Das umfassende Handbuch für Forscher zur Bodenfeuchtigkeit

Ganz gleich, ob Sie ein Doktorand sind, der eine Messkampagne für die Umwelt durchführt, ein erfahrener Forscher oder ein Landwirt, der sich mit dem Bewässerungsmanagement beschäftigt, irgendwann haben Sie wahrscheinlich festgestellt, dass Sie die Bodenfeuchtigkeit messen müssen. Und warum? Weil die Verfügbarkeit von Wasser einer der wichtigsten Faktoren für die Produktivität von Ökosystemen ist. Die Bodenfeuchte (d.h. der Wassergehalt des Bodens bzw. das Wasserpotenzial des Bodens) ist die unmittelbare Wasserquelle für die meisten Pflanzen. Was ist Bodenfeuchtigkeit? Im Folgenden finden Sie einen umfassenden Überblick über die Messung der Bodenfeuchtigkeit und eine Erläuterung einiger wichtiger wissenschaftlicher Begriffe, die im Zusammenhang mit der Bodenfeuchtigkeit verwendet werden.

Was bedeutet Bodenfeuchtigkeit überhaupt?

Bodenfeuchtigkeit ist mehr als nur die Kenntnis der Wassermenge im Boden. Es gibt einige grundlegende Prinzipien, die Sie kennen sollten , bevor Sie entscheiden, wie Sie die Feuchtigkeit messen. Hier sind einige Fragen, die Ihnen helfen können, sich auf das zu konzentrieren, was Sie eigentlich herausfinden wollen.

Je nachdem, für welche dieser Fragen Sie sich interessieren, kann Bodenfeuchtigkeit etwas ganz anderes bedeuten.

Wissen, welche Variable Sie messen sollten

Die meisten Menschen betrachten die Bodenfeuchtigkeit nur im Hinblick auf eine Variable: den Wassergehalt des Bodens. Es sind jedoch zwei Arten von Variablen erforderlich, um den Zustand des Wassers im Boden zu beschreiben: der Wassergehalt, d.h. die Wassermenge, und das Wasserpotenzial, d.h. der Energiezustand des Wassers.

Der Wassergehalt des Bodens ist eine umfangreiche Variable. Er ändert sich je nach Größe und Situation. Er ist definiert als die Wassermenge pro Gesamtvolumen- oder Masseneinheit. Im Grunde genommen geht es darum, wie viel Wasser vorhanden ist.

Das Wasserpotenzial ist eine "intensive" Variable, die die Intensität oder Qualität von Materie oder Energie beschreibt. Es wird oft mit der Temperatur verglichen. So wie die Temperatur das Wohlbefinden eines Menschen anzeigt, kann das Wasserpotenzial das Wohlbefinden einer Pflanze anzeigen. Das Wasserpotenzial ist die potenzielle Energie pro Mol (Massen-, Volumen- oder Gewichtseinheit) Wasser, bezogen auf reines Wasser mit einem Potenzial von Null. Sie können das Wasserpotenzial als die Arbeit betrachten, die erforderlich ist, um eine kleine Menge Wasser aus dem Boden zu entfernen und sie in einem Pool mit reinem, freiem Wasser abzulegen.

Wassergehalt des Bodens: Es ist nur eine Menge

Dieser Artikel befasst sich kurz mit zwei verschiedenen Methoden zur Messung des Wassergehalts im Boden: gravimetrischer Wassergehalt und volumetrischer Wassergehalt.

Der gravimetrische Wassergehalt ist die Masse des Wassers pro Masse des Bodens (d.h. Gramm Wasser pro Gramm Boden). Dies ist die wichtigste Methode zur Messung des Wassergehalts im Boden, da die Menge des Bodenwassers direkt durch Messung der Masse gemessen wird. Er wird berechnet, indem die feuchte Bodenprobe aus dem Feld gewogen, im Ofen getrocknet und dann der trockene Boden gewogen wird.

Der gravimetrische Wassergehalt ist also gleich der feuchten Bodenmasse minus der trockenen Bodenmasse geteilt durch die trockene Bodenmasse. Mit anderen Worten: die Masse des Wassers geteilt durch die Masse des Bodens.

Der volumetrische Wassergehalt ist das Wasservolumen pro Gesamtvolumen des Bodens.

Der volumetrische Wassergehalt beschreibt dasselbe wie der gravimetrische Wassergehalt, nur dass er auf Volumenbasis angegeben wird.

Die Bestandteile eines bekannten Bodenvolumens sind beispielsweise in Abbildung 1 dargestellt. Die Summe aller Komponenten beträgt 100%. Da der volumetrische Wassergehalt (VWC) gleich dem Wasservolumen geteilt durch das gesamte Bodenvolumen ist, beträgt der VWC in diesem Fall 35%. Der VWC wird manchmal als ^cm3/cm3 oder Zoll pro Fuß angegeben.

Gravimetrisch und VWC: verbunden durch Schüttdichte

Der gravimetrische Wassergehalt(w) kann in den volumetrischen Wassergehalt(ϴ) umgerechnet werden, indem er mit der Trockenrohdichte des Bodens(⍴) multipliziert wird._b) (Gleichung 3).

Da der gravimetrische Wassergehalt die erste (oder direkte) Methode zur Messung des Wassergehalts im Boden ist, wird er zur Entwicklung von Kalibrierungen und zur Validierung der Messwerte fast aller VWC-Messungen verwendet, die entweder vor Ort oder aus der Ferne erfasst werden. Wenn Sie einen dielektrischen Sensor haben, gibt es eine Beziehung, die das, was Sie in Ihrem elektromagnetischen Feld messen, in einen Bodenwassergehalt umwandelt. Wenn Sie sich also nicht sicher sind, ob Ihr volumetrischer Wassergehalt korrekt ist, nehmen Sie eine Bodenprobe, messen Sie den gravimetrischen Wassergehalt, nehmen Sie eine Schüttdichteprobe und prüfen Sie selbst.

Watch Bodenfeuchtigkeit 101

Bodenfeuchtigkeit ist mehr als nur die Kenntnis der Wassermenge im Boden. Lernen Sie die grundlegenden Prinzipien kennen , die Sie kennen müssen , bevor Sie entscheiden, wie Sie sie messen. In diesem 20-minütigen Webinar erfahren Sie:

Wie man den volumetrischen Wassergehalt misst

Die meisten volumetrischen Wassergehaltsmessungen werden mit einer Art Sensor durchgeführt. Die Wassergehaltssensoren von METER verwenden die Kapazitäts-Technologie. Für diese Messung machen sich diese Sensoren die "Polarität" des Wassers zunutze. Wie funktioniert das?

Abbildung 2 zeigt ein Wassermolekül. Es hat oben einen negativen Pol mit einem Sauerstoffatom und unten einen positiven Pol mit zwei Wasserstoffatomen. Wenn wir ein elektromagnetisches Feld (Abbildung 3) in den Boden einbringen würden, würde dieses Wassermolekül aufhorchen. Würde man das Feld umkehren, würde es in die andere Richtung tanzen. Durch die Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes mit einem Sensor für den Wassergehalt ist es also möglich, die Wirkung des Wassers auf dieses elektromagnetische Feld zu messen. Je mehr Wasser sich im Boden befindet, desto größer ist der Effekt. mehr erfahren über die Kapazitäts-Technologie hier.

Warum den Bodenwassergehalt mit einem Sensor messen?

Die Verwendung eines Sensors für den Wassergehalt des Bodens eröffnet die Möglichkeit einer Zeitreihe (Abbildung 4), ein leistungsstarkes Werkzeug, um zu verstehen, was im Boden geschieht. Die Messung des gravimetrischen Wassergehalts erfordert die Entnahme einer Probe oder einer Reihe von Proben und deren Rückführung ins Labor. Wenn Sie eine Zeitreihe benötigen, ist dies unpraktisch, da Sie im Grunde genommen die ganze Zeit im Feld Proben nehmen müssten.

Mit einem Wassergehaltssensor können Sie automatisch den Zeitpunkt der Veränderungen des Bodenwassergehalts und die Gegenüberstellung Tiefen in einem Profil messen. Und die Form dieser Kurven liefert wichtige Informationen darüber, was mit dem Wasser in Ihrem Boden geschieht.

Gravimetrischer Wassergehalt	VWC Sensoren	Fernerkundung (SMOS)
Erste Prinzipien/Direkte Methode	Praktisch für Zeitreihen	Kann Zeitreihen in begrenztem Umfang erstellen
Zeitaufwendig	Ermöglicht das Erfassen von Profilen im Zeitverlauf	Äußerst leistungsfähig für räumliche Stichproben
Zerstörerisch	Weniger aufdringlich
Nur 1 Schnappschuss in der Zeit

Die gravimetrische Messung des Wassergehalts ist eine gute erste Grundlage, aber sie ist zeitaufwändig, zerstörerisch und liefert nur eine Momentaufnahme in der Zeit. Sensoren für den Wassergehalt des Bodens liefern eine Zeitreihe, ermöglichen die Erfassung von Profilen über einen längeren Zeitraum und vermeiden zerstörerische Probenahmen, obwohl ein Sensor immer noch in den Boden eingeführt wird. Die Fernerkundung liefert eine Zeitreihe in einem begrenzten Maßstab, ist aber extrem leistungsfähig für räumliche Probenahmen, was für die Messung des Wassergehalts wichtig ist. Die Bodenfeuchtesensoren von METER verringern die Störung durch ein spezielles Installationswerkzeug, das die Störung des Geländes auf ein Minimum reduziert (sehen Sie sich das Video an, um zu sehen, wie es funktioniert).

Bodenfeuchtigkeit beobachten: Warum es auf die Installation ankommt und wie man sie richtig durchführt

Wenn Sie genaue Daten zur Bodenfeuchte wünschen, sollte die korrekte Installation der Sensoren oberste Priorität haben. Bei Messungen im Boden können natürliche Schwankungen der Dichte zu einem Genauigkeitsverlust von 2-3% führen, aber eine schlechte Installation kann einen Genauigkeitsverlust von mehr als 10% verursachen. Eine mangelhafte Installation ist die häufigste Fehlerquelle bei Bodenfeuchtigkeitsdaten, aber es gibt Techniken, die jedes Mal eine perfekte Installation gewährleisten. Der Experte für die Installation von Sensoren, Chris Chambers, erklärt, warum Sie eine intelligentere Installation von Bodenfeuchtesensoren benötigen und wie Sie diese erreichen können.
Lernen Sie:

Sättigung: Es ist nicht, was Sie denken

Was den volumetrischen Wassergehalt betrifft, so ist ofentrockene Erde per Definition 0% VWC. Das ist ein definierter Endpunkt. Reines Wasser liegt am anderen Ende der Skala bei 100%. Viele Menschen denken, dass 100% VWC ein vollständig gesättigter Boden ist, aber das stimmt nicht. Jede Bodenart ist bei unterschiedlichen Wassergehalten gesättigt.

Wenn Sie die Porosität eines bestimmten Bodentyps kennen, können Sie den Wassergehalt bei Sättigung ungefähr bestimmen. Aber die Böden erreichen auf dem Feld nur selten die Sättigung. Und warum?

In Abbildung 5 sehen Sie, dass der Boden Wasser aufnimmt und einen Wasserfilm bildet, der an den Bodenpartikeln haftet. Außerdem gibt es Porenräume, die mit Luft gefüllt sind. Unter Feldbedingungen ist es schwierig, diese Lufträume zu beseitigen. Dieser Lufteinschluss ist der Grund, warum die prozentuale Sättigung selten dem theoretischen Sättigungsmaximum für eine bestimmte Bodenart entspricht.

Was ist das Wasserpotenzial?

Das Wasserpotenzial ist die andere Variable, die zur Beschreibung der Bodenfeuchtigkeit verwendet wird. Wie bereits erwähnt, ist es definiert als der Energiezustand des Bodens oder die potenzielle Energie pro Mol Wasser, bezogen auf reines Wasser mit einem Potenzial von Null. Was bedeutet das? Um dieses Prinzip zu verstehen, vergleichen Sie Gegenüberstellung das Wasser in einer Bodenprobe mit dem Wasser in einem Trinkglas. Das Wasser im Glas ist relativ frei und verfügbar; das Wasser im Boden ist an Oberflächen gebunden und kann durch gelöste Stoffe und sogar unter Druck verdünnt werden. Folglich hat das Bodenwasser einen anderen Energiezustand als "freies" Wasser. Auf das freie Wasser kann ohne Energieaufwand zugegriffen werden. Das Bodenwasser kann nur entnommen werden, wenn man Energie aufwendet, die der Energie, mit der es gehalten wird, entspricht oder größer ist. Das Wasserpotenzial drückt aus, wie viel Energie Sie aufwenden müssten, um das Wasser aus der Bodenprobe zu ziehen.

