In situ Bodenfeuchtesensoren in ungestörten Böden
Summary
Die Bestimmung des Bodenwassergehalts ist für viele Landes- und Bundesbehörden eine wichtige Missionsanforderung. Dieses Protokoll fasst behördenübergreifende Bemühungen zur Messung des Bodenwassergehalts unter Verwendung von in-situ-Sensoren zusammen.
Abstract
Die Bodenfeuchtigkeit wirkt sich direkt auf die betriebliche Hydrologie, die Ernährungssicherheit, die Ökosystemleistungen und das Klimasystem aus. Die Einführung von Bodenfeuchtedaten verlief jedoch aufgrund einer inkonsistenten Datenerfassung, einer schlechten Standardisierung und einer in der Regel kurzen Aufzeichnungsdauer nur langsam. Die Bodenfeuchte oder der quantitativ volumetrische Bodenwassergehalt (SWC) wird mit vergrabenen In-situ-Sensoren gemessen, die SWC aus einer elektromagnetischen Reaktion ableiten. Dieses Signal kann je nach den örtlichen Standortbedingungen wie Tongehalt und Mineralogie, Bodensalzgehalt oder elektrischer Leitfähigkeit und Bodentemperatur erheblich variieren. Diese können je nach Sensortechnologie unterschiedliche Auswirkungen haben.
Darüber hinaus können ein schlechter Bodenkontakt und eine Verschlechterung des Sensors die Qualität dieser Messwerte im Laufe der Zeit beeinträchtigen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Umgebungssensoren gibt es keine akzeptierten Standards, Wartungspraktiken oder Qualitätskontrollen für SWC-Daten. Daher ist SWC für viele Umweltüberwachungsnetzwerke eine Herausforderung bei der Implementierung. Hier versuchen wir, einen gemeinschaftsbasierten Praxisstandard für In-situ-SWC-Sensoren zu etablieren, so dass zukünftige Forschung und Anwendungen eine konsistente Anleitung zur Standortauswahl, Sensorinstallation, Dateninterpretation und langfristigen Wartung von Überwachungsstationen haben.
Die Videografie konzentriert sich auf einen behördenübergreifenden Konsens von Best Practices und Empfehlungen für die Installation von In-situ-SWC-Sensoren. Dieses Dokument gibt einen Überblick über dieses Protokoll sowie die verschiedenen Schritte, die für eine qualitativ hochwertige und langfristige SWC-Datenerfassung unerlässlich sind. Dieses Protokoll wird für Wissenschaftler und Ingenieure von Nutzen sein, die eine einzelne Station oder ein ganzes Netzwerk einsetzen möchten.
Introduction
Die Bodenfeuchte wurde kürzlich als wesentliche Klimavariable im Global Observing Climate System1 anerkannt. Die Bodenfeuchte oder der quantitativ volumetrische Bodenwassergehalt (SWC) spielt eine wichtige Rolle bei der Aufteilung des einfallenden Strahlungsflusses in latente und fühlbare Wärme zwischen der Erdoberfläche und der Atmosphäre und bei der Aufteilung des Niederschlags zwischen Abfluss und Infiltration2. Die räumlich-zeitliche Variabilität der Bodenfeuchte auf der Punkt-, Feld- und Wassereinzugsgebietsskala erschwert jedoch unsere Fähigkeit, SWC in der geeigneten Skala zu messen, die zur Erreichung der Forschungs- oder Managementzieleerforderlich ist 3. Neue Methoden zur Quantifizierung von SWC, einschließlich bodengestützter Netzwerke von In-situ-Sensoren , proximalen Detektoren und Fernerkundung, bieten einzigartige Möglichkeiten, die Variation von SWC mit einer beispiellosen Auflösung abzubilden4. In situ SWC-Sensoren liefern die zeitlich kontinuierlichsten und tiefenspezifischsten Datensätze, unterliegen aber auch kleinen Erfassungsvolumina und lokalen Variabilitäten, die den Bodeneigenschaften, der Topographie und der Vegetationsbedeckung innewohnen5.
Darüber hinaus fehlt es an Standards oder allgemein akzeptierten Methoden für die Installation, Kalibrierung, Validierung, Wartung und Qualitätskontrolle von In-situ-SWC-Sensoren . Die Bodenfeuchte ist von Natur aus ein schwierig zu messender Parameter und möglicherweise die am schwierigsten zu gewährleistende Variable6. Während allgemeine Protokolle für die SWC-Datenerfassung von der Internationalen Atomenergiebehörde7, dem Committee on Earth Observation Satellites8, den Berichten der Bundesbehörde9 und der American Association of State Climatologists10 erstellt wurden, gibt es nur begrenzte spezifische Leitlinien für die Installation, Wartung, Qualitätskontrolle und Verifizierung von SWC-Daten von vergrabenen in situ Sonden. Dies hat die Einführung solcher Technologien für operative Überwachungsnetze, wie z. B. staatliche Mesonets, zu einer Herausforderung gemacht, um SWC-Messungen hinzuzufügen. In ähnlicher Weise ist es auch für betriebliche Hydrologen, z. B. in Flussvorhersagezentren, eine Herausforderung, diese Daten in ihren Arbeitsablauf zu integrieren. Das Ziel dieser Videografie und des Begleitpapiers ist es, eine solche Anleitung zu geben und ein zusammenhängendes Installationsprotokoll für vergrabene In-situ-SWC-Sonden zu dokumentieren.
