Nøyaktig måling av temperatur og vanninnhold i de øvre 5 mm av jordoverflaten kan forbedre vår forståelse av miljømessige kontroller på biologiske, kjemiske og fysiske prosesser. Her beskriver vi en protokoll for produksjon, kalibrering og gjennomføring av målinger med jordoverflate temperatur og fukt sensorer.
Kvantifisere temperatur og fuktighet på jordoverflaten er avgjørende for å forstå hvordan jordoverflaten biota reagerer på endringer i miljøet. Men på jordoverflaten disse variablene er svært dynamisk og standard sensorer ikke eksplisitt måle temperatur eller fuktighet i de øvre få millimeter av jord profilen. Dette papiret beskriver metoder for produksjon av enkle, rimelige sensorer som samtidig måler temperatur og fuktighet av de øvre 5 mm av jordoverflaten. I tillegg til sensor konstruksjon, er trinn for kvalitetskontroll, samt for kalibrering for ulike underlag, forklart. Sensorene innlemme en type E Termo å måle temperatur og vurdere jordfuktighet ved å måle motstanden mellom to gullbelagte metall sonder på slutten av sensoren i en dybde på 5 mm. Metodene som presenteres her kan endres for å tilpasse sonder for ulike dybder eller underlag. Disse sensorene har vært effektive i en rekke miljøer og har utholdt måneder med kraftig regn i tropiske skoger, samt intens solstråling i ørkener av det sørvestlige USA resultatene viser effektiviteten av disse sensorene for å evaluere oppvarming, tørking og frysing av jordoverflaten i en global endring eksperimentet.
Miljø sensorer er viktige verktøy for å vurdere, overvåke og forstå økosystem dynamikk. Temperatur og fuktighet er grunnleggende drivere av biologiske prosesser i jord og påvirke aktiviteten og samfunnet sammensetning av jord organismer1,2. I tillegg, temperatur og fuktighet har vist å påvirke tidspunktet for frøplante fremveksten og søppel nedbrytning priser3,4,5. I tørrland økosystemer, jord overflater som ikke dekkes av vaskulære planter er ofte toppet med samfunn av Moser, lav, og cyanobakterier, kjent som en biologisk jord skorpe (biocrust) (figur 1). Disse samfunnene eksisterer på jordoverflaten og sjelden trenge dypere enn noen få millimeter inn i jorda6. Biologisk jord skorpe kan sterkt påvirke jord stabilisering, vann infiltrasjon og fordampning priser, albedo, temperatur, næringsstoffer sykling, og jord-atmosfære co2 Exchange7,8,9. I sin tur, for noen systemer aktiviteten av disse overflate samfunnene kan dominere generelle jord attributter og utbredelsen av ulike prosesser10. Sensorer som eksplisitt fokuserer målinger på grunt dyp, kan hjelpe oss å forstå hvordan surficial temperatur og fuktighet påvirker frø spire, ned brytings rater og responsen på biota i jordoverflaten, samt mange andre økosystem funksjoner.
Den siste utviklingen i jord sensorteknologi har vist viktigheten av romlig eksplisitte målinger for å forstå biologiske prosesser på jordoverflaten11,12. Konvensjonelle metoder for å analysere jordfuktighet innlemme sensorer plassert under jordoverflaten og ofte integrere målinger på tvers av dybder. Den jordfuktighet registrert av disse sonder kan bidra til å informere vår forståelse av miljømessige kontroller på jord organismer, men sannsynligvis savne mange av nyansene oppstår på jordoverflaten. For å eksplisitt måle vanninnholdet i toppen noen millimeter jord, Weber et al. nylig utviklet biocrust fuktighet sonder (BWP) som bestemmer jordfuktighet via elektrisk ledningsevne av jordoverflaten til en dybde på 3 mm11. Ved hjelp av Weber ‘ s sensorer i forbindelse med 0 til 5 cm integrerte fukt sonder, Tucker et al. demonstrert viktigheten av fukt sensorer som fokuserer på toppen få millimeter av jordoverflaten. Spesielt små nedbør hendelser, som var svært relevant for aktiviteten av biocrust samfunn, ikke registrere for 0-50 mm (dvs. 5 cm) integrert sonder og ble bare oppdaget av BWPs12. Sensorer fokusert på toppen noen millimeter jord er avgjørende for å måle fukt hendelser som ikke er store nok til å infiltrere forbi overflaten, men er tilstrekkelig til å indusere reaksjoner fra biota på overflaten.
