Basit ve Ucuz Toprak Yüzey Sıcaklığı ve Gravimetrik Su İçerik Sensörleri İmalatı
Summary
Toprak yüzeyinin üst 5 mm’lik sıcaklığının ve su içeriğinin doğru bir şekilde ölçülmesi, biyolojik, kimyasal ve fiziksel süreçler üzerindeki çevresel kontroller hakkındaki anlayışımızı geliştirebilir. Burada toprak yüzey sıcaklığı ve nem sensörleri ile üretim, kalibrasyon ve ölçümler iletme için bir protokol açıklıyoruz.
Abstract
Toprak yüzeyindeki sıcaklık ve nemi ölçmek, toprak yüzeyi biotasının çevredeki değişikliklere nasıl tepki verebildiğini anlamak için gereklidir. Ancak, toprak yüzeyinde bu değişkenler son derece dinamiktir ve standart sensörler toprak profilinin üst birkaç milimetresindeki sıcaklığı veya nemi açıkça ölçmez. Bu makalede, toprak yüzeyinin üst 5 mm’sinin sıcaklığını ve nemini aynı anda ölçen basit ve ucuz sensörler inüretim yöntemleri açıklanmaktadır. Sensör yapısına ek olarak, kalite kontrol ve çeşitli yüzeyleriçin kalibrasyon için adımlar açıklanmıştır. Sensörler, sensörün sonundaki iki altın kaplama metal prob arasındaki direnci 5 mm derinlikte ölçerek sıcaklığı ölçmek ve toprak nemini değerlendirmek için Bir E tipi termokupl içerir. Burada sunulan yöntemler, probları farklı derinlikler veya yüzeyler için özelleştirmek için değiştirilebilir. Bu sensörler çeşitli ortamlarda etkili olmuştur ve tropikal ormanlarda şiddetli yağmurlar ay yanı sıra güneybatı ABD Sonuçları çöllerde yoğun güneş radyasyonu bu sensörlerin etkinliğini değerlendirmek için göstermek dayanmış küresel bir değişim deneyinde toprak yüzeyinin ısınması, kuruması ve dondurulması.
Introduction
Çevre sensörleri ekosistem dinamiklerini değerlendirmek, izlemek ve anlamak için kritik araçlardır. Sıcaklık ve nem, topraklardaki biyolojik süreçlerin temel itici güçlerindir ve toprak organizmalarının aktivitesini ve topluluk kompozisyonunu etkiler1,2. Ayrıca, sıcaklık ve nem fide ortaya çıkma ve çöp ayrışma oranları3,4,5zamanlamasını etkilediği gösterilmiştir. Kurak arazi ekosistemlerinde, vasküler bitkilerle kaplanmayan toprak yüzeyleri genellikle biyolojik toprak kabuğu (biocrust) olarak bilinen yosun, liken ve siyanobakteri topluluklarıyla kaplıdır(Şekil 1). Bu topluluklar toprak yüzeyinde bulunur lar ve nadiren toprağa birkaç milimetreden daha derine nüfuz eder6. Biyolojik toprak kabukları kuvvetle toprak stabilizasyonu etkileyebilir, su infiltrasyon ve buharlaşma oranları, albedo, sıcaklık, besin bisiklet, ve toprak atmosferi CO2 değişimi7,8,9. Buna karşılık, bazı sistemler için bu yüzey topluluklarının etkinliği genel toprak öznitelikleri ve çeşitli süreçlerin oranları hakim olabilir10. Ölçümleri açıkça sığ derinliklere odaklayan sensörler, sörf sıcaklığı ve neminin tohum çimlenme, ayrışma oranları ve toprak yüzeyi biotalarının yanı sıra diğer birçok ekosistem fonksiyonunu nasıl etkilediğini daha iyi anlamamıza yardımcı olabilir.
Toprak sensörü teknolojisindeki son gelişmeler, toprak yüzeyindeki biyolojik süreçlerin anlaşılması için mekansal olarak açık ölçümlerin önemini göstermiştir11,12. Toprak nemini analiz etmek için kullanılan geleneksel yöntemler, toprak yüzeyinin altına yerleştirilen sensörleri bir leştirir ve genellikle ölçümleri derinlikler arasında entegre eder. Bu sondalar tarafından kaydedilen toprak nemi, toprak organizmaları üzerindeki çevresel kontroller hakkındaki anlayışımızı anlamamıza yardımcı olabilir, ancak büyük olasılıkla toprak yüzeyinde meydana gelen nüansların çoğunu kaçırabilir. Toprağın en üst birkaç milimetresundaki su içeriğini açıkça ölçmek için, Weber ve ark. toprak yüzeyinin elektriksel iletkenliği ile 3 mm11derinliğe kadar toprak nemini belirleyen biyokabuk ıslaklık probları (BWP) geliştirmiştir. Tucker ve ark. 0 ila 5 cm entegre nem probları ile birlikte Weber sensörleri kullanarak toprak yüzeyinin üst birkaç milimetre odaklanmak nem sensörleri önemini gösterdi. Özellikle, biocrust toplulukların aktivitesi ile son derece alakalı olan küçük yağış olayları, 0-50 mm (yani, 5 cm) entegre problar için kayıt olmadı ve sadece BWPs12tarafından tespit edildi. Toprağın üst birkaç milimetre sine odaklanan sensörler, yüzeye sızacak kadar büyük olmayan ancak yüzeydeki biyotadan gelen tepkileri tetiklemek için yeterli olan nem olaylarını ölçmek için gereklidir.
