen Sie alle zu testenden Sensoren an den Multiplexer an. Passen Sie das Datenprotokollierungsprogramm so an, dass es alle 30 s gescannt wird, oder auf eine bevorzugte Frequenz für das Scannen mehrerer Sensoren. Legen Sie bei Feuchtigkeitssensoren den Buchsenstecker mit Filmwiderstand auf die Zinken 5 und 6 des Sensors und erfassen Sie die Daten aus dem Datenlogger. Platzieren Sie den Widerstand auf jedem Sensor, um sicherzustellen, dass alle den gleichen Messwert geben. Überwachen Sie die Thermoelementdaten, um sicherzustellen, dass sie ähnliche Temperaturen wahrnehmen. Legen Sie bei Temperatursensoren das Thermoelement-Ende zwischen zwei Fingern, um sicherzustellen, dass sich die Temperaturen entsprechend ändern. 4. Kalibriersensoren HINWEIS: In diesem Abschnitt wird das Verfahren zum Verknüpfen der Sensorleistung mit der Bodenfeuchtigkeit beschrieben. Herstellung des Kalibriersensorkopfes. 12 cm der Jacke vom Bodenfeuchtekabel abstreifen. Entfernen Sie die Folienabschirmung von den Drähten. Schneiden Sie eine Länge von 10 cm der beiden inneren Bodenfeuchtedrähte mit kleinem Durchmesser. Entfernen Sie ca. 1 cm Mantel von beiden Enden jedes Drahtes. Drehen Sie die kleinen Drähte an jedem der Enden und verzinnen Sie sie mit einem Lötkolben. Ändern Sie einen Acht-Stufen-Klemmenstreifen nach den gleichen Spezifikationen wie die Schritte 1.4.1 und 1.4.2. Tragen Sie den Lötfluss auf die oberen Kurven der Zinken 5 und 6 auf. Löten Sie die Drähte zu den oberen Kurven der Zinken 5 und 6 auf dem achtzackigen Klemmenstreifen. Beschneiden Sie die beiden äußeren Zinken der achtzackigen Klemmenleisten auf 5 mm. Legen Sie ein 2 cm großes Stück 0,13 in (ca. 3,3 mm) feuchtigkeitsabdichten Schrumpfschläuche auf beide Drähte. Die Wärmeschrumpfteile so nah wie möglich am modifizierten Sensorkopf kleben. Legen Sie zwei 2 cm Große von 0,13 in (ca. 3,3 mm) Feuchtigkeitssiegel-Wärmeschrumpfschläuche auf beide Drähte, eine auf jedem Draht. Warten Sie, um sie in einem späteren Schritt an Ort und Stelle zu befestizieren. Schneiden Sie die beiden langen mittellangen Zinken eines vierzackigen Klemmenstreifens auf 1 cm. Tragen Sie den Lötfluss auf die oberen gekrümmten Enden der mittleren Zinken auf dem vierzackigen Klemmenstreifen auf. Löten Sie die freien Enden beider Drähte an die geschnittenen Zinken des vierzackigen Klemmenstreifens, so dass die oberen vier gekrümmten Zinken vom modifizierten Sensorkopf weggerichtet sind (Abbildung 4). Bewegen Sie die zuvor platzierte Feuchtigkeitsdichtungswärmeschrumpfung bis zur Basis des vierzackigen Klemmenstreifens und erhitzen Sie sie ein. Bereiten Sie das Bodenfeuchtigkeitskabel für die Kalibrierung vor. Schneiden Sie ein Bodenfeuchtekabel, das die gleiche Länge wie die Sensoren im Feld verwendet. Ziehen Sie die Jacke des Kabels bis 5 cm vom Ende entfernt. Schneiden Sie den Erddraht (kein Mantel) an der Kabeljacke ab, damit er nicht über die Jacke hinaus freigelegt wird. 1 cm der Drahthüllen mit kleinem Durchmesser von den Enden der Bodenfeuchtedrähte abstreifen. Drehen Sie das freiliegende Metall jedes Drahtes, um die kleinen Stränge zu konsolidieren. Verzinnen Sie die kleinen verdrehten Stränge, indem Sie an jedem Drahtende Dasatodes auf das freiliegende Metall auftragen. Schneiden Sie ein 6 cm großes Stück von 0,38 in (ca. 10 mm) feuchtigkeitsdichten Schrumpfschläuche, legen Sie es über beide Drähte, und schieben Sie es zurück über die Kabelummantelung, um es in einem späteren Schritt zu haften. Schneiden Sie zwei 1,5 cm große Stücke von 0,13 in (ca. 3,3 mm) Schrumpfschläuche und legen Sie einen über jeden Draht. Tragen Sie die Wärme erst auf, wenn der Draht an den zweizackigen Sockelstreifen gelötet ist. Tragen Sie den Lötfluss auf die Zinken des zweizackigen Sockelstreifens auf. Löten Sie die verzinnten Enden des Drahtes an die Enden des zweizackigen Sockelleisten. Achten