Das Wasserpotenzial ist die Summe von vier verschiedenen Komponenten: Schwerkraftpotenzial + Matrixpotential + Druckpotenzial + osmotisches Potenzial (Gleichung 4).

Das Matrixpotenzial ist die wichtigste Komponente des Bodens, da es sich auf das Wasser bezieht, das an der Bodenoberfläche haftet. In Abbildung 6 ist das Matrixpotential für den Wasserfilm verantwortlich, der an den Bodenpartikeln haftet. Wenn das Wasser aus dem Boden abfließt, werden die luftgefüllten Porenräume größer und das Wasser wird enger an die Bodenpartikel gebunden, da das Matrixpotential sinkt. Sehen Sie sich das Video unten an, um das Matrixpotential in Aktion zu sehen.

Ein Wasserpotenzialgradient ist die treibende Kraft für den Wasserfluss im Boden. Und das Wasserpotenzial im Boden ist der beste Indikator für das pflanzenverfügbare Wasser(warum, erfahren Sie hier). Ähnlich wie der Wassergehalt kann auch das Wasserpotenzial mit Sensoren sowohl im Labor als auch auf dem Feld gemessen werden. Hier finden Sie einige Beispiele für verschiedene Arten von Wasserpotentialsensoren für das Feld.

Das Wasserpotenzial sagt die Wasserbewegung voraus

Das Wasser bewegt sich von einem Ort mit höherer Energie zu einem Ort mit niedrigerer Energie, bis die Orte ein Gleichgewicht erreichen, wie in Abbildung 6 dargestellt. Wenn das Wasserpotenzial eines Bodens beispielsweise -50 kPa beträgt, würde sich das Wasser in Richtung der negativeren -100 kPa bewegen, um stabiler zu werden.

Dies entspricht auch in etwa dem, was im Kontinuum der Pflanzen-Boden-Atmosphäre geschieht. In Abbildung 7 liegt der Boden bei -0,3 MPa und die Wurzeln sind mit -0,5 MPa noch etwas negativer. Das bedeutet, dass die Wurzeln Wasser aus dem Boden anziehen werden. Dann wandert das Wasser durch das Xylem nach oben und durch die Blätter über dieses Potenzialgefälle hinaus. Und die Atmosphäre mit -100 MPa treibt dieses Gefälle an. Das Wasserpotenzial bestimmt also, in welche Richtung sich das Wasser im System bewegt.

Was ist pflanzenverfügbares Wasser?

Das pflanzenverfügbare Wasser ist der Unterschied im Wassergehalt zwischen der Feldkapazität und dem permanenten Welkepunkt des Bodens oder des Nährbodens (siehe Definitionen unten). Bei den meisten Kulturen kommt es zu erheblichen Ertragseinbußen, wenn der Boden auch nur in der Nähe des permanenten Welkepunkts austrocknet. Um den Ernteertrag zu maximieren, wird der Wassergehalt des Bodens in der Regel deutlich über dem permanenten Welkepunkt gehalten, aber das pflanzenverfügbare Wasser ist dennoch ein nützliches Konzept, da es die Größe des Wasserreservoirs im Boden angibt. Mit einigen grundlegenden Kenntnissen über die Bodenart können die Feldkapazität und der permanente Welkepunkt anhand von Messungen durch In-situ-Bodenfeuchtesensoren geschätzt werden. Diese Sensoren liefern kontinuierliche Daten zum Bodenwassergehalt, die als Entscheidungshilfe für das Bewässerungsmanagement dienen können, um den Ernteertrag und die Wassernutzungseffizienz zu steigern.

Was ist die Feldkapazität?

Die Feldwasserkapazität ist definiert als "der Gehalt an Wasser auf Massen- oder Volumenbasis, der in einem Boden zwei oder drei Tage nach der Befeuchtung mit Wasser verbleibt, nachdem die freie Drainage vernachlässigbar ist." Glossar der bodenkundlichen Begriffe. Bodenwissenschaftliche Gesellschaft von Amerika, 1997. Oft wird angenommen, dass es sich um den Wassergehalt bei -33 kPa Wasserpotenzial für fein strukturierte Böden oder -10 kPa in sandigen Böden handelt, aber das sind nur grobe Anhaltspunkte. Die tatsächliche Feldkapazität hängt von den Eigenschaften des Bodenprofils ab. Sie muss anhand von Daten zum Wassergehalt ermittelt werden, die auf dem Feld gemessen wurden. Wenn Sie sich die Daten zur Feldkapazität ansehen, ist es gut zu wissen, wie dieser Punkt ermittelt wurde.

Auch wenn wir die Feldkapazität im Allgemeinen in Form eines Wasserpotenzials angeben, ist es wichtig zu erkennen, dass es sich eigentlich um eine Fließeigenschaft handelt. Das Wasser bewegt sich im Bodenprofil unter dem Einfluss des Schwerkraftpotentialgefälles nach unten. Es wird immer weiter nach unten fließen, aber wenn der Boden austrocknet, nimmt die hydraulische Leitfähigkeit rapide ab, so dass der Abwärtsfluss schließlich im Vergleich zu den Verdunstungs- und Transpirationsverlusten gering ist. Stellen Sie sich den Boden wie einen undichten Eimer vor. Die Pflanzen versuchen, einen Teil des Wassers aufzusaugen, während es durch die Wurzelzone nach unten fließt.

Was ist ein permanenter Verwelkungspunkt?

Am anderen Ende der Skala liegt der permanente Welkepunkt. Der permanente Welkepunkt wurde bei Sonnenblumen experimentell bestimmt und als -15 bar (-1500 kPa, Briggs und Shantz, 1912, S. 9) definiert. Es ist das Bodenpotential, bei dem Sonnenblumen welken und sich über Nacht nicht mehr erholen können. Theoretisch ist dies der leere Tank, in dem der Turgordruck vollständig verloren gegangen ist und die Pflanze verwelkt ist. Aber -1500 kPa ist nicht unbedingt der Welkepunkt für alle Pflanzen. Viele Pflanzen 'welken' zu unterschiedlichen Zeitpunkten. Einige Pflanzen beginnen viel früher als -1500 kPa und andere erst viel später, sich vor dauerhaften Schäden zu schützen. -1500 kPa ist also ein nützlicher Bezugspunkt im Boden, aber seien Sie sich bewusst, dass ein Kaktus sich wahrscheinlich nicht um -1500 kPa schert und eine Ponderosa-Kiefer an diesem Punkt sicherlich nicht abschalten wird. Es kann also für verschiedene Pflanzen oder Nutzpflanzen unterschiedliche Dinge bedeuten (lesen Sie mehr: M.B. Kirkham. Principles of Soil and Plant Water Relations, 2005, Elsevier).

Sie können den permanenten Welkepunkt eines jeden Bodens schnell und einfach mit METER's WP4C.

Bodentyp: die Linse, durch die Sie sehen

Um aussagekräftige Schlüsse über den Wassergehalt zu ziehen, müssen Sie etwas über Ihren Bodentyp wissen.

Abbildung 8 ist ein Diagramm mit den häufigsten Texturklassen von Sand bis Ton. Jede Textur hat eine andere Partikelgrößenverteilung. Tabelle 2 veranschaulicht, dass bei -1500 kPa (permanenter Welkepunkt) jede Texturklasse einen anderen Wassergehalt aufweist. Und das gilt auch für die Feldkapazität.

Textur	FC (v%)	PWP (v%)
Sand	5	1
Lehmiger Sand	10	2
Sandiger Lehm	17	6
Sandiger Lehm-Lehm	32	19
Lehm	27	14
Sandiger Lehm	38	28
Schlufflehm	27	13
Schlick	24	10
Lehm Lehm	36	23
Schluffiger Tonlehm	36	22
Schluffiger Lehm	40	28
Lehm	42	32

Tabelle 2. Repräsentative Feldkapazität und permanenter Verwelkungspunkt für verschiedene Bodentexturen

Interessanterweise kann ein sandiger Lehmboden einen VWC-Wert von 32% bei der Feldkapazität aufweisen (was ein gut entwässerter Boden ist), aber bei einem Lehmboden sind 32% VWC der permanente Welkepunkt. Das bedeutet, dass Sie eine Bodenprobe nehmen sollten, wenn Sie Sensoren installieren, um sicherzustellen, dass Sie Ihre Bodenbeschaffenheit kennen und wissen, was in Ihrem Boden passiert. Dies ist besonders wichtig, wenn sich die Bodenart ändert: entweder durch Veränderungen im Bodenprofil oder durch räumliche Schwankungen von Standort zu Standort. Beachten Sie, dass sich das Wasserpotenzial nicht mit der Situation ändert. Für alle diese Bodentypen gilt: -33 kPa ist -33 kPa, egal ob es sich um einen Lehm oder einen Sand handelt. Wenn Sie einen Schlufflehmboden als eine Art Boden mittlerer Textur betrachten, beträgt sein -33 kPa Wassergehalt 27% und sein -1500 kPa Wassergehalt 13%. Bei einer typischen Schüttdichte beträgt der gesamte Porenraum etwa 50%. Wenn dieser gefüllt wäre, wäre der Boden gesättigt. Ausgehend von der Sättigung (bei einer Feldkapazität von -33 kPa) würde also die Hälfte des Wassers abfließen, um die Feldkapazität zu erreichen. Etwa die Hälfte des Wassers, das übrig bleibt, ist pflanzenverfügbares Wasser. Nachdem die Pflanze alles Wasser entzogen hat, das sie aufnehmen kann, befindet sich noch eine Wassermenge im Boden, die in etwa dem pflanzenverfügbaren Wasser entspricht, aber von der Pflanze nicht entfernt werden kann.

Das PARIO ist ein Gerät, das automatisch die Bodenart und die Korngrößenverteilung für jeden Boden bestimmt.

Wasserrückhaltekurven im Boden

Es besteht eine Beziehung zwischen dem Wasserpotenzial und dem volumetrischen Wassergehalt, die mit Hilfe einer Bodenwasserrückhaltekurve (manchmal auch Feuchtigkeitsabgabekurve oder Bodenwasserkennlinie genannt) dargestellt werden kann. Abbildung 9 zeigt Beispielkurven für drei verschiedene Böden. Auf der x-Achse ist das Wasserpotenzial auf einer logarithmischen Skala und auf der Y-Achse der volumetrische Wassergehalt angegeben. Die Wasserrückhaltekurven des Bodens sind wie physikalische Fingerabdrücke, die für jeden Boden einzigartig sind. Das liegt daran, dass die Beziehung zwischen dem Wasserpotenzial und dem Wassergehalt des Bodens für jeden Boden anders ist. Mit dieser Beziehung können Sie herausfinden, wie sich verschiedene Böden entlang der Kurve verhalten werden. Sie können kritische Fragen beantworten, wie z.B.: Wird das Wasser schnell durch den Boden abfließen oder in der Wurzelzone gehalten werden? Wasserrückhaltekurven im Boden sind leistungsstarke Werkzeuge zur Vorhersage der Wasseraufnahme von Pflanzen, der Tiefenentwässerung, des Abflusses und vielem mehr. mehr erfahren oder sehen Sie sich Soil Moisture 201 an, wie das funktioniert.

Das HYPROP ist ein Gerät, das automatisch Wasserrückhaltekurven im Nassbereich erstellt. Sie können Retentionskurven über den gesamten Bereich der Bodenfeuchte erstellen, indem Sie die HYPROP und die WP4C.

Bodenfeuchtigkeit: Brauche ich den Wassergehalt oder das Wasserpotenzial?

Bevor Sie eine Kampagne zur Messung der Bodenfeuchtigkeit starten, sollten Sie sich diese Fragen stellen:

Wenn Sie nur wissen wollen, wie viel Wasser im Boden gespeichert ist, sollten Sie sich auf den Bodenwassergehalt konzentrieren. Wenn Sie wissen wollen, wohin sich das Wasser bewegt, dann ist das Wasserpotenzial die richtige Messung. Um zu verstehen, ob Ihre Pflanzen Wasser bekommen können, müssen Sie das Wasserpotenzial messen.