Auswahl eines Standorts für die In-situ-Überwachung der Bodenfeuchte
Die Böden in jedem Gebiet von Interesse (AOI) bilden sich durch eine einzigartige und gekoppelte Rückkopplung im Laufe der Zeit zwischen Topographie, Ökologie, Geologie und Klima11,12. Die Variabilität von SWC in verschiedenen Landschaften macht die Standortauswahl zu einem entscheidenden Aspekt für jede Bodenfeuchtestudie. Für einige Forschungsziele kann ein Standort ausgewählt werden, um ein bestimmtes Merkmal oder eine bestimmte Mikrosite in der Landschaft oder im Ökosystem darzustellen. Für die Zwecke der Überwachung von Netzen sollte der Standort räumlich repräsentativ für eine größere Landschaftskomponente sein. Ziel ist es, einen Standort zu finden, der die beste räumliche Darstellung des AOI bietet. Vor Ort müssen pragmatischere Überlegungen angestellt werden, wie z. B. die Anforderungen an andere meteorologische Instrumente, die Zugänglichkeit oder die Genehmigung. Die dominierende Bodenkarteneinheit innerhalb des AOI ist jedoch in der Regel eine gute räumliche Darstellung der Umweltbedingungen eines größeren Gebiets13. Die dominante Bodenkarteneinheit kann mit dem Web Soil Survey (https://websoilsurvey.sc.egov.usda.gov/) bestimmt werden; Diese Bodenkarteneinheit sollte auch mit einer flachen Grube oder einem Testloch verifiziert werden.
Eine typische Überwachungsstation kann je nach Sensorbedarf und Anzahl der Zusatzmessungen 5-50 m2 einnehmen. Abbildung 1 zeigt eine typische Überwachungsstation mit einem 3 m hohen Turm, der ein Anemometer für Windgeschwindigkeit und -richtung, einen Lufttemperatur- und relativen Feuchtesensor, ein Pyranometer für Sonneneinstrahlung und ein wetterfestes und wasserdichtes Gehäuse der National Electrical Manufacturers Association (NEMA) enthält (NEMA-Bewertung 4). Das NEMA-Gehäuse beherbergt die Datensteuerungsplattform (DCP), das Mobilfunkmodem, den Laderegler für Solarmodule, die Batterie und andere zugehörige Hardware (siehe Materialtabelle; Systemkomponenten). Der Turm bietet auch eine Plattform für die Kommunikationsantenne, das Solarpanel und den Blitzableiter. In der Regel ist auch ein Flüssigniederschlagsmesser (PPT) enthalten, der vom Turm entfernt und in der niedrigstmöglichen Höhe platziert werden sollte, um die Auswirkungen des Windes auf die PPT-Erfassung zu reduzieren. Die SWC-Sensoren sollten in ausreichender Entfernung (3-4 m) und hangaufwärts installiert werden, damit der Turm weder bei Regen noch bei Überlandströmung stören kann. Alle zugehörigen Kabel sollten mindestens 5 cm unter der Oberfläche in Rohren vergraben werden.
Abbildung 1: Eine typische Überwachungsstation. Das USDA SCAN sammelt stündlich Informationen über den Wassergehalt und die Temperatur des Bodens in Standardtiefen (5, 10, 20, 50 und 100 cm), Lufttemperatur, relative Luftfeuchtigkeit, Sonneneinstrahlung, Windgeschwindigkeit und -richtung, Niederschlag und Luftdruck. Es gibt über 200 SCAN-Standorte in den USA. Abkürzungen: SCAN = Soil Climate Analysis Network; NEMA = Nationaler Verband der Elektrohersteller. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Messtiefe, Ausrichtung und Anzahl der Sensoren
In situ SWC-Sensoren werden in der Regel horizontal installiert, um bestimmte Tiefen im Boden darzustellen (Abbildung 2). Vom Bund finanzierte nationale Netzwerke wie das Soil Climate Network (SCAN)14, das Snow Telemetry Network (SNOTEL)15 und das U.S. Climate Reference Network (USCRN)16 messen SWC bei 5, 10, 20, 50 und 100 cm. Diese Tiefen wurden während der SCAN-Entwicklung aus verschiedenen Gründen einvernehmlich erreicht. Die Tiefe von 5 cm entspricht den Fernerkundungsfähigkeiten17; 10 und 20 cm Tiefe sind historische Messungen für die Bodentemperatur18; 50 und 100 cm Tiefe vervollständigen die Bodenwasserspeicherung in der Wurzelzone.