Sie darauf, die beiden Enden getrennt zu halten, damit sie nicht berühren. Bewegen Sie die beiden Teile von 0,13 in (ca. 3,3 mm) feuchtigkeitsabdichten Schrumpfschläuche nbis zur Basis des zweizackigen Sockelstreifens, so dass alle Metallteile abgedeckt sind. Verwenden Sie die Wärmepistole, um die Wärmeschrumpfschläuche an Ort und Stelle zu haften, wobei darauf geachtet wird, das Lot unter den Rohren nicht zu überhitzen und zu schmelzen. Bewegen Sie das 0,38 Zoll (ca. 10 mm) feuchte Dichtungs-Wärmeschrumpfrohr (ab Schritt 4.2.7) auf 1 mm vom Ende des zweizackigen Sockelleisten, so dass es den Sockelstreifen, die Drähte mit kleinem Durchmesser und einen Teil der Kabelummantelung abdeckt. Verwenden Sie die Wärmepistole, um das Wärmeschrumpfrohr an Ort und Stelle zu haften. Erstellen Sie den Kalibrierbodenbehälter (Abbildung 5). Schneiden Sie ein 50 ml Polypropylen Einwegzentrifugenrohr 4 cm von der Oberseite des Deckels. Dadurch entsteht ein Rohr mit einer Öffnung an einem Ende und einem abnehmbaren Deckel am anderen Ende. Verwenden Sie einen Bohrer, um ein 2,5 cm langes Loch in der Mitte des Deckels zu bohren. Ein Schrittbohrer ist einfach zu bedienen und effektiv. Schneiden Sie zwei vertikale Schlitze 6 mm auseinander, beginnend am offenen Ende des Rohres und erstreckt sich bis zum Boden des Deckels. Verwenden Sie einen senkrechten Schnitt an der Unterseite des Deckels, um die beiden Schlitze zu verbinden und den Kunststoffstreifen zu entfernen (Abbildung 5). Dadurch entsteht eine ausreichend große Lücke, um die Drähte des Sensorkopfes einzufügen. Schneiden Sie ein kreisförmiges Stück Polypropylen-Mesh-Tuch mit 6 cm Durchmesser. Legen Sie das Netz zwischen Deckel und Rohr und schrauben Sie den Deckel auf. Setzen Sie den achtzackigen Klemmenstreifen des Kalibriersensorkopfes in das Rohr ein, damit die Drähte den in Schritt 4.3.3 entstandenen Spalt nach unten gleiten. Kleben Sie die längeren Zinken des vierzackigen Klemmenstreifens an der Seite des offenen Endes des Rohres, so dass die oberen Zinken vom Rohr weg gerichtet sind und leicht an den zweizackigen Buchsenstreifen des Kalibrierkabels angeschlossen werden können (Abbildung 5). Legen Sie den Behälter mit angeschlossenem Sensorkopf für 48 h in einen 60 °C-Trockenschrank, um Feuchtigkeit zu entfernen. Sensor und Boden kalibrieren.Wiegen Sie die leeren, ofengetrockneten Kalibrierbehälter zusammen mit einem Kalibriersensorkopf auf einer Waage mit 0,0001 g Präzision. Diese Messung wird verwendet, um den Gravimetrischen Wassergehalt (GWC) zu einem späteren Zeitpunkt zu berechnen. Führen Sie Kalibrierungen in einer Umgebung durch, die eine konstante Temperatur beibehalten kann. Bereiten Sie Biokrustenboden für die Kalibrierung vor. Entfernen Sie den Deckel des Kalibrierrohres und verwenden Sie das Gewindeende als Form, um ein Stück Biokruste mit demselben Durchmesser auszuschneiden. Die Biokruste sollte in der Röhre bleiben, wenn sie hochgezogen wird, kann aber einige Hilfe benötigen, um sie in der Röhre zu halten. Mit einem Finger die Biokrustenprobe vom geschnittenen Ende des Rohres drücken, so dass 3-5 mm der Oberseite der Biokruste im Rohr verbleiben. Schrotten Sie überschüssigen Boden, der aus dem Gewindeende des Rohres geschoben wird, so dass der Boden der Biokruste bündig mit dem Boden des Rohres ist. Legen Sie das Polypropylennetz mit 6 cm Durchmesser auf das Gewindeende unterhalb der Biokruste und schrauben Sie den Deckel fest. Befeuchten Sie die Biokrustenprobe und fixieren Sie den Sensorkopf vorsichtig in der Oberseite des Substrats, damit die Zinken vollständig vergraben sind. Die Drähte müssen möglicherweise gebogen werden, um sicherzustellen, dass der Sensorkopf an Ort und Stelle bleibt und sich während der Kalibrierung nicht bewegt. Bereiten Sie mineralische Böden für die Kalibrierung vor. Sammeln Sie Böden aus den oberen 5 mm an dem