Lesen Sie mehr darüber in dem Artikel: "Warum die Bodenfeuchtigkeit nicht alles sagt, was Sie wissen müssen". Wenn Sie jedoch wissen wollen, wann Sie gießen müssen oder wie viel Wasser im Boden für Ihre Pflanzen gespeichert ist, benötigen Sie wahrscheinlich sowohl den Wassergehalt als auch das Wasserpotenzial. Denn Sie müssen wissen, wie viel Wasser sich physisch im Boden befindet und ab welchem Punkt Ihre Pflanzen es nicht mehr aufnehmen können. Mehr darüber, wie das funktioniert, erfahren Sie in diesem Artikel: "Wann bewässern: Duale Messungen lüften das Geheimnis".

Ressourcen für: Was ist Bodenfeuchtigkeit?

Kirkham, Mary Beth. Principles of soil and plant water relations. Academic Press, 2014.

Taylor, Sterling A., und Gaylen L. Ashcroft. Physikalische Edaphologie. Die Physik der bewässerten und unbewässerten Böden. 1972.

Dane, Jacob H., G. C. Topp, und Gaylon S. Campbell. Methoden der Bodenanalyse Physikalische Methoden. Nr. 631.41 S63/4. 2002.

Welche Methode zur Messung des Wassergehalts ist die richtige für Ihre Anwendung?

Es kann verwirrend sein, die Unterschiede zwischen den Bodenfeuchtesensoren zu verstehen. Die beiden folgenden Tabellen Gegenüberstellung zeigen die gebräuchlichsten Bodenfeuchtesensoren, ihre Vor- und Nachteile und die Situationen, in denen sie nützlich sein können. Alle METER Bodenfeuchtesensoren verwenden eine hochfrequente kapazitive Sensortechnik und ein Installationswerkzeug, um die Installation zu erleichtern und die höchstmögliche Genauigkeit zu gewährleisten. Ausführlichere Informationen zu den einzelnen Messmethoden erhalten Sie in unserem Webinar Bodenfeuchte 102.

Arten von Bodenfeuchtesensoren

Sensor	Profis	Nachteile	Wann zu verwenden
Widerstand Sonden	1. Kontinuierliche Messungen können mit einem Datenlogger erfasst werden 2. Niedrigster Preis 3. Geringer Stromverbrauch	1. Schlechte Genauigkeit: Die Kalibrierung ändert sich mit der Bodenart und dem Salzgehalt des Bodens 2. Sensoren verschlechtern sich mit der Zeit	1. Wenn Sie nur wissen möchten, ob sich der Wassergehalt geändert hat und Ihnen die Genauigkeit egal ist
TDR-Sonden (Zeitbereich)	1. Kontinuierliche Messungen können mit einem Datenlogger erfasst werden 2. Präzise mit bodenspezifischer Kalibrierung (2-3%) 3. Unempfindlich gegenüber dem Salzgehalt, bis das Signal verschwindet 4. Von Gutachtern respektiert	1. Komplizierter in der Anwendung als Kapazität*. 2. Die Installation dauert länger, da Sie einen Graben statt eines Lochs ausheben müssen. 3. Funktioniert nicht mehr bei hohem Salzgehalt 4. Verbraucht viel Strom (große wiederaufladbare Batterien)	1. Wenn Ihr Labor das System bereits besitzt. Sie sind teurer und komplexer als die Kapazitätsmessung, und Studien zeigen, dass sowohl TDR als auch die Kapazitätsmessung bei der Kalibrierung gleich genau sind.
Kapazitätssensoren	1. Kontinuierliche Messungen können mit einem Datenlogger erfasst werden 2. Einige Typen sind einfach zu installieren 3. Präzise mit bodenspezifischer Kalibrierung (2-3%) 4. Verbraucht wenig Strom (kleine Batterien mit wenig oder gar keinem Solarpanel) 5. Kostengünstig, Sie können für das Geld, das Sie ausgeben, viel mehr Messungen erhalten	1. Wird bei hohem Salzgehalt ungenau (über 8 dS/m Sättigungsextrakt)** 2. Einige minderwertige Marken bieten eine schlechte Genauigkeit und Leistung.	1. Sie brauchen eine Menge Messstellen 2. Sie brauchen ein System, das einfach zu implementieren und zu warten ist 3. Sie brauchen wenig Strom 4. Sie brauchen mehr Messungen pro ausgegebenem Dollar
Neutronensonde	1. Großes Messvolumen 2. Unempfindlich gegenüber dem Salzgehalt 3. Wird von den Gutachtern respektiert, da die Methode am längsten bekannt ist 4. Nicht durch Probleme beim Kontakt zwischen Boden und Sensor beeinträchtigt	1. Teuer 2. Sie benötigen ein Strahlungszertifikat für den Betrieb 3. Äußerst zeitintensiv 4. Keine kontinuierliche Messung	1. Sie haben bereits eine Neutronensonde in Ihrem Programm mit der Zertifizierung und wissen bereits, wie man Neutronensondendaten interpretiert 2. Sie messen stark salzhaltige oder quell-schwindende Lehmböden, bei denen die Aufrechterhaltung des Kontakts ein Problem darstellt
COSMOS	1. Äußerst großer Einflussbereich (800 m) 2. Automatisiert 3. Effektiv für die Überprüfung von Satellitendaten, da es die Schwankungen über ein großes Gebiet glättet 4. Wird nicht durch Kontaktprobleme zwischen Boden und Sensor beeinträchtigt	1. Am teuersten 2. Das Messvolumen ist schlecht definiert und ändert sich mit dem Wassergehalt des Bodens 3. Die Genauigkeit kann durch störende Faktoren wie die Vegetation eingeschränkt werden	1. Wenn Sie einen Durchschnittswert für den Wassergehalt in einem großen Gebiet benötigen 2. Wenn Sie Satellitendaten auf ihre Richtigkeit überprüfen

*Acclima und Campbell Scientific stellen TDR-Sensoren/Profilsonden her, die über einen integrierten Messschaltkreis verfügen, der das Problem der Komplexität der meisten TDR-Systeme überwindet.
**Dies hängt von der Messfrequenz ab. Je höher die Frequenz, desto geringer die Empfindlichkeit.

Ein Vergleich der Vorteile von Sensoren

*Einige minderwertige Marken weisen eine geringe Genauigkeit und schlechte Leistung auf. Die größten Gefahren für die Genauigkeit sowohl von TDR- als auch von Kapazitätssensoren sind Luftspalten, die durch eine schlechte Installation verursacht werden, gefolgt von der Tonaktivität im Boden (d.h. den Smektit-Tonen), gefolgt vom Salzgehalt.

Lernen Sie unsere neuesten Bodenfeuchtesensoren kennen

	Widerstand	TDR	Kapazität	Neutronensonde	COSMOS
Preis	Niedrigste	Mäßig bis hoch	Gering bis mäßig	Hoch	Höchste
Genauigkeit	Niedrig	Hoch* (mit bodenspezifischer Kalibrierung)	Hoch* (mit bodenspezifischer Kalibrierung)	Gering (Verbessert sich mit Feldkalibrierung)	Unbekannt
Komplexität	Einfach	Leicht bis mittelschwer	Einfach	Schwierig	Schwierig
Stromverbrauch	Niedrig	Mäßig bis hoch	Niedrig	K.A.	Hoch
Salzgehalt-Empfindlichkeit	Extrem	1. Keine bei niedrigem bis mittlerem Salzgehalt 2. Ja bei hohem Salzgehalt	Ja bei hohem Salzgehalt	Nein	Nein
Langlebigkeit	Niedrig	Hoch	Hoch	Hoch	Hoch
Umfang des Einflusses	Kleiner Bereich zwischen Sonde A und Sonde B	0,25 Liter bis 2 Liter je nach Sondenlänge und Form des elektromagnetischen Feldes	0,25 Liter bis 2 Liter je nach Sondenlänge und Form des elektromagnetischen Feldes	Kugel mit 20 cm Durchmesser, wenn der Boden nass ist, Kugel mit 40 cm Durchmesser, wenn der Boden trocken ist	800 Meter Durchmesser

METER hat die neue Sensorlinie TEROS entwickelt, um Hindernisse zu beseitigen, die einer guten Genauigkeit im Wege stehen, wie z.B. Inkonsistenzen bei der Installation, Schwankungen von Sensor zu Sensor und die Überprüfung der Sensoren. TEROS Bodenfeuchtesensoren kombinieren eine konsistente, fehlerfreie Installation mit einem Installationswerkzeug, eine extrem robuste Konstruktion, minimale Schwankungen von Sensor zu Sensor, ein großes Einflussvolumen und eine fortschrittliche Datenprotokollierung, um die beste Leistung, Genauigkeit, Benutzerfreundlichkeit und Zuverlässigkeit zu einem erschwinglichen Preis zu bieten.

Möchten Sie mehr Details erfahren? Im folgenden Webinar erklärt der Bodenfeuchtigkeitsexperte Leo Rivera, warum wir 20 Jahre in die Entwicklung der neuen Sensorlinie TEROS investiert haben.

Wie Sie Ihren Feldsensor mit höherer Genauigkeit einsetzen können

Für eine höhere Genauigkeit ziehen Sie eine bodenspezifische Kalibrierung in Betracht. Die Bodenfeuchtesensoren von METER messen den volumetrischen Wassergehalt des Bodens durch Messung der Dielektrizitätskonstante des Bodens, die eine starke Funktion des Wassergehalts ist. Allerdings haben nicht alle Böden die gleichen elektrischen Eigenschaften. Aufgrund von Schwankungen in der Schüttdichte, Mineralogie, Textur und dem Salzgehalt des Bodens ergibt die allgemeine mineralische Kalibrierung für die aktuellen METER-Sensoren eine Genauigkeit von etwa ± 3 bis 4 % für die meisten mineralischen Böden und von etwa ± 5 % für erdlose Wachstumssubstrate (Blumenerde, Steinwolle, Kokosfasern, usw.). Mit einer bodenspezifischen Kalibrierung erhöht sich die Genauigkeit jedoch auf ± 1 bis 2% für Böden und erdlose Substrate. METER empfiehlt den Benutzern von Bodenfeuchtesensoren, eine bodenspezifische Kalibrierung durchzuführen oder unseren bodenspezifischen Kalibrierungsservice zu nutzen, um die bestmögliche Genauigkeit bei der Messung des volumetrischen Wassergehalts zu erzielen.

*Wählen Sie einen langlebigen Sensor wie TEROS , wenn die Feldbedingungen typischerweise warm und feucht sind.

Wie viele Bodenfeuchtesensoren benötigen Sie?

	TEROS 12	TEROS 11	TEROS 10	EC-5	10HS
Maßnahmen	Volumetrischer Wassergehalt, Temperatur, elektrische Leitfähigkeit	Volumetrischer Wassergehalt, Temperatur	Volumetrischer Wassergehalt	Volumetrischer Wassergehalt	Volumetrischer Wassergehalt
Umfang des Einflusses	1010 mL	1010 mL	430 mL	240 mL	1320 mL
Messung Ausgang	Digital SDI-12	Digital SDI-12	Analog	Analog	Analog
Feld Lebensspanne	10+ Jahre	10+ Jahre	10+ Jahre	3-5 Jahre*	3-5 Jahre*
Langlebigkeit	Höchste	Höchste	Höchste	Mäßig	Mäßig
Installation	Installationswerkzeug für hohe Genauigkeit	Installationswerkzeug für hohe Genauigkeit	Installationswerkzeug für hohe Genauigkeit	Von Hand installieren	Von Hand installieren

Die Anzahl der an einem Forschungsstandort installierten Bodenfeuchtesensoren kann den Unterschied zwischen dem Nachweis einer Hypothese oder dem völligen Fehlen einer solchen ausmachen. Wie viele Sensoren ergeben ein möglichst vollständiges Bild der Bodenfeuchtigkeit? Es gibt keine einheitliche Antwort, die alle Szenarien abdeckt. Studienziele, Genauigkeitsanforderungen, Maßstab und standortspezifische Merkmale beeinflussen die Anzahl der erforderlichen Sensoren. Darüber hinaus ist die Bodenfeuchtigkeit sowohl räumlich als auch zeitlich variabel. Das Verständnis der treibenden Kräfte dieser Variabilität gibt Forschern Aufschluss darüber, wie sie bei der Probenahme vorgehen sollten.