Jordoverflaten temperatur er en annen viktig miljøfaktor kjøring fysiologiske prosesser. Dagaktive jordoverflaten temperaturer kan være svært variabel, spesielt i anlegget interspaces der unshaded jordoverflaten er utsatt for store mengder solstråling. Dessuten er temperaturen mer variabel på jordoverflaten enn dypere i jord profilen13 eller luften14. For eksempel, Tucker et al. viste en maksimal dagaktive jordoverflaten temperaturområde på nesten 60 ° c (13-72 ° c) forekommer over bare 24 h. Disse temperaturene ble målt ved hjelp av thermocouples inn 3 mm inn i jordoverflaten. I mellomtiden målte temperatur sonder i nærheten 50 mm dypt en rekkevidde på bare 30 ° c (22-52 ° c) i løpet av samme dag12. Thermocouples eksplisitt måle temperatur på jordoverflaten viste mye høyere variasjon enn sensorer på 50 mm dybder, da jordsmonnet var 10 ° c kaldere om natten og 20 ° c varmere i løpet av varmen av dagen i forhold til 50 mm dype verdier.
Temperatur representerer en kritisk kontroll over fysiologiske prosesser. For eksempel, ved konstant jord moistures i laboratorieforhold, co2 tap fra jord øker dramatisk med økende temperaturer i de fleste økosystemer2,15,16. Tilsvarende data fra feltet klima manipulasjon studier som tar sikte på å øke tomten temperaturer i forhold til kontrollene har vist at varmet jordsmonn frigi mer co2 enn nærliggende oppvarmet jordsmonn (i hvert fall i de første årene av behandlinger17,18) og at biocrusted jord viser en lignende reaksjon på oppvarmingen7,9. Både temperatur og fuktighet har vist å være viktige miljøvariabler og sensorer som kan nøyaktig fange jordoverflaten klimatiske forhold kan belyse hvordan de påvirker fysiologiske prosesser av organismer på jordoverflaten11,12.
Dette papiret presenterer sensorer utformet for å måle både temperatur og fuktighet til en 5 mm dybde under jordoverflaten, og tilbyr betydelig makt i vurderingen av hvordan disse variablene samhandle med og drive biologiske reaksjoner fra surficial biota. Type E Termo er laget av to metaller (chromel og constantan), og temperaturendringer i metaller skape ulike spenninger som er registrert av en data logger. Jord fuktighets måleren måler motstanden mellom to gullbelagte metall vinkler. Motstand påvirkes av jord vanninnhold, fordi mer vann øker konduktans og dermed reduserer motstanden mellom pinnene. Etter utformingen av Weber et al.11, disse sensorene måle jordfuktighet til en dybde på 5 mm og i tillegg inkludere en Termo å måle temperaturen på samme sonde. Disse sensorene gir en raffinert visning av hvordan temperatur-og fukt dynamikken varierer i konserten på jordoverflaten ved hjelp av en enkelt sonde. Disse sonder gir utallige muligheter til å utforske hvordan organismer som lever på overflaten reagerer på endringer i miljøet. En ekstra fordel med disse sensorene er at de er relativt enkle og rimelige å bygge og kalibrere, og forskerne vil være lett i stand til å adoptere deres bruk.
Følgende protokoll beskriver i detalj materialer og metoder for å konstruere sensorene, inkludert en disposisjon for å koble sensorene til data logger. Disse sensorene brukes kommersielt tilgjengelig logger, men alle data logger som kan knyttes til en multiplekser kan brukes. Metoder for kalibrering av sensorer til underlag av interesse er også beskrevet.
Jordoverflaten temperatur og fuktighet sonder kan være effektive verktøy for å analysere temperatur og vanninnhold på jordoverflaten. Bortsett fra Biocrust fuktighet sonder (BWP) utviklet av Weber et al.11, felles jord temperatur og fuktighet sensorer ikke eksplisitt måle disse miljømessige variabler på toppen noen millimeter av jordoverflaten. På tidspunktet for utviklingen, det BWPs bare anslått jordfuktighet på overflaten og ikke temperaturen20. Med det opprinnelige BWP-designet som brukes som veiledning, ble sonder som er beskrevet i dette manuskriptet, utviklet for å måle temperatur og fuktighet samtidig for å vurdere hvordan disse miljømessige variablene samhandler med hverandre, så vel som med biologiske, kjemiske og fysiske prosesser på jordoverflaten.