Toprak yüzey sıcaklığı fizyolojik süreçleri yönlendiren bir diğer önemli çevresel faktördür. Diurnal toprak yüzey sıcaklıkları son derece değişken olabilir, özellikle gölgesiz toprak yüzeyinin büyük miktarlarda güneş radyasyonuna maruz kaldığı bitki araalanlarında. Ayrıca, sıcaklık toprak profili13 veya hava14daha derin daha toprak yüzeyinde daha değişkendir. Örneğin, Tucker ve ark. sadece 24 saat üzerinde meydana gelen yaklaşık 60 °C (13-72 °C) maksimum diurnal toprak yüzey sıcaklık aralığı gösterdi. Bu sıcaklıklar toprak yüzeyine 3 mm yerleştirilen termokupllar kullanılarak ölçüldü. Bu arada, yakındaki sıcaklık probları 50 mm derinliğinde sadece 30 °C (22-52 °C) aynı gün12bir aralık ölçülür. Toprak yüzeyindeki sıcaklığı açıkça ölçen termoçiftler, 50 mm derinlikteki sensörlerden çok daha yüksek bir varyasyon gösterdi, çünkü yüzey toprakları gece 10 °C daha soğuk, günün sıcağında ise 50 mm derinliğindeki değerlere göre 20 °C daha sıcaktı.
Sıcaklık fizyolojik süreçler üzerinde kritik bir kontrol temsil eder. Örneğin, laboratuvar koşullarında sabit toprak nemlerinde, çoğu ekosistemde artan sıcaklıklarla birlikte topraktan kaynaklanan CO2 kayıpları önemli ölçüde artmaktadır2,15,16. Benzer şekilde, kontrollere göre arazi sıcaklıkları artırmayı amaçlayan alan iklim manipülasyon çalışmaları verileri ısıtılmış topraklar yakındaki ısıtılmamış topraklara göre daha fazla CO2 serbest göstermiştir (tedavilerin ilk yıllarında en azından17,18) ve biyokabuklu topraklar ısınma benzer bir tepki göstermektedir7,9. Hem sıcaklık hem de nem önemli çevresel değişkenler olduğu gösterilmiştir ve toprak yüzeyi iklim koşullarını doğru bir şekilde yakalayabilen sensörler, toprak yüzeyindeki organizmaların fizyolojik süreçlerini nasıl etkilediğini açıklayabilir11,12.
Bu kağıt, hem sıcaklığı hem de nemi toprak yüzeyinin 5 mm derinliğinde ölçmek için tasarlanmış sensörler sunarak, bu değişkenlerin sörf biyotalarından gelen biyolojik tepkileri nasıl etkileyip yönlendirdiğini değerlendirmede önemli bir güç sunar. E tipi termokupl iki metalden (krom ve constantan) oluşur ve metallerdeki sıcaklık değişimleri bir veri kaydedici tarafından kaydedilen farklı voltajlar oluşturur. Toprak nem sensörü iki altın kaplama metal uçlu arasındaki direnci ölçer. Daha fazla su iletkenliği artırır ve böylece prongs arasındaki direnci azaltır, çünkü direnç, toprak su içeriği etkilenir. Weber ve ark.11’intasarımını takiben, bu sensörler toprak nemini 5 mm derinliğe kadar ölçer ve aynı probüzerindeki sıcaklığı ölçmek için bir termokupl içerir. Bu sensörler, tek bir sonda kullanarak sıcaklık ve nem dinamiğinin toprak yüzeyinde nasıl değiştiğini niçin gözden çıkarabilirsiniz. Bu sondalar, yüzeyde yaşayan organizmaların çevrelerindeki değişikliklere nasıl tepki verdiklerine dair sayısız fırsat sunar. Bu sensörlerin bir diğer yararı da, bunların nispeten basit ve ucuz olması ve kalibre edilmesidir ve araştırmacılar kullanımlarını kolayca benimseyebileceklerdir.