Variabilität zu verstehen kann schwierig sein

Die Variabilität der Bodenfeuchtigkeit innerhalb eines Untersuchungsgebiets ergibt sich aus Unterschieden in der Bodentextur, der Menge und Art der Vegetationsdecke, der Topographie, den Niederschlägen und anderen Wetterfaktoren, den Bewirtschaftungsmethoden und den hydraulischen Eigenschaften des Bodens (wie schnell sich das Wasser durch den Boden bewegt). Forscher sollten die Variabilität der Landschaftsmerkmale berücksichtigen, um ein Gefühl dafür zu bekommen, wie viele Probenahmestellen erforderlich sind, um die Vielfalt der Bodenfeuchtigkeit zu erfassen.

Auch der Wassergehalt des Bodens kann im Laufe der Zeit variieren. Er ändert sich in Abhängigkeit von Niederschlag, Trockenheit, Bewässerung und Evapotranspiration sowie in vorhersehbaren Mustern, die mit dem saisonalen Wetter und der Vielfalt der Vegetation zusammenhängen (Wilson et al., 2004). Dieses Konzept ist zwar einfach zu verstehen, wird aber komplexer, wenn man die Variabilität berücksichtigt, die sich aus der Interaktion zwischen zeitlicher und räumlicher Dynamik ergibt.

Daten zur Bodenfeuchtigkeit stellen oft Annahmen in Frage

In den folgenden Beispielen werden simulierte Daten verwendet, um die Auswirkungen von räumlichen und zeitlichen Unterschieden auf den Bodenfeuchtegehalt zu veranschaulichen. Im ersten Beispiel wird der Bodenfeuchtigkeitsgehalt für denselben Untersuchungsstandort unter nassen und trockenen Bedingungen simuliert und die Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen (PDFs) berechnet. Dieses Beispiel zeigt, dass die Parameter, die die PDFs der Bodenfeuchte beschreiben, nicht statisch sind, sondern sich im Laufe der Zeit je nach Bodenfeuchtebedingungen ändern.

Im zweiten Beispiel wird der Bodenwassergehalt für einen einzigen Zeitpunkt simuliert, an dem die Bedingungen weder nass noch trocken waren. Die resultierende PDF zeigt, dass es mehr als eine "Population" des Bodenwassergehalts innerhalb des Untersuchungsgebiets gibt (Abbildung 11). Dies könnte durch mehrere Faktoren verursacht werden. Es kann sein, dass es Bereiche mit unterschiedlichen Bodentexturen gibt (z.B. trockenere sandige und feuchtere schluffige Lehmbereiche), dass das Untersuchungsgebiet eine tief liegende Topographie und angrenzende Hänge umfasst oder dass das Untersuchungsgebiet unterschiedliche Arten von Vegetationsbedeckung aufweist.

Die beiden einfachen Beispiele oben zeigen die komplexe Natur der Bodenfeuchtigkeit über Zeit und Raum hinweg. Beide Beispiele legen nahe, dass die Annahme der Normalität bei der Arbeit mit dem Bodenwassergehalt unter Feldbedingungen nicht immer gültig ist (Brocca et al., 2007; Vereecken et al., 2014).

Wie viele Bodenfeuchtesensoren? Das kommt darauf an.

Wenn das Ziel darin besteht, den "wahren" mittleren Bodenwassergehalt für ein Untersuchungsgebiet zu bestimmen, dann muss das Probenahmeprogramm die oben beschriebenen Quellen der Variabilität berücksichtigen. Wenn das Untersuchungsgebiet Hügel und Täler, verschiedene Arten von Baumkronen und jahreszeitlich bedingte Niederschlagsschwankungen aufweist, dann sollten die Sensoren in Bereichen platziert werden, die die Hauptquellen der Heterogenität repräsentieren. Wenn das Untersuchungsgebiet hingegen relativ homogen ist oder der Forscher nur an den zeitlichen Mustern des Bodenwassergehalts interessiert ist (z. B. für die Bewässerungsplanung), dann sind aufgrund der zeitlichen Autokorrelation in den Daten möglicherweise weniger Bodenfeuchtesensoren erforderlich (Brocca et al. 2010; Loescher et al., 2014).

Kontinuierliche In-situ-Messungen liefern ein besseres Verständnis des Bodenwassergehalts

Der Wassergehalt des Bodens ist zeitlich und räumlich sehr dynamisch. Es ist arbeitsintensiv und schwierig, all diese Dynamiken mit Hilfe von Stichproben zu erfassen, auch wenn sich einige Forscher für diesen Weg entscheiden. Wie in so vielen anderen Bereichen der Umweltwissenschaft ergeben sich einige der tiefsten Einblicke in das Verhalten der Bodenfeuchtigkeit aus Studien, die Netzwerke von In-situ-Sensoren verwenden (Bogena et al., 2010; Brocca et al., 2010). Für die meisten Anwendungen wird Ihnen die Verwendung von kontinuierlichen In-situ-Messungen ein besseres Verständnis des Bodenwassergehalts vermitteln.

Wenn Sie sich eingehender mit diesem Thema befassen möchten, lesen Sie die unten aufgeführten Artikel.

REFERENZEN

Baroni, G., B. Ortuani, A. Facchi, und C. Gandolfi. "The role of vegetation and soil properties on the spatio-temporal variability of the surface soil moisture in a maize-cropped field. Journal of Hydrology 489 (2013): 148-159. Artikel-Link.

Brocca, L., F. Melone, T. Moramarco, und R. Morbidelli. "Spatial-temporal variability of soil moisture and its estimation across scales". Wasserressourcenforschung 46, Nr. 2 (2010). Artikel-Link.

Brocca, L., R. Morbidelli, F. Melone, und T. Moramarco. "Räumliche Variabilität der Bodenfeuchte in Versuchsgebieten in Mittelitalien". Journal of Hydrology 333, Nr. 2 (2007): 356-373. Artikel-Link.

Bogena, H. R., M. Herbst, J. A. Huisman, U. Rosenbaum, A. Weuthen, und H. Vereecken. "Potenzial von drahtlosen Sensornetzwerken zur Messung der Variabilität des Bodenwassergehalts". Vadose Zone Journal 9, no. 4 (2010): 1002-1013. Link zum Artikel (offener Zugang).

Famiglietti, James S., Dongryeol Ryu, Aaron A. Berg, Matthew Rodell, und Thomas J. Jackson. "Feldbeobachtungen zur Variabilität der Bodenfeuchte über verschiedene Skalen hinweg". Wasserressourcenforschung 44, Nr. 1 (2008). Link zum Artikel (open access).

García, Gonzalo Martínez, Yakov A. Pachepsky, und Harry Vereecken. "Einfluss der hydraulischen Eigenschaften des Bodens auf die Beziehung zwischen dem räumlichen Mittelwert und der Variabilität der Bodenfeuchtigkeit". Zeitschrift für Hydrologie 516 (2014): 154-160. Artikel-Link.

Korres, W., T. G. Reichenau, P. Fiener, C. N. Koyama, H. R. Bogena, T. Cornelissen, R. Baatz et al. "Spatio-temporal soil moisture patterns-A meta-analysis using plot to catchment scale data." Journal of Hydrology 520 (2015): 326-341. Link zum Artikel (open access).

Loescher, Henry, Edward Ayres, Paul Duffy, Hongyan Luo, und Max Brunke. "Spatial variation in soil properties among North American ecosystems and guidelines for sampling designs". PLOS ONE 9, Nr. 1 (2014): e83216. Link zum Artikel (Open Access).

Teuling, Adriaan J., und Peter A. Troch. "Verbessertes Verständnis der Dynamik der Bodenfeuchte-Variabilität". Geophysical Research Letters 32, no. 5 (2005). Artikel-Link (offener Zugang).

Vereecken, Harry, J. A. Huisman, Yakov Pachepsky, Carsten Montzka, J. Van Der Kruk, Heye Bogena, L. Weihermüller, Michael Herbst, Gonzalo Martinez, und Jan Vanderborght. "On the spatio-temporal dynamics of soil moisture at the field scale". Journal of Hydrology 516 (2014): 76-96. Artikel-Link.

Wilson, David J., Andrew W. Western, und Rodger B. Grayson. "Identifizierung und Quantifizierung von Quellen der Variabilität in zeitlichen und räumlichen Bodenfeuchtebeobachtungen". Wasserressourcenforschung 40, Nr. 2 (2004). Link zum Artikel (open access).

Welche Methode der Sensorinstallation ist die beste?

Die Muster der Wassernachfüllung und -nutzung führen zu großen räumlichen Schwankungen der Bodenfeuchtigkeit in der Tiefe des Bodenprofils. Genaue Messungen des Wassergehalts im Profil sind daher die Grundlage jeder Wasserhaushaltsstudie. Wenn sie genau überwacht werden, zeigen die Profilmessungen die Wasserverbrauchsraten, die Mengen an tief versickerndem Wasser und die Mengen an Wasser, die für die Pflanzen gespeichert werden.

Wie Sie Messfehler vermeiden

Drei häufige Herausforderungen bei der Messung des volumetrischen Wassergehalts in hoher Qualität sind:

Alle dielektrischen Sonden sind an der Oberfläche der Sonde am empfindlichsten. Jeder Verlust des Kontakts zwischen der Sonde und dem Boden oder eine Verdichtung des Bodens an der Sondenoberfläche kann zu großen Messfehlern führen. Wasser, das sich auf der Oberfläche sammelt und bevorzugt in die Installationslöcher der Sonde läuft, kann ebenfalls große Messfehler verursachen.

Die Installation von Bodenfeuchtesensoren erfordert immer ein gewisses Maß an Aushub. Wie kann man das Profil genau beproben und dabei den Boden so wenig wie möglich stören? Betrachten Sie die Vor- und Nachteile von fünf verschiedenen Strategien zur Profilbeprobung.

Bevorzugte Strömung ist ein häufiges Problem bei kommerziellen Profilsonden

Profilsonden sind eine Komplettlösung für die Messung des Wassergehalts im Profil. Eine in einem einzigen Bohrloch installierte Sonde kann Messwerte in vielen Tiefen liefern. Profilsonden können gut funktionieren, aber die korrekte Installation kann knifflig sein, und die Toleranzen sind eng. Es ist schwierig, ein einzelnes, tiefes Loch präzise genug zu bohren, um den Kontakt über die gesamte Oberfläche der Sonde sicherzustellen. Ein Nachfüllen zur Verbesserung des Kontakts führt zu Umfüllungen und Messfehlern. Die Profilsonde ist außerdem besonders anfällig für Probleme mit der bevorzugten Strömung entlang der langen Oberfläche des Zugangsrohrs. (HINWEIS: Das neue TEROS Borehole Installation Tool eliminiert die präferentielle Strömung und reduziert die Störung der Baustelle, während Sie die Sensoren in der von Ihnen gewählten Tiefe installieren können).

Grabenverlegung ist mühsam

Die Installation von Sensoren in verschiedenen Tiefen durch die Seitenwand eines Grabens ist eine einfache und präzise Methode, aber das eigentliche Ausheben des Grabens ist sehr arbeitsintensiv. Bei dieser Methode werden die Sonden im ungestörten Boden verlegt, ohne dass es zu Problemen mit der Verdichtung oder dem bevorzugten Wasserfluss kommt. Da sie jedoch Aushubarbeiten erfordert, wird sie in der Regel nur angewandt, wenn der Graben aus anderen Gründen ausgehoben wird oder wenn der Boden so steinig oder voller Kies ist, dass keine andere Methode funktioniert. Der ausgehobene Bereich sollte in etwa mit der gleichen Dichte wie der ursprüngliche Boden aufgefüllt und wieder verfüllt werden, um übermäßige Randeffekte zu vermeiden.

Die Installation von Schneckenwänden ist weniger aufwändig

Die Installation von Sonden durch die Seitenwand eines einzelnen Bohrlochs hat viele der Vorteile der Grabenmethode, ohne dass schweres Gerät benötigt wird. Diese Methode wurde von Bogena et al. mit EC-5 Sonden. Sie bauten ein Gerät, mit dem sie Sonden in mehreren Tiefen gleichzeitig installieren konnten. Wie bei der Grabenverlegung sollte das Loch auf ungefähr die Dichte vor der Probenahme aufgefüllt und wieder verfüllt werden, um Randeffekte zu vermeiden.

