Fabricação de sensores de temperatura de superfície do solo simples e baratos e sensores de conteúdo de água gravimétrica
Summary
Medir com precisão a temperatura e o teor de água dos 5 mm superiores da superfície do solo pode melhorar nossa compreensão dos controles ambientais em processos biológicos, químicos e físicos. Aqui descrevemos um protocolo para fabricação, calibração e realização de medições com a temperatura da superfície do solo e sensores de umidade.
Abstract
Quantificar a temperatura e a umidade na superfície do solo é essencial para compreender como a biota da superfície do solo responde às mudanças no ambiente. No entanto, na superfície do solo essas variáveis são altamente dinâmicas e sensores padrão não medem explicitamente a temperatura ou a umidade nos poucos milímetros superiores do perfil do solo. Este artigo descreve métodos para fabricação de sensores simples e baratos que medem simultaneamente a temperatura e a umidade dos 5 mm superiores da superfície do solo. Além da construção de sensores, são explicadas etapas de controle de qualidade, bem como para calibração de vários substratos. Os sensores incorporam um termocasal tipo E para medir a temperatura e avaliar a umidade do solo medindo a resistência entre duas sondas de metal banhadas a ouro no final do sensor a uma profundidade de 5 mm. Os métodos apresentados aqui podem ser alterados para personalizar sondas para diferentes profundidades ou substratos. Esses sensores têm sido eficazes em uma variedade de ambientes e suportaram meses de chuvas fortes em florestas tropicais, bem como intensa radiação solar em desertos do sudoeste dos EUA Resultados demonstram a eficácia desses sensores para avaliar aquecimento, secagem e congelamento da superfície do solo em um experimento de mudança global.
Introduction
Os sensores ambientais são ferramentas críticas para avaliar, monitorar e entender a dinâmica do ecossistema. Temperatura e umidade são fatores fundamentais dos processos biológicos nos solos e influenciam a atividade e composição comunitária dos organismos do solo1,2. Além disso, a temperatura e a umidade têm demonstrado afetar o momento do surgimento de mudas e das taxas de decomposição de lixo3,4,5. Nos ecossistemas de terras secas, as superfícies do solo não cobertas por plantas vasculares são muitas vezes cobertas com comunidades de musgos, líquens e cianobactérias, conhecidas como crosta biológica do solo (biocrosta) (Figura 1). Estas comunidades existem na superfície do solo e raramente penetram mais profundo do que alguns milímetros no solo6. Crostas biológicas do solo podem influenciar fortemente a estabilização do solo, infiltração de água e taxas de evaporação, albedo, temperatura, ciclismo de nutrientes, e solo-atmosfera CO2 troca7,8,9. Por sua vez, para alguns sistemas, a atividade dessas comunidades de superfície pode dominar os atributos gerais do solo e as taxas de vários processos10. Sensores que focam explicitamente medições em profundidades rasas podem nos ajudar a entender melhor como a temperatura e a umidade do surficial afetam a germinação de sementes, as taxas de decomposição e as respostas da biota da superfície do solo, bem como muitas outras funções do ecossistema.
Desenvolvimentos recentes na tecnologia de sensores de solo têm mostrado a importância de medições espacialmente explícitas para a compreensão de processos biológicos na superfície do solo11,12. Os métodos convencionais para analisar a umidade do solo incorporam sensores colocados abaixo da superfície do solo e muitas vezes integram medições através das profundidades. A umidade do solo registrada por essas sondas pode ajudar a informar nossa compreensão dos controles ambientais em organismos do solo, mas provavelmente perder muitas das nuances que ocorrem na superfície do solo. Para medir explicitamente o conteúdo de água dos poucos milímetros superiores do solo, Weber et al. desenvolveram recentemente sondas de umidade biocrustada (BWP) que determinam a umidade do solo através da condutividade elétrica da superfície do solo a uma profundidade de 3 mm11. Usando os sensores de Weber em conjunto com sondas de umidade integradas de 0 a 5 cm, Tucker et al. demonstraram a importância dos sensores de umidade que se concentram nos poucos milímetros superiores da superfície do solo. Em particular, pequenos eventos de precipitação, que foram altamente relevantes para a atividade das comunidades biocrustais, não se registraram para as sondas integradas de 0-50 mm (ou seja, 5 cm) e só foram detectados pelas BWPs12. Sensores focados nos poucos milímetros superiores dos solos são essenciais para medir eventos de umidade que não são grandes o suficiente para se infiltrar após a superfície, mas são suficientes para induzir respostas da biota na superfície.
