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Environment

In situ Sensores de humedad del suelo en suelos no perturbados

Published: November 18, 2022
doi:
10.3791/64498
, , , , , , , ,
1Nevada Water Science Center,U.S. Geological Survey, 2Agricultural Research Service, Hydrology and Remote Sensing Lab.,U.S. Department of Agriculture, 3Agricultural Research Service, Conservation and Production Research Lab.,U.S. Department of Agriculture, 4South Dakota State University, 5National Water and Climate Center,U.S. Department of Agriculture, 6University of Oklahoma, 7Air Resources Lab,National Oceanic and Atmospheric Administration, 8National Integrated Drought Information System,National Oceanic and Atmospheric Administration, 9Snow Survey Staff,U.S. Department of Agriculture

Summary

La determinación del contenido de agua del suelo es un requisito de misión crítica para muchas agencias estatales y federales. Este protocolo sintetiza los esfuerzos de múltiples agencias para medir el contenido de agua del suelo utilizando sensores in situ enterrados.

Abstract

La humedad del suelo afecta directamente la hidrología operativa, la seguridad alimentaria, los servicios ecosistémicos y el sistema climático. Sin embargo, la adopción de datos de humedad del suelo ha sido lenta debido a la recopilación de datos inconsistente, la estandarización deficiente y, por lo general, la corta duración del registro. La humedad del suelo, o contenido de agua del suelo cuantitativamente volumétrico (SWC), se mide utilizando sensores in situ enterrados que infieren SWC a partir de una respuesta electromagnética. Esta señal puede variar considerablemente con las condiciones locales del sitio, como el contenido de arcilla y la mineralogía, la salinidad del suelo o la conductividad eléctrica a granel y la temperatura del suelo; Cada uno de estos puede tener diferentes impactos dependiendo de la tecnología del sensor.

Además, el contacto deficiente con el suelo y la degradación del sensor pueden afectar la calidad de estas lecturas a lo largo del tiempo. A diferencia de los sensores ambientales más tradicionales, no existen estándares aceptados, prácticas de mantenimiento o controles de calidad para los datos SWC. Como tal, SWC es una medida difícil de implementar para muchas redes de monitoreo ambiental. Aquí, intentamos establecer un estándar de práctica basado en la comunidad para sensores SWC in situ para que las investigaciones y aplicaciones futuras tengan una guía consistente sobre la selección del sitio, la instalación de sensores, la interpretación de datos y el mantenimiento a largo plazo de las estaciones de monitoreo.

La videografía se centra en un consenso de múltiples agencias de mejores prácticas y recomendaciones para la instalación de sensores SWC in situ . Este documento presenta una descripción general de este protocolo junto con los diversos pasos esenciales para la recopilación de datos SWC de alta calidad y a largo plazo. Este protocolo será de utilidad para científicos e ingenieros que esperan desplegar una sola estación o una red completa.

Introduction

La humedad del suelo fue reconocida recientemente como una variable climática esencial en el Sistema Climático de Observación Global1. La humedad del suelo, o contenido de agua del suelo cuantitativamente volumétrico (SWC), juega un papel importante en la partición del flujo de radiación entrante en calor latente y sensible entre la superficie de la tierra y la atmósfera, y en la partición de la precipitación entre la escorrentía y la infiltración2. Sin embargo, la variabilidad espaciotemporal de la humedad del suelo en las escalas de punto, campo y cuenca complica nuestra capacidad de medir SWC a la escala adecuada necesaria para cumplir con los objetivos de investigación o manejo3. Los nuevos métodos para cuantificar SWC, incluidas las redes terrestres de sensores in situ , detectores proximales y teledetección, brindan oportunidades únicas para mapear la variación de SWC a una resolución sin precedentes4. In situ Los sensores SWC proporcionan los registros de datos más continuos temporalmente y específicos de la profundidad, pero también están sujetos a pequeños volúmenes de detección y variabilidad a escala local inherente a las propiedades del suelo, la topografía y la cubierta vegetal5.

Además, hay una falta de estándares o métodos ampliamente aceptados para la instalación, calibración, validación, mantenimiento y control de calidad de sensores SWC in situ . La humedad del suelo es inherentemente un parámetro difícil de medir y puede ser la variable más difícilde asegurar 6. Si bien el Organismo Internacional de Energía Atómica7, el Comité de Satélites de Observación de la Tierra8, los informes de la agencia federal9 y la Asociación Americana de Climatólogos Estatales10 han elaborado protocolos generales para la recopilación de datos de SWC, existe una orientación específica limitada sobre la instalación, el mantenimiento, el control de calidad y la verificación de los datos de SWC enterrados in situ . Sondas. Esto ha hecho que la adopción de tales tecnologías sea un desafío para las redes de monitoreo operativo, como las Mesonets estatales, para agregar mediciones de SWC. Del mismo modo, también es un desafío para los hidrólogos operativos, por ejemplo, en los centros de pronóstico de ríos, incorporar estos datos en su flujo de trabajo. El objetivo de esta videografía y el documento que la acompaña es proporcionar dicha orientación y documentar un protocolo de instalación cohesivo para sondas SWC enterradas in situ .

Selección de una ubicación para el monitoreo in situ de la humedad del suelo
Los suelos dentro de cualquier área de interés (AOI) se forman a través de una retroalimentación única y acoplada a lo largo del tiempo entre la topografía, la ecología, la geología y el clima11,12. La variabilidad de SWC a través de los paisajes hace que la selección del sitio sea un aspecto crítico para cualquier estudio de humedad del suelo. Para algunos objetivos de investigación, se puede elegir un sitio para representar una característica o micrositio particular en el paisaje o ecosistema. A efectos de las redes de vigilancia, el emplazamiento debe ser espacialmente representativo de un componente paisajístico más amplio. El objetivo es encontrar una ubicación que proporcione la mejor representación espacial del AOI. En el campo, se deben alcanzar consideraciones más pragmáticas, como los requisitos de otros instrumentos meteorológicos, accesibilidad o permisos. Sin embargo, la unidad de mapa de suelos dominante dentro del AOI suele ser una buena representación espacial de las condiciones ambientales de un área más grande13. La unidad de mapa de suelos dominante se puede determinar utilizando el Web Soil Survey (https://websoilsurvey.sc.egov.usda.gov/); Esta unidad de mapa de suelos también debe verificarse con un pozo poco profundo o un orificio de prueba.

Una estación de monitoreo típica puede ocupar 5-50 m2, dependiendo de las necesidades del sensor y el número de mediciones auxiliares. La Figura 1 muestra una estación de monitoreo típica con una torre de 3 m que contiene un anemómetro para la velocidad y dirección del viento, un sensor de temperatura del aire y humedad relativa, un piranómetro para la radiación solar y un recinto resistente a la intemperie y hermético de la Asociación Nacional de Fabricantes Eléctricos (NEMA) (clasificación NEMA 4). El gabinete NEMA alberga la plataforma de control de datos (DCP), el módem celular, el regulador de carga del panel solar, la batería y otro hardware relacionado (consulte la Tabla de materiales; Componentes del sistema). La torre también proporciona una plataforma para la antena de comunicación, el panel solar y el pararrayos. Por lo general, también se incluye un medidor de precipitación líquida (PPT), que debe colocarse lejos de la torre y en la elevación más baja posible para reducir los efectos del viento en la captura de PPT. Los sensores SWC deben instalarse a una distancia suficiente (3-4 m) y cuesta arriba para que no haya interferencia potencial de la torre en la lluvia o el flujo terrestre. Cualquier cable relacionado debe estar enterrado en un conducto al menos 5 cm por debajo de la superficie.

Figure 1
Figura 1: Una estación de monitoreo típica. El USDA SCAN recopila información por hora sobre el contenido de agua del suelo y la temperatura a profundidades estándar (5, 10, 20, 50 y 100 cm), temperatura del aire, humedad relativa, radiación solar, velocidad y dirección del viento, precipitación y presión barométrica. Hay más de 200 sitios de escaneo en los Estados Unidos. Abreviaturas: SCAN = Soil Climate Analysis Network; NEMA = Asociación Nacional de Fabricantes Eléctricos. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Profundidad de medición, orientación y número de sensores
In situ Los sensores SWC generalmente se instalan horizontalmente para representar profundidades específicas en el suelo (Figura 2). Las redes nacionales financiadas con fondos federales, como la Red Climática del Suelo (SCAN)14, la Red de Telemetría de Nieve (SNOTEL)15 y la Red de Referencia Climática de los Estados Unidos (USCRN)16, miden el SWC a 5, 10, 20, 50 y 100 cm. Estas profundidades se alcanzaron por consenso durante el desarrollo de SCAN por una variedad de razones. La profundidad de 5 cm corresponde a las capacidades de teledetección17; Las profundidades de 10 y 20 cm son mediciones históricas de la temperatura del suelo18; Las profundidades de 50 y 100 cm completan el almacenamiento de agua del suelo en la zona radicular.

Las sondas pueden orientarse verticalmente, horizontalmente o inclinadas/en ángulo (Figura 3). La instalación horizontal es más común para lograr una medición uniforme de la temperatura del suelo a una profundidad discreta. Si bien el sensor puede estar centrado a una profundidad discreta, la medición SWC es un volumen alrededor de los dientes (es decir, electrodos), que puede variar con los niveles de humedad, la frecuencia de medición y la geometría de la instalación (horizontal, vertical o en ángulo). Para la instalación horizontal, el volumen de detección integra la humedad por encima y por debajo de la profundidad, y el 95% del volumen de detección se encuentra típicamente dentro de los 3 cm de los dientes19. Las instalaciones verticales o en ángulo integran SWC a lo largo de las púas, por lo que la instalación vertical puede representar el almacenamiento a lo largo de toda la longitud de las profundidades del sensor20. Algunos sensores no miden uniformemente a lo largo de sus púas. Por ejemplo, los osciladores de la línea de transmisión son más sensibles a la humedad cerca del cabezal de la sonda donde se generan los pulsos electromagnéticos21. Las instalaciones verticales son más adecuadas para sondas más profundas donde los gradientes de temperatura y humedad tienden a reducirse.

Figure 2
Figura 2: Instalación de sensores SWC in situ . Colocación horizontal del sensor a profundidades elegidas utilizando (A,B) una plantilla de referencia de profundidad cero y (C) una placa de profundidad cero o (D) un mango de pala de profundidad cero como referencia. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 3
Figura 3: Orientación de las sondas verticalmente, horizontalmente o con inclinación . (A) Inserción inclinada y vertical y (B) inserción horizontal-vertical y profundidad central de inserción horizontal-horizontal de un sensor SWC de tres estaños. Abreviatura: SWC = contenido de agua del suelo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

La instalación a profundidades inferiores a 50 cm es relativamente intuitiva, mientras que los sensores más profundos requieren un poco más de esfuerzo. El SWC de la zona radicular o el almacenamiento de agua del suelo del perfil generalmente requieren mediciones de 1 o 2 m. Como se ilustra en este protocolo, las instalaciones de 0-50 cm se completan en un pozo excavado o barrena con sondas instaladas horizontalmente en el suelo no perturbado, minimizando la perturbación de la superficie. Para sensores más profundos (por ejemplo, 100 cm), tanto SCAN como USCRN instalan el sensor verticalmente en orificios separados y sinfines a mano utilizando un poste de extensión (Figura 4).