Bereich, in dem die Sensoren platziert werden. Verwenden Sie ein 2 mm Sieb, um große Gesteine und organisches Material aus dem Boden zu entfernen. Stellen Sie sicher, dass der Deckel mit dem zwischen Deckel und Rohr fixierten Polypropylen-Netz mit 6 cm Durchmesser dicht verschraubt ist. Legen Sie gesiebten Boden in den Kalibrierbehälter, damit er den Boden des Behälters bis zu einer Tiefe von 6 mm bedeckt. Befeuchten Sie die Bodenprobe und fixieren Sie den Sensorkopf vorsichtig in der Oberseite des Substrats, so dass die Zinken vollständig vergraben sind. Die Drähte müssen möglicherweise gebogen werden, um sicherzustellen, dass der Sensorkopf an Ort und Stelle bleibt und sich während der Kalibrierung nicht bewegt. Sättigen Sie das Substrat (Biokruste oder Boden) mit entionisiertem Wasser, bis eine glänzende Wasserschicht an der Oberfläche sichtbar ist. Lassen Sie das gesättigte Substrat über Nacht trocknen. Bevor Sie mit den Messungen beginnen, überprüfen Sie, ob der Sensorkopf noch an Ort und Stelle ist und die Zinken vollständig im Substrat vergraben sind. Sättigen Sie das Substrat mit entionisiertem Wasser, bis eine glänzende Schicht an der Oberfläche sichtbar ist. Trocknen Sie das Substrat für 15 min. Schließen Sie den zweizackigen Sockelstreifen des Kalibrierboden-Feuchtigkeitskabels an die inneren zwei Zinken des vierzackigen Klemmenstreifens an. Programmieren Sie den Datenlogger, um Messungen jede Minute aufzuzeichnen. Schalten Sie den Datenlogger ein, um mit dem Sammeln von Widerstandsmessungen zu beginnen. Positionieren Sie einen Lüfter, um die Luft sanft über den Kalibrierbehälter zu blasen, wenn keine Gewichte aufgezeichnet werden, um die Trocknung zu fördern. Befeuchten Sie das Substrat mit entionisiertem Wasser, bis ein Glanz an der Oberfläche sichtbar ist. Legen Sie den Kalibrierbehälter mit nassem Boden auf ein Papiertuch, um tropfendes Wasser aufzunehmen. Trennen Sie den Kalibrierbodenfeuchtigkeitsdraht vom vierzackigen Klemmenband. Tippen Sie leicht auf den Behälter, um tropfendes Wasser zu vertreiben. Schalten Sie den Lüfter aus, bevor Sie den Kalibrierbehälter auf die Waage legen. Legen Sie den Behälter auf die Waage und erfassen Sie das Gewicht und die Zeit der Messung. Schließen Sie den Bodenfeuchtigkeitsdraht wieder an den vierzackigen Klemmenstreifen an. Legen Sie den Kalibrierbehälter wieder auf das Papiertuch. Schalten Sie den Lüfter ein, um die Trocknung zu beschleunigen. Nehmen Sie Gewichte alle 15 min auf, bis das Substrat vollständig luftgetrocknet ist. Die vollständige Trocknung wird durch eine geringe oder gar keine Änderung der Kalibrierbehältergewichte zwischen den Messungen angezeigt. Kalibrierbehälter, Kalibriersensorkopf und Substrat für 48 h in einen 60 °C-Trockenschrank stellen. Wiegen Sie das ofengetrocknete Substrat, den Behälter und den Sensorkopf. Sensorkalibrierungsdatenanalyse. Berechnen Sie das Trockensubstratgewicht, indem Sie das in Schritt 4.4.1 ermittelte Trockenkalibrierungsbehältergewicht vom Gewicht des Trockenkalibrierbehälters mit substrat gemäß Schritt 4.4.34 herziehen. Berechnen Sie das Wassergewicht für jeden 15-min-Zeitpunkt oder die Kalibrierung, indem Sie das Gewicht des Trockenkalibrierbehälters mit Substrat (Schritt 4.4.34) von den alle 15 min aufgezeichneten Gewichten subtrahieren. Berechnen Sie den GWC für jeden 15-minuten-Zeitpunkt, indem Sie die Wassergewichte (Schritt 4.5.2) durch das trockene Bodengewicht (4.5.1) dividieren. Passen Sie die Widerstandsmesszeiten auf den GWC von jedem 15-min-Zeitpunkt an, der in Schritt 4.5.3 bestimmt wird. Bestimmen Sie die Kalibrierkurve aus der Regressionsanalyse mit GWCs als abhängigen Variablen und Siemens als unabhängige Variablen (Abbildung 6). Verschiedene Kurventypen (linear, Leistungs- und logarithmisch) eignen sich möglicherweise am besten für die Kalibrierung verschiedener Substrate.