Aşağıdaki protokol, sensörleri veri kaydedicilere bağlamak için bir anahat da dahil olmak üzere sensörleri oluşturmak için gerekli malzeme ve yöntemleri ayrıntılı olarak açıklar. Bu sensörler ticari olarak kullanılabilir loggers kullanılan, ancak bir çoklayıcı eklenebilir herhangi bir veri kaydedici kullanılabilir. Sensörleri ilgi nin substratlarına göre ayarlama yöntemleri de açıklanmıştır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Toprak yüzey sıcaklığı ve nem probları toprak yüzeyindeki sıcaklık ve su içeriğini analiz etmek için etkili araçlar olabilir. Weber ve ark.11tarafından geliştirilen Biocrust Islak Problar (BWP) dışında, ortak toprak sıcaklığı ve nem sensörleri açıkça toprak yüzeyinin üst birkaç milimetre bu çevresel değişkenleri ölçmek yok. Geliştirme sırasında, BWPs sadece yüzeyde toprak nem değil, sıcaklık20tahmini. Kılavuz olarak kullanılan orijinal BWP tasarımı ile, bu el yazmasında tanımlanan problar aynı anda sıcaklık ve nemi ölçmek için geliştirildi ve bu çevresel değişkenlerin birbirleriyle nasıl etkileştiğini ve toprak yüzeyindeki biyolojik, kimyasal ve fiziksel süreçleri değerlendirdi.
Bu sondaların en iyi şekilde çalışmasını sağlamak için göz önünde bulundurulması gereken birkaç husus vardır. Sensörü yaparken, iç kılıfları kesmemeye ve altta yatan metal telleri açığa çıkarmamaya dikkat etmek önemlidir. Bu kablolar arasında iletkenlik ve çapraz konuşma varyasyona yol açabilir. Aynı ortamda ki her prob için hem termokuplları hem de direnç sensörlerini test etmek, doğru şekilde inşa edildiklerini ve okumalarda ki farklılıkların toprak yüzeyindeki fiziksel ve kimyasal farklılıklardan kaynaklandığını doğrulamak için çok önemlidir. Ölçülen. Kalibrasyon işlemi sırasında, yeterince büyük bir numune sayısı direnci ve GWC kalibrasyonları toprak veya biocrust yüzeylerdeki değişimi doğru bir şekilde hesaba katmak için önemlidir. Ayrıca, aynı prob ve substrat kombinasyonunu ıslaktan kuruya kadar iki kez test etmek en iyisidir, çünkü bu probların zaman içinde elektroliz veya korozyon nedeniyle ‘sürüklenmeleri’ yaygındır. Ayrıca, kalibrasyon sırasında sadece prob uzunluğunu (yani 6 ila 7 mm arasında) sığ substrat numuneleri kullanmak önemlidir, böylece ölçülen su ağırlıkları öncelikle iletkenlik ölçümleri alanında sudan dır. (problar arasında ve çevresinde). Bu, topraktaki su kütlesindeki değişikliklerin probların direnç ölçümlerinde yapılan değişikliklerle doğrudan ilişkili olmasını sağlar. Son olarak, bu probları tarlaya yerleştirirken, probların toprak yüzeyine (örneğin, iletken olmayan bahçe kazıkları ile) düzgün bir şekilde sabitlemesi önemlidir, bu da iletkenlik ölçümlerinde paraziti sınırlandırabilir ancak sensörlerin konum değiştirmemesini sağlayabilir. ve uzun vadeli ölçümlerin kalitesini azaltır.
Ayrıca bu sensörlerin bazı sınırlamalar dikkat etmek önemlidir. Direnç probları sadece 5 mm uzunluğunda olduğundan, ölçümleri substratlarda büyük hava dolu gözenek boşluklarından güçlü bir şekilde etkilenebilir. Problar boyunca büyük hava boşlukları substrat bağlantısını azaltmak ve genellikle daha düşük ölçülen iletkenlik ve bu nedenle daha düşük tahmini su içeriğine yol açar, hangi büyük ölçekler arasında gerçek toprak nem yansıtıcı olmayabilir. Benzer şekilde, toprağın kimyasal bileşimi toprak nem okumalarını etkileyebilir. Daha yüksek tuzluluk iletkenliği artıracak ve daha yüksek Siemens değerleriyol açacaktır 21. Her iki sorun da uygun substrata özgü kalibrasyonlarla çözülmelidir. Ancak, bazı topraklar kimyasal farklılıkları korumak veya onları bu sensörler için kötü ortamlar yapabilir büyük gözenek alanı mimarisine sahip olabilir. Sıcaklık aynı zamanda toprağın elektriksel iletkenliğini de etkiler ve bu nedenle15dikkate alınmalıdır. Gelecekte, sıcaklıkların ölçülen yüzeylerin direncini nasıl değiştirdiğini belirlemek için bu sensörlerle sıcaklık kalibrasyonları yapılmalıdır.