Dada la heterogeneidad de SWC, particularmente cerca de la superficie, y los pequeños volúmenes de medición de los sensores, las mediciones triplicadas permiten una mejor representación estadística de SWC. Sin embargo, un perfil de sensores in situ es típico para la mayoría de las redes (por ejemplo, SCAN y SNOTEL). La USCRN utiliza tres perfiles espaciados 3-4 m de distancia para hacer mediciones triplicadas en cada profundidad16. Además, la redundancia en la medición agrega resiliencia y continuidad al registro de la estación si hay recursos financieros disponibles.

Figure 4
Figura 4: Instalación de sensores . (A) Los sensores poco profundos generalmente se instalan horizontalmente en la pared lateral de un pozo de suelo excavado. Para sensores más profundos, (B) se utiliza una barrena de mano para cavar un agujero a profundidad utilizando una referencia de profundidad cero (por ejemplo, madera que abarca la zanja) y los sensores se empujan verticalmente en el fondo de los orificios utilizando (C) una sección de tubería de PVC modificada para asegurar el sensor y el cable durante la instalación o (D) una herramienta de instalación. Las capas del suelo se observan como capa superficial del suelo (horizonte A) y horizontes del subsuelo con arcillas translocadas (Bt) y acumulación de carbonato (Bk). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Tipo de sensor SWC in situ
Los sensores disponibles comercialmente infieren SWC a partir de la respuesta medida a una señal electromagnética propagada a lo largo de los dientes en contacto directo con el suelo22. Los sensores enterrados se dividen en cinco clases según el tipo de señal electromagnética propagada y el método de medición de la respuesta: capacitancia, impedancia, reflectometría en el dominio del tiempo, transmisometría en el dominio del tiempo y oscilación de la línea de transmisión (Tabla suplementaria S1, con enlaces a la información de cada fabricante). Estas tecnologías tienden a agruparse por frecuencia de funcionamiento y fabricante. Los dientes más largos integran un mayor volumen de suelo; sin embargo, pueden ser más difíciles de insertar y están más sujetos a la pérdida de señal en suelos con arcilla y mayor conductividad eléctrica a granel (BEC). Los fabricantes informan errores de medición de SWC de 0.02-0.03 m3m−3, mientras que los usuarios generalmente encuentran que estos son significativamente más grandes 23. La calibración y estandarización adecuadas de los sensores electromagnéticos mejoran el rendimiento22; Sin embargo, estas calibraciones específicas del suelo están fuera del alcance de este protocolo, que se centra en la instalación.

La selección del sensor debe considerar la salida deseada, el método de medición, la frecuencia de funcionamiento y la compatibilidad con otras mediciones. Antes de 2010, la mayoría de los sensores SWC eran analógicos y requerían que el DCP realizara mediciones de voltajes diferenciales, resistencias o recuentos de pulsos, lo que requería componentes más caros y canales individuales (o multiplexores) para cada sensor. Ahora, la interfaz de datos serie a 1.200 baudios (SDI-12) protocolos de comunicación (http://www.sdi-12.org/) permite que los sensores inteligentes implementen algoritmos de medición internos y luego transmitan datos digitales a través de un solo cable de comunicación. Cada sensor se puede conectar en secuencia (es decir, una cadena margarita) utilizando un cable común conectado por conectores de tuerca de palanca o bloque de terminales (Figura 5) y cada sensor tiene una dirección SDI-12 única (0-9, a-z y A-Z). El cable de comunicación común de los sensores SDI-12 forma un solo circuito junto con un cable de alimentación y tierra. No se requieren multiplexores ni ninguna medición en el DCP; en cambio, el DCP simplemente envía y recibe comandos digitales y líneas de texto. Muchos sensores SWC SDI-12 también incluyen temperatura del suelo, permitividad relativa (ε) y mediciones BEC. Estas mediciones son útiles para el diagnóstico de sensores y la calibración específica del suelo. En este punto, el usuario ha seleccionado un sitio, ha determinado el tipo de sensor, el número y las profundidades, y ha obtenido todo el hardware necesario y las herramientas de campo (Tabla de materiales). Por lo tanto, pueden proceder al protocolo de instalación.

Figure 5
Figura 5: Conectores de empalme de cables y bloques de terminales utilizados para unir cables comunes de alimentación, tierra y comunicación a una sola entrada en la plataforma de recopilación de datos. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Protocol