A temperatura da superfície do solo é outro importante fator ambiental que impulsiona os processos fisiológicos. As temperaturas da superfície do solo diurno podem ser altamente variáveis, especialmente em espaços vegetais onde a superfície do solo não hadalado é exposta a grandes quantidades de radiação solar. Além disso, a temperatura é mais variável na superfície do solo do que mais profunda no perfil do solo13 ou no ar14. Por exemplo, Tucker et al. mostraram uma faixa máxima de temperatura da superfície diurna do solo de quase 60 °C (13-72 °C) ocorrendo em apenas 24 h. Estas temperaturas foram medidas usando termocasais inseridos 3 mm na superfície do solo. Enquanto isso, as sondas de temperatura próximas de 50 mm de profundidade mediram um intervalo de apenas 30 °C (22-52 °C) durante o mesmo dia12. Os termocasais que medem explicitamente a temperatura na superfície do solo apresentaram variação muito maior do que os sensores em profundidades de 50 mm, já que os solos superficiais estavam 10 °C mais frios à noite e 20 °C mais quentes durante o calor do dia em relação aos valores de 50 mm de profundidade.
A temperatura representa um controle crítico sobre processos fisiológicos. Por exemplo, em constantes umidades do solo em condições de laboratório, as perdas de CO2 do solo aumentam drasticamente com o aumento das temperaturas na maioria dos ecossistemas2,15,16. Da mesma forma, dados de estudos de manipulação climática de campo que visam aumentar as temperaturas do enredo em relação aos controles mostraram que os solos aquecidos liberam mais CO2 do que solos não aquecidos próximos (pelo menos nos primeiros anos de tratamentos17,18)e que solos biocrustados mostram uma resposta semelhante ao aquecimento7,9. Tanto a temperatura quanto a umidade foram demonstradas como importantes variáveis ambientais e sensores que podem capturar com precisão as condições climáticas da superfície do solo podem elucidar como eles influenciam os processos fisiológicos dos organismos na superfície do solo11,12.
Este artigo apresenta sensores projetados para medir a temperatura e a umidade a uma profundidade de 5 mm abaixo da superfície do solo, oferecendo energia significativa na avaliação de como essas variáveis interagem e impulsionam as respostas biológicas da biota surficial. O termopar tipo E é feito de dois metais (cromo e constantan), e as mudanças de temperatura nos metais criam diferentes tensões que são registradas por um registrador de dados. O sensor de umidade do solo mede a resistência entre duas pontas de metal banhadas a ouro. A resistência é afetada pelo índice de água do solo, porque mais água aumenta a condutância e diminui assim a resistência entre os pinos. Seguindo o projeto de Weber et al.11, estes sensores medem a umidade do solo a uma profundidade de 5 milímetros e incluem adicionalmente um thermocouple para medir a temperatura na mesma ponta de prova. Estes sensores permitem uma visão refinada de como a temperatura e a dinâmica da umidade variam em conjunto na superfície do solo usando uma única sonda. Essas sondas oferecem inúmeras oportunidades para explorar como os organismos que vivem na superfície respondem às mudanças em seu ambiente. Um benefício adicional desses sensores é que eles são relativamente simples e baratos de construir e calibrar, e os pesquisadores serão facilmente capazes de adotar seu uso.