Die Sonden können vertikal, horizontal oder geneigt/abgewinkelt ausgerichtet werden (Abbildung 3). Die horizontale Installation ist am gebräuchlichsten, um eine gleichmäßige Bodentemperaturmessung in einer diskreten Tiefe zu erreichen. Während der Sensor in einer diskreten Tiefe zentriert sein kann, ist die SWC-Messung ein Volumen um die Zinken (d. h. Elektroden), das je nach Feuchtigkeitsgehalt, Messfrequenz und Geometrie der Installation (horizontal, vertikal oder abgewinkelt) variieren kann. Bei horizontaler Installation integriert das Erfassungsvolumen Feuchtigkeit oberhalb und unterhalb der Tiefe, und 95 % des Erfassungsvolumens befinden sich typischerweise innerhalb von 3 cm von den Zinken19. Vertikale oder abgewinkelte Installationen integrieren SWC entlang der Zinken, so dass die vertikale Installation den Speicher über die gesamte Länge der Sensortiefen20 darstellen kann. Einige Sensoren messen nicht gleichmäßig entlang ihrer Zinken. Zum Beispiel sind Übertragungsleitungsoszillatoren empfindlicher gegenüber Feuchtigkeit in der Nähe des Sondenkopfes, wo die elektromagnetischen Impulse erzeugt werden21. Vertikale Installationen eignen sich besser für tiefere Sonden, bei denen Temperatur- und Feuchtigkeitsgradienten tendenziell reduziert werden.
Abbildung 2: Installation von In-situ-SWC-Sensoren . Horizontale Platzierung des Sensors in ausgewählten Tiefen unter Verwendung von (A, B) einer Null-Tiefen-Referenzvorrichtung und (C) einer Null-Tiefen-Platine oder (D) eines Null-Tiefen-Schaufelgriffs als Referenz. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 3: Ausrichtung der Sonden vertikal, horizontal oder geneigt . (A) Schräges und vertikales Einsetzen und (B) horizontal-vertikales Einsetzen und horizontal-horizontales Einsetzen in der Mitte eines dreizinzigen SWC-Sensors. Abkürzung: SWC = Bodenwassergehalt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Die Installation in Tiefen von weniger als 50 cm ist relativ intuitiv, während tiefere Sensoren etwas mehr Aufwand erfordern. Die SWC- oder Profil-Bodenwasserspeicherung der Wurzelzone erfordert in der Regel Messungen bis zu 1 oder 2 m. Wie in diesem Protokoll dargestellt, werden Installationen von 0 bis 50 cm in einer ausgehobenen Grube oder einem Schneckenloch mit Sonden durchgeführt, die horizontal in den ungestörten Boden eingebaut werden, wodurch die Oberflächenstörung minimiert wird. Bei tieferen Sensoren (z. B. 100 cm) installieren sowohl SCAN als auch USCRN den Sensor vertikal in separaten, von Hand gebohrten Löchern mit einer Verlängerungsstange (Abbildung 4).
Angesichts der Heterogenität der SWC, insbesondere in der Nähe der Oberfläche, und der geringen Messvolumina der Sensoren ermöglichen dreifache Messungen eine bessere statistische Darstellung der SWC. Ein Profil von In-situ-Sensoren ist jedoch typisch für die meisten Netzwerke (z. B. SCAN und SNOTEL). Das USCRN verwendet drei Profile im Abstand von 3-4 m, um dreifache Messungen in jeder Tiefe16 durchzuführen. Darüber hinaus erhöht die Redundanz bei der Messung die Ausfallsicherheit und Kontinuität des Stationsdatensatzes, wenn finanzielle Ressourcen verfügbar sind.
Abbildung 4: Installation von Sensoren . (A) Flache Sensoren werden typischerweise horizontal in die Seitenwand einer ausgehobenen Bodengrube eingebaut. Bei tieferen Sensoren wird (B) eine Handschnecke verwendet, um ein Loch unter Verwendung einer Nulltiefenreferenz (z. B. Holz, das den Graben überspannt) in die Tiefe zu graben, und die Sensoren werden vertikal in den Boden von Löchern geschoben, wobei (C) ein Abschnitt des PVC-Rohrs verwendet wird, der modifiziert wurde, um den Sensor und das Kabel während der Installation zu sichern, oder (D) ein Installationswerkzeug. Bodenschichten werden als Oberboden (A-Horizont) und Unterbodenhorizonte mit translozierten Tonen (Bt) und Karbonatakkumulation (Bk) bezeichnet. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
In-situ-SWC-Sensortyp
Kommerziell erhältliche Sensoren leiten SWC aus der gemessenen Reaktion auf ein elektromagnetisches Signal ab, das sich entlang von Zinken in direktem Kontakt mit dem Bodenausbreitet 22. Vergrabene Sensoren lassen sich in fünf Klassen einteilen, abhängig von der Art des elektromagnetischen Signals und der Methode zur Messung der Antwort: Kapazität, Impedanz, Zeitbereichsreflektometrie, Zeitbereichstransmissometrie und Übertragungsleitungsschwingung (Ergänzende Tabelle S1 mit Links zu den Informationen der einzelnen Hersteller). Diese Technologien tendieren dazu, nach Betriebshäufigkeit und Hersteller zu gruppieren. Längere Zinken integrieren ein größeres Bodenvolumen; Sie können jedoch schwieriger einzubringen sein und unterliegen in Böden mit Lehm und höherer elektrischer Leitfähigkeit (BEC) eher einem Signalverlust. Die Hersteller berichten von SWC-Messfehlern von 0,02 bis 0,03 m3m−3, während die Anwender diese in der Regel als deutlich größer empfinden 23. Die richtige Kalibrierung und Standardisierung elektromagnetischer Sensoren verbessert die Leistung22; Diese bodenspezifischen Kalibrierungen gehen jedoch über den Rahmen dieses Protokolls hinaus, das sich auf die Installation konzentriert.