1. Preparación previa a la instalación de sensores Compruebe la dirección SDI-12. El fabricante establece los sensores en una dirección predeterminada. Conecte por separado cada sensor a una plataforma de control de datos (DCP) utilizando el botón ?! para consultar la dirección del sensor.NOTA: Cada sensor en una línea de datos común debe tener una dirección única (por ejemplo, 0-9). Consulte el manual del sensor para direccionar SDI-12 y cambiar el valor de un sensor, si es necesario. Tome una medida (por ejemplo, “aM!”, donde a es la dirección) en aire, arena seca y sumergida en agua.NOTA: Las mediciones de aire deben leer 0.00 m 3 m-3 (permitividad relativa [ε] ~1), arena de juego < 0.02 m 3 m 3 (ε < 4) y agua ~ 1.00 m 3 m-3 (ε ~ 80). Registre estos valores junto con el número de serie y la dirección SDI-12 de cada sensor en un libro de laboratorio. Con un marcador, etiquete el cabezal del sensor y el extremo del cable con el número de dirección. Compruebe el programa DCP. Algunos DCP son plug-and-play, pero la mayoría requieren un programa para realizar mediciones y registrar datos. Configure los sensores SWC y cualquier sensor auxiliar en el laboratorio, conectándolos todos al DCP y la batería. Deje los sensores SWC suspendidos en el aire, insertados en arena seca o sumergidos en agua, asegurándose de que los dientes no se toquen.NOTA: Las mediciones de aire deben leer 0.00 m 3 m-3 (permitividad relativa [ε] ~1), arena de juego < 0.02 m 3 m 3 (ε < 4) y agua ~ 1.00 m 3 m-3 (ε ~ 80). Deje que el sistema funcione durante la noche o más. Verifique que los datos se registran a las tasas apropiadas y que los valores (por ejemplo, número correcto de columnas, dígitos significativos) son apropiados. Verifique también cualquier salida de sensor SWC auxiliar (por ejemplo, temperatura y BEC). Permita que el sistema funcione durante al menos 1 día. Compruebe que las tablas de datos son correctas.NOTA: Algunos DCP son plug-and-play, pero la mayoría requieren un programa para realizar mediciones y registrar datos. 2. Determinar el diseño del campo Antes de comenzar cualquier excavación, llame al 811 (EE. UU. y Canadá) al menos 2 días antes de la excavación para verificar la presencia de cualquier infraestructura subterránea (por ejemplo, cables eléctricos, suministro de agua, tuberías de gas). El hecho de no asegurar tales autorizaciones puede dar lugar a sanciones y responsabilidades sustanciales. Verifique la unidad del mapa de suelos en la ubicación del pozo. Use la aplicación USDA SoilWeb, disponible para teléfonos inteligentes iOS y Android, para consultar la ubicación. Excave un orificio de prueba con una barrena de mano de 5-10 cm de diámetro para verificar que la textura del campo sea consistente con la descripción de la unidad del mapa. Verifique si hay problemas como capas duras (por ejemplo, sartenes de arado, caliche u horizontes argílicos) o capas con fragmentos de roca altos; Cualquiera de los dos casos puede dificultar la inserción de la sonda o incluso imposibilitarla. Determine la mejor ubicación para los sensores. Cada sensor se instalará en la cara vertical de un suelo no perturbado.NOTA: Si existe alguna pendiente, la cara debe estar pendiente ascendente para minimizar el flujo preferencial que se produce a través del suelo perturbado y a lo largo de las zanjas de cable. Use una lámina pequeña (1 m2) de madera contrachapada o una lona para proteger la superficie del suelo y evitar que los trabajadores del campo se muevan en el suelo no perturbado. Determine la ubicación del mástil del instrumento. Asegúrese de que los sensores estén adecuadamente lejos del mástil para minimizar el tráfico peatonal y cualquier efecto de la torre.NOTA: Los cables de 5 m son generalmente suficientes para la mayoría de las instalaciones.Utilice la longitud de cable más corta posible para minimizar la perturbación de la superficie y la posibilidad de rotura.NOTA: Si el mástil del instrumento ya está en su lugar en un sitio existente, es posible que se requiera un cable más largo para llegar a un suelo representativo; alternativamente, se podrían considerar tecnologías inalámbricas (ver “Pensamientos adicionales sobre la selección del sitio”). Asegúrese de que la distancia total al soporte del instrumento sea del 80% al 90% de la longitud del cable para tener en cuenta el cable adicional necesario para enrutar desde la profundidad de instalación, a través del conducto y hasta el gabinete.NOTA: La gestión de cables puede ser incómoda cuando muchos sensores SWC llegan a un punto central. Los cables más delgados requieren ser enterrados en conductos de PVC, mientras que los cables más rígidos y gruesos se pueden enterrar directamente. Para ambos, cavar una zanja que tenga >10 cm de profundidad y 10-15 cm de ancho. Asegúrese de que la carcasa tenga un punto de entrada para cualquier sensor sobre el suelo y un puerto de conducto para sensores subterráneos (Figura 5). Monte el recinto a una altura cómoda (1 m) para el cableado. Recomendación: Desenrollar un sensor. Coloque el cabezal del sensor en la cara del foso y colóquelo en el extremo del cable en el soporte del instrumento. Verifique que la longitud del cable sea correcta y ajústela según sea necesario. 3. Excavación del pozo de suelo NOTA: El pozo de suelo se puede excavar manual o mecánicamente. El objetivo es minimizar la perturbación general del sitio. Para el pozo excavado a mano, coloque otra lona más grande (2 m2) adyacente al área de excavación. Use una pala estrecha (por ejemplo, francotirador) para excavar un agujero rectangular a una profundidad de ~ 55 cm. Asegúrese de que la cara del pozo, actualmente protegida por madera contrachapada o lona (paso 2.4), esté vertical (o ligeramente recortada) para que cada sensor tenga tierra intacta por encima de ella. También asegúrese de que el hoyo tenga 20-40 cm de ancho y ~ 25% más largo que la longitud total del sensor. Comience a quitar la tierra en incrementos de 10 cm y coloque cada elevación en el extremo más alejado de la lona, acercándose con cada incremento; Rompe cualquier terrón y quita las rocas grandes.NOTA: Asegúrese de que el área de excavación sea lo más pequeña posible y deje suficiente espacio para insertar la sonda horizontal más profunda. Para el sinfín hidráulico del orificio del poste, utilice un diámetro ancho (>30 cm) y un sinfín montado en remolque de 1 m de largo.NOTA: Los sinfines de poste de cerca para dos o una persona pueden ser peligrosos.Coloque la barrena ~ 5 cm hacia atrás desde la cara del pozo previsto. Perforar hasta >50 cm, levantando la barrena ocasionalmente para expulsar el suelo. Use una pala estrecha para crear una cara de hoyo plana y vertical. Use una pala o una paleta de mano para mover la tierra del hoyo a la lona.NOTA: El suelo excavado estará bien mezclado; No hay forma de evitar esto. Haga una zanja excavada mecánicamente con equipo pesado.NOTA: A menos que sea necesaria la instalación horizontal por debajo de 100 cm, no se recomienda el equipo de excavación grande. Lidiar con la pila de escombros (es decir, el suelo excavado) puede ser un desafío, y las orugas y estabilizadores de la retroexcavadora causan una perturbación significativa.Use una retroexcavadora liviana con un cubo estrecho, idealmente de menos de 50 cm, para cavar una zanja estrecha similar a una profundidad de 100 o 200 cm.NOTA: Evite mover la retroexcavadora para minimizar el impacto en la superficie. Comience a quitar la tierra en incrementos de 10 cm y coloque cada elevación en el extremo más alejado de la lona, acercándose con cada incremento. Asegúrese de que el área de excavación sea lo más pequeña posible y a una profundidad de ~ 55 cm, dejando suficiente espacio para insertar la sonda horizontal más profunda. Para la zanja del cable sensor, cava una zanja desde la parte posterior del pozo de tierra hasta la torre de instrumentos. Use una pala de zanja asistida por un pico mattock o Pulaski en secciones duras. Excave una zanja recta, estrecha (~ 10 cm) >10 cm de profundidad, colocando el suelo en un lado de la zanja. 4. Montaje/montaje del soporte del instrumento y la carcasa NOTA: El soporte de instrumentos tiene tres opciones: un poste simple, un trípode o una torre. Para una estación básica de humedad del suelo con un medidor PPT, un poste de acero galvanizado o un soporte de instrumento de acero inoxidable (120 cm de altura) con patas es suficiente. Para las mediciones meteorológicas básicas, se necesita un mástil más alto para instalar sensores a 2 m. La mayoría de las mesoredes prefieren torres de 10 m de altura; Sin embargo, tales torres están más allá del alcance de este protocolo. Utilice un poste de acero galvanizado.NOTA: Una tubería de agua de acero galvanizado de 4 cm de diámetro, ~ 3 m de largo es el método más económico.Aguja a mano un pequeño agujero a un mínimo de 60 cm de profundidad. Coloque el poste en el agujero. Asegúrese de que la altura del poste esté lo suficientemente por encima del suelo para sostener el recinto, el panel solar y las antenas necesarias.NOTA: Se recomienda una altura de <2 m. Mezcle concreto de fraguado rápido o espuma de poste de cerca, de acuerdo con las instrucciones.NOTA: El concreto no está permitido en algunas tierras federales, y algunos propietarios privados pueden objetar. Las alternativas de espuma para instalaciones de postes de cercas son una buena alternativa y no requieren agua. Vierta cualquiera de los materiales alrededor del poste y asegúrese de que esté nivelado usando un nivel de torpedo. Deje que el concreto se cure durante varias horas (idealmente durante la noche) y asegure el poste con tirantes para asegurarse de que permanezca nivelado. Aunque la espuma se cura en 30 minutos, asegúrese de mantener la tubería en su lugar durante al menos 2 minutos, asegurándose de que permanezca vertical. Soporte para instrumentos o trípode (consulte las instrucciones del fabricante)Afloje o desatornille cada una de las tres patas de apoyo. Gire o extienda cada pierna y posición sobre el extremo de la zanja excavada. Inserte el mástil del instrumento en las patas y apriete. Ajuste la longitud de cada pata para asegurarse de que el mástil esté vertical. Estaca cada pata en el suelo y revisa el mástil nuevamente con un nivel de torpedo. Con pernos en U, monte la carcasa en el soporte del instrumento a 1-1,5 m. Apriete a mano los pernos para asegurarlo; Su altura final y apriete ocurrirá más tarde.NOTA: Se recomienda montar en el lado norte del poste para evitar golpearse la cabeza con el panel solar más tarde. 