O protocolo a seguir descreve em detalhes os materiais e métodos para a construção dos sensores, incluindo um esboço para conectar os sensores aos registradores de dados. Esses sensores usavam madeireiros comercialmente disponíveis, mas qualquer registrador de dados que possa ser anexado a um multiplexer pode ser usado. Métodos para calibrar os sensores para os substratos de interesse também são descritos.
Protocol
Representative Results
Discussion
A temperatura da superfície do solo e as sondas de umidade podem ser ferramentas eficazes para analisar a temperatura e o conteúdo de água na superfície do solo. Com exceção das sondas de umidade biocrustadas (BWP) desenvolvidas por Weber et al.11, a temperatura comum do solo e os sensores de umidade não medem explicitamente essas variáveis ambientais nos poucos milímetros superiores da superfície do solo. No momento do desenvolvimento, os BWPs estimaram apenas a umidade do solo na superfície e não a temperatura20. Com o projeto bwp original usado como um guia, as sondas descritas neste manuscrito foram desenvolvidas para medir simultaneamente a temperatura e a umidade para avaliar como essas variáveis ambientais interagem entre si, bem como com processos biológicos, químicos e físicos na superfície do solo.
Há uma série de considerações para garantir o funcionamento ideal dessas sondas. Ao construir o sensor, é importante tomar cuidado para não cortar as bainhas internas e expor os fios de metal subjacentes. Isso pode levar a variações na condução e crosstalk entre os fios. Também é fundamental testar tanto os termocasais quanto os sensores de resistividade para cada sonda no mesmo ambiente, para confirmar que eles são devidamente construídos e que as variações nas leituras se devem às diferenças físicas e químicas no substrato do solo Medido. Durante o processo de calibração, um número de amostra grande o suficiente de resistência e calibrações GWC é fundamental para explicar adequadamente a variação nos substratos do solo ou da biocrosta. Além disso, é melhor testar a mesma combinação de sonda e substrato duas vezes, de molhado a seco, pois é comum que essas sondas ‘derivam’ ao longo do tempo devido à eletrólise ou corrosão. Além disso, durante a calibração, é importante usar amostras de substrato rasas que são apenas profundas o suficiente para acomodar o comprimento da sonda (ou seja, entre 6 e 7 mm), de modo que os pesos de água medidos são provenientes de água principalmente na área das medições de condução (entre e em torno das sondas). Isso garante que as mudanças na massa de água nos solos estejam diretamente relacionadas a mudanças nas medições de resistência das sondas. Finalmente, ao implantar essas sondas no campo, é importante proteger adequadamente as sondas para a superfície do solo (por exemplo, com estacas de jardim não condutoras), o que limitará a interferência nas medições de condução, mas pode garantir que os sensores não mudem de posição e diminuir a qualidade das medições a longo prazo.
Também é importante notar algumas limitações desses sensores. Como as sondas de resistividade têm apenas 5 mm de comprimento, suas medições podem ser fortemente afetadas por grandes espaços de poros cheios de ar em substratos. Grandes lacunas de ar ao longo das sondas diminuem a conectividade do substrato e geralmente levam a uma menor condutividade medida e, portanto, reduzem o teor de água estimado, o que pode não refletir a umidade real do solo em escalas maiores. Da mesma forma, a composição química dos solos pode afetar as leituras de umidade do solo. Maior salinidade aumentará a condutividade e levará a valores mais elevados da Siemens21. Ambos os problemas devem ser resolvidos com calibrações específicas de substrato adequadas. Entretanto, alguns solos podem manter diferenças químicas ou ter a arquitetura grande do espaço do pore que poderia lhes fazer ambientes pobres para estes sensores. A temperatura também afeta a condutividade elétrica dos solos e, portanto, deve ser considerada15. No futuro, as calibrações de temperatura com esses sensores devem ser conduzidas para determinar como as temperaturas alteram a resistência dos substratos medidos.