Ein Bohrloch mit Schneckenbohrung stört die Bodenschichten, aber die relative Größe der Auswirkung auf den Standort ist ein Bruchteil dessen, was bei einer Grabeninstallation der Fall wäre. Ein Graben kann etwa 60 bis 90 cm lang und 40 cm breit sein. Ein Bohrloch, das mit einem kleinen Handbohrer und dem TEROS Borehole Installation Tool erzeugt ein Loch mit einem Durchmesser von nur 10 cm - nur 2-3% der Fläche eines Grabens. Da das Ausmaß der Störung des Geländes minimiert wird, werden weniger Makroporen, Wurzeln und Pflanzen gestört, und das Gelände kann viel schneller wieder in seinen natürlichen Zustand zurückkehren. Wenn das Verlegewerkzeug in einem kleinen Bohrloch verwendet wird, ist außerdem ein guter Kontakt zwischen Boden und Sensor gewährleistet, und es ist viel einfacher, die Horizontschichten zu trennen und auf die richtige Bodendichte zu verdichten, da weniger Boden zu trennen ist.

Installation mit mehreren Löchern schützt vor Ausfällen

Das Graben eines separaten Zugangslochs für jede Tiefe stellt sicher, dass jede Sonde in ungestörtem Boden am Boden ihres eigenen Lochs installiert wird. Wie bei allen Methoden sollten Sie darauf achten, dass kein Wasser bevorzugt in die nachgefüllten Bohrlöcher fließt. Ein Fehler in einem einzigen Loch gefährdet jedoch nicht alle Daten, wie es der Fall wäre, wenn alle Messungen in einem einzigen Loch durchgeführt würden.

Der größte Nachteil dieser Methode ist, dass für jede Tiefe des Profils ein Loch gegraben werden muss. Die Löcher sind jedoch klein, so dass sie normalerweise leicht zu graben sind.

Einlochinstallation ist am wenigsten erwünscht

Es ist möglich, die Feuchtigkeit des Profils zu messen, indem Sie ein einzelnes Loch bohren, einen Sensor am Boden installieren und dann das Loch wieder verfüllen, während Sie in der gewünschten Tiefe Sensoren in den wiederverfüllten Boden einbringen. Da der wiederverfüllte Boden jedoch eine andere Schüttdichte haben kann als im ungestörten Zustand und weil das Profil beim Ausheben, Mischen und Wiederverfüllen des Bodens vollständig verändert wurde, ist dies die am wenigsten wünschenswerte der besprochenen Methoden. Dennoch kann der Einbau in einem einzigen Loch für manche Zwecke völlig zufriedenstellend sein. Wenn die Installation mit dem umgebenden Boden in Einklang gebracht wird und die Wurzeln in den Boden einwachsen können, sollten die relativen Veränderungen im gestörten Boden die der Umgebung widerspiegeln.

Referenz

Bogena, H. R., A. Weuthen, U. Rosenbaum, J. A. Huisman, und H. Vereecken. "SoilNet - Ein Zigbee-basiertes Bodenfeuchtesensornetzwerk". In AGU Fall Meeting Abstracts. 2007. Artikel-Link.

Weitere Installationshinweise

Im folgenden Video erklärt der Experte für die Installation von Sensoren, Chris Chambers, warum Sie eine intelligentere Installation von Bodenfeuchtesensoren benötigen und wie Sie diese erreichen können. Lernen Sie:

5 Möglichkeiten, wie sich Standortstörungen auf Ihre Daten auswirken - und was Sie dagegen tun können

Wenn es um die Messung der Bodenfeuchtigkeit geht, ist eine Störung des Geländes unvermeidlich. Wir mögen uns mit der Vorstellung beschwichtigen, dass Bodensensoren auch dann etwas über das Bodenwasser aussagen, wenn ein großer Teil des Bodens am Standort gestört wurde. Oder wir denken, dass es keine Rolle spielt, wenn sich die Bodeneigenschaften in der Umgebung des Sensors verändern, weil die Nadeln in ungestörten Boden gesteckt werden. Tatsache ist jedoch, dass Störungen am Standort eine Rolle spielen, und es gibt Möglichkeiten, ihre Auswirkungen auf die Bodenfeuchtigkeitsdaten zu verringern. Im Folgenden erfahren Sie mehr über die Störung des Geländes und wie Forscher ihre Installationstechniken anpassen können, um die Unsicherheit ihrer Daten zu bekämpfen.

Störungsfreie Methoden können nicht mithalten - noch nicht

Bei der Installation eines Bodenfeuchtesensors ist es wichtig, den Boden so wenig wie möglich zu stören, um eine repräsentative Messung zu erhalten. Es gibt Methoden, bei denen der Boden nicht gestört wird, wie z.B. Satelliten, Bodenradar und COSMOS. Diese Methoden sind jedoch mit Herausforderungen konfrontiert, die sie als einzigen Ansatz zur Bestimmung des Wassergehalts unpraktisch machen. Der Satellit hat eine große Ausleuchtzone, misst aber in der Regel nur die obersten 5 bis 10 cm des Bodens, und die Auflösung und Messfrequenz ist gering. Das bodengestützte Radar hat eine hohe Auflösung, ist aber teuer und die Interpretation der Daten ist schwierig, wenn die untere Grenze unbekannt ist. COSMOS ist eine bodengestützte, nicht-invasive Neutronenmethode, die kontinuierlich misst und tiefer als ein Satellit über ein Gebiet mit einem Durchmesser von bis zu 800 Metern reicht. Sie ist jedoch für viele Anwendungen unerschwinglich und reagiert sowohl auf die Vegetation als auch auf den Boden, so dass die Forscher die beiden Signale trennen müssen. Diese Methoden sind noch nicht so weit, dass sie die Bodenfeuchtesensoren ersetzen können, aber sie funktionieren gut, wenn sie zusammen mit den Bodenwahrheitsdaten verwendet werden, die Bodenfeuchtesensoren liefern können.

1. Die Folgen der Störung sind...beunruhigend

Nachdem ein Forschungsstandort gestört wurde, kann es bis zu sechs Monate oder sogar noch länger dauern, bis der Boden in seinen natürlichen Zustand zurückkehrt. Zu den Einflussfaktoren gehören Niederschläge (feuchtes Klima kehrt schneller zum 'Normalzustand' zurück als trockenes Klima), die Bodenart und die Bodendichte. Es ist üblich, dass Forscher die ersten zwei oder drei Monate der Daten ignorieren, während sie auf die Rückkehr des Gleichgewichts warten. Wenn Forscher graben, werden reifes Gras oder Pflanzen entfernt und dann ersetzt. Oft ist es schwierig, diese Pflanzen wieder anzusiedeln, und bei einer großflächigen Störung entwickelt sich eine erhebliche Anzahl dieser Pflanzen entweder nicht gut oder stirbt ab. Da diese Pflanzen kein Wasser mehr transpirieren, verändert sich der Wasserhaushalt, was sich kritisch auf die Bodenfeuchtigkeitsdaten auswirken kann. Jede Möglichkeit, weniger Fläche zu stören, kann die Pflanzensterblichkeit reduzieren und die Ergebnisse verbessern.

2. Das Zerdrücken von Makroporen kann katastrophale Folgen haben

Wenn der Boden bewegt oder verdichtet wird, wirkt sich dies unverhältnismäßig stark auf die Mikro- und Makroporen aus, winzige Kapillarröhren mit einer Vielzahl von Porengrößen, die dem Boden seine Struktur verleihen und die Wasserbewegung ermöglichen. Durch die Störung des Geländes und die Umschichtung des Bodens werden die Makroporen des Bodens zerstört, so dass sich das Wasser langsamer und auf anderen Wegen bewegt. Dies wiederum wirkt sich auf die Anreicherung unterhalb der veränderten Zone aus. Jede Installationsoption, bei der weniger Boden abgetragen wird, minimiert dieses Problem.

3. Die Dichte des Bodens ist schwer zu erreichen

Das Gegenteil von Verdichtung tritt auf, wenn der Boden zu locker umgeschichtet wird. Dies führt zu einer bevorzugten Strömung entlang der Seiten eines Bohrlochs oder einer Grabenwand, so dass mehr Wasser in die Zone eindringen kann, als normal ist. Dieses überschüssige Wasser wird oft in den ungestörten Boden aufgenommen, in den die Sensornadeln gesteckt werden, wodurch die Daten zur Bodenfeuchtigkeit verfälscht werden. Um dieses Problem zu bekämpfen, sollten die Forscher Zeit einplanen, um das Loch sorgfältig wieder auf eine angemessene Dichte zu verdichten. Dazu fügen Sie Erde hinzu und füllen sie schichtweise auf, bis sich an der Oberfläche eine leichte Anhöhe bildet, um Staunässe zu verhindern. Wenn die Oberfläche flach ist, könnte sich die Erde mit der Zeit in einer Vertiefung absetzen. Große Gruben können zu erheblichen Vertiefungen führen, in denen sich das Wasser bevorzugt sammelt und die Art und Weise, wie das Wasser in den Boden um die Sensoren infiltriert, verändert.

4. Vermischte Horizontschichten führen zu vermischter Hydrologie

Das Mischen von Bodenhorizontschichten beim Umschichten einer Baugrube kann die hydraulischen Eigenschaften des Bodens drastisch verändern. Ein Beispiel: Wenn ein Boden einen sandigen A-Horizont und einen lehmigen B-Horizont hat, hätte das Vertauschen oder Mischen der Schichten offensichtliche Folgen. Einige Bodenschichten sind leicht zu unterscheiden, während andere Bodentypen Horizonte aufweisen, die nur schwer voneinander zu unterscheiden sind. Aus diesem Grund sollte der Boden vorsichtig abgetragen und schichtweise wieder eingebracht werden, um eine Veränderung der Bodenhydrologie zu verhindern. Die Forscher können dies erreichen, indem sie Planen um die Baugrube herum auslegen und den Boden vorsichtig Schicht für Schicht abtragen und nacheinander auf die Planen legen. Es ist leicht, diese Schichten zu verwechseln, daher ist es hilfreich, sich eine Methode zurechtzulegen, um sich die Schichten zu merken, bevor Sie beginnen. Nach der Installation der Sensoren sollten die Forscher die Erdschichten in umgekehrter Reihenfolge wieder in die Grube einbringen und zwischen den einzelnen Schichten wieder die richtige Dichte herstellen.

5. Wurzelsysteme ruinieren - Ihre Daten ruinieren

Das Ausheben eines Grabens zur Installation von Bodenfeuchtesensoren kann große Wurzelsysteme zerstören, insbesondere wenn Forscher in einem Gebiet mit ausgewachsenen Sträuchern und Bäumen graben. Da die Wurzeln der wichtigste Mechanismus für den Wasserentzug im Boden sind, verändert ihr Absterben die Repräsentativität der Bodenfeuchtemessungen für das gesamte Untersuchungsgebiet. Wenn alle Wurzeln in der Nähe der Sensoren absterben, können die Messungen den Eindruck erwecken, dass mehr Wasser vorhanden ist, als es tatsächlich ist. Die Forscher können dieses Problem verringern, indem sie strategisch platzierte Bohrlöcher verwenden, die weniger Wurzelsysteme stören.

Grabenverlegung - beste oder schlechteste Idee? Es kommt darauf an.

Ein Vorteil einer Grabenverlegung ist, dass die Forscher das gesamte Bodenprofil sehen können. So können sie leichter Hartplastikschichten identifizieren, Horizonte und Bodentypen bestimmen und die Bodenstruktur und -bildung erkennen. Allerdings wird beim Ausheben eines großen Grabens eine große Menge an Boden abgetragen. Und wenn der Boden erst einmal umgeschichtet ist, sind wahrscheinlich viele Makroporen zerkleinert und es besteht nun eine hydraulische Diskontinuität im Boden, die die Möglichkeit erhöht, dass Wasser künstlich von den Sensoren abgeleitet oder zu ihnen geleitet wird. Die Situation verschlimmert sich, wenn ein Forscher einen Bagger benutzt, um Zeit zu sparen. Die Raupen und Schaufeln des Baggers verdichten den Boden, besonders wenn er nass ist, und die große Schaufel reißt Pflanzen und Wurzelsysteme aus.

Profilsonden - so nah und doch so fern

Profilsonden sind verlockend, weil sie kleine Bohrlöcher verwenden, die den Boden weniger stören. Der starr gerade Formfaktor einer Profilsonde erfordert jedoch eine perfekt senkrechte Wand für einen guten Boden-Sensor-Kontakt. Leider sind die Seiten eines Bohrlochs nur selten perfekt senkrecht. Es gibt Kurven und Vertiefungen entlang der Bodenwand. Eine Profilsonde mit geraden Seiten erreicht selten eine gute Verbindung, und die Installation ist oft mit Luftspalten und bevorzugter Strömung behaftet. Benutzer von Profilsonden versuchen oft, dies durch das Auffüllen mit einer dicken Schlammschicht zu kompensieren. Aber auch diese Methode birgt Probleme, wie z.B. das Einbringen von nicht einheimischem Boden und Ungenauigkeiten, die durch die Risse entstehen, die beim Trocknen des Bodens entstehen.