Bei der Auswahl des Sensors sollten die gewünschte Leistung, die Messmethode, die Betriebsfrequenz und die Kompatibilität mit anderen Messungen berücksichtigt werden. Vor 2010 waren die meisten SWC-Sensoren analog und erforderten vom DCP Messungen von Differenzspannungen, Widerständen oder Impulszahlen, was teurere Komponenten und einzelne Kanäle (oder Multiplexer) für jeden Sensor erforderte. Die serielle Datenschnittstelle mit 1.200 Baud (SDI-12) Kommunikationsprotokolle (http://www.sdi-12.org/) ermöglichen es intelligenten Sensoren, interne Messalgorithmen zu implementieren und dann digitale Daten über ein einziges Kommunikationskabel zu übertragen. Jeder Sensor kann nacheinander miteinander verdrahtet werden (d. h. eine Reihenschaltung), wobei ein gemeinsamer Draht verwendet wird, der über Hebelmutter- oder Klemmenblockstecker verbunden ist (Abbildung 5), wobei jeder Sensor eine eindeutige SDI-12-Adresse (0-9, a-z und A-Z) hat. Das gemeinsame Kommunikationskabel der SDI-12-Sensoren bildet zusammen mit einem Strom- und Massekabel einen einzigen Stromkreis. Multiplexer oder Messungen am DCP sind nicht erforderlich; Stattdessen sendet und empfängt das DCP einfach digitale Befehle und Textzeilen. Viele SDI-12 SWC-Sensoren umfassen auch Bodentemperatur-, relative Permittivitäts- (ε) und BEC-Messungen. Solche Messungen sind nützlich für die Sensordiagnose und die bodenspezifische Kalibrierung. Zu diesem Zeitpunkt hat der Benutzer einen Standort ausgewählt, den Sensortyp, die Anzahl und die Tiefe bestimmt und alle erforderlichen Hardware- und Feldwerkzeuge (Materialtabelle) erhalten. So können sie mit dem Installationsprotokoll fortfahren.
Abbildung 5: Drahtspleißsteckverbinder und Klemmenblöcke, die verwendet werden, um gemeinsame Strom-, Masse- und Kommunikationskabel mit einem einzigen Eingang auf der Datenerfassungsplattform zu verbinden. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Der Feuchtigkeitszustand des Bodens ist das Ergebnis vieler verschiedener Umweltfaktoren, einschließlich Niederschlag, Vegetation, Sonneneinstrahlung und relativer Luftfeuchtigkeit sowie der hydraulischen und physikalischen Eigenschaften des Bodens. Diese interagieren über Raum und Zeit auf unterschiedlichen räumlichen und zeitlichen Skalen. Um die Wasser-, Energie- und Kohlenstoffkreisläufe zu modellieren und vorherzusagen, ist es notwendig, den SWC-Zustand zu verstehen. Eine der gebräuchlichsten Arten automatisierter Messtechnologien ist ein elektromagnetischer SWC-Sensor mit Zinken, der in situ in ungestörten Boden eingeführt werden soll. Dieses Protokoll wurde entwickelt, um eine Anleitung für den Prozess der Installation dieser gängigen Arten von buriablen Sensoren zu geben. Genauigkeit, Leistung und Kosten sind in der Regel proportional zur Betriebsfrequenz der Sensoren. Sensoren mit niedrigerer Frequenz kosten weniger, werden aber stärker durch Boden- und Umweltfaktoren beeinträchtigt45. Die boden- oder standortspezifische Kalibrierung kann die Genauigkeit von Sensoren mit niedrigerer Frequenz verbessern. Die Messmethode beeinflusst auch die Sensorleistung aufgrund der zugrunde liegenden Physik des elektromagnetischen Feldes (EMF).
Zwei wichtige elektromagnetische physikalische Gesetze regeln die elektromagnetische Sensorik. Eines davon ist das Gaußsche Gesetz, das beschreibt, wie die Ausbreitung der EMK des Sensors sowohl von der ε als auch von der BEC des Mediums abhängt. Die Permittivität nimmt jedoch mit SWC zu, aber auch das BEC. Daher werden Sensoren, die vom Gaußschen Gesetz abhängig sind, von SWC, BEC und dem Temperatureinfluss auf BEC sowie von Störungen durch den Salzgehalt beeinflusst. Kapazitätssensorverfahren gehorchen dem Gaußschen Gesetz und sind daher anfälliger für diese Effekte46. Zusätzlich beschreibt das Gaußsche Gesetz die Abhängigkeit der Kapazität von einem geometrischen Faktor, der sich mit der Form der EMK im Boden ändert. Untersuchungen haben gezeigt, dass sich die EMF-Form mit der Bodenstruktur und der kleinräumigen räumlichen Variabilität des Wassergehalts um die Sensorzinken ändert. Die kleinräumige räumliche Variabilität des Wassergehalts und der Bodenstruktur ist in den meisten Böden groß, was zu geometrischen Faktoränderungen und daraus resultierenden Kapazitätsänderungen führt, die wenig mit Änderungen des mittleren Bodenwassergehalts zu tun haben. Diese Faktoren verringern die Genauigkeit des Kapazitätssensors und erhöhen die Datenvariabilität46,47,48. Die Impedanz- und Übertragungsleitungsschwingungsmethoden hängen ebenfalls vom Gaußschen Gesetz ab, während die Methoden der Zeitbereichsreflektometrie und der Zeitbereichstransmissometrie von den Maxwell-Gleichungen abhängen, die keinen geometrischen Faktor enthalten und nicht von BEC abhängig sind. Obwohl kein Sensor problemlos ist, sind die Zeitbereichsmethoden tendenziell deutlich genauer und weniger verzerrt als kapazitäts- oder impedanzbasierte Methoden.