5. Caracterización del suelo y recogida de muestras NOTA: La caracterización visual del suelo es fundamental para interpretar la dinámica de la humedad del suelo después de la instalación. La recolección de muestras puede ayudar a la interpretación con datos cuantitativos. Recoja muestras incluso si no hay fondos disponibles o si las instalaciones internas no pueden procesarlas. Secar al aire y archivarlos, en caso de que se necesite la caracterización del suelo en el futuro. Para una descripción básica del suelo, tenga en cuenta la profundidad de cualquier cambio obvio en el color o la textura del suelo (horizontes).NOTA: El Centro Nacional de Estudios de Suelos proporciona una excelente visión general de las descripciones e interpretaciones del perfil del suelo24. Si la ubicación no es ideal, ahora es el momento de mudarse. Para la caracterización básica del suelo, recolecte muestras representativas de suelo en una bolsa de congelación de 1 cuarto (1 L) a cada profundidad del sensor, siguiendo el procedimiento de Lawrence et al.25.Al regresar a la oficina o al laboratorio, coloque todas las bolsas de 1 cuarto de galón en el mostrador, ábralas y déjelas secar al aire durante al menos 48 horas.NOTA: El secado al aire elimina la mayor parte de la humedad del suelo al tiempo que preserva las propiedades orgánicas y químicas para futuros análisis. Envíe las muestras a un laboratorio de extensión universitaria (por ejemplo, https://agsci.colostate.edu/soiltestinglab/) o a un laboratorio comercial (por ejemplo, http://www.al-labs-west.com/) para análisis adicionales. Alternativamente, ejecute la muestra internamente por técnicos capacitados, utilizando los métodos aceptados que se indican a continuación. Realice análisis básicos de laboratorio, incluidos los parámetros físicos del suelo, como la distribución del tamaño de partícula26, la fracción de roca (RF; porcentaje de peso superior a 2 mm), la fracción del suelo (SF; porcentaje inferior a 2 mm) y la textura (porcentajes de arena, limo y arcilla). Verifique los parámetros químicos básicos, incluida la conductividad eléctrica de pasta saturada (dS m-1)27 y la materia orgánica28. Recomendado: Realizar muestreo volumétrico del núcleo del suelo a profundidades de 5, 10, 20 y 50 cm utilizando un dispositivo de extracción de muestras para recolectar una muestra volumétrica no perturbada. Determinar la densidad aparente del suelo (BD; g cm-3) a partir del peso total del suelo seco y el volumen del núcleo29. Porosidad del suelo (φ; [-]) es el límite físico superior de SWC. Para suelos minerales, estimar φ como 1 – BD/PD, donde la densidad de partículas (PD) para suelos minerales predominantemente de cuarzo es de 2,65 g cm-3.NOTA: Las muestras para BD se recogen en un núcleo de volumen conocido o utilizando peds de suelo29. 6. Inserción horizontal de las sondas de 5, 10, 20 y 50 cm NOTA: El objetivo es garantizar un contacto completo con el suelo alrededor de las púas del sensor, evitando cualquier espacio de aire. Corte con cuidado las bridas y desenrolle cada sensor, eliminando cualquier bobina en los cables. Coloque el cabezal del sensor cerca del pozo de tierra y el cable en la zanja. La profundidad de instalación se define como el centro del sensor cuando se instala horizontalmente, independientemente de si la cara del sensor es redonda o rectangular. Instale el sensor a la profundidad precisa debajo de la superficie terrestre y lo más horizontalmente posible en el suelo. Utilice una referencia de profundidad cero y un dispositivo de medición (cinta métrica o regla) para una profundidad precisa del sensor (Figura 2) y un espaciador para mantener el espaciado de la púa durante la inserción (Figura 2C). Primero, inserte el sensor de 50 cm. Empuje el sensor horizontalmente en el suelo, tratando de no mover el sensor, ya que esto puede crear huecos. Como la sonda de 50 cm es a menudo la más difícil, use una varilla de conexión a tierra para proporcionar más apalancamiento para empujar ese sensor hacia adentro, teniendo cuidado de no romper la cabeza epoxi o separar las púas. Repita el proceso de inserción, trabajando hacia arriba hasta las profundidades del sensor de 20, 10 y 5 cm. Escalonar (Figura 2D) o apilar (Figura 2B) los sensores.NOTA: El tiempo de medición en los protocolos SDI-12 generalmente evita que los sensores lean simultáneamente y generen interferencias entre sensores adyacentes (por ejemplo, las profundidades de 5 y 10 cm). Oriente cada cable del sensor hacia el mismo lado de la cara del pozo, lo que les permite colgar en el fondo del pozo de excavación. Tome una foto del orificio excavado y los sensores con una cinta métrica para la escala (Figura 6A). Use un GPS para determinar la latitud y longitud dentro de unos pocos metros del pozo. Si excava varios sitios en un día, use un letrero con un identificador único para diferenciar entre los pozos. Figura 6: Fotografías de ejemplo para metadatos . (A) El pozo de suelo instrumentado con cinta métrica para escala, (B) la zanja de cable excavada de nuevo al mástil del instrumento, y las fotos finales del sitio orientadas (C) norte y (D) sur. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. 7. Inserción vertical para la sonda de 100 cm Para instalaciones de sensores a profundidades superiores a 50 cm, barrena un orificio separado para cada sensor dentro o cerca de la zanja del cable (Figura 4A). Con una barrena manual (5-10 cm de diámetro), excave hasta la(s) profundidad(es) de instalación(es) adecuada(s). La profundidad se define como el centro de medición (por ejemplo, 50 cm) menos la mitad de la longitud de la púa en relación con la referencia de profundidad cero (Figura 4B). Coloque el suelo excavado en una lona en el orden en que se quitó. Instale el sensor verticalmente empujándolo en la parte inferior del orificio con una herramienta de instalación (Figura 4C, 4D). Vuelva a empacar el agujero de barrena con el suelo excavado desde el más profundo hasta el más superficial. Reemplace el suelo en pequeños ascensores, empacándolo lo suficiente como para evitar que el suelo se enfrente al agujero y la creación de huecos.NOTA: Las herramientas de embalaje pueden ser una pieza tapada de PVC o clavijas de madera. Evite dañar el cabezal o el cable del sensor. 8. Finalización de la instalación del sensor y cableado a DCP Si los cables del sensor están directamente enterrados, asegúrese de que los extremos elevados que se ejecutan en la carcasa estén en un conducto de PVC utilizando un conector de mampara para ingresar a la carcasa (Figura 5).NOTA: Si utiliza un pluviómetro separado (paso 9.1), asegúrese de incluir este cable cuando se dirija a la carcasa. Si usa un conducto, colóquelo en la zanja del cable y córtelo a la longitud deseada. Alimente el cable a través del conducto, esto puede requerir una cuerda de tracción o cinta adhesiva para tirar de los cables. Utilice un conducto flexible o un codo de barrido de 90° más una longitud de conducto vertical para enrutar los cables desde un puerto de conducto hasta la parte inferior de la carcasa. Coloque el cable o cable/conducto en la parte inferior de la zanja del cable. Tire de los extremos del cable a través del puerto inferior de la carcasa y asegúrelos con bridas. Si hay exceso de cable en el recinto, tire de él hacia atrás a través del conducto y enrolle en el fondo de la zanja de excavación. Tome una foto del pozo de instalación y la zanja con cables que conducen de regreso al gabinete (Figura 6B). Para el cableado del sensor de humedad del suelo, utilice una alimentación común (5-12 voltios) y un cable de tierra para cada sensor SDI-12. Use conectores de palanca, conectores de empalme o bloques de terminales (Figura 5) para que estas conexiones sean más fáciles y seguras. Si utiliza más de un tipo de sensor, utilice un puerto de comunicaciones diferente en el DCP, si está disponible.NOTA: Un sensor SDI-12 defectuoso puede interrumpir otros sensores de una serie. 9. Sensores auxiliares y configuración de hardware Medidor de precipitación (PPT)NOTA: Para mejorar la captura, los pluviómetros deben instalarse en un mástil vertical separado lo más cerca posible del nivel del suelo. La instalación del medidor más alto en el soporte del brazo cruzado puede reducir la captura debido a las mayores velocidades del viento.Determine la ubicación. Instale la pluvióloga lo más bajo posible por encima de la cubierta del suelo (~ 1 m) y a una distancia dos veces la altura de cualquier obstrucción cercana30. La ubicación ideal es cerca de la zanja del cable.NOTA: El cable del pluviómetro se enterrará junto a los cables del sensor antes de entrar en la parte inferior de la carcasa. Instale un mástil vertical. Usando una barrena manual, excave un agujero a ~50 cm de profundidad. Coloque una sección de tubería de acero galvanizado de longitud suficiente en cemento o espuma (ver paso 4.1). Después del curado, instale el medidor con abrazaderas de manguera o una base de montaje plana, según las instrucciones del sensor. Asegúrese de que el medidor esté perfectamente nivelado.NOTA: La mayoría de los medidores tienen un nivel de burbuja incorporado. Pase los cables entre la pluviometría y el recinto en el conducto subterráneo con los cables de humedad del suelo. Para un medidor basculante, conecte los dos cables en un canal de conteo de pulsos en el DCP.NOTA: Los cables pueden entrar en cualquier lado. Asegúrese de quitar la parte superior y verifique que el mecanismo de vuelco se mueva libremente. Los cubos a menudo se aseguran durante el envío con bandas elásticas.NOTA: Las pluviómetros requieren limpieza y calibración de rutina. Si monta la pluviómetro directamente en el soporte del instrumento o en el brazo cruzado, siga el paso 9.2. Otros sensoresInstale medidas auxiliares y cualquier antena en los soportes de mástil vertical o brazo cruzado a la altura adecuada sobre el suelo10,30. La ruta conduce a la entrada del recinto sobre el suelo y asegúrela donde sea necesario con bridas para cables. Conecte los canales de medición apropiados en el DCP. Varilla de conexión a tierraInstale una varilla de conexión a tierra de cobre de >1 m de largo a 0,5 m del mástil del instrumento. Use un controlador de poste de cerca para insertar la varilla en el suelo, dejando ~ 20 cm expuestos. Asegure el alambre de cobre pesado (8-10) de calibre a la varilla con una abrazadera de tierra. Asegure el otro extremo a la carcasa o trípode.NOTA: La