Warum die Bohrlochmethode gewinnt

Ein Bohrloch stört die Bodenschichten, aber der relative Umfang der Auswirkungen auf den Standort ist ein Bruchteil dessen, was bei einer Grabenverlegung der Fall wäre. Ein Graben kann etwa 60 bis 90 cm lang und 40 cm breit sein. Ein Bohrloch, das mit einem kleinen Handbohrer und dem TEROS Borehole Installation Tool erzeugt ein Loch mit einem Durchmesser von nur 10 cm - nur 2-3% der Fläche eines Grabens. Da das Ausmaß der Störung des Geländes minimiert wird, werden weniger Makroporen, Wurzeln und Pflanzen gestört, und das Gelände kann viel schneller wieder in seinen natürlichen Zustand zurückkehren. Wenn das Verlegewerkzeug in einem kleinen Bohrloch verwendet wird, ist außerdem ein guter Kontakt zwischen Boden und Sensor gewährleistet, und es ist viel einfacher, die Horizontschichten zu trennen und auf die richtige Bodendichte zu verdichten, da weniger Boden zu trennen ist.

Sie können die Störungen vor Ort nicht beseitigen, aber Sie können das Ausmaß kontrollieren

Der Schlüssel zur Verringerung der Auswirkungen von Störungen auf die Bodenfeuchtigkeitsdaten liegt in der Kontrolle des Ausmaßes der Störung. Großflächige Aushubarbeiten wirken sich auf größere Gebiete aus, wohingegen das Aufbohren eines kleinen Bohrlochs viel weniger Auswirkungen auf die umliegenden Pflanzen und die hydraulischen Eigenschaften des Bodens hat, so dass sich der Forschungsstandort viel schneller in seinen natürlichen Zustand zurückversetzen kann.

Ein ausführlicherer Blick auf Retentionskurven

Retentionskurven (auch Bodenwasser-Charakteristikkurven oder Bodenwasser-Retentionskurven genannt) sind wie physikalische Fingerabdrücke, die für jeden Bodentyp einzigartig sind. Forscher verwenden sie, um das Schicksal des Wassers in einem bestimmten Boden bei einem bestimmten Feuchtigkeitszustand zu verstehen und vorherzusagen. Feuchtigkeitsabgabekurven geben Antworten auf wichtige Fragen wie: Bei welchem Feuchtigkeitsgehalt wird der Boden dauerhaft welk? Wie lange sollte ich bewässern? Oder wird das Wasser schnell durch den Boden abfließen oder in der Wurzelzone gehalten werden? Sie sind ein leistungsfähiges Instrument zur Vorhersage der Wasseraufnahme von Pflanzen, der Tiefenentwässerung, des Abflusses und mehr.

Was ist eine Retentionskurve?

Es besteht eine Beziehung zwischen dem Wasserpotenzial und dem volumetrischen Wassergehalt, die anhand eines Diagramms dargestellt werden kann. Zusammen ergeben diese Daten eine Kurvenform, die als Retentionskurve bezeichnet wird. Die Form einer Bodenfeuchteabgabekurve ist für jeden Boden einzigartig. Sie wird von vielen Variablen beeinflusst, wie z.B. der Bodentextur, der Schüttdichte, dem Gehalt an organischen Stoffen und der tatsächlichen Zusammensetzung der Porenstruktur.

Abbildung 13 zeigt Beispielkurven für drei verschiedene Böden. Auf der X-Achse steht das Wasserpotenzial auf einer logarithmischen Skala und auf der Y-Achse der volumetrische Wassergehalt. Diese Beziehung zwischen Bodenwassergehalt und Wasserpotenzial (oder Bodensog) ermöglicht es Forschern, die Wasserverfügbarkeit und Wasserbewegung in einem bestimmten Bodentyp zu verstehen und vorherzusagen. In Abbildung 13 sehen Sie beispielsweise, dass der permanente Welkepunkt (rechte vertikale Linie) bei jedem Bodentyp einen anderen Wassergehalt aufweist. Der feine sandige Lehm wird bei 5% VWC dauerhaft welken, während der schluffige Lehm bei fast 15% VWC dauerhaft welken wird.

Extensive vs. intensive Variablen

Um Retentionskurven zu verstehen, ist es notwendig, extensive und intensive Eigenschaften zu erklären. Die meisten Menschen betrachten die Bodenfeuchtigkeit nur im Hinblick auf eine Variable: den Wassergehalt des Bodens. Aber es sind zwei Arten von Variablen erforderlich, um den Zustand von Materie oder Energie in der Umwelt zu beschreiben. Eine extensive Variable beschreibt das Ausmaß (oder die Menge) der Materie oder Energie. Und die intensive Variable beschreibt die Intensität (oder Qualität) der Materie oder Energie.

Umfangreiche Variable	Intensiv Variabel
Band	Dichte
Wassergehalt	Wasserpotenzial
Wärmegehalt	Temperatur

Der Wassergehalt des Bodens ist eine umfassende Variable. Er beschreibt, wie viel Wasser in der Umgebung vorhanden ist. Das Wasserpotenzial des Bodens ist eine intensive Variable. Es beschreibt die Intensität oder Qualität (und in den meisten Fällen die Verfügbarkeit) von Wasser in der Umwelt. Um zu verstehen, wie das funktioniert, denken Sie bei extensiven und intensiven Variablen an die Wärme. Der Wärmeinhalt (eine extensive Variable) beschreibt, wie viel Wärme in einem Raum gespeichert ist. Die Temperatur (eine intensive Variable) beschreibt die Qualität (Komfortniveau) oder wie Ihr Körper die Wärme in diesem Raum wahrnimmt.

Abbildung 14 zeigt ein großes Schiff in der Arktis und einen heißen Stab, der gerade in einem Feuer erhitzt wurde. Welcher dieser beiden Gegenstände hat einen höheren Wärmeinhalt? Interessanterweise hat das Schiff in der Arktis einen höheren Wärmeinhalt als der heiße Stab, aber es ist der Stab, der eine höhere Temperatur hat.

Wenn wir den heißen Stab mit dem Schiff in Kontakt bringen, welche Variable bestimmt, wie die Energie fließt? Die intensive Variable, die Temperatur, bestimmt, wie die Energie fließt. Wärme bewegt sich immer von einer hohen Temperatur zu einer niedrigen Temperatur.

Ähnlich wie die Wärme ist auch der Wassergehalt des Bodens nur ein Wert. Er sagt nichts darüber aus, wie sich das Wasser bewegen wird oder wie wohl sich eine Pflanze fühlt (pflanzenverfügbares Wasser). Das Wasserpotenzial des Bodens, die intensive Variable, sagt hingegen die Verfügbarkeit und Bewegung von Wasser voraus.
Laden Sie den "Leitfaden für Forscher zum Wasserpotenzial" herunter

Woher stammen die Daten der Feuchtigkeitsabgabekurve?

Retentionskurven können an Ort und Stelle oder im Labor durchgeführt werden. Auf dem Feld werden der Wassergehalt und das Wasserpotenzial des Bodens mit Bodensensoren überwacht.

Die einfachen, zuverlässigen dielektrischen Sensoren von METER melden Bodenfeuchtigkeitsdaten nahezu in Echtzeit direkt über den DatenloggerZL6 an cloud (ZENTRA Cloud). Das spart enorm viel Arbeit und Kosten. Der TEROS 12 misst den Wassergehalt und ist mit dem TEROS Bohrloch-Installationswerkzeug einfach zu installieren. Der TEROS 21 ist ein einfach zu installierender Feldwasserpotentialsensor.

Im Labor können Sie die METER's HYPROP und WP4C kombinieren, um automatisch eine vollständige Retentionskurven über den gesamten Bereich der Bodenfeuchte zu erstellen.

So verwenden Sie eine Retentionskurve

Eine Retentionskurve verbindet die extensive Variable des volumetrischen Wassergehalts mit der intensiven Variable des Wasserpotenzials. Die grafische Darstellung der extensiven und intensiven Variablen ermöglicht es Forschern und Bewässerern, wichtige Fragen zu beantworten, z. B. wohin sich das Bodenwasser bewegt. Wenn es sich bei den drei Böden in Abbildung 15 beispielsweise um verschiedene Bodenhorizontschichten mit einem Wassergehalt von 15 % handelt, würde sich das Wasser im lehmigen Feinsand in Richtung der feinen sandigen Lehmschicht bewegen, da diese ein negativeres Wasserpotenzial aufweist.

Eine Retentionskurve kann auch dazu verwendet werden, Entscheidungen über die Bewässerung zu treffen, z.B. wann das Wasser eingeschaltet und wann es abgestellt werden soll. Dazu müssen Forscher oder Bewässerer sowohl den volumetrischen Wassergehalt (VWC) als auch das Wasserpotenzial kennen. Der VWC sagt dem Landwirt, wie viel Bewässerung er anwenden muss. Und das Wasserpotenzial zeigt an, wie viel Wasser den Pflanzen zur Verfügung steht und wann die Bewässerung eingestellt werden sollte. So funktioniert es.

Abbildung 16. Typische Retentionskurven für drei verschiedene BödenAbbildung 16 zeigt typische Wasserabgabekurven für einen lehmigen Sand, einen schluffigen Lehm und einen Tonboden. Bei -100 kPa liegt der Wassergehalt des sandigen Bodens unter 10%. Im schluffigen Lehm liegt er jedoch bei etwa 25% und im Tonboden bei fast 40%. Die Feldkapazität liegt normalerweise zwischen -10 und -30 kPa. Und der permanente Verwelkungspunkt liegt bei etwa -1500 kPa. Ein Boden, der trockener ist als dieser permanente Welkepunkt, würde keine Pflanze mit Wasser versorgen. Und Wasser in einem Boden, der feuchter ist als die Feldkapazität, würde aus dem Boden abfließen. Ein Forscher/Bewässerungsspezialist kann sich diese Kurven ansehen und feststellen, wo der optimale Wassergehalt für jede Bodenart liegen würde.

Abbildung 17 ist die gleiche Feuchtigkeitsabgabekurve, die den Bereich der Feldkapazität (grüne vertikale Linien), die untere Grenze, die normalerweise für eine bewässerte Kultur gesetzt wird (gelb), und den permanenten Welkepunkt (rot) zeigt. Anhand dieser Kurven kann ein Forscher/Bewässerer erkennen, dass das Wasserpotenzial des Schlufflehms zwischen -10 und -50 kPa gehalten werden sollte. Und der Wassergehalt, der diesen Wasserpotenzialen entspricht, sagt dem Bewässerer, dass der Wassergehalt des Schlufflehms bei etwa 32% (0,32 m3/m3) gehalten werden muss. Bodenfeuchtesensoren können ihn warnen, wenn er über oder unter diese optimale Grenze kommt.

ZENTRA vereinfacht alles

Sobald die Informationen aus einer Freisetzungskurve gewonnen sind, werden METERs ZL6 Datenlogger und ZENTRA Cloud den Prozess der Aufrechterhaltung eines optimalen Feuchtigkeitsniveaus vereinfachen. Obere und untere Grenzwerte können unter ZENTRA cloud festgelegt werden. Sie werden als schattiertes Band über den nahezu in Echtzeit erfassten Bodenfeuchtigkeitsdaten (blaue Schattierung) angezeigt, so dass Sie leicht erkennen können, wann das Wasser ein- und ausgeschaltet werden muss. Es werden sogar automatisch Warnungen verschickt, wenn diese Grenzwerte erreicht oder überschritten werden.

Kurven der Feuchtigkeitsabgabe auf dem Feld? Ja, das ist möglich.

Durch die gleichzeitige Verwendung von Wasserpotentialsensoren und Bodenfeuchtesensoren an Ort und Stelle kann die Wissensbasis eines Forschers um viele weitere Feuchtigkeitsabgabekurven erweitert werden. Und da geotechnische Ingenieure und Bewässerungswissenschaftler in erster Linie das Verhalten von ungesättigten Böden an Ort und Stelle untersuchen, wäre es ideal, die im Labor erstellten Kurven durch In-situ-Messungen zu ergänzen.