Es gibt mehrere kritische Schritte in der Prozedur. Für ein Netzwerk mit geringer Dichte sind die richtige Standortauswahl und Sensorposition erforderlich, um die am besten geeignete räumliche Darstellung von SWC zu erhalten. Die Standortwahl kann stärker von externen Faktoren beeinflusst werden, wie z. B. dem Landzugang oder anderen Anforderungen an die atmosphärische Überwachung, bei denen die Bodenfeuchtigkeit die Zusatzmessung ist. Mesoskalige meteorologische Standorte befinden sich auf breiten und offenen, gut gepflegten Grasflächen, um mikroskalige Einflüsse zu minimieren. Solche Standorte sind möglicherweise weniger ideal für die SWC-Überwachung. Gegebenenfalls sollten drahtlose Sensortechnologien in Betracht gezogen werden 49,50,51,52,53, um eine SWC-Überwachung außerhalb der bestehenden Umweltüberwachungsstation und in repräsentativem Boden zu ermöglichen. Die Arbeit rund um aktive landwirtschaftliche Betriebe und Bewässerungsgeräte ist eine Herausforderung. Die meisten Netzwerke (z. B. SCAN und USDA-ARS) bleiben am Rande von Feldern, um Bodenbearbeitungsaktivitäten wie Pflüge oder Erntemaschinen zu vermeiden, die die Kabel durchtrennen und Sensoren freilegen können. Jeder In-situ-Sensor und jedes Kabel muss ausreichend vergraben sein und ein Oberflächenprofil aufweisen, das niedrig genug ist, um Rückschlüsse auf den Betrieb auf dem Bauernhof zu vermeiden. Drahtlose Systeme53 und abnehmbare Bohrlochsensoren47 können geeigneter sein. Der Grundwasserschutz durch großflächige, auf Bodenfeuchte basierende Bewässerung54 ist ein wachsendes Feld für SWC-Sensoren; Dieses Protokoll bezieht sich auf räumlich repräsentative Langzeit-SWC-Daten in ungestörten Böden.
Einige Böden sind schwieriger zu messen als andere. In felsigen, kiesigen oder sehr trockenen Böden kann es unmöglich sein, die Zinken ohne Beschädigung einzusetzen. Eine Möglichkeit besteht darin, die Bodengrube auszuheben und die Sensoren während der Verfüllung an Ort und Stelle zu legen, um zu versuchen, auf die ursprüngliche BD zu verdichten. Felsige Böden haben in der Regel wenig Struktur, die wahrscheinlich nach mehreren Benetzungs- und Trocknungszyklen heilen wird. Eine solche Störung ist jedoch möglicherweise nie wirklich repräsentativ für die Bodenhydrologie des Standorts. Wenn Sensoren im Boden von Schneckenlöchern installiert sind, kann der entfernte Boden alternativ gesiebt werden, um Steine zu entfernen, und gerade tief genug in das Loch gepackt werden, um die Sensorzinken aufzunehmen. Der Sensor kann dann vertikal installiert und das Schneckenloch mit dem verbleibenden nicht gesiebten Boden wieder aufgefüllt werden, wobei häufig verdichtet wird, wenn Erde hinzugefügt wird.
Wurzeln im Waldboden stellen ähnliche Herausforderungen dar wie das Einführen von Sonden, jedoch können Wurzeln in einigen Situationen geschnitten werden. Waldböden haben oft organische (O) Horizonte auf dem Mineralboden, die eine sehr niedrige BD und eine hohe spezifische Oberfläche aufweisen können, wobei große Mengen an gebundenem Wasser zu sehr nichtlinearen Sensorreaktionen bei höheren SWCs55 führen. Darüber hinaus legt der Praktiker das Nulldatum entweder als Oberseite des O-Horizonts oder als Mineralbodennotiz in den Metadaten fest. Lehmreiche Böden und ausgedehnte Tone mit hohem Schrumpf-/Quellpotential können im nassen Zustand extrem leitfähig für elektromagnetische Signale sein und im trockenen Zustand reißen. Solche Böden benötigen möglicherweise zusätzliche Korrekturen, um aus den Rohmessungen einen vernünftigen SWCzu erhalten 56,57. In flachen Böden kann Grundgestein oder ein restriktiver Bodenhorizont (z. B. Caliche oder Hardpan) angetroffen werden, bevor die ideale maximale Tiefe erreicht wird. Es kann notwendig sein, den Standort zu wechseln oder die tieferen Sensoren einfach nicht zu installieren. Übermäßig trockene oder nasse Böden können eine Herausforderung darstellen, und es ist auch vorzuziehen, Installationstermine außerhalb der saisonalen Extreme zu wählen. Trockener Boden kann sehr stark sein, und es kann sich als unmöglich erweisen, einen Sensor ohne Beschädigung einzusetzen. Bei Bedarf können vorgelagerte Löcher mit Wasser gefüllt werden, um die Grubenfläche aufzuweichen, obwohl es einige Zeit dauern kann, bis die Böden wieder in einen natürlichen Zustand zurückkehren. Nasse Böden können zu schwach sein, um Grubengesichter zu stützen, oder der Graben kann sich mit Wasser füllen. Es ist auch einfacher, einen feuchten Boden zu verdichten.