Representative Results

Die Beurteilung des Mikroklimas der Bodenoberfläche ist für das Verständnis und die Vorhersage der biologischen, chemischen und physikalischen Prozesse, die dort stattfinden, von entscheidender Bedeutung. Diese Sonden bieten leistungsstarke Möglichkeiten, das Mikroklima an der Oberflächenschicht des Bodenprofils zu überwachen und sind daher wertvoll für die Beurteilung der biologischen Aktivität in den oberen wenigen Millimetern des Bodens11,12. Diese Sonden wurden entwickelt und verfeinert, um Die Kontrolle über die biologische Bodenkrustenaktivität zu bewerten, da Temperatur und Feuchtigkeit in der Biokruste für ihre Funktion entscheidend sein können2,8,10,12,15. Während diese Sonden jedoch für photosynthetische Böden in Trockengebieten entwickelt wurden, besteht ein großes Potenzial, sie in einer Vielzahl von Systemen umzusetzen und zu beurteilen, wie Temperatur und Feuchtigkeit entlang der Bodentiefenprofile variieren. Diese Sensoren wurden beispielsweise in einem tropischen Walderwärmungsexperiment eingesetzt, um festzustellen, wie wärmende Behandlungen und natürliche Variationen im Klima interagieren, um Kovariationen in Bodenprozessen, Temperatur und Feuchtigkeit zu bestimmen. Dennoch gibt es einige wichtige Überlegungen vor der Implementierung von Bodenoberflächensensoren. Beispielsweise müssen Kalibrierkurven entwickelt werden, um Widerstandseinheiten in häufiger verwendete Metriken der Bodenfeuchte wie GWC umzuwandeln. Der Bodenoberflächensensor misst den Widerstand zwischen den Metallzinken und den Ausgangsleitwerten (die Widerrauchwerte) in Siemens (1/Ohm). Daher muss die Umwandlung von Siemens in Bodenfeuchtigkeit durchgeführt werden. Eine Reihe chemischer und physikalischer Eigenschaften des Bodensubstrats kann die Beziehung zwischen den Leitfähigkeitswerten des Sensors bei Siemens und der Bodenfeuchtigkeit beeinflussen. Daher ist es wichtig, substratspezifische Kalibrierungen durchzuführen, um Sondenwerte in Bodenfeuchtewerte umzuwandeln. Gezeigt werden Kalibrierdaten von drei Substraten, die diese Unterschiede belegen. Abbildung 6 zeigt ausgetrocknete Kalibrierdaten für zwei Proben von jeweils drei Bodensubstraten mit jeweils eigener Sonde. Substrate waren vollständig gesättigt, bis eine kleine Menge Wasser an der Oberfläche sichtbar war. Sondenwiderstände und Bodengewichte wurden alle 15 min gemessen, bis alle Proben trocken waren. Anschließend wurde die Bodenmasse zur Berechnung von GWC verwendet. Abbildung 6 zeigt Regressionen der Leitfähigkeit und des GWC für jede Stichprobe. Zu den Substraten, die für diese Kalibrierungen verwendet werden, gehören Schlammlehmböden (23 % Sand, 64 % Schlick und 13 % Ton), die auf einer experimentellen Feldstation im El Yunque National Forest, Puerto Rico, gesammelt wurden; moosdominierte Biokrusten, die in der Nähe von Castle Valley, Utah gesammelt wurden; und feiner Sandboden (92% Sand, 3% Schlick und 5% Ton) aus experimentellen Erwärmungsflächen in der Nähe von Moab, Utah. Die Notwendigkeit substratspezifischer Sensorkalibrierungen zeigt sich in der Variation der Sondenleitfähigkeit und Bodenfeuchtigkeit für jedes Substrat. Beispielsweise unterschieden sich die Regressionen für die Schlammlehmbodenproben (Abbildung 6a) von den beiden anderen Bodensubstraten. Daher würde die Anwendung der Regressionsgleichung des Schlammlehmbodens auf Moosbiokruste oder umgekehrt zu dramatisch unterschiedlichen Werten führen. Dagegen war die Beziehung zwischen GWC und Sondenwiderständen für den feinen Sandboden (Abbildung 6c) und Moosbiokruste (Abbildung 6b) ähnlich. Der feine Sandboden konnte jedoch nicht so viel Wasser aufnehmen wie das Moos und erlebte entsprechend viel schnelleres Trocknen. Da es Unterschiede innerhalb der Substrate gibt, ist es wichtig, eine ausreichend große Probengröße zu haben, um eine genaue Kalibrierkurve zu erzeugen und individuelle Kalibrierkurven für alle Standorte zu erstellen. In einer experimentellen Umgebung wurden diese Bodenoberflächensensoren verwendet, um die Behandlungseffekte einer Klimamanipulationsstudie in der Nähe von Moab, Utah, USA, zu bewerten. Diese Studie verwendete