conexión a tierra puede no ser aconsejable en todas las situaciones. Conecte la batería.NOTA: La mayoría de los DCP necesitan 5-24 voltios (V), aunque 12 V es el más común y 7 o 12 amperios hora (AH) es suficiente para alimentar la mayoría de las estaciones de humedad del suelo. Aquí se utiliza un paquete de baterías de 12V 12AH y un regulador de voltaje.Asegúrese de que el regulador de carga esté en la posición de apagado . Usando un multímetro ajustado a CC para voltaje de corriente continua, verifique que el voltaje de la batería sea suficiente (>10V para una batería de 12V) e identifique los terminales + y – , si no están marcados. Deslice el conector terminal del cable negro (-) sobre el terminal de la pala en el poste de tierra (-) de la batería y el cable rojo sobre el poste de la batería +. Enchufe el otro extremo de los cables rojo/negro en el puerto BAT del regulador de voltaje. Panel solarNOTA: Un panel de 10 o 20 vatios suele ser suficiente. Se necesita una mayor potencia en latitudes más altas, áreas más sombreadas o en sistemas con un alto consumo de energía (por ejemplo, módems celulares, cámaras). El panel debe estar orientado para recibir la máxima radiación solar incidente en el transcurso de 1 año.Envuelva la cinta aislante por separado alrededor de cada cable en el panel solar.NOTA: Estos cables transportarán corriente si el panel está expuesto a la luz solar. Usando pernos en U, monte el panel solar sobre el recinto y en el lado del soporte del instrumento orientado hacia el ecuador (por ejemplo, al sur en los EE. UU.). Utilice el ángulo apropiado para la latitud del sitio, normalmente de 25° a 35° en los Estados Unidos adyacentes. Dirija el cable al punto de entrada de la carcasa sobre el suelo. Retire la cinta de los cables del panel. Usando un multímetro ajustado a A para amperaje, verifique que la salida del panel solar sea de >0.1 A . Usando un multímetro ajustado a CC para voltaje de corriente continua, verifique que la salida del panel solar sea >10V e identifique los cables + (generalmente rojo) y – (generalmente negro), si no están marcados. Conecte el cable – del panel solar al puerto G (tierra), luego el cable + del puerto SOLAR en el regulador de carga.NOTA: Cubra el panel solar con una lona o algo opaco para minimizar las chispas. Compruebe que la CHG o la luz de carga estén ahora encendidas. Comunicaciones de datos remotasNOTA: La telemetría de datos móviles proporciona la capacidad de transmitir y enviar datos desde el DCP. Las aplicaciones para teléfonos inteligentes, como OpenSignal, pueden medir la intensidad de la señal y el rumbo a la torre celular más cercana. Se prefieren antenas omnidireccionales y multibanda; sin embargo, una antena direccional (Yagi) puede mejorar la señal en áreas más remotas.Fije la antena a la parte superior del mástil del instrumento utilizando los pernos en U suministrados. Conecte el cable coaxial a la antena y dirija el otro extremo hacia la carcasa a través del conducto del sensor sobre el suelo. Asegure el cable con bridas. Conecte el otro extremo al módem celular de la carcasa. Encendido del sistemaNOTA: En este punto, la suposición es que el programa DCP está escrito, y todos los sensores están cableados de una manera apropiada. El panel solar y la batería recargable están conectados a un regulador de voltaje con un cable de alimentación rojo / negro conectado a los puertos de alimentación DCP.Cambie el interruptor del regulador de voltaje a encendido. Inicie el software DCP y conecte una computadora portátil al DCP. Confirme que todos los sensores informan valores y no un número (NaN) o un valor de error. Verifique cada sensor de suelo para ver los valores SWC, BEC y T. Asegúrese de que los valores SWC sean >0,05 m 3/m 3 y <0,60 m 3/m 3. Compruebe cualquier sensor fuera de rango; Vuelva a insertar o reemplazar cualquier sensor que sea cuestionable. Vierta un poco de agua a través del pluviómetro y verifique que el DCP esté registrando los recuentos.NOTA: Los valores bajos de BEC (<0,001) pueden indicar un contacto deficiente con el sensor (o suelos muy secos). Cuando se instala en estaciones más cálidas, T es generalmente más cálido en la parte superior y más frío en la parte inferior. Compruebe la intensidad de la comunicación celular. Siga la documentación del fabricante para determinar la intensidad de la señal.NOTA: La intensidad de la señal debe ser > -100 dBm para garantizar una calidad de señal decente. Las antenas de dirección se pueden girar para posiblemente mejorar la señal. Existen muchas otras opciones de comunicación más allá de lo celular (por ejemplo, satélite). 10.Site finalización Una vez que esté seguro de que todo lo que está bajo tierra está funcionando, y los cables o cables en el conducto están todos en la zanja y enrutados hacia el recinto, llene y selle las aberturas de las entradas del recinto por encima y por debajo del suelo con masilla eléctrica para protegerlos de la humedad y mantener a los insectos fuera del recinto. Delinee el perímetro exterior de las ubicaciones de los sensores en la superficie con estacas permanentes con banderas brillantes. Rellenar el área excavada utilizando el suelo en la lona y en el orden inverso de eliminación (Paso 3.1) (más profundo a más superficial). Comience empacando a mano la tierra contra la cara de la zanja y alrededor del cabezal del sensor a 50 cm, teniendo cuidado de evitar perturbar el sensor. Apoye el cabezal del sensor mientras empaqueta tierra a su alrededor para que los dientes del sensor no se muevan. Asegúrese de que todos los cables de sensor restantes aún estén colocados cerca de la parte inferior de la zanja; Luego, cúbralos con cuidado con tierra más profunda de la lona. Compacte la tierra en el fondo del pozo para asegurar los cables, teniendo cuidado de no tirar de ellos hacia abajo con ninguna fuerza. Utilice suficiente fuerza durante la compactación para asegurar una densidad aparente similar del material eliminado.NOTA: Los suelos más húmedos durante la instalación pueden compactarse en exceso fácilmente, mientras que los suelos más secos pueden permanecer sueltos independientemente de la fuerza. Rellenar el pozo en elevadores de 10 cm, alisando y compactando la superficie hasta alcanzar el sensor de 20 cm. Una vez más, empaque cuidadosamente el suelo debajo y alrededor del sensor, antes de volver a rellenar otro levantamiento de tierra de 10 cm. Por último, empaque a mano el suelo alrededor del sensor de 10 cm, luego el sensor de 5 cm, asegurándose de que ambos permanezcan horizontales y en su lugar. Llene el resto del pozo de tierra con la tierra superior de la lona.NOTA: Toda la tierra removida debe volver al pozo. El suelo sobrante indica que el suelo no estaba empaquetado a la densidad aparente original. Usando la pala de zanja, empuje el suelo excavado al lado de la zanja sobre el conducto. Asegúrese de que todo esté enterrado completamente y por debajo de 5 cm. Use un rastrillo de acero para nivelar el suelo reempaquetado en el pozo y zanja al ras de la superficie original. Compacte el suelo en la zanja del conducto lo suficiente como para minimizar cualquier flujo preferencial en el sitio de instalación. Opcional: Espolvoree un poco de tierra de diatomeas alrededor de cualquier abertura subterránea y en la superficie para desalentar a las hormigas, y otros insectos. Recomendado: use un sensor SWC portátil para tomar lecturas del suelo superficial alrededor de los sensores in situ para ayudar a la verificación de datos a lo largo del tiempo y cualquier necesidad de escalado. Tome lecturas en direcciones cardinales (norte, sur, este y oeste) a distancias constantes (por ejemplo, 5, 10, 25 y 50 m). 11. Registrar metadatos de la estación, los datos detrás de los datos23 NOTA: Documente los metadatos en la instalación y en cada visita al sitio (consulte la Tabla 1). Los informes de metadatos consistentes respaldan la creciente comunidad de práctica y son fundamentales para garantizar la integridad de los datos y la red. Documente los detalles de la instalación, incluido un identificador único del sitio, la fecha de instalación, los números de serie del sensor, las direcciones SDI-12 correspondientes, las orientaciones de inserción (horizontales o verticales) y las profundidades. Describa el perfil del suelo y tome fotos asociadas. Registre los identificadores de muestra de cualquier muestra de suelo recolectada. Para la ubicación del sitio, registre la latitud y longitud, elevación, pendiente, aspecto, uso de la tierra y cobertura del suelo. Tome nota de la información del propietario y del contacto, así como de la accesibilidad del sitio, incluidos los códigos de puerta o cerradura. Usando la aplicación Compass en un teléfono inteligente (o una brújula real) y una cinta métrica, mida el ángulo y la distancia al pozo del sensor (y cualquier orificio de la barrena del sensor) desde dos puntos de referencia (por ejemplo, una varilla de conexión a tierra o una pata de trípode).NOTA: Esto ayudará a triangular sus posiciones más adelante. Tome fotos de la estación terminada y las orientaciones norte (Figura 6C), sur (Figura 6D), este y oeste desde el mástil del instrumento. Delinee la ubicación de instalación del sensor con marcado u otros elementos distintos. Tabla 1: Metadatos de la estación para la recopilación de datos de humedad del suelo. Abreviaturas: Dec. = dec. dec. dec. GPS = Sistema de Posicionamiento Global; 3DEP = Programa de elevación 3D; O&M = operación y mantenimiento; SSURGO = Base de datos geográfica de estudios de suelos; Mukey = clave de unidad de mapa. Haga clic aquí para descargar esta tabla. 12. Operaciones y mantenimiento NOTA: Se debe agregar un registro de mantenimiento detallado al registro de metadatos, incluido el reemplazo del sensor, el estado o los cambios en la vegetación, o cualquier perturbación del sitio. Realizar inspecciones rutinarias del sitio anualmente como mínimo (Tabla 2). Registre cualquier calibración o reemplazo del sensor. Asegurar el manejo regular de la vegetación, especialmente para estaciones permanentes para que el sitio no se vuelva demasiado grande o anómalo para el área circundante. Adaptar el manejo de los animales a la vida silvestre local, posiblemente incluyendo cercas. En caso de falla del sensor, haga una visita de emergencia al sitio e instale un reemplazo (Tabla 2). Tabla 2: Ejemplo de programa de mantenimiento. Abreviatura: DCP = plataforma de control de datos. Haga clic aquí para descargar esta tabla.