Der Sensorausgang sollte die Permittivität enthalten, nicht nur SWC, damit später Korrekturen oder bodenspezifische Kalibrierungen vorgenommen werden können. Sensoren mit höherer Frequenz sind in Böden mit hohem BEC-Gehalt besser geeignet, während kürzere Zinken in kompakteren Böden möglicherweise einfacher zu installieren sind. Der vielleicht kritischste Schritt ist jedoch der Bodenkontakt; Ein schlechter Kontakt verschlechtert das Signal eines elektromagnetischen Sensors. Schließlich klingt die Verfüllung der Baugrube trivial, aber sie ist der Schlüssel, um den bevorzugten Fluss in den Bereich der Sensoren zu minimieren, die Kabel zu schützen und Tiere davon abzuhalten, den Bereich zu stören. Eine boden- oder standortspezifische Kalibrierung kann die Sensorgenauigkeit verbessern, erfordert jedoch mehr Details, als in diesem Protokoll möglich ist. Feldböden, die auf unterschiedliche SWC-Werte eingestellt oder umgepackt werden, sind ideal, um die Linearität des Ansprechverhaltens zu überprüfen, und können als standortspezifische Kalibrierung für einige Sensortypen21 dienen. Dielektrische Flüssigkeiten können auch wirksame Medien sein, um das Ansprechverhalten des Sensors58 zu überprüfen. Temperaturgesteuerte Wasserbäder können verwendet werden, um die Kalibrierung der Bodentemperatur zu verbessern59. Dieses Protokoll ist der erste Schritt zur Festlegung einer Standardarbeitsanweisung für die Installation von In-situ-SWC-Sensoren, da es weder eine bestehende Methode noch eine akzeptierte Methode zur Kalibrierung von SWC-Sensoren 60,61 gibt.
Während die SWC-Überwachung im Mittelpunkt dieses Protokolls stand, hat die Methode Grenzen, und SWC allein kann kein vollständiges Bild des Bodenwasserzustands liefern. Viele Ökosystemprozesse werden auch durch das Wasserpotenzial des Bodens reguliert, das seltener in situ62 gemessen wird. Das Bodenwasserpotenzial, das kürzlich von S. Luo, N. Lu, C. Zhang und W. Likos 63 überprüft wurde, ist der Energiezustand von Wasser; Solche Sensoren können weniger von den Bodeneigenschaften beeinflusst werden und eine Qualitätskontrolle für SWC-Sensoren64 ermöglichen. Darüber hinaus umfasst das Bulk-Feld SWC Kies, Gesteine, Wurzeln und Hohlräume (z. B. bevorzugte Fließwege). In situ SWC-Sensoren werden in der Regel um Gesteine und Wurzeln herum neu positioniert, und das begrenzte Messvolumen, das sich auf die Zinken konzentriert, kann diskrete, aber wichtige Aspekte des Bulk-Feld-SWC übersehen.
Dieses Protokoll wird hoffentlich zu harmonisierteren und einheitlicheren SWC-Daten für eine Vielzahl von Anwendungen führen, darunter Dürreüberwachung, Wasserversorgungsprognose, Wassereinzugsgebietsmanagement, landwirtschaftliche Bewirtschaftung und Ernteplanung. Das Aufkommen von Fernerkundungsplattformen4 hat die Fähigkeit zur globalen Abschätzung von SWC erheblich verbessert, aber diese Produkte benötigen eine Bodenvalidierung, die immer noch nur von In-situ-Netzwerken angemessen erfasst wird65. Computerfortschritte haben es ermöglicht, eine hochauflösende SWC-Modellierung66 zu entwickeln, die einen hochauflösenden und subtäglichen SWC-Status erzeugt, aber diese Produkte benötigen auch In-situ-Schätzungen von SWC, um eine Grundlage für die Berechnung der Unsicherheit zu schaffen. Oft ist die erste Frage, die bei der Einführung eines neuen Produkts gestellt wird: “Was ist die Unsicherheit?” Für SWC-Produkte ist der primäre Vergleich für die Validierung In-situ-Netzwerkdaten 67.