Infrarotlampen, um die Umgebungstemperatur von Parzellen um 4 °C an der gleichen Stelle und mit ähnlichen Methoden zu erhöhen, die von Wertin et al.17beschrieben wurden. Abbildung 7 zeigt die Durchschnittstemperatur und GWC von beheizten und Kontrollflächen für zwei separate Regenereignisse, die Anfang Mai 2018 aufgetreten sind. Die Durchschnittstemperaturen in den erwärmten Parzellen lagen konstant über den Durchschnittstemperaturen der Kontrollflächen(Abbildung 7a). Im Laufe dieser beiden Regenereignisse registrierten die Widerstandssensoren in den beheizten Parzellen weniger Bodenfeuchtigkeit als die Kontrollen und die beheizten Parzellen trockneten schneller(Abbildung 7b). Es sei darauf hingewiesen, dass Temperaturanstiege zu einer höheren Leitfähigkeit der Böden führen können, diefür 19zu berücksichtigen sind. Die Empfindlichkeit sowohl der Temperatur- als auch der Feuchtigkeitskomponenten dieser Bodenoberflächensensoren ermöglichte es uns, nicht nur Temperaturunterschiede der Erwärmungsbehandlung zu beobachten, sondern auch, wie sie die Feuchtigkeitsdynamik in den Parzellen beeinflusste. Die Wechselwirkungen von Temperatur und Feuchtigkeit wurden in einer Beobachtungsstudie mit diesen Bodenoberflächensensoren weiter untersucht, um das Timing der Feuchtigkeitsverfügbarkeit für Biokrusten während der Frost-Tau-Bedingungen auf dem Colorado Plateau, USA, zu analysieren. Sensoren wurden in die oberen 5 mm Biokrusten gelegt, die hauptsächlich aus dem Moos Syntrichia caninerviszusammengesetzt waren, und Oberflächentemperatur und Feuchtigkeit wurden in den Monaten Januar und Februar 2018 aufgezeichnet. Bei Temperaturen unter 0 °C war die Feuchtigkeit an der Oberfläche des Mooses gefroren, und die Leitfähigkeitswerte des Sensors entsprachen 0 % GWC (Abbildung 8). Bei Temperaturen von mehr als 0 °C schmolz der Frost jedoch an der Moosoberfläche und das flüssige Wasser, das auf dem Widerstandssensor registriert ist. In diesem Fall zeigten gleichzeitige Messungen von Temperatur und Feuchtigkeit, wie die Variablen interagierten, um potenziell biologische Prozesse von Organismen zu beeinflussen, die an der Bodenoberfläche vorhanden sind. Abbildung 1: Bioverkrustete Zwischenräume auf dem Colorado Plateau, USA. In vielen Wüstenökosystemen sind die Räume zwischen den Pflanzen oft mit Biokrustengemeinschaften bedeckt, die aus Flechten, Moosen und Cyanobakterien bestehen. Zwei Bodentemperatur- und Feuchtigkeitssensoren wurden in die Oberfläche der Moosbiokruste gelegt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen. Abbildung 2: Clipping des achtzackigen Klemmenstreifens. Der vergoldete Klemmenstreifen ist mit den oben gebogenen Zinken nach oben ausgerichtet. Die Zinken sind 1 bis 8 nummeriert, beginnend auf der linken Seite und nach rechts bewegend. Die Zangen 2, 4 und 7 werden bündig mit dem Boden des schwarzen Kunststoffs geschnitten. Die Zangen 3, 5 und 6 werden 5 mm unter dem schwarzen Kunststoff geschnitten. Prong 3 stabilisiert die lichtbogengeschweißten Thermoelementdrähte, während der Widerstand zwischen den Zinken 5 und 6 gemessen wird. Diese fungieren als Bodenfeuchtesensor. Die Zangen 1 und 8 dienen als Haltegriffe im Boden. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen. Abbildung 3: Fertiger Sensorkopf. Der modifizierte Sensorkopf und das Thermoelementkabel sind mit flüssigem Elektroband abgedeckt. Es ist wichtig, die Zinken 5 und 6 (der Feuchtigkeitssensor) sauber zu halten und nicht mit flüssigem elektrischem Klebeband beschichtet zu halten, um sicherzustellen, dass es keine Kontamination gibt, die Widerstandsmessungen beeinträchtigen würde. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen. Abbildung 4: Kalibriersensorkopf. Der vierzackige Klemmenstreifen wird an die Drähte gelötet, so dass er vom modifizierten Sensorkopf wegragt. Feuchtigkeitssiegel-Wärmeschrumpfung wird in der Nähe der Klemmenleisten befestigt, um Übersprechen zwischen den Drähten zu verhindern. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen. Abbildung 5: Kalibrierbehälter und Sensorkopf. Der vierzackige Klemmenstreifen ist auf den Behälter geklebt und so ausgerichtet, dass er problemlos an einen zweizackigen Sockelstreifen angeschlossen werden kann. Diese Platzierung ermöglicht es, den Sensorkopf in den Geschnittenschlitz zu platzieren und in das substratdes Substrat von Interesse zu fixieren. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen. Abbildung 6: Sensorkalibrierungen für drei Bodensubstrate. Berechnete Gravimetrische Wassergehalt (GWC)-Prozentsätze, die durch Messung der Bodenmasse während des Substrat-Trockenaustrocknens ermittelt wurden, wurden mit den Leitfähigkeitswerten des Bodensensors aus den Sonden (gemessen in Siemens) verglichen. Die gezeigten Daten beziehen sich auf zwei Proben aus jeweils drei unterschiedlichen Bodensubstraten. Bodensubstrate waren (a) ein Schlammlehmboden, (b) eine Moosbiokruste und (c) ein feiner Sandboden. (a) Das Verhältnis von GWC und Leitfähigkeitswerten in überwiegend schlammigen Lehmböden wurde am besten durch eine Leistungsregression dargestellt. (b) Eine starke lineare Beziehung von GWC und Sensorleitfähigkeit wurde bei Biokrusten beobachtet, die vom Moos Syntrichia caninervisdominiert werden. (c) Eine lineare Regression stellte am besten die Beziehung zwischen GWC- und Sensorleitfähigkeitsmessungen in feinen Sandböden dar. Bei hohen GWC-Werten weichen die Leitfähigkeitswerte von der Kalibrierkurve ab, was auf eine mögliche Begrenzung der Sensoren bei gesättigten Böden hindeutet. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen. Abbildung 7: Temperatur- und gravimetrischer Wassergehalt mit Feldinfraroterwärmungsbehandlungen. Stündliche durchschnittliche Oberflächentemperatur und GWC in 10-min-Intervallen in 5 erwärmten und 5 Kontrollparzellen über 4 Tage aufgezeichnet. Die Daten stammen aus einem globalen Veränderungsexperiment in einem semiariden Steppen-Ökosystem auf dem Colorado Plateau, USA17. Die Daten zeigen, dass Bodenoberflächensensoren Behandlungseffekte erfasst haben. (a) Die Durchschnittstemperaturen an der Bodenoberfläche waren in den erwärmten Parzellen konstant höher. b) Die Auswirkungen der Erwärmung zeigten sich auch in den GWC-Werten, was zeigt, dass erwärmte Parzellenböden schnellere Trocknungszeiten beibehielten. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen. Abbildung 8: Moosbiokrustentemperatur und gravimetrischer Wassergehalt bei Frostereignissen. Durchschnittliche Oberflächentemperatur und GWC von vier Replikationen von Syntrichia caninervis Moos biocrusts aufgezeichnet in 10-min-Intervallen von 9:50 Uhr 24. Januar 2018 bis 11:20 Uhr 25. Januar 2018. Die Nachtstunden werden im grau schattierten Bereich und tagsüber in den unbeschatteten Bereichen dargestellt. Wenn Wasser in Form von Frost auf der Moosoberfläche gefroren war, gab es keine Leitfähigkeit, die vom Sensor gemessen wurde. Somit lag der GWC bei 0. Die Frostbedingungen traten kurz nach Einbruch der Dunkelheit auf, als die Bodentemperatur unter 0 °C fiel. Das Auftauen erfolgte kurz nach Sonnenaufgang, als die Temperaturen über 0 °C stiegen, als der Frost schmolz und das flüssige Wasser von den Sensoren erkannt wurde. Diese Ergebnisse zeigen die Wirksamkeit der Sensoren bei der Unterscheidung von flüssigem Wasser und Eis, was wichtige Auswirkungen auf eine Reihe biologischer Prozesse haben kann. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Discussion

Bodenoberflächentemperatur und Feuchtesonden können effektive Werkzeuge zur Analyse von Temperatur und Wassergehalt an der Bodenoberfläche sein. Mit Ausnahme der von Weber et al.11entwickelten Biocrust Wetness Sonden (BWP) messen gängige Bodentemperatur- und Feuchtigkeitssensoren diese Umweltvariablen an den oberen Wenigen Millimetern der Bodenoberfläche nicht explizit. Zum Zeitpunkt der Entwicklung schätzten die BWP nur die Bodenfeuchtigkeit an der Oberfläche und nicht die Temperatur20. Mit dem ursprünglichen BWP-Design, das als Leitfaden verwendet wurde, wurden die in diesem Manuskript beschriebenen Sonden entwickelt, um gleichzeitig Temperatur und Feuchtigkeit zu messen, um zu beurteilen, wie diese Umweltvariablen miteinander interagieren, sowie mit biologischen, chemischen und physikalischen Prozessen an der Bodenoberfläche.