Como as sondas de umidade biocrustdesenvolvidas por Weber et al.11,essas calibrações de sensores mostram que as medições de resistência são confiáveis no conteúdo de água média, mas que experimentam algumas anormalidades em conteúdos de água muito altos e baixos (Figura 6). Além disso, durante as calibrações de aquete, os valores de resistência ocasionalmente são lidos zero quando ainda havia alguma água presente na amostra de substrato. Isto poderia ser devido à quantidade de substrato no recipiente de calibração ser ligeiramente maior do que a área medida pelo sensor. Se a água estivesse presente fora da área de resistividade, o sensor seria lido zero enquanto o substrato ainda tinha umidade presente. Foi tomado cuidado para diminuir o tamanho do substrato sem comprometer as medidas de resistência. À medida que o conteúdo da água aumenta, os valores de resistência dentro do substrato diminuem, levando a maiores saídas da Siemens. No entanto, com o maior teor de água, os valores de resistência aumentam com o aumento do teor de água. Isso leva a um “gancho” nos dados de calibração, como visto na Figura 1C. Este gancho estava presente em cada substrato usado para calibrações, mas foi mais proeminente nos solos de areia fina (Figura 6). Weber et al.11 sugerem que uma causa potencial para aumentos anormais da resistência em índices elevados da água é que a água adicional dilui íons em solos saturados, aumentando desse modo a resistência.
Esses sensores são atualmente dependentes do uso de multiplexer existente e tecnologias de registro de dados. O multiplexer permite que os sensores sejam “desligados” e só envia uma corrente para os sensores em um horário programado. Isso impede que os terminais do sensor de umidade do solo corroam. Outras empresas eletrônicas fornecem alternativas de registrador de dados e multiplexer para as sondas, e placas de circuito programáveis e computadores também podem ser incorporados para um design sem fio de sensores de temperatura e umidade do solo, o que poderia representar um avanço emocionante.
Projetar e construir sensores permite ao pesquisador personalizar as sondas. O comprimento e a direção das pinças podem ser manipulados para avaliar melhor a umidade em diferentes meios ou em diferentes profundidades. A fiação feita encomenda pode ser requisitada para permitir projetos com as cabeças múltiplas do sensor que emanam do mesmo cabo. Com a adição de opções baratas de registro de dados e multiplexer, esses sensores fornecem uma opção barata e acessível para os pesquisadores medirem a temperatura e a umidade do solo na superfície do solo. Isso inclui medir eventos difíceis de capturar, como geada e formação de orvalho (Figura 8),e efeitos experimentais do tratamento, como aquecimento (Figura 7). Este artigo fornece um guia passo a passo para a construção de sensores de superfície do solo que medem simultaneamente a temperatura e a umidade, que podem ser usadas e refinadas por qualquer pessoa interessada em avaliar o ambiente das comunidades de biocrosta e as camadas de surficial de muitos outros tipos de solo.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Agradecemos robin Reibold por sua cuidadosa arco de soldagem e Cara Lauria por sua precisão durante calibrações. Estamos gratos ao Dr. Steve Fick e três revisores anônimos por seus comentários úteis sobre um rascunho anterior deste manuscrito. Este trabalho foi apoiado pelo Programa de Ciência da Mudança De Terra do Serviço Geológico dos EUA e pelo Escritório de Ciência do Departamento de Energia dos EUA, pelo Escritório de Pesquisa Sem Ecossistemas Terrestres de Pesquisa Biológica e Ambiental (Awards 89243018SC000017 e DESC-0008168). O trabalho da BW foi apoiado pela German Research Foundation (Grants WE2393/2-1, 2-2), a Sociedade Max Planck e pela Universidade de Graz. Qualquer uso de nomes de comércio, empresa ou produtos é apenas para fins descritivos e não implica endosso do governo dos EUA.
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 |
References
- Phillipot, L., Hallin, S., Schloter, M., Sparks, D. L. Ecology of denitrifying prokaryotes in agricultural soil. Advances in Agronomy. 96, 249-330 (2007).
- Grote, E. E., Belnap, J., Housman, D. C., Sparks, J. P. Carbon exchange in biological soil crust communities under differential temperatures and soil water contents: implications for global change. Global Change Biology. 16 (10), 2763-2774 (2010).