Im folgenden Webinar fasst Dr. Colin Campbell, METER-Forschungswissenschaftler, einen kürzlich auf der Pan American Conference of Unsaturated Soils gehaltenen Vortrag zusammen. Der Beitrag "Comparing in situ soil water characteristic curves to those generated in the lab" von Campbell et al. (2018) zeigt, wie gut die mit dem kalibrierten Matrixpotentialsensor TEROS 21 und den Wassergehaltssensoren von METER Gegenüberstellung in situ erzeugten SWCCs mit denen aus dem Labor übereinstimmen.

Warten Sie, es gibt noch mehr

Retentionskurven können noch mehr Einblicke und Informationen liefern, die über den Rahmen dieses Artikels hinausgehen. Forscher verwenden sie, um viele Fragen zu verstehen, wie z.B. die Schwind- und Quellfähigkeit des Bodens, die Kationenaustauschkapazität oder die bodenspezifische Oberfläche. Im folgenden Video gibt der Bodenfeuchtigkeitsexperte Leo Rivera genauere Informationen darüber, wie Sie eine Feuchtigkeitsabgabekurve verwenden können, um das individuelle Verhalten des Bodens in Bezug auf Wasser zu analysieren.

APPENDIX

1-Warum TDR im Vergleich zur Kapazität den Sinn verfehlen kann

Bei der Überlegung, welcher Sensor für den Wassergehalt im Boden am besten geeignet ist, wird leicht die offensichtliche Frage übersehen: Was wird gemessen? Zeitbereichsreflektometrie (TDR) im Vergleich zu Kapazität ist die richtige Frage für einen Forscher, der die Dielektrizitätskonstante über ein breites Messfrequenzspektrum (genannt dielektrische Spektroskopie) untersucht. Diese Daten enthalten wichtige Informationen, wie die Möglichkeit, die Schüttdichte zusammen mit dem Wassergehalt und der elektrischen Leitfähigkeit zu messen. Wenn dies die gewünschte Messung ist, kommt derzeit nur eine Technologie in Frage: TDR. Die Reflexion des elektrischen Impulses, der sich an den leitenden Stäben entlang bewegt, enthält eine große Bandbreite an Frequenzen. Wenn sie digitalisiert werden, können diese Frequenzen durch die schnelle Fourier-Transformation getrennt und auf zusätzliche Informationen hin analysiert werden.

Das Ziel der meisten Wissenschaftler besteht jedoch einfach darin, den Wassergehalt des Bodens sofort oder im Laufe der Zeit mit guter Genauigkeit zu überwachen, was bedeutet, dass ein komplexes und kostspieliges TDR-System möglicherweise nicht notwendig ist.

Die Theorie hinter beiden Techniken

Kapazitäts- und TDR-Sensortechniken für die Bodenfeuchte werden oft zusammengelegt, weil beide die dielektrische Permittivität des umgebenden Mediums messen. Tatsächlich kommt es nicht selten vor, dass Personen die beiden Verfahren verwechseln und behaupten, dass eine bestimmte Sonde den Wassergehalt auf der Grundlage von TDR misst, obwohl sie eigentlich die Kapazität nutzt. Im Folgenden wird der Unterschied zwischen den beiden Techniken erläutert.

Die Kapazitätsmethode bestimmt die Dielektrizitätskonstante eines Mediums durch Messung der Ladezeit eines Kondensators, der dieses Medium als Dielektrikum verwendet. Zunächst definieren wir eine Beziehung zwischen der Zeit, t, die benötigt wird, um einen Kondensator von einer Startspannung, V_iauf eine Spannung V_fmit einer angelegten Spannung, V_f.

wobei R der Serienwiderstand und C die Kapazität ist. Die Aufladung des Kondensators ist in Abbildung 1 dargestellt:

Wenn der Widerstand und das Spannungsverhältnis konstant gehalten werden, dann ist die Ladezeit des Kondensators, t, mit der Kapazität verbunden gemäß

Bei einem Parallelplattenkondensator ist die Kapazität eine Funktion der Dielektrizitätskonstante(k) des Mediums zwischen den Kondensatorplatten und kann wie folgt berechnet werden

wobei A die Fläche der Platten und S der Abstand zwischen den Platten ist. Da A und S ebenfalls feste Werte sind, ist die Ladezeit des Kondensators eine einfache lineare Funktion (im Idealfall) der dielektrischen Permittivität des umgebenden Mediums.

Bodensonden sind keine parallelen Plattenkondensatoren, aber die in Gleichung 7 dargestellte Beziehung ist unabhängig von der Plattengeometrie gültig. Die Zeitbereichsreflektometrie (TDR) bestimmt die Dielektrizitätskonstante eines Mediums, indem sie die Zeit misst, die eine elektromagnetische Welle für die Ausbreitung entlang einer Übertragungsleitung benötigt, die von dem Medium umgeben ist. Die Laufzeit(t), die ein elektromagnetischer Impuls benötigt, um die Länge einer Übertragungsleitung zu durchlaufen und zurückzukehren, hängt mit der Dielektrizitätskonstante des Mediums, k, durch die folgende Gleichung zusammen

wobei L die Länge der Übertragungsleitung und c die Lichtgeschwindigkeit (3 x 108 m s im Vakuum) ist. Die Dielektrizitätskonstante wird also berechnet

Daher ist die Ausbreitungszeit der elektromagnetischen Welle entlang der TDR-Sonde nur eine Funktion des Quadrats der Laufzeit und eines festen Wertes(c/2L). Da c und L eine Konstante bzw. eine feste Länge sind, sind TDR-Messungen im Vergleich zu Kapazitätssensoren theoretisch weniger anfällig für Boden- und Umweltbedingungen. Allerdings kann die Interpretation der TDR-Ausgabe eine beträchtliche Fehlerquelle darstellen, wenn ein hoher Salzgehalt die Reflexionswellenform beeinträchtigt oder die Temperatur den Endpunkt verändert.

Die Frequenz macht einen Unterschied bei der Genauigkeit

An oscillating voltage must be applied to a TDR or capacitance sensor to measure the reflection or charge time in the medium. The frequency of the oscillation is important because it is widely accepted that low frequencies (<10 MHz) are highly susceptible to changes in salinity and temperature. Because there is no limit on the possible input frequencies for either technique, it is important to verify the frequency of the soil moisture device used.

Die von METER hergestellten Kapazitätssensoren verwenden hohe Frequenzen, um die Auswirkungen des Salzgehalts im Boden auf die Messwerte zu minimieren. Die verwendeten Frequenzen sind jedoch um einiges niedriger als bei TDR, typischerweise 50 bis 100 MHz. Die hohe Frequenz der Kapazitätssonden "sieht" das gesamte Wasser im Boden und ist gleichzeitig hoch genug, um die meisten Fehler aufgrund des Salzgehalts im Boden zu vermeiden, die bei älteren Kapazitätssonden auftreten. Die Schaltkreise in kapazitiven Sensoren können so ausgelegt werden, dass sie extrem kleine Änderungen des volumetrischen Wassergehalts auflösen, so sehr, dass die NASA die kapazitive Technologie zur Messung des Wassergehalts auf dem Mars eingesetzt hat. Kapazitätssensoren sind kostengünstiger, da sie nicht so viele Schaltkreise benötigen, was mehr Messungen pro Dollar ermöglicht.

Wie TDR sind auch Kapazitätssensoren relativ einfach zu installieren. Die Messspitzen sind in der Regel kürzer als bei TDR-Sonden, so dass es weniger schwierig sein kann, sie in ein Loch einzuführen. Kapazitätssensoren haben in der Regel einen geringeren Energiebedarf und können im Feld jahrelang mit einem kleinen Batteriepack in einem Datenlogger betrieben werden.

Fehler sind auf schlechte Installationsmethoden zurückzuführen

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sowohl TDR als auch Kapazität die Dielektrizitätskonstante messen, um den volumetrischen Wassergehalt zu ermitteln, auch wenn die Theorie hinter den Messungen etwas anders ist. Aus historischer Sicht haben sich sowohl TDR als auch Kapazität weithin durchgesetzt, auch wenn einige aufgrund des extremen Preisunterschieds den Wert von TDR im Vergleich zur Kapazität höher einschätzen. Im Allgemeinen lassen sich mit beiden Techniken vernünftige Messungen des volumetrischen Wassergehalts durchführen, und Fehler bei den Messungen sind oft eher auf schlechte Installationsmethoden als auf Einschränkungen bei den Techniken selbst zurückzuführen. Das neue TEROS Borehole Installation Tool reduziert die Datenunsicherheit, indem es die Installation des Bodenfeuchtesensors fehlerfrei macht. Aufgrund seines mechanischen Vorteils ermöglicht das Gerät eine konsistente, fehlerfreie Installation in jeder Bodenart (sogar in hartem Lehm) und minimiert gleichzeitig die Beeinträchtigung des Geländes. Die Sensoren werden gerade und senkrecht mit gleichmäßigem Druck installiert und dann sanft entlastet, um Luftspalten und eine bevorzugte Strömung zu vermeiden. Das bedeutet, dass die kapazitiven Bodenfeuchtesensoren der ProduktlinieTEROS eine höhere Genauigkeit bei geringerer Unsicherheit bieten als ähnliche Sensoren auf dem Markt.

2-ECH₂O Bodenfeuchtesensoren vs. TEROS Sensoren - welche sind besser?

Die Kapazität ist heute sehr genau

Als die Kapazitätstechnologie in den 1970er Jahren zum ersten Mal zur Messung der Bodenfeuchtigkeit eingesetzt wurde, erkannten die Wissenschaftler bald, dass die Geschwindigkeit, mit der sich das elektromagnetische Feld auf- und entlädt, entscheidend für den Erfolg ist. Niedrige Frequenzen führten zu großen Auswirkungen des Salzgehalts im Boden auf die Messwerte. Im Laufe der Zeit ermöglichte dieses neue Verständnis in Verbindung mit Fortschritten bei der Geschwindigkeit der Elektronik eine Anpassung des ursprünglichen Kapazitätsansatzes, um erfolgreich zu sein. Moderne Kapazitätssensoren, wie die METER-Sensoren, verwenden hohe Frequenzen (70 MHz), um die Auswirkungen des Salzgehalts im Boden auf die Messwerte zu minimieren.

Die Schaltkreise in kapazitiven Sensoren können so ausgelegt werden, dass sie extrem kleine Änderungen des volumetrischen Wassergehalts auflösen können. So sehr, dass die NASA die kapazitive Technologie von METER zur Messung des Wassergehalts auf dem Mars eingesetzt hat. Kapazitive Bodenfeuchtesensoren sind einfach zu installieren und benötigen in der Regel nur wenig Strom. Sie können jahrelang im Feld mit einer kleinen Batterie in einem Datenlogger betrieben werden.

TEROS und _ECH20: dieselbe bewährte Technologie

Sowohl der TEROS als auch der _ECH20Bodenfeuchtesensor verwenden dieselbe bewährte Hochfrequenz (70 MHz) Kapazitäts-Technologie, die in Tausenden von Fachzeitschriften veröffentlicht wurde. Abbildung 20 zeigt die Kalibrierungsdaten für den _ECH205TE und TEROS 12.

Die neue ProduktlinieTEROS nutzt jedoch Fortschritte bei den Kalibrierungstechniken, ein Installationswerkzeug und bessere Rohstoffe, um Sensoren herzustellen, die haltbarer, genauer, einfacher und schneller zu installieren und konsistenter sind und mit einem leistungsstarken, intuitiven System zur Datenprotokollierung und -visualisierung in nahezu Echtzeit verbunden sind (Abbildung 21).

Hier sind einige der Änderungen, die Sie in der neuen TEROS Wassergehaltssensorreihe sehen werden:

Minimale Variabilität von Sensor zu Sensor: TEROS 11/12 Sensoren verwenden ein völlig neues Kalibrierungsverfahren, das die Genauigkeit maximiert und die Variabilität von Sensor zu Sensor minimiert, während die Kosten für den Sensor angemessen bleiben. Sie können sich also darauf verlassen, dass jeder Sensor, den Sie installieren, genau wie der nächste gemessen wird.

Großes Einflussvolumen: Die TEROS 11/12 Sensoren liefern ein Einflussvolumen von einem Liter (im Gegensatz zu den für die meisten Sensoren typischen 200 ml).