Es gibt eine Reihe von Überlegungen, um einen optimalen Betrieb dieser Sonden zu gewährleisten. Beim Bau des Sensors ist es wichtig, darauf zu achten, dass die inneren Hüllen nicht durchgeschnitten und die darunter liegenden Metalldrähte freizulegen sind. Dies kann zu Schwankungen in der Leitfähigkeit und Übersprechen zwischen den Drähten führen. Es ist auch wichtig, sowohl die Thermoelemente als auch die Widerstandssensoren für jede Sonde in der gleichen Umgebung zu testen, um zu bestätigen, dass sie ordnungsgemäß konstruiert sind und dass Schwankungen der Messwerte auf physikalische und chemische Unterschiede im Bodensubstrat zurückzuführen sind, die Gemessen. Während des Kalibrierungsprozesses ist eine ausreichend große Probenanzahl von Resistenzen und GWC-Kalibrierungen entscheidend, um Die Variationen in Böden oder Biokrustensubstraten richtig zu berücksichtigen. Außerdem ist es am besten, die gleiche Sonden- und Substratkombination zweimal zu testen, von nass bis trocken, da es üblich ist, dass diese Sonden aufgrund von Elektrolyse oder Korrosion im Laufe der Zeit “driften”. Darüber hinaus ist es wichtig, bei der Kalibrierung flache Substratproben zu verwenden, die nur tief genug sind, um die Sondenlänge (d. h. zwischen 6 und 7 mm) aufzunehmen, so dass gemessene Wassergewichte hauptsächlich im Bereich der Leitfähigkeitsmessungen aus Wasser stammen. (zwischen und um die Sonden). Dadurch wird sichergestellt, dass Veränderungen der Wassermassen im Boden direkt mit Veränderungen der Widerstandsmessungen der Sonden zusammenhängen. Schließlich ist es beim Einsatz dieser Sonden im Feld wichtig, die Sonden ordnungsgemäß an der Bodenoberfläche zu befestigen (z. B. bei nicht leitenden Garteneinsätzen), was Interferenzen bei Leitfähigkeitsmessungen begrenzt, aber sicherstellen kann, dass die Sensoren die Position nicht verschieben. und die Qualität von Langzeitmessungen zu mindern.

Es ist auch wichtig, einige Einschränkungen dieser Sensoren zu beachten. Da die Widerstandssonden nur 5 mm lang sind, können ihre Messungen durch große luftgefüllte Porenräume in Substraten stark beeinflusst werden. Große Luftspalten entlang der Sonden verringern die Konnektivität des Substrats und führen in der Regel zu einer geringeren gemessenen Leitfähigkeit und damit zu einem geringeren geschätzten Wassergehalt, der möglicherweise nicht die tatsächliche Bodenfeuchtigkeit über größere Skalen reflektiert. Ebenso kann die chemische Zusammensetzung der Böden die Werte der Bodenfeuchtigkeit beeinflussen. Ein höherer Salzgehalt erhöht die Leitfähigkeit und führt zu höheren Siemens-Werten21. Beide Probleme sollten mit geeigneten substratspezifischen Kalibrierungen gelöst werden. Einige Böden können jedoch chemische Unterschiede beibehalten oder eine große Porenraumarchitektur aufweisen, die sie zu schlechten Umgebungen für diese Sensoren machen könnte. Die Temperatur wirkt sich auch auf die elektrische Leitfähigkeit der Böden aus und muss daher als15betrachtet werden. In Zukunft sollten Mit diesen Sensoren Temperaturkalibrierungen durchgeführt werden, um zu bestimmen, wie Temperaturen den Widerstand gemessener Substrate verändern.

Wie die von Weber et al.11entwickelten Biocrust Nässessonden zeigen diese Sensorkalibrierungen, dass Widerstandsmessungen bei mittlerem Wassergehalt zuverlässig sind, aber bei sehr hohen und niedrigen Wassergehalten einige Anomalien aufweisen (Abbildung 6). Darüber hinaus lesen Widerstandswerte bei Trockenkalibrierungen gelegentlich Null, wenn noch etwas Wasser in der Substratprobe vorhanden ist. Dies kann daran liegen, dass die Substratmenge im Kalibrierbehälter etwas größer ist als die vom Sensor gemessene Fläche. Wenn Wasser außerhalb des Widerstandsbereichs vorhanden war, würde der Sensor Null lesen, während das Substrat noch Feuchtigkeit vorhanden war. Es wurde darauf geachtet, die Substratgröße zu verringern, ohne die Widerstandsmessungen zu beeinträchtigen. Mit steigendem Wassergehalt sinken die Widerstandswerte innerhalb des Substrats, was zu höheren Siemens-Ausgängen führt. Bei höchstem Wassergehalt steigen jedoch die Widerstandswerte mit steigendem Wassergehalt. Dies führt zu einem “Haken” in den Kalibrierdaten, wie in Abbildung 1Cdargestellt. Dieser Haken war in jedem Substrat vorhanden, das für Kalibrierungen verwendet wurde, war aber in den feinen Sandböden am deutlichsten(Abbildung 6). Weber et al.11 legen nahe, dass eine mögliche Ursache für abnormale Resistenzen bei hohen Wassergehalten darin besteht, dass zusätzliches Wasser Ionen in gesättigten Böden verdünnt und dadurch den Widerstand erhöht.