Det er en rekke hensyn å sikre optimal drift av disse sonder. Mens du bygger sensoren, er det viktig å ta vare ikke å skjære gjennom den indre hylser og eksponere de underliggende metall ledningene. Dette kan føre til variasjon i konduktans og crosstalk blant ledningene. Det er også viktig å teste både thermocouples og resistivitet sensorer for hver sonde i samme miljø, for å bekrefte at de er riktig konstruert og at variasjoner i målingene skyldes fysiske og kjemiske forskjeller i jord underlaget blir Målt. Under kalibreringsprosessen er et stort nok prøve antall motstand og GWC kalibreringer avgjørende for å kunne gjøre rede for variasjon i jord-eller biocrust underlag. Det er også best å teste samme sonde og substrat kombinasjon to ganger, fra vått til tørt, da det er vanlig at disse sonder til “drift” over tid på grunn av elektrolyse eller korrosjon. I tillegg, under kalibrering er det viktig å bruke grunne substrat prøver som er bare dypt nok til å imøtekomme sonden lengde (dvs. mellom 6 og 7 mm), slik at målte vann vekter er fra vann primært i området av konduktans målinger (mellom og rundt sonder). Dette sikrer at endringer i vannmassen i jordsmonnet er direkte relatert til endringer i motstandsmålinger av sonder. Til slutt, når du distribuerer disse sonder i felten, er det viktig å sikre sonder til jordoverflaten (f. eks, med ikke Garden stakes), som vil begrense interferens i konduktans målinger, men kan sikre at sensorene ikke skifte posisjon og redusere kvaliteten på langsiktige målinger.
Det er også viktig å merke seg noen begrensninger av disse sensorene. Fordi resistivitet sonder er bare 5 mm lange, kan deres målinger bli sterkt påvirket av store luftfylte pore mellomrom i underlag. Store luft hull langs sonder redusere tilkobling av underlaget og generelt føre til lavere målt ledningsevne og derfor lavere estimert vanninnhold, som kanskje ikke er reflektert av den faktiske jord fuktigheten over større skalaer. Tilsvarende kan den kjemiske sammensetningen av jordsmonn påvirke jordfuktighet opplesninger. Høyere saltinnhold vil øke ledningsevne og føre til høyere Siemens-verdier21. Begge problemene bør løses med riktig substrat-spesifikke kalibreringer. Imidlertid kan noen jord opprettholde kjemiske forskjeller eller har store pore plass arkitektur som kan gjøre dem dårlige miljøer for disse sensorene. Temperatur påvirker også den elektriske ledningsevne av jord og dermed må betraktes som15. I fremtiden bør temperatur kalibreringer med disse sensorene gjennomføres for å finne ut hvordan temperaturene endrer motstanden til målte underlag.
I likhet med Biocrust fuktighet sonder utviklet av Weber et al.11, viser disse sensor kalibreringer at motstandsmålinger er pålitelige på middels vanninnhold, men at de opplever noen unormalt ved svært høyt og lavt vanninnhold (figur 6). I tillegg, under tørr-ned kalibreringer, motstand verdier av og til lese null når det fortsatt var noe vann til stede i underlaget prøven. Dette kan skyldes at mengden substrat i kalibrerings beholderen er litt større enn området som måles av sensoren. Hvis vann var til stede utenfor resistivitet området, ville sensoren lest null mens underlaget fortsatt hadde fukt tilstede. Care ble tatt for å redusere substrat størrelse uten å svekke motstandsmålinger. Som vanninnhold øker, motstands verdier innenfor underlaget reduseres, noe som fører til høyere Siemens-utganger. Men på det høyeste vanninnholdet, motstand verdier øker med økende vanninnhold. Dette fører til en “krok” i kalibreringsdata som vist i figur 1C. Denne kroken var til stede i hvert substrat brukes til kalibreringer, men var mest fremtredende i den fine sanden jordsmonnet (figur 6). Weber et al.11 antyder at en potensiell årsak til unormal motstand øker ved høyt vanninnhold er at ekstra vann utvanner ioner i mettet jord, og dermed øke motstanden.