Weber ve ark.11tarafından geliştirilen Biocrust IslakLık Probları gibi, bu sensör kalibrasyonları da direnç ölçümlerinin orta su içeriğinde güvenilir olduğunu, ancak çok yüksek ve düşük su içeriğinde bazı anormallikler yaşadıklarını göstermektedir(Şekil 6). Buna ek olarak, kuru-aşağı kalibrasyonlar sırasında, direnç değerleri bazen substrat örneğinde hala biraz su varken sıfır ı okur. Bunun nedeni, kalibrasyon kabındaki substrat miktarının sensör tarafından ölçülen alandan biraz daha büyük olması olabilir. Eğer su direnç alanının dışında olsaydı, sensör sıfır ı okurken, substrat hala nem mevcuttu. Direnç ölçümlerini bozmadan substrat boyutunu n azalmasına özen vuruldu. Su içeriği arttıkça, substrat içindeki direnç değerleri azalır ve bu da daha yüksek Siemens çıkışlarına yol açmaktadır. Ancak, en yüksek su içeriğinde, direnç değerleri artan su içeriği ile artar. Bu şekil 1C’degörüldüğü gibi kalibrasyon verilerinde bir “kanca” yol açar. Bu kanca kalibrasyonlar için kullanılan her bir alt tabakada mevcuttu, ancak en çok ince kum topraklarda göze çarpıyordu(Şekil 6). Weber ve ark.11, yüksek su içeriğinde anormal direnç artışının olası bir nedeninin, doymuş topraklardaki iyonları seyrelterek direncin artması olduğunu ileri sürmektedir.
Bu sensörler şu anda mevcut multiplexer ve veri kaydedici teknolojilerini kullanmaya bağlıdır. Çoklayıcı, sensörlerin “kapalı” olmasını sağlar ve sensörlere yalnızca programlanmış bir zamanda bir akım gönderir. Bu, toprak nem sensörü terminallerinin korozyona uğramasını önler. Diğer elektronik şirketler problar için veri kaydedici ve çoklayıcı alternatifler sağlar ve programlanabilir devre kartları ve bilgisayarlar da toprak sıcaklığı ve nem sensörleri kablosuz tasarımı için dahil edilebilir, hangi temsil edebilir heyecan verici bir ilerleme.
Sensörleri tasarlamak ve oluşturmak, araştırmacının sondaları özelleştirmesine olanak tanır. Uçların uzunluğu ve yönü, farklı ortamlarda veya farklı derinliklerde nemi daha iyi değerlendirmek için manipüle edilebilir. Aynı kablodan yayılan birden fazla sensör başlığına sahip tasarımlara izin vermek için özel kablolama sipariş edilebilir. Ucuz veri tomruklama ve çoklayıcı seçeneklerinin eklenmesiyle, bu sensörler araştırmacıların toprak yüzeyindeki sıcaklık ve toprak nemini ölçmeleri için ucuz ve erişilebilir bir seçenek sunar. Buna, don ve çiy oluşumu gibi olayları yakalamak için zor ölçüm(Şekil 8),ve ısınma gibi deneysel tedavi etkileri(Şekil 7). Bu kağıt aynı anda sıcaklık ve nem ölçmek toprak yüzey sensörleri oluşturmak için bir adım-adım kılavuz sağlar, hangi kullanılabilir ve biocrust toplulukların çevre ve diğer birçok toprak türlerinin sörf katmanları değerlendirmek isteyen herkes tarafından rafine.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Biz onun dikkatli ark kaynak ve Cara Lauria kalibrasyonsırasında onun hassasiyet için Robin Reibold teşekkür ederiz. Biz Dr Steve Fick ve bu el yazması önceki bir taslak onların yararlı yorumlar için üç anonim yorumcular için müteşekkiriz. Bu çalışma, ABD Jeolojik Etüt Arazi Değişikliği Bilim Programı ve ABD Enerji Bakanlığı Bilim Dairesi, Biyolojik ve Çevresel Araştırma Ofisi Karasal Ekosistem Bilimleri Programı (Awards 89243018SSC00017 ve DESC-0008168) tarafından desteklenmiştir. BW’nin çalışmaları Alman Araştırma Vakfı (Grants WE2393/2-1, 2-2), Max Planck Society ve Graz Üniversitesi tarafından desteklendi. Ticari, firma veya ürün adlarının herhangi bir şekilde kullanılması yalnızca açıklayıcı amaçlar içindir ve ABD Hükümeti tarafından onaylandığı anlamına gelmez.
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).