- Thompson, K., Grime, J. P., Mason, G. Seed Germination in response to diurnal fluctuations in temperature. Nature. 267, 147-149 (1977).
- Doneen, L. D., MacGillivray, J. H. Germination (emergence) of vegetable seed as affected by different soil moisture conditions. Plant Physiology. 18 (3), 524-529 (1943).
- Kirshbaum, M. U. F. The temperature dependence of soil organic matter decomposition, and the effect of global warming on soil organic C storage. Soil Biology and Biochemistry. 27 (6), 753-760 (1995).
- Garcia-Pichel, F., et al. Small-scale vertical distribution of bacterial biomass and diversity in biological soil crusts from arid lands in the Colorado Plateau. Microbial Ecology. 46, 312 (2003).
- Belnap, J., Büdel, B., Lange, O. L., Belnap, J., Lange, O. . Biological Soil Crusts: Structure, Function, and Management. , 263-279 (2003).
- Darrouzet-Nardi, A., Reed, S. C., Grote, E. E., Belnap, J. Observations of net soil exchange of CO2 in a dryland show experimental warming increases carbon losses in biocrust soils. Biogeochemistry. 126, 363-378 (2015).
- Rutherford, W. A., et al. Albedo feedbacks to future climate via climate change impacts on dryland biocrust. Scientific Reports. 7, 44188 (2017).
- Maestre, F. T., et al. Changes in biocrust cover drive carbon cycle responses to climate change in drylands. Global Change Biology. 19 (12), 3835-3847 (2013).
- Weber, B., et al. Development and calibration of a novel sensor to quantify the water content of surface soils and biological soil crusts. Methods in Ecology and Evolution. 7, 14-22 (2016).
- Tucker, C. L., et al. The concurrent use of novel soil surface microclimate measurements to evaluate CO2 pulses in biocrusted interspaces in a cool desert ecosystem. Biogeochemistry. 135 (3), 239-249 (2017).
- Pierson, F. B., Wight, J. R. Variability of near-surface soil temperature on sagebrush rangeland. Journal of Range Management. 44 (5), 491-497 (1991).
- Jin, M., Dickenson, R. E. Land surface skin temperature climatology: benefitting from the strengths of satellite observations. Environmental Research Letters. 5 (4), 044004 (2010).
- Lange, O. L., Belnap, J., Lange, O. Photosynthesis of soil-crust biota as dependent on environmental factors. Biological soil crusts: characteristics and distribution. Biological Soil Crusts: Structure, Function, and Management. 18, 217-240 (2003).
- Davidson, E. A., Janssens, I. A., Luo, Y. On the variability of respiration in terrestrial ecosystems: moving beyond Q10. Global Change Biology. 12 (2), 154-164 (2005).
- Wertin, T. M., Belnap, J., Reed, S. C. Experimental warming in a dryland community reduced plant photosynthesis and soil CO2 efflux although the relationship between the fluxes remained unchanged. Functional Ecology. 31, 297-305 (2017).
- Darrouzet-Nardi, A., Reed, S. C., Grote, E. E., Belnap, J. Patterns of longer-term climate change effects on CO2 efflux from biocrusted soils differ from those observed in the short term. Biogeosciences. 15 (14), 4561-4573 (2018).
- McNeill, D. J. Rapid, Accurate Mapping of Soil Salinity by Electromagnetic Ground Conductivity Meters. Soil Science Society of America. 30, 209-229 (1992).
- Scholz, S., Ruckteschler, N., Gypser, S., Weber, B. Determination of drying and rewetting cycles of moss-dominated biocrusts using a novel biocrust wetness probe. Poster session presented at GfÖ Annual Meeting. , (2018).
- Rhoades, J. D., Ingvalson, R. D. Determining Salinity in Field Soils with Soil Resistance Measurements. Soil Science Society of America. 35 (1), 54-60 (1971).