Diese Sensoren sind derzeit von der Verwendung vorhandener Multiplexer- und Datenlogger-Technologien abhängig. Der Multiplexer ermöglicht das “Ausschalten” der Sensoren und sendet nur zu programmierter Zeit einen Strom an die Sensoren. Dadurch wird verhindert, dass die Bodenfeuchtesensorklemmen korrodieren. Andere elektronische Unternehmen bieten Datenlogger- und Multiplexer-Alternativen für die Sonden an, und programmierbare Leiterplatten und Computer könnten auch für ein drahtloses Design von Bodentemperatur- und Feuchtigkeitssensoren integriert werden, die eine spannenden Fortschritt.

Das Entwerfen und Erstellen von Sensoren ermöglicht es dem Forscher, die Sonden anzupassen. Die Länge und Richtung der Zinken kann manipuliert werden, um Feuchtigkeit in verschiedenen Medien oder in unterschiedlichen Tiefen besser einzuschätzen. Die kundenspezifische Verdrahtung kann so bestellt werden, dass Designs mit mehreren Sensorköpfen aus demselben Kabel stammen. Mit der kostengünstigen Datenerfassung und Multiplexer-Optionen bieten diese Sensoren eine kostengünstige und zugängliche Option für Forscher, Temperatur und Bodenfeuchtigkeit an der Bodenoberfläche zu messen. Dazu gehören die Messung schwer zu erfassender Ereignisse wie Frost- und Taubildung(Abbildung 8) und experimentelle Behandlungseffekte wie Erwärmung (Abbildung 7). Dieses Papier bietet eine Schritt-für-Schritt-Anleitung für den Aufbau von Bodenoberflächensensoren, die gleichzeitig Temperatur und Feuchtigkeit messen, die von jedem, der an der Bewertung der Umwelt von Biokrustengemeinschaften und den Surficial-Schichten vieler anderer Bodentypen interessiert ist, verwendet und verfeinert werden können.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Wir danken Robin Reibold für sein sorgfältiges Bogenschweißen und Cara Lauria für ihre Präzision bei Kalibrierungen. Wir danken Dr. Steve und drei anonymen Rezensenten für ihre hilfreichen Kommentare zu einem früheren Entwurf dieses Manuskripts. Diese Arbeit wurde vom U.S. Geological Survey Land Change Science Program und dem U.S. Department of Energy Office of Science, Office of Biological and Environmental Research Terrestrial Ecosystem Sciences Program (Awards 89243018SSC000017 und DESC-0008168) unterstützt. Die Arbeit von BW wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (Grants WE2393/2-1, 2-2), der Max-Planck-Gesellschaft und der Universität Graz unterstützt. Jegliche Verwendung von Handels-, Firmen- oder Produktnamen dient nur zu beschreibenden Zwecken und impliziert keine Billigung durch die US-Regierung.

Materials

Single sensor audio cable alliedelec.com Allied Stock #: 70004848 Cable; 1Pr; 22AWG; 7×30; TC; PP ins; Foil; Black PVC jkt; CMR
Double sensor audio cable alliedelec.com Allied Stock #: 70004635 Cable; 2Pr; 22AWG; 7×30; TC; PP ins; Foil; Black LSZH jkt; CMG-LS
Thermocouple cable Omega.com Part #: TT-E-24-TWSH-SLE-(Desired length) Type E, 24 ga, PFA (teflon coated), twisted shielded, special limits of error
Eight prong terminal strip Samtec.com MTSW-108-21-G-S-1130-RA
Four prong terminal strip Samtec.com MTSW-104-21-G-S-1130-RA
Two prong socket strip Samtec.com SSW-102-03-G-S
0.13" moisture-seal heat shrink tubing McMaster.com Part #: 7861K51
0.25" moisture-seal heat shrink tubing McMaster.com Part #: 7861K53
0.38" moisture-seal heat shrink tubing McMaster.com Part #: 7861K54
0.5" moisture-seal heat shrink tubing McMaster.com Part #: 7861K55
Liquid electrical tape McMaster.com Part #: 76425A23
Metal film resistor Newark.com Part #: RN55C1001BB14
Voltage divider resistor Newark.com Part #: 83F1210
16- or 32-Channel Relay Multiplexer campbellsci.com AM16/32B This relay multiplexer is critical for the sensors to function correctly
CR1000X Measurement and Control Datalogger campbellsci.com CR1000X
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Howell, A., Tucker, C., Grote, E. E., Veste, M., Belnap, J., Kast, G., Weber, B., Reed, S. C. Manufacturing Simple and Inexpensive Soil Surface Temperature and Gravimetric Water Content Sensors. J. Vis. Exp. (154), e60308, doi:10.3791/60308 (2019).
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