Representative Results

La red SCAN comenzó como un proyecto piloto del NRCS en 1991. Es la red de recopilación de datos SWC más antigua en funcionamiento15 y la base para los resultados representativos en este protocolo. Todos los sitios SCAN comenzaron originalmente con un sensor de capacitancia analógico. El sitio de instalación de campo (SCAN 2049) en Beltsville, Maryland, utilizado en el componente de video de este protocolo, monitorea (Figura 7A) la temperatura del aire y el suelo por hora y (Figura 7B) SWC por hora a profundidades de 5, 10, 20, 50 y 100 cm. PPT diario, almacenamiento de agua del suelo (SWS) a 20 cm, y su cambio en el tiempo (dSWS) se muestran en la Figura 7C. Para cada evento PPT, hubo un fuerte aumento en SWC cerca de la superficie (5 y 10 cm) y un aumento más atenuado y retrasado a mayores profundidades a medida que el frente húmedo se propagaba hacia abajo bajo la gravedad. Durante los eventos de principios de febrero y abril de 2022, el sensor más profundo a 100 cm alcanzó una meseta de 0,33 m 3 / m3, que se mantuvo durante varios días. Tales condiciones indican una corta duración de saturación. La densidad aparente seca del horizonte del suelo a partir de los datos de caracterización (Tabla 3) fue de 1,73 g/cm3, con una porosidad estimada (φ) de 0,35 [-], proporcionando evidencia adicional de que el espacio poroso estaba completamente lleno de agua. Dada la arena franco arenosa / franco del perfil del suelo, las condiciones saturadas probablemente fueron producidas por un drenaje deficiente o un nivel freático poco profundo que inhibió el drenaje. Tenga en cuenta que la temperatura del aire en este sitio cae por debajo del punto de congelación la mayoría de las noches hasta abril; sin embargo, las temperaturas del suelo se mantuvieron por encima de 2 °C y no hubo indicios de agua congelada en los datos de SWC a ninguna profundidad. Figura 7: Resultados de ejemplo de la estación de campo (SCAN 2049) ubicada en Beltsville, Maryland. (A) Temperatura del aire y del suelo por hora, (B) SWC por hora, y (C) precipitación diaria, almacenamiento de agua del suelo a 20 cm, y su diferencia en el tiempo. Abreviaturas: SWC = contenido de agua del suelo; PPT = precipitación; SWS = almacenamiento de agua del suelo; dSWS = diferencias en SWS a lo largo del tiempo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Tabla 3: Datos del sitio y caracterización del suelo para ejemplos de datos presentados en los resultados representativos. Todos los datos presentados en figuras y tablas se recuperaron de la base de datos en línea de NRCS en la URL anotada para cada sitio. Los datos de caracterización del suelo no estaban disponibles para Table Mountain (#808). Abreviaturas: NRCS = Servicio de Conservación de Recursos Naturales; URL = localizador uniforme de recursos; c = arcilla; FSL = marga arenosa fina; ls = arena arcillosa; s = arena; sc = arcilla arenosa; scl = marga arcillosa arenosa; si = limo; sil = marga limosa; sl = franco arenoso; nd = sin datos; BD = densidad aparente 33 kPa. Haga clic aquí para descargar esta tabla. Un ejemplo más extremo de saturación se muestra en la Figura 8 para una ubicación de escaneo (2110) cerca de Yazoo, Mississippi. Los suelos tienen contenidos de arcilla muy altos (por encima del 60%), densidades de masa bajas que van de 1,06 a 1,23 g/cm3, y un φ que varía de 0,54 a 0,60 [-] (Tabla 3). El primer evento PPT de ~ 40 mm el 13 de abril de 2020 saturó el suelo a un SWC de >0.60 m 3 / m3 a todas las profundidades durante 12 días consecutivos, valores muy cercanos a la φ medida. Un segundo evento de 70 mm/día el 20 de abril de 2020 no tuvo ningún efecto sobre dSWS, lo que sugiere una escorrentía de exceso de saturación. Un período similar de saturación fue notable en noviembre de 2020. Si bien no hubo medición a 100 cm, el SWC a 50 cm se mantuvo estable en 0,39 m 3/m 3, excepto a finales del verano, donde cayó modestamente a 0,36 m 3/m 3. Las notas del sitio (Tabla suplementaria S2) indican que se utilizó la calibración específica del sensor “marga”31, como es el caso de los sensores de capacitancia utilizados en la mayoría de los sitios SCAN y USCRN. Ambos ejemplos ilustran la importancia de la caracterización del suelo y los datos de BD, recopilados durante la caracterización del sitio (paso 5), en la interpretación de los datos de SWC. Figura 8: Ejemplo de resultados de un sitio húmedo y templado (SCAN 2110) ubicado cerca de Yazoo, Mississippi . (A) temperatura del aire y del suelo por hora, (B) SWC por hora, y (C) precipitación diaria y cambio en el almacenamiento de agua del suelo. Abreviaturas: SWC = contenido de agua del suelo; PPT = precipitación; SWS = almacenamiento de agua del suelo; dSWS = diferencias en SWS a lo largo del tiempo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. La Figura 9 presenta una serie temporal más directa de SWC in situ a cinco profundidades con cinco eventos de humectación que resultan en la propagación secuencial del frente humectante hacia abajo en el perfil del suelo. Este sitio SCAN (2189) estaba ubicado cerca de San Luis Obispo, CA, en un clima mediterráneo con una primavera húmeda y un verano largo y seco en un suelo franco arenoso con un φ que varía de 0.37 a 0.51 [-] (Tabla 3). La respuesta a la humectación de la superficie del suelo fue rápida y disminuyó en magnitud con la profundidad. El gran evento PPT final durante 5 días fue suficiente para mostrar respuesta a las profundidades de 50 y 100 cm. A medida que aumentaba la profundidad, el ciclo diurno de la amplitud de la temperatura del suelo disminuía, y el tiempo de temperaturas máximas y mínimas se retrasó aún más con respecto a la temperatura del aire y las profundidades menos profundas (Figura 9A). Si bien estas características pueden ser útiles para discriminar entre las profundidades del sensor, como se discute en la siguiente sección, también hubo un efecto notable en la fluctuación de SWC a profundidades de 5 y 10 cm. La amplitud SWC fue ~0.02 m 3/m 3 a 5 cm, ~0.01 m 3/m 3 a 10 cm, y más insignificante en los sensores más profundos. También estaba en fase con las temperaturas del suelo, y el ruido era más probable inducido en el sensor por las fluctuaciones de temperatura y era poco probable que fuera el resultado de cualquier movimiento físico de la humedad del suelo o precipitación real. Este sitio más seco (2189) tiene cambios diurnos mucho más grandes en la temperatura del suelo que el sitio de instalación de campo más mésico (2049), que no muestra ruido de temperatura en los datos de SWC (Figura 7B). Figura 9: Ejemplo de resultados de un sitio semiárido y mediterráneo (SCAN 2189) ubicado cerca de San Luis Obispo, California . (A) temperatura del aire y del suelo por hora, (B) SWC por hora, y (C) precipitación diaria y cambio en el almacenamiento de agua del suelo. Abreviaturas: SWC = contenido de agua del suelo; PPT = precipitación; SWS = almacenamiento de agua del suelo; dSWS = diferencias en SWS a lo largo del tiempo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. La Figura 10 presenta una de las interpretaciones de datos SWC más desafiantes que existen con suelo congelado y cubierta de nieve. Este sitio (808) estaba ubicado cerca de Boseman, MT, a 4,474 pies sobre el nivel del mar. Las temperaturas diarias del aire ocasionalmente superaron las temperaturas de congelación durante el invierno (diciembre, enero y febrero) de 2020. Las temperaturas del suelo se mantuvieron justo por encima de 0 ° C hasta marzo. La presencia de nieve en la superficie aislaría el suelo de las variaciones de temperatura del aire. Además, en suelos húmedos, la liberación de calor latente y el consumo de energía, acompañados de procesos de transición de fase relacionados con los ciclos de congelación-descongelación, amortiguaron las temperaturas del suelo, manteniéndolas muy cerca de 0 °C hasta que se completaron estos cambios de fase. La pequeña ε de hielo en suelos helados aparece como disminuciones dramáticas en SWC seguidas de aumentos durante la descongelación sin ninguna indicación de PPT. Esto fue más evidente a mediados de diciembre y mediados de marzo, cuando las temperaturas del aire cayeron rápidamente y SWC a 5 y 10 cm disminuyó durante 3 días y luego se recuperó. La temperatura del suelo a 100 cm alcanzó el punto de congelación a mediados de noviembre y estuvo en un SWC bajo el otoño anterior, todo el invierno, y no cambió durante el deshielo de primavera, lo que sugiere que podría haber estado funcionando mal. Sin embargo, las caídas rápidas y la recuperación en los otros sensores pueden o no ser cambios reales en el agua líquida del suelo; La interpretación de tales datos puede ser extremadamente difícil sin mediciones auxiliares de la presencia o profundidad de nieve. A menudo, los datos de SWC en o por debajo de la congelación se censuran en el control de calidad. Más discusión sobre las temperaturas del suelo cerca del punto de congelación se presenta en la sección de control de calidad del registro de datos. Figura 10: Resultados de ejemplos de un sitio alpino semiárido (SCAN 808) ubicado cerca de Three Forks, Montana . (A) temperatura del aire y del suelo por hora, (B) SWC por hora, y (C) precipitación diaria y cambio en el almacenamiento de agua del suelo. Abreviaturas: SWC = contenido de agua del suelo; PPT = precipitación; SWS = almacenamiento de agua del suelo; dSWS = diferencias en SWS a lo largo del tiempo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Otros ejemplos y datos de caracterización se extrajeron de la base de datos SCAN (consulte la Tabla 3 para el Localizador uniforme de recursos, [URL]). El informe y el control de calidad de estos datos necesitan cierta interpretación para determinar si existe un mecanismo físico para explicar cualquier comportamiento errático. Nuestra interpretación carece de conocimiento del sitio local, y a pesar de años de evaluar series temporales de SWC, todavía puede ser difícil evaluar un buen sensor o instalación a partir de uno defectuoso o malo. La Figura 11 presenta ejemplos comunes de registros de datos de problemas, seleccionados aleatoriamente de 40 estaciones SCAN entre 2020 y 2021. Los errores más comunes incluyen picos (Figura 11A) y cambios de paso hacia arriba (Figura 11B) o hacia abajo (Figura 11C), como lo señala la Red Internacional de Humedad del Suelo32. Para cada uno de estos, no hay un evento PPT concurrente para explicar tales cambios, y pueden considerarse erróneos. El problema con los picos o caídas instantáneas se agrava cuando solo se observan los medios diarios, lo que puede ocultar tales eventos. Es mejor eliminarlos antes de hacer cualquier cálculo medio. El inicio y el final de un cambio de paso pueden ser obvios, pero es difícil completar cualquier dato intermedio. No abordamos el relleno de datos en este protocolo, sino que solo marcamos datos erróneos. El comportamiento errático (Figura 11D) se presenta como una fluctuación salvaje sin ninguna respuesta a los eventos PPT. En algunos casos, los picos pueden desaparecer después de las comprobaciones de cableado y el reemplazo del multiplexor, como se muestra en la Figura 11A después de agosto de 2020. Más a menudo, el comportamiento errático es el preludio de un sensor defectuoso, como se muestra en la Figura 11E. El sensor a 10 cm de profundidad dio una advertencia razonable de comportamiento errático en enero y falló a fines de marzo. Sin embargo, el sensor a 5 cm de profundidad falló sin previo aviso el 1 de marzo de 2021. Figura 11: Ejemplos de registros de problemas. (A) SCAN 2084, Uapb-Marianna, Arkansas, que muestra caídas periódicas a 5 cm, (B) SCAN 2015, Adams Ranch #1, Nuevo México, con un cambio de paso positivo a 50 cm de profundidad, (C) SCAN 808, Table Mountain, Montana, con un cambio de paso hacia abajo, picos e incluso recuperación a 50 cm de profundidad, (D ) SCAN 2006, Bushland #1, Texas, que no muestra respuesta a los eventos de precipitación en el sensor de 5 o 10 cm, con cierta recuperación del sensor de 10 cm seguido de la falla eminente de ambos, y (E) SCAN 2027, Little River, Georgia, con un sensor de brillo a 20 cm y falla catastrófica a las profundidades de 5 y 20 cm. Las profundidades del sensor se indican como 5 cm (negro), 10 cm (azul), 20 cm (naranja), 50 cm (gris oscuro) y 100 cm (amarillo). Abreviaturas: SWC = contenido de agua del suelo; PPT = precipitación. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. En SCAN 2084, el sitio comenzó a registrar datos el 2/6/2004 y tenía varias notas de comportamiento errático relacionado con los multiplexores SDI-12, que fueron reemplazados varias veces (Tabla Suplementaria S2). Sin embargo, los sensores son originales y, después de 18 años, siguen funcionando. En SCAN 2015, la recolección de datos comenzó el 25/10/1993 y el sensor de 50 cm en la Figura 11B se consideró sospechoso en 2017 (Tabla Suplementaria S2). El sitio más antiguo, SCAN 808, comenzó a informar el 30/09/1986 y se convirtió en una estación SCAN el 25/10/2006; No ha tenido ningún sensor reemplazado hasta la fecha. Las anomalías, como se muestra en la Figura 11E, no siempre resultan en fallas, ya que la Figura 10 tiene datos razonables. SCAN 2006 comenzó a informar el 10/1/1993; los sensores originales de 5 y 10 cm de la figura 11D fueron reemplazados el 24/01/2022. SCAN 2027 comenzó a informar el 19/05/1999; los sensores originales de 5 y 10 cm de la figura 11E fueron reemplazados el 13/08/2021. Como se señaló, los sitios de escaneo comenzaron con un sensor de capacitancia analógico. Muchos de estos sensores han durado más de 20 años y, aunque no necesariamente producen datos de la más alta calidad, se han mantenido funcionales. Determinar el punto en el que reemplazar un sensor sigue siendo una pregunta abierta para los profesionales. Los metadatos del sitio y las propiedades del suelo para los sitios en la Figura 11 se pueden encontrar en la Tabla Suplementaria S3. Presentación de informes de datosLos sensores SWC continuos in situ informan de tres a seis valores por intervalo de registro de tiempo. Junto con cualquier medición auxiliar, el despliegue a largo plazo de sensores SWC genera grandes cantidades de datos de valor unitario que deben almacenarse y entregarse. Las mediciones ambientales se realizan a intervalos de muestreo discretos que se agregan a lo largo del tiempo y se informan como registro de datos. La frecuencia de muestreo de medición atmosférica varía según la medición; Es más grande para mediciones de viento y radiación solar (<10 s) y mayor para temperatura y humedad del aire (60 s)30. Estos valores de muestra se promedian o acumulan durante un intervalo de informe que puede variar de 5 minutos a 1 h. Del mismo modo, el SWC puede ser muestreado instantáneamente en el intervalo de informe o muestreado (por ejemplo, cada 5 min) y promediado en promedios de 30 min o 60 min, ya que la dinámica de SWC es relativamente más