In jüngster Zeit gab es Netzwerkerweiterungen im Zusammenhang mit dem National Coordinated Soil Moisture Monitoring Network (NCSMMN), einschließlich des Bodenfeuchteprojekts des U.S. Army Corps of Engineers Upper Missouri River Basin und des von der NOAA unterstützten Netzwerkaufbaus im Südosten der USA, die alle darauf abzielen, die Vorhersage und Überwachung von Wassergefahren zu verbessern und Entscheidungshilfen für das Ressourcenmanagement bereitzustellen. Die Sicherheit und Genauigkeit von SWC-Schätzungen für solche Anwendungen kann nur mit gründlichen Protokollen und Verfahren erreicht werden, um Vertrauen in die Datenintegrität zu schaffen. Das NCSMMN ist eine von der Bundesregierung geleitete, institutionenübergreifende Initiative, die darauf abzielt, Hilfe, Anleitung und Unterstützung zu bieten, indem sie eine Praxisgemeinschaft rund um die Messung, Interpretation und Anwendung der Bodenfeuchte aufbaut – ein “Netzwerk von Menschen”, das Datenanbieter, Forscher und die Öffentlichkeit verbindet68. Dieses Protokoll ist ein Produkt der NCSMMN-Bemühungen. Ein Workflow für die Datenqualitätskontrolle ist in Vorbereitung.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Autoren bedanken sich für die finanzielle Unterstützung durch NOAA-NIDIS, das National Coordinated Soil Moisture Monitoring Network (NCSMMN) und das USGS Next Generation Water Observing Systems (NGWOS)-Programm. Wir danken den Mitgliedern des NCSMMN-Exekutivkomitees, darunter B. Baker, J. Bolten, S. Connelly, P. Goble, T. Ochsner, S. Quiring, M. Svoboda und M. Woloszyn, für ihre Beiträge zu diesem Protokoll. Wir danken M. Weaver (USGS) für die erste Überprüfung des Protokollentwurfs.
Materials
| System components, essential | This system is the typcial micro-station used in the TxSON soil moisture network. The TxSON meteorlogical station is listed under optional components. https://acsess.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.2136/vzj2019.04.0034 | ||
| Battery, sealed rechargable 12 V 12 AH | Campbell Scientific | BP12 | 7 amp-hour (AH) minimum |
| Charging regulator | Campbell Scientific | CH200 | Charge regulator, needed for any unregulated solar panel |
| Conduit, schedule 40 PVC, 1 to 2" diameter | Any home supply store | Diameter sized appropriate to number of sensors and cable thickness. Length dependent on height of enclosure | |
| Data aquistion software | Campbell Scientific | PC400 | Free versions with limited programability, for more basic applications, manual downloads and simple sensor configurations |
| Data control platform | Campbell Scientific | CR300 | Any SDI-12 compatible DCP is sufficint. Many also have integrated cellular modems available |
| Enclosure (NEMA), 10 x 12 inch, -DC 2 conduits for cables, -MM tripod mast mount | Campbell Scientific | ENC10/12-DC-MM | Two bottom conduits are required for above and below ground instruments |
| Mounting pole (47 inch) with pedestal legs | Campbell Scientific | CM305-PL | Smaller footprint, not tall enough for weather sensors |
| Rain Gage with 8 in. Orifice, 20 ft of cable | Campbell Scientific | TE525WS-L20-PT | Recommend installing rain gage on a separate vertical pole some distance from the instrument stand |
| Sensors, 12 cm water content reflectometer, 17ft cable, -VS SDI-12 address varies | Campbell Scientific | CS655-17-PT-VS | See Supplement Table 1 for more options |
| Solar panel, 20 W | Campbell Scientific | SP20 | Use higher wattage panels for northern sites and lower for southern sites with higher exposre |
| System components, optional | |||
| Cellular Antenna, 2 dB multiband omnidirectional | Campbell Scientific | 32262 | Directional antennas can improve signal, if the tower location is known. |
| Cellular modem for Verizon/ATT | Campbell Scientific | CELL210/205 | Provider is site-dependent |
| Crossarm mount, 4 feet | Campbell Scientific | CM204 | Ideal for mounting 2 m sensors |
| Data aquistion software, advanced | Campbell Scientific | Loggernet | More advanced commercial sofware that includes remote communications options and advanced programming |
| DIN Rail Perforated Steel | Phoenix Contact | 1207639 | Used to mount terminal blocks inside enclosure |
| Galvanized steel water pipe, 1.5 or 2 inch diameter, 10 ft in length | Any home supply store | The most economical option for an instrument mast. Can be cut to length. Replaces the 47 inch mounting pole with legs | |
| Instrument tripod, 10 foot stainless-Steel with grounding kit | Campbell Scientific | CM110 | Taller instrument stand for 2 m meteorologic sensors |
| Lever nut connectors, five ports (Figure 5) | Digi-Key | 222-415/VE00/1000 | Connect one SDI-12 wire to 4 sensor wires. Alternative to DIN rail. |
| Null modem cable | Campbell Scientific | 18663 | Inteface cable between DCP with modem. Not required for integrated cellular modems |
| Plug-in bridge – FBS 3-5 | Phoenix Contact | 3030174 | Used to connect the curcuit of multiple terminal blocks. Available at mouser.com |
| Secure Set Foam, 10 Post Kit (2 gallon) | Any home supply store | Altnerative to concrete when using a steel pipe mast or for precipation gage pole. Two part foam mixture | |
| Sensor, air temperature and relative humidity, 10 ft cable | Campbell Scientific | HygroVUE10-10-PT | Lower accuracy and pression option. Replacable chips are the fastest means to meet annual calibration cycles. |
| Sensor, solar radiation pyranometer, digital thermopile | Campbell Scientific | CS320 | Most inexpensive, ISO class C (second class). Better options are available but much more expensive |
| Sensor, wind speed anemometer, 10 ft cable | Met One | 014A-10 | More expensive options include wind direction, or sonic sensors with no moving parts |