Disse sensorene er for tiden avhengige av å bruke eksisterende multiplekser-og data logger teknologier. Multiplekser gjør det mulig for sensorene å bli “slått av” og sender bare en strøm til sensorene på et programmert tidspunkt. Dette hindrer jordfuktighet sensor terminaler fra korroderende. Andre elektroniske selskaper gir data logger og multiplekser alternativer for sonder, og programmerbare kretskort og datamaskiner kan også bli innarbeidet for en trådløs design av jord temperatur og fuktighet sensorer, som kan representere en spennende forhånd.
Designe og bygge sensorer gjør at forskeren å tilpasse sonder. Lengden og retningen av pinnene kan manipuleres for å bedre vurdere fuktighet i forskjellige medier eller på ulike dybder. Tilpasset kabling kan bestilles for å muliggjøre design med flere sensorhoder som kommer fra samme kabel. Med tillegg av billig data logging og multiplekser alternativer, disse sensorene gir en billig og tilgjengelig alternativ for forskere å måle temperatur og jordfuktighet på jordoverflaten. Dette omfatter måling av hendelser som er vanskelig å fange opp, for eksempel frost og dugg dannelse (Figur 8), og eksperimentelle behandlingseffekter som oppvarming (figur 7). Dette papiret gir en steg-for-steg guide for å bygge jordoverflaten sensorer som samtidig måle temperatur og fuktighet, som kan brukes og raffinert av alle som er interessert i å vurdere miljøet i biocrust samfunn og surficial lag av mange andre jord typer.
The authors have nothing to disclose.
Vi takker Robin Reibold for hans forsiktige arc-sveising og Cara Lauria for henne presisjon under kalibreringer. Vi er takknemlige for Dr. Steve Fick og tre anonyme anmeldere for deres hjelpsomme kommentarer på et tidligere utkast til dette manuskriptet. Dette arbeidet ble støttet av US Geological Survey land Change Science program og US Department of Energy Office of Science, kontor for biologiske og miljømessige forsknings terrestriske økosystem Sciences program (Awards 89243018SSC000017 og DESC-0008168). Arbeidet til BW ble støttet av den tyske Forskningsstiftelsen (Grants WE2393/2-1, 2-2), Max Planck Society og ved Universitetet i Graz. All bruk av handels-, firma-eller produktnavn er kun ment som beskrivende, og innebærer ikke godkjennelse fra amerikanske myndigheter.
Single sensor audio cable | alliedelec.com | Allied Stock #: 70004848 | Cable; 1Pr; 22AWG; 7×30; TC; PP ins; Foil; Black PVC jkt; CMR |
Double sensor audio cable | alliedelec.com | Allied Stock #: 70004635 | Cable; 2Pr; 22AWG; 7×30; TC; PP ins; Foil; Black LSZH jkt; CMG-LS |
Thermocouple cable | Omega.com | Part #: TT-E-24-TWSH-SLE-(Desired length) | Type E, 24 ga, PFA (teflon coated), twisted shielded, special limits of error |
Eight prong terminal strip | Samtec.com | MTSW-108-21-G-S-1130-RA | |
Four prong terminal strip | Samtec.com | MTSW-104-21-G-S-1130-RA | |
Two prong socket strip | Samtec.com | SSW-102-03-G-S | |
0.13" moisture-seal heat shrink tubing | McMaster.com | Part #: 7861K51 | |
0.25" moisture-seal heat shrink tubing | McMaster.com | Part #: 7861K53 | |
0.38" moisture-seal heat shrink tubing | McMaster.com | Part #: 7861K54 | |
0.5" moisture-seal heat shrink tubing | McMaster.com | Part #: 7861K55 | |
Liquid electrical tape | McMaster.com | Part #: 76425A23 | |
Metal film resistor | Newark.com | Part #: RN55C1001BB14 | |
Voltage divider resistor | Newark.com | Part #: 83F1210 | |
16- or 32-Channel Relay Multiplexer | campbellsci.com | AM16/32B | This relay multiplexer is critical for the sensors to function correctly |
CR1000X Measurement and Control Datalogger | campbellsci.com | CR1000X |