lenta en comparación. Aunque el promedio de muestreos más frecuentes puede reducir el ruido de las fluctuaciones de temperatura, la interferencia eléctrica y la variabilidad inherente del sensor, no es aconsejable, porque los picos de datos pueden sesgar el valor medio como se discutió anteriormente. La mayoría de los registros de datos SWC pueden satisfacerse con la detección a cada hora, pero para regiones con condiciones de drenaje de mayor velocidad (suelo arenoso) y PPT intensivo (condiciones monzónicas), algunas redes registran en un intervalo de tiempo de 20 minutos para capturar completamente los eventos de lluvia. Por último, la transmisión de datos o la telemetría pueden estar limitadas por la tecnología (por ejemplo, sistemas satelitales) o tener niveles de costo basados en el tamaño y la frecuencia de los datos. La optimización de los intervalos de informes y las variables telemétricas puede ayudar a controlar los costos. Por ejemplo, se prefiere la transmisión de valores brutos (por ejemplo, ε o recuentos) a los valores derivados (por ejemplo, SWC) que se pueden calcular en el posprocesamiento. La resolución de datos también puede afectar al tamaño del paquete de telemetría; sin embargo, es importante representar SWC como un porcentaje (0.0-100.0%) a una resolución de 0.1% o como un decimal (0.00-1.00) a una resolución de 0.001 m 3 m-3. La versión decimal en m 3 m-3 es muy preferida para evitar confusiones con los cambios porcentuales del contenido de agua en análisis e informes posteriores, y para evitar confusiones con los contenidos de agua en base de masa (g / g) que también pueden informarse como porcentaje de contenido de agua. La temperatura del suelo, el ε y el BEC se informan comúnmente a resoluciones de 0.1 ° C, 0.1 [-] y 0.1 dS m-1, respectivamente. Control de calidad del registro de datosEl proceso de control de calidad del registro de datos verifica los datos y documenta su calidad. Las notas de campo precisas y los registros de calibración son esenciales para procesar el registro de datos. Los pasos típicos en el procesamiento de un registro son una evaluación inicial, la eliminación de datos erróneos obvios, la aplicación de cualquier cálculo o corrección de valor derivado y una evaluación final de datos. Los registros SWC generalmente consisten en una señal (por ejemplo, ε, recuentos o mV), temperatura del suelo y BEC que se utilizan en diversos grados para derivar el SWC. Los sensores también pueden generar un SWC derivado del fabricante. Sin embargo, ningún sensor mide directamente SWC; Este cálculo puede ser parte del paso de cálculo de datos, suponiendo que una ecuación de calibración adecuada esté disponible y forme parte del registro de metadatos. Un registro puede ser una medición instantánea o un promedio durante algún período. Es deseable que los datos sin procesar se mantengan de modo que se puedan calcular los formatos más apropiados para el control de calidad y se puedan aplicar mejoras en las ecuaciones de calibración o la comprensión del sensor a los datos sin procesar. Las características del sensor deben dictar si se registran valores instantáneos o valores medios de lecturas múltiples, aunque se prefieren los valores instantáneos por las razones dadas anteriormente. Hay varias formas de incorporar datos auxiliares (consulte la verificación de datos a continuación) en un flujo de trabajo de control de calidad. La precipitación es el primer cheque: “¿aumentó SWC después de un evento de lluvia?” Hay situaciones en las que SWC puede aumentar sin PPT (por ejemplo, derretimiento de la nieve, descarga de agua subterránea, riego). La segunda comprobación es comparar el cambio en el almacenamiento de agua del suelo con la cantidad total de PPT para un evento específico (Figura 7C). Idealmente, este evento debería ser un evento aislado de lluvia de baja intensidad. La precipitación se infiltra en el suelo desde la superficie y se filtra hacia abajo. El pico en SWC debería seguir un patrón similar a la baja (Figura 7B). Sin embargo, el flujo preferencial puede hacer que el agua infiltrada pase por alto un sensor poco profundo o cause una respuesta rápida en sensores más profundos. Si bien estas pueden ser respuestas “reales”, la compactación deficiente de la zanja de instalación o alrededor de un sensor individual puede canalizar preferentemente el agua hacia un sensor. El sesgo en la llegada frontal mojada debe usarse con precaución y sentido común al interpretar respuestas inusuales a eventos de lluvia o deshielo. Como se ilustra en la Tabla 3, BD dicta el límite superior del espacio poroso del suelo, φ [-], en suelos minerales. El contenido de agua habitualmente mayor que φ indicar un sensor que funciona mal o una calibración inadecuada del sensor. En el primer caso, los datos pueden ser borrados del registro. En este último caso, la recalibración puede permitir conservar el registro, con valores modificados de acuerdo con la recalibración. La temperatura del suelo es otra variable que ayuda a los datos de control de calidad. La temperatura del suelo se propaga hacia abajo en la columna del suelo y se atenúa con la profundidad (Figura 7A). La temperatura debe alcanzar su punto máximo antes y más alto cerca de la superficie con un aumento del tiempo de retraso desde el pico de la superficie a medida que aumenta la profundidad del sensor. Cualquier retraso fuera de orden del sensor puede ser una indicación de una profundidad mal identificada o una dirección SDI-12 incorrecta. Como se muestra en la Figura 10 y se discute en ella, los sensores electromagnéticos dependen de los cambios en ε, que van desde ~ 3 para el hielo hasta ~ 80 para el agua. Los cambios entre el agua y el hielo son registrados por sensores SWC. Sin embargo, puede ser necesario elevar el umbral de señalización, ya que el volumen de detección del sensor es diferente del volumen de detección del termistor de temperatura del suelo, y el umbral podría ser tan alto como 4 ° C. Debido a que el grado de congelación y la cantidad relativa de agua líquida pueden ser importantes para evaluar la hidrología del suelo, estos datos deben marcarse como influenciados por la congelación y no necesariamente eliminados. En el nivel más básico, el control de calidad debe racionalizar cualquier respuesta errática del sensor a algún mecanismo físico o de lo contrario es un error. Aunque las rutinas automatizadas de control de calidad son un requisito para las grandes redes y las fuentes de datos dispares 13,33,34,35, no hay sustituto para los ojos en los datos para mantener la calidad de los datos a largo plazo. Verificación de datosUno de los aspectos más desafiantes de los datos de SWC es la verificación: “¿el sensor proporciona datos buenos y precisos?” La mayoría de los sensores ambientales son accesibles después de la implementación y pueden reemplazarse con un nuevo sensor después de un tiempo, devolverse al fabricante o laboratorio para ser recalibrados según los estándares y / o verificar los datos contra una muestra recolectada del campo. Las organizaciones meteorológicas siguen procedimientos estrictos para los sensores atmosféricos, incluidas las rotaciones de los sensores, el mantenimiento de los sensores y las calibraciones en el campo que permiten que el mantenimiento preventivo sirva como primer paso de la verificación de datos10,30. Los sensores SWC están enterrados in situ y no pueden ser auditados o recalibrados sin una perturbación significativa del sitio y un daño potencial al sensor. Además, no existen estándares aceptados para los sensores SWC, y como tal, la verificación de datos requiere cierto conocimiento de la respuesta anticipada del sensor y cierta confianza en el sensor en sí. Ambos requieren experiencia práctica y mejores prácticas que se siguen en el campo (es decir, mantenimiento e inspecciones del sitio). Si los problemas de rendimiento inusuales, como se presentan en la Figura 11, se vuelven crónicos, existe una alta probabilidad de que el sensor falle y debe reemplazarse. Los sensores electromagnéticos no tienen partes móviles, y el cable y los circuitos tienden a ser robustos. Después de 3 años, la Red de Observación de Suelos de Texas reportó una tasa de falla del 2% para los sensores osciladores de línea de transmisión21. Después de más de 10 años de servicio, la Red de Respuesta Climática de los Estados Unidos informó un marcado aumento en la tasa de fallas de los sensores de impedancia a 15-18 sondas por 100 de 2014 a 201736. Como se presenta en la Figura 11, la mayoría de los sensores SCAN tenían más de 20 años antes de fallar. Se prefiere reemplazar un sensor antes de la falla para que el sensor pueda reevaluarse en aire, agua y arena para verificar la deriva con respecto a los valores previos al despliegue, si estos se registraron (por ejemplo, paso 1), entre otras razones. El reemplazo de rutina es algo poco práctico con los sensores SWC y rara vez se realiza en grandes redes, y no tenemos conocimiento de ninguna evaluación a largo plazo del cambio del sensor SWC electromagnético a lo largo del tiempo. La red USCRN está migrando actualmente a una nueva tecnología de sensores después de más de 10 años utilizando sensores de capacitancia. El plan es tener una superposición mínima de 2 años entre los sensores antiguos y nuevos para realizar cualquier ajuste. Las visitas regulares de mantenimiento deben incluir la verificación de los datos de SWC, idealmente en una variedad de condiciones de humedad. Esto se puede lograr indirectamente utilizando un sensor portátil, idealmente calibrado para algunas muestras de suelo o directamente para núcleos volumétricos de suelo recolectados en el sitio. El mejor enfoque es comparar las lecturas de los sensores in situ con SWC de muestras volumétricas de suelo a profundidades equivalentes37 (Figura 12). El mantenimiento programado debe intentar cubrir un rango de condiciones de humedad del suelo para que se pueda comparar una regresión simple entre las mediciones directas / indirectas de SWC y las lecturas coincidentes del sensor. El muestreo más profundo del suelo se puede hacer en agujeros de barrena o con dispositivos mecánicos de extracción de muestras. La verificación de los sensores de superficie (por ejemplo, 5 y 10 cm) puede ser suficiente, ya que los sensores más profundos deben seguir una respuesta característica similar a PPT, como se discutió anteriormente. Hay varias limitaciones de esta evaluación post hoc de SWC. La principal desventaja es que las muestras volumétricas no pueden (ni deben) tomarse directamente en los sensores y pueden no ser verdaderamente representativas del SWC dentro del volumen de detección alrededor de los dientes (dentro de los 3 cm). Esto lleva a la segunda desventaja; es posible que se necesiten muchos más lugares de muestreo y profundidades para obtener un valor SWC de campo representativo. Esto también puede resultar en muchos agujeros y perturbaciones alrededor del sitio. Una tercera desventaja es la dificultad de obtener muestras volumétricas de suelo en profundidad sin excavaciones que interrumpan el perfil del suelo. Figura 12: Datos volumétricos de SWC. Datos de SWC de núcleos de suelo de 60 cm3 tomados como datos de calibración de campo en comparación con SWC de sensores in situ a profundidades de 15, 30, 45 y 60 cm, en texturas que van desde arena franca y fina hasta arcilla. Esta figura fue adaptada de Evett et al.37. Abreviatura: SWC = contenido de agua del suelo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. El NRCS desarrolló un método de muestreo de suelo en barrenos de barrena utilizando un tubo de muestreo volumétrico (una sonda estilo Madera) en una varilla de extensión para muestras en el fondo de un agujero de barrena38. Estas mediciones directas también pueden combinarse con mediciones indirectas de sensores portátiles37,39,40 para proporcionar una evaluación calibrada de la representatividad espacial de los sensores in situ 13,41. Como se describe en el paso del protocolo 10.10, este proceso se puede repetir para permitir que alguna métrica (por ejemplo, error cuadrático medio de la raíz, sesgo, correlación) determine cualquier desviación reciente de los sensores in situ del muestreo directo o estimaciones indirectas de SWC. El OIEA7 del Organismo Internacional de Energía Atómica también presenta más detalles. Los datos de excavación y caracterización del suelo presentados en los pasos 3 y 5 también proporcionan datos sobre φ (SWC no debe exceder este valor). La textura y la horizonación del suelo ilustran zonas de alta/baja conductividad y retención de agua del suelo. Estos pasos están muy en línea con el protocolo de muestreo de suelos forestales25. La escala deseada de representatividad se puede utilizar para recopilar el conjunto de datos de validación y, posteriormente, la estación se puede escalar a la huella validada42. Si se reemplaza un tipo de sensor de estación, sería razonable recopilar otro conjunto de datos de validación en una variedad de condiciones de agua del suelo para capturar nuevamente el sesgo de instalación. Los conjuntos de datos auxiliares pueden ayudar en la verificación y evaluación de los datos SWC. Es obvio que una serie de tiempo hidrológico se mejora dramáticamente con un medidor PPT in situ para verificar el momento, la duración y la magnitud de los eventos. Los sensores de potencial matricial del suelo proporcionan el estado energético del agua del suelo, fundamental para cuantificar el agua disponible de la planta. Los sensores meteorológicos, incluyendo la temperatura del aire, la humedad relativa, la velocidad del viento y la irradiancia solar, permiten el cálculo directo de la evapotranspiración de referencia (ET), que es una guía útil para la absorción relativa de agua de la planta y, por lo tanto, la tasa de secado del suelo43. Varios sensores meteorológicos económicos y todo en uno están disponibles con salida SDI-12. La información del nivel del agua subterránea de un transductor de presión es otra medida valiosa, si el nivel freático está cerca de la superficie y se puede instalar un pozo de monitoreo. Finalmente, una cámara de campo puede proporcionar tanto valor científico como valor de seguridad del sitio. Las imágenes digitales pueden registrar el crecimiento de la vegetación y el verdor44, y el estado general de la estación puede evaluarse sin una visita de campo. Cuadro suplementario S1: Tecnologías comunes (pero no inclusivas) de sensores SWC in situ. Haga clic aquí para descargar este archivo. Tabla suplementaria S2: Registros del historial de sensores extraídos de la base de datos en línea NRCS para todos los sitios presentados en este protocolo. Datos disponibles a través de cada URL. Haga clic aquí para descargar este archivo. Tabla suplementaria S3: Datos del sitio y caracterización del suelo para ejemplos de datos presentados en la Figura 11. Haga clic aquí para descargar este archivo.