| Solar shield for air temperature and relative humidity sensor | Campbell Scientific | RAD10E | All air temperature sensors require sheilded from the sun |
| Terminal blocks (Figure 5), feed-through | Phoenix Contact | 3064085 | The most secure method to connect multiple SDI-12 sensor wires. Available at mouser.com |
| Field tools, essential | |||
| Freezer bags: quart and gallon sized | Any grocery store | Storage for soil samples collected for characterization | |
| Miscellaneous digging tools including hand trowl, flat spade, and pointed spade | Any home supply store | Backup tools to aid excavation' | |
| Shovel (Sharpshooter) 16 in. D-handle drain spade | Razorback | Manual tool for excavating soil pit. Any narrow pointed spade will work. | |
| Shovel, trenching, 4 in wide steel blade | Any home supply store | Ideal trenching tool for burying cable or conduit | |
| Soil auger (<4 in diameter) with T-handle or and extension bar as needed for r test holes | AMS Samplers | 400.06 | Recommended for test holes. The auger type should match soil, but 'regular' performs well in most soils |
| Tarp (plastic) or plywood sheet | Any home supply store | Soil management during excavation and trenching | |
| Field tools, optional | |||
| 2,000 lb Mini Excavator | Sunbelt Rentals | 350110 | Rental equipment for mechanical excavation |
| Breaker or digging bar | Any home supply store | Useful to break rocks and cut roots during excavation | |
| Galvanized Cattle Fence Panel, 16 ft x 50 in | Tractor Supply Co. | 350207799 | Recommend cutting fencing panels into 8' sections |
| Pick mattock or pulaski | Any home supply store | Great for loosening in hard or rocky soils | |
| Post Hole Auger Hydraulic Tow Behind with 18" diameter auger | Sunbelt Rentals | 700033 | Rental equipment for mechanical excavation |
| Post hole digger, 48 in handle | Any home supply store | Useful to clear soil in bottom of pit, or for test holes | |
| Steel fence T-posts, 6 feet tall and fence post driver, ~14 lb. | Any home supply store | Fencing support and installation | |
| Steel rake | Any home supply store | Ideal for smoothing disturbed soil at field area | |
| Every Day Carry (EDC), recommendations for any field technician's toolbag | |||
| Adjustable wrench with insulated handle | Any home supply store | ||
| Assorted UV-resistant zip ties | Any home supply store | Critical for neat wiring | |
| Diagonal cutting pliers | Any home supply store | Efficient way to cut light and heavy wires and snip zip ties | |
| Digital camera, GPS, and compass | Misc. | Ideally, these are all on your smartphone | |
| Digital multimeter | Any home supply store | Key tool for troubleshooting power and connectivity issues in electrical systems | |
| Electrical tape | Any home supply store | Non-black tape can be used for labeling | |
| Electrician's Puddy for filling entrance holes of enclosures | Any home supply store | Needed to close and seal all conduit ports in the enclosure | |
| Hex key sets in both standard and metric sizes | Any home supply store | Required for many sensor mounts | |
| Magnetic torpedo level (8 to 12") | Any home supply store | Needed to get instrument stand vertical and leveling any meteorlogical sensors | |
| Metric tape measure | Any home supply store | Critical for inserting probes and sampling soils – both use metric depths. | |
| Pliers: needle nose, lineman's, and channel-lock | Any home supply store | Lineman's pliers are essential for bailing wire fences. | |
| Portable drill, bits, nut drivers | Any home supply store | ||
| Ratchet wrench and appropriate socket sizes | Any home supply store | Ratch wrenches can get into tight spaces around sensor mounts where standard box wrenches do not work | |
| Safety: first aid kit, water (5 gallons), trash bags, gloves, sunscreen, insect repellent | Any home supply store | ||
| Screw drivers: small and large size with insulated handles | Any home supply store | Screws on DCP and terminal blocks are very small. Small flat and phillips heads are required. Larger tools will also come in handy | |
| Sharpies, pencils, and notebook | Forestry Supplier | Basic record keeping is essential for metadata | |
| Step ladder, 6 ft | Any home supply store | Hard to install 2m sensors without a ladder | |
| Utility knife and box cutter | Any home supply store | ||
| Vegetation control: hand loppers, weed whacker, saw | Any home supply store | Depending on the environment, vegetation can quickly overwhelm a fenced off areas. | |
| Wire strippers (8-20 gage) | Any home supply store | Essential tool for preparing wires for insertion into DCP or terminal blocks. Self-adjusting strippers are the latest rage | |
| Annual Maintenance Supplies | |||
| Battery cleaner (baking soda) and brush | Any grocery store | ||
| Cleaning:compressed air, isopropyl alcohol, tooth brush, pipe cleaners, paper towels | Any grocery store | ||
| Desiccant, silica gel bags | Clariant | Desi Pak | Reusable after oven drying at 105 °C for over 24 h. Swap out annually. |
| Field calibration device for rain gage | R.M. Young | 52260 | Device that drips water into a rain gage at varying intensity |
| Handheld Weather Meter | Kestrel Instruments | 0830 | Direct measurement of air temperature, relative humidity, and wind speed for field verification |
| One quart and one gallon freezer bags | Any grocery store | Storage for any gravimetric soil samples | |
| Portable soil moisture sensor | Delta-T Devics | SM150T | A variety of sensors exist. See evaluation at https://acsess.onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/vzj2.20033 |
| Soil core sampler, 2-1/4 in. Diameter | Soilmoisture Equipment Corp. | 0200 | Gravimetric soil moisture and bulk density sampler |
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