Zuverlässige, langlebige Sensorleistung: Verbesserte, geschliffene Nadeln aus hochwertigem Edelstahl gleiten leicht in selbst verhärtete Böden, und eine haltbare Epoxidharzfüllung sorgt dafür, dass der Sensor bis zu 10 Jahre im Feld hält. Im TEROS 12 haben wir einen Temperatursensor perfekt in der mittleren Nadel positioniert, so dass die Nadeln robust sind und dennoch extrem empfindlich auf Temperaturänderungen im Boden reagieren.

Reduzierte Installationsfehler: Die neue TEROS Borehole Installation Tool macht die Installation fehlerfrei und sorgt für eine konsistente, fehlerfreie Einbringung in jede Bodenart (sogar in harten Lehm), während gleichzeitig die Störung der Baustelle minimiert wird. Die Sensoren werden perfekt senkrecht zur Seitenwand mit gleichmäßigem Druck installiert und dann sanft entlastet, um Luftspalten zu vermeiden.

Verifizierungsstandard: TEROS Die Wiederholbarkeit des Sensors kann mit einem Verifizierungsstandard überprüft werden. Kein anderer Bodenfeuchtesensor hat diese Möglichkeit. Schieben Sie einfach den Verifizierungsclip auf den Sensor und schließen Sie ihn an einen Logger an. Wenn der Messwert innerhalb des richtigen Bereichs liegt, ist Ihr Sensor einsatzbereit.

Nahtlose Datenerfassung: Für eine einfache und zuverlässige Datenerfassung kombinieren Sie TEROS Sensoren mit dem neuen ZL6, bei dem alle Daten nahezu in Echtzeit über das Internet übertragen werden. cloud.

Warum TEROS gewinnt

Wir haben die neue Sensorlinie TEROS entwickelt, um Hindernisse zu beseitigen, die einer guten Genauigkeit im Wege stehen, wie z.B. Inkonsistenzen bei der Installation, Schwankungen von Sensor zu Sensor und die Überprüfung der Sensoren. TEROS Bodenfeuchtesensoren verwenden die gleiche zuverlässige _{ECH20-Technologie}, gehen aber über die _ECH20-Liniehinaus, um die Genauigkeit des gesamten Datensatzes zu optimieren. Sie kombinieren eine konsistente, fehlerfreie Installation, eine extrem robuste Konstruktion, minimale Sensor-zu-Sensor-Variabilität, ein großes Einflussvolumen und eine fortschrittliche Datenprotokollierung, um die beste Leistung, Genauigkeit, Benutzerfreundlichkeit und Zuverlässigkeit zu einem erschwinglichen Preis zu bieten.

3-Bodenfeuchtigkeitsdatenerfassung: 8 bewährte Verfahren

Das Ziel eines jeden Forschers ist es, während der gesamten Dauer einer Studie verwertbare Felddaten zu erhalten. Ein guter Datensatz ist ein Datensatz, aus dem ein Wissenschaftler Schlussfolgerungen ziehen oder etwas über das Verhalten von Umweltfaktoren in einer bestimmten Anwendung lernen kann. Wie viele Forscher jedoch schmerzlich feststellen mussten, ist es nicht so einfach, gute Daten zu erhalten, indem man Sensoren installiert, sie im Feld lässt und zurückkehrt, um eine genaue Aufzeichnung zu finden. Wer nicht vorausschauend plant, die Daten häufig überprüft und regelmäßig Fehlerbehebungen vornimmt, erlebt oft unangenehme Überraschungen, wie z.B. nicht eingesteckte Datenloggerkabel, von Nagetieren beschädigte Sensorkabel oder - noch schlimmer - dass er nicht genügend Daten hat, um seine Ergebnisse zu interpretieren. Glücklicherweise lassen sich die meisten Pannen bei der Datenerfassung mit einer hochwertigen Ausrüstung, etwas Voraussicht und ein wenig Vorbereitung vermeiden.

Machen Sie keinen Fehler, es wird Sie etwas kosten

Im Folgenden finden Sie einige häufige Fehler, die beim Entwurf einer Studie gemacht werden, die Zeit und Geld kosten und die Verwertbarkeit der Daten verhindern können.

Wenden Sie beim Entwurf einer Studie die folgenden bewährten Verfahren an, um die Datenerfassung zu vereinfachen und Versäumnisse zu vermeiden, die verhindern, dass die Daten verwendet und schließlich veröffentlicht werden können.

Vorbereitung vor der Installation spart Zeit und Geld

Das Aufstellen von Sensoren im Labor, bevor sie ins Feld gehen, hilft den Forschern zu verstehen, wie ihre Sensoren funktionieren. So können Wissenschaftler zum Beispiel Messungen mit den Bodensensoren in verschiedenen Bodentypen vornehmen, was ihnen ein solides Verständnis der zu erwartenden Bodenfeuchtigkeitswerte in verschiedenen Szenarien vermittelt. Wenn Sie sich mit den Sensoren vertraut machen, bevor Sie ins Feld gehen, können Sie die korrekte Installation nachvollziehen, wissen, wie lange eine Installation dauern kann und können Probleme diagnostizieren, z.B. wenn ein Sensor falsch anzeigt. Während dieser Zeit können sie herausfinden, welche Werkzeuge und Geräte sie für die Installation benötigen. Ein spezieller Werkzeugkasten mit wichtigen Werkzeugen wie Kabelbindern, Zangen, Markern, Taschenlampen und Batterien kann stundenlanges Hin- und Herfahren zum Einsatzort ersparen.

Wenn ein Forscher einen Datenlogger verwendet, der programmiert werden muss, sollte er die Programmiersprache zwei Wochen im Voraus lernen, um sicherzustellen, dass er weiß, wie man Programme für den Logger schreibt. Selbst ein Plug-and-Play-Datenlogger wie der cloud ZL6 muss vor der Installation vorbereitet werden, z. B. indem sichergestellt wird, dass sich der Forschungsstandort in Reichweite eines Mobilfunkmastes befindet.

Planung ist das A und O

Forscher sollten einen Lageplan mit einer Karte erstellen und daran denken, dass eine Installation in der Regel doppelt so lange dauert, wie sie denken. Mit einem Lageplan lassen sich menschliche Fehler erheblich reduzieren, insbesondere wenn die Zeit drängt. Wenn die Wissenschaftler am Forschungsstandort ankommen, können sie die Installation nach dem Plan vornehmen und die Anpassungen auf der Karte festhalten, während sie arbeiten. Dieser Schritt spart in Zukunft viel Zeit, wenn sie oder andere Kollegen einen problematischen Sensor finden und ausgraben müssen. Es ist auch wichtig, einen Plan für den Fall zu haben, dass etwas schief gehen könnte. Was ist zum Beispiel, wenn der Boden in einer bestimmten Tiefe zu felsig ist? Oder was passiert, wenn eine Wetterstation oder ein Feuchtigkeitssensor in zwei Metern Tiefe nicht installiert werden kann? Forscher müssen sich überlegen, was zu tun ist, wenn ihr ursprünglicher Plan nicht funktioniert, denn oft können sie erst nach Wochen oder Monaten an den Ort zurückkehren.

Die Wahl des Standorts kann über den Erfolg einer Studie entscheiden

Bevor Sie einen Standort auswählen, sollten die Wissenschaftler ihre Ziele für die Datenerfassung klar definieren. Sie müssen wissen, was sie mit den Daten machen wollen, damit die Daten die richtigen Fragen beantworten können. Sobald die Ziele bekannt sind, kann ein Forscher überlegen, wo er seine Sensoren platzieren soll.

Das einflussreichste Problem, mit dem ein Forscher konfrontiert wird, wenn er entscheidet, wo er seine Sensoren platzieren möchte, ist die Variabilität. So müssen Wissenschaftler, die den Boden untersuchen, Variabilitätsfaktoren wie Neigung, Aspekt, Vegetationstyp, Tiefe, Bodentyp und Bodendichte verstehen. Wenn sie ein Blätterdach untersuchen, müssen sie die Heterogenität der Pflanzendecke verstehen und ihre Sensoren entsprechend einsetzen. Wenn ein Forscher Daten vergleicht, muss er/sie bei der Platzierung der Sensoren konsistent sein. Das bedeutet, dass die Höhen über dem Boden oder die Tiefen unter dem Boden von Standort zu Standort gleich sein sollten. Es gibt keine Möglichkeit, alle Quellen der Variabilität zu überwachen, daher sollten Forscher die wichtigsten Quellen überwachen. Wenn Sie sich eingehender mit der Variabilität befassen möchten, lesen Sie "Bodenfeuchtesensoren: Wie viele brauchen Sie?"

Die Wahl des Standorts sollte auch praktisch sein. Die Forscher müssen sich die Daten so oft wie möglich ansehen (wir empfehlen mindestens einmal im Monat), um sicherzustellen, dass alles korrekt funktioniert. Mobilfunk-Datenlogger machen den Zugriff auf die Daten viel einfacher, besonders an abgelegenen Standorten. Durch das Hochladen von Daten auf cloud können Wissenschaftler jeden Tag bequem von ihrem Büro aus auf die Daten zugreifen, sie gemeinsam nutzen und Fehler beheben.

Versuchen Sie bei der Wahl des Standorts für den Datenlogger außerdem, lange Kabelwege zu vermeiden, die bei einem Blitzeinschlag Spannungsunterschiede verursachen können. Wählen Sie einen Standort, an dem sich die Sensoren leicht anschließen lassen, und binden Sie zusätzliche Kabel mit Kabelbindern an den Pfosten, damit die Kabel nicht aus dem Logger gezogen werden können. Nicht eingesteckte Sensoren oder unterbrochene Verbindungen können für eine Studie katastrophale Folgen haben.

Mehr Metadaten - mehr Einblick

Je mehr Metadaten Forscher an einem Forschungsstandort aufzeichnen, desto besser verstehen sie ihre Daten und desto mehr Zeit sparen sie auf lange Sicht. Einige Datenlogger wie der ZL6 zeichnen automatisch wichtige Metadaten auf, wie z.B. den GPS-Standort, den Luftdruck und die Seriennummer des Sensors. Darüber hinaus können zusätzliche Messungen wie die Bodentemperatur oder die Überwachung des Mikroklimas eine weitere Quelle für Metadaten sein. Eine All-in-One-Wetterstation wie die ATMOS 41 zeichnet automatisch Wetterereignisse auf und kann ein wichtiger Weg sein, um Bodenfeuchtigkeit, Wasserpotenzial oder andere Daten zu vergleichen oder zu überprüfen.

Um Standortinformationen zu dokumentieren, die nicht automatisch von den Feldinstrumenten aufgezeichnet werden, finden es viele Wissenschaftler praktisch, ein gemeinsames Arbeitsblatt zur Standortcharakterisierung zu erstellen, das sie verwenden können, um weitere Kollegen zu informieren, die an dem Standort arbeiten. Zu den Metadaten, die für die künftige Einsicht in die Daten und deren Veröffentlichung von entscheidender Bedeutung sind, gehören: Bodentyp, Bodendichte, Arten der Bedeckung, Messintervall, Rohdaten und Art der verwendeten Kalibrierung, Notizen über ein Bewässerungssystem (falls vorhanden), welche Bodenfeuchtesensoren in welcher Tiefe installiert sind, Notizen darüber, warum der Standort ausgewählt wurde, Ereignisse, die Ihre Datenerfassung beeinflussen könnten, wie z.B. eine Ernte, oder andere Informationen, die bei der Analyse der Daten schwer abrufbar sind. Diese Informationen werden wichtig sein, wenn es an der Zeit ist, sie zu veröffentlichen, und wenn Sie sie an einem gemeinsamen Ort auf cloud ablegen, ersparen Sie sich Kopfzerbrechen.

Installation - der Schlüssel zur Genauigkeit

Wenn ein Wissenschaftler genaue Daten wünscht, sollte die korrekte Installation der Sensoren oberste Priorität haben. Bei Messungen im Boden beispielsweise können natürliche Schwankungen der Dichte zu einem Genauigkeitsverlust von 2 bis 3 % führen, aber eine schlechte Installation kann einen Genauigkeitsverlust von mehr als 10 % verursachen. Die korrekte Installation der Sensoren erfordert nicht viel zusätzliche Zeit, daher sollten Forscher die Anweisungen sorgfältig lesen (weitere Informationen finden Sie unter "Bodenfeuchtesensoren: Welche Installationsmethode ist die beste?"). Nach der Installation der Sensoren, aber bevor Sie das Bohrloch oder den Graben schließen, sollten Sie die Sensoren mit einem ZSC, unserem tragbaren Sofortmessgerät, zu überprüfen, um sicherzustellen, dass die Messung genau ist. Es wird schmerzhaft