Discussion

El estado de humedad del suelo es el resultado de muchos factores ambientales diferentes, incluyendo la precipitación, la vegetación, la irradiancia solar y la humedad relativa, junto con las propiedades hidráulicas y físicas del suelo. Estos interactúan sobre el espacio y el tiempo en diferentes escalas espaciales y temporales. Para modelar y pronosticar los ciclos del agua, la energía y el carbono, es necesario comprender el estado de SWC. Uno de los tipos más comunes de tecnologías de medición automatizadas es un sensor SWC electromagnético con púas destinadas a insertarse in situ en suelos no perturbados. Este protocolo está diseñado para proporcionar orientación para el proceso de instalación de estos tipos comunes de sensores enterrables. La precisión, el rendimiento y el costo suelen ser proporcionales a la frecuencia de funcionamiento de los sensores; Los sensores de baja frecuencia cuestan menos, pero están más confundidos por el suelo y los factores ambientales45. La calibración específica del suelo o del sitio puede mejorar la precisión de los sensores de baja frecuencia. El método de medición también afecta el rendimiento del sensor debido a la física subyacente del campo electromagnético (EMF).

Dos leyes físicas electromagnéticas principales gobiernan la detección electromagnética. Una es la ley de Gauss, que describe cómo la EMF propagada del sensor depende tanto del ε como del BEC del medio. Sin embargo, la permitividad aumenta con SWC, también lo hace el BEC. Por lo tanto, los sensores que dependen de la ley de Gauss se ven afectados por SWC, BEC y el efecto de la temperatura en BEC, así como cualquier interferencia de salinidad. Los métodos de detección de capacitancia obedecen a la ley de Gauss y, por lo tanto, son más propensos a estos efectos46. Además, la ley de Gauss describe la dependencia de la capacitancia de un factor geométrico, que cambia con la forma de la CEM en el suelo. La investigación ha demostrado que la forma de los CEM cambia con la estructura del suelo y la variabilidad espacial a pequeña escala del contenido de agua alrededor de las púas del sensor. La variabilidad espacial a pequeña escala del contenido de agua y la estructura del suelo es grande en la mayoría de los suelos, lo que resulta en cambios geométricos en los factores y los consiguientes cambios de capacitancia que tienen poco que ver con los cambios medios en el contenido de agua del suelo. Estos factores disminuyen la precisión del sensor de capacitancia y aumentan la variabilidad de los datos46,47,48. Los métodos de impedancia y oscilación de la línea de transmisión también dependen de la ley de Gauss, mientras que los métodos de reflectometría en el dominio del tiempo y transmisometría en el dominio del tiempo dependen de las ecuaciones de Maxwell, que no incluyen un factor geométrico y no dependen de BEC. Si bien ningún sensor está libre de problemas, los métodos de dominio del tiempo tienden a ser apreciablemente más precisos y menos sesgados que los métodos basados en capacitancia o impedancia.

Hay varios pasos críticos en el procedimiento. Para una red dispersa, se necesita una selección adecuada del sitio y la ubicación del sensor para tener la representación espacial más adecuada de SWC. La selección del sitio puede estar más influenciada por factores externos, como el acceso a la tierra, u otros requisitos de monitoreo atmosférico donde la humedad del suelo es la medida auxiliar. Los sitios meteorológicos de mesoescala están ubicados en superficies cubiertas de hierba amplias y abiertas, bien cuidadas para minimizar cualquier influencia a microescala. Tales ubicaciones pueden ser menos ideales para el monitoreo de SWC. Si corresponde, las tecnologías de sensores inalámbricos deben considerarse 49,50,51,52,53 para permitir que el monitoreo SWC ocurra lejos de la estación de monitoreo ambiental existente y en suelo representativo. Trabajar en torno a las operaciones agrícolas activas y el equipo de riego es un desafío. La mayoría de las redes (por ejemplo, SCAN y USDA-ARS) permanecen al margen de los campos para evitar actividades de labranza como arados o cosechadoras que pueden cortar los cables y desenterrar sensores. Cualquier sensor y cable in situ debe estar suficientemente enterrado y tener un perfil de superficie lo suficientemente bajo como para evitar inferir con las operaciones en la granja. Los sistemas inalámbricos53 y los sensores de pozo extraíbles47 pueden ser más apropiados. La conservación de aguas subterráneas mediante riego a gran escala basado en la humedad del suelo54 es un campo en crecimiento para los sensores SWC; este protocolo se refiere a datos SWC espacialmente representativos a largo plazo en suelos no perturbados.

Algunos suelos son más difíciles de medir que otros. En suelos rocosos, de grava o muy secos, puede ser imposible insertar los dientes sin ningún daño. Una opción es excavar el pozo del suelo y colocar los sensores en su lugar mientras se rellena, tratando de compactarse con el BD original. Los suelos rocosos tienden a tener poca estructura, que probablemente sanará después de varios ciclos de humectación y secado; Sin embargo, tal perturbación nunca puede ser verdaderamente representativa de la hidrología del suelo del sitio. Alternativamente, si los sensores se instalan en el fondo de los orificios de la barrena, el suelo eliminado se puede tamizar para eliminar las piedras y volver a empaquetarse en el orificio lo suficientemente profundo como para acomodar las púas del sensor. El sensor se puede instalar verticalmente y el orificio de la barrena se rellena con el suelo no tamizado restante, con compactación frecuente a medida que se agrega tierra.

Las raíces en el suelo forestal plantean desafíos similares para la inserción de la sonda, sin embargo, las raíces se pueden cortar en algunas situaciones. Los suelos forestales a menudo tienen horizontes orgánicos (O) en la parte superior del suelo mineral, que pueden tener un BD muy bajo y una superficie específica alta, con grandes cantidades de agua ligada que resultan en respuestas de sensores muy no lineales a SWC más altos55. Además, el practicante establece el datum cero como la parte superior del horizonte O o el suelo mineral, señalando cuál en los metadatos. Los suelos ricos en arcilla y las arcillas expansivas con alto potencial de contracción / oleaje pueden ser extremadamente conductores de señales electromagnéticas cuando están húmedos y pueden agrietarse cuando están secos. Tales suelos pueden necesitar correcciones adicionales para obtener SWC razonable de las mediciones brutas56,57. En suelos poco profundos, se puede encontrar un lecho rocoso o un horizonte de suelo restrictivo (por ejemplo, caliche o hardpan) antes de alcanzar la profundidad máxima ideal. Puede ser necesario cambiar de ubicación o simplemente no instalar los sensores más profundos. Los suelos excesivamente secos o húmedos pueden ser un desafío, y también es preferible elegir fechas de instalación fuera de los extremos estacionales. El suelo seco puede ser muy fuerte y puede resultar imposible insertar un sensor sin daños. Si es necesario, los agujeros preaugerados se pueden llenar con agua para suavizar la cara del pozo, aunque puede tomar algún tiempo antes de que los suelos vuelvan a un estado natural. Los suelos húmedos pueden ser demasiado débiles para soportar las caras de los pozos o la zanja puede llenarse de agua. También es más fácil sobrecompactar un suelo húmedo.

La salida del sensor debe incluir permitividad, no solo SWC, para que se puedan realizar correcciones o calibraciones específicas del suelo más adelante. Los sensores de mayor frecuencia son más apropiados en suelos con alto BEC, mientras que los dientes más cortos pueden ser más fáciles de instalar en suelos más compactos. Sin embargo, quizás el paso más crítico sea el contacto con el suelo; Un contacto deficiente degrada la señal de cualquier sensor electromagnético. Finalmente, rellenar la excavación suena trivial, pero es clave para minimizar el flujo preferencial en el área de los sensores, mantener los cables protegidos y desalentar a los animales de perturbar el área. Una calibración específica del suelo o del sitio puede mejorar la precisión del sensor, pero requiere más detalles de los que es posible en este protocolo. Los suelos de campo ajustados o reempaquetados a diferentes niveles de SWC son ideales para verificar la linealidad de la respuesta y pueden servir como una calibración específica del sitio para algunos tipos de sensores21. Los líquidos dieléctricos también pueden ser medios eficaces para comprobar la respuesta del sensor58. Los baños de agua con temperatura controlada se pueden utilizar para mejorar las calibraciones de la temperatura del suelo59. Este protocolo es el primer paso hacia el establecimiento de un procedimiento operativo estándar para la instalación in situ de sensores SWC, ya que no existe ningún método existente, ni ningún método aceptado de calibración para sensores SWC60,61.

Si bien el monitoreo de SWC ha sido el foco de este protocolo, el método tiene limitaciones, y SWC por sí solo no puede dar una imagen completa del estado del agua del suelo. Muchos procesos ecosistémicos también están regulados por el potencial hídrico del suelo, que se mide con menos frecuencia in situ62. El potencial hídrico del suelo, recientemente revisado por S. Luo, N. Lu, C. Zhang y W. Likos 63, es el estado energético del agua; estos sensores pueden verse menos afectados por las propiedades del suelo y proporcionan control de calidad para los sensores SWC64. Además, el SWC de campo a granel incluye gravas, rocas, raíces y espacio vacío (por ejemplo, trayectorias de flujo preferenciales). In situ Los sensores SWC generalmente se reposicionan alrededor de rocas y raíces, y el volumen de medición limitado, concentrado alrededor de las púas, puede pasar por alto aspectos discretos pero importantes del SWC de campo a granel.

Se espera que este protocolo conduzca a datos SWC más armonizados y uniformes para una amplia gama de aplicaciones, incluido el monitoreo de sequías, el pronóstico del suministro de agua, la gestión de cuencas hidrográficas, la gestión agrícola y la planificación de cultivos. El advenimiento de las plataformas de teledetección4 ha mejorado enormemente la capacidad de estimar SWC a nivel mundial, pero estos productos necesitan validación en tierra, que todavía solo se recopila razonablemente mediante redes in situ 65. Los avances informáticos han permitido desarrollar el modelado SWC66 de hiperresolución, produciendo un estado SWC de alta resolución y subdiario, pero estos productos también necesitan estimaciones in situ de SWC para proporcionar alguna base para calcular la incertidumbre. A menudo, la primera pregunta que se hace cuando se introduce un nuevo producto es “¿cuál es la incertidumbre?” Para los productos SWC, la comparación principal para la validación son los datos de red in situ 67.

Ha habido expansiones recientes de la red asociadas con la Red Nacional Coordinada de Monitoreo de la Humedad del Suelo (NCSMMN), incluido el proyecto de humedad del suelo de la cuenca superior del río Missouri del Cuerpo de Ingenieros del Ejército de los Estados Unidos y la acumulación de la red del sudeste de los Estados Unidos apoyada por la NOAA, todos diseñados para mejorar la predicción del peligro del agua, el monitoreo y proporcionar apoyo para la toma de decisiones de gestión de recursos. La certeza y precisión de las estimaciones de SWC para tales aplicaciones solo se puede lograr con protocolos y procedimientos exhaustivos para proporcionar confianza en la integridad de los datos. El NCSMMN es un esfuerzo multiinstitucional dirigido por el gobierno federal que tiene como objetivo proporcionar asistencia, orientación y apoyo mediante la construcción de una comunidad de práctica en torno a la medición, interpretación y aplicación de la humedad del suelo, una “red de personas” que vincula a los proveedores de datos, investigadores y el público68. Este protocolo es producto de los esfuerzos de NCSMMN. Se publicará próximamente un flujo de trabajo de control de calidad de datos.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Los autores reconocen el apoyo financiero de NOAA-NIDIS, la Red Nacional Coordinada de Monitoreo de la Humedad del Suelo (NCSMMN) y el programa de Sistemas de Observación del Agua de Próxima Generación (NGWOS) del USGS. Agradecemos a los miembros del Comité Ejecutivo de NCSMMN, incluidos B. Baker, J. Bolten, S. Connelly, P. Goble, T. Ochsner, S. Quiring, M. Svoboda y M. Woloszyn por sus aportes sobre este protocolo. Damos las gracias al Sr. Weaver (USGS) por su examen inicial del proyecto de protocolo.

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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References

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Caldwell, T. G., Cosh, M. H., Evett, S. R., Edwards, N., Hofman, H., Illston, B. G., Meyers, T., Skumanich, M., Sutcliffe, K. In Situ Soil Moisture Sensors in Undisturbed Soils. J. Vis. Exp. (189), e64498, doi:10.3791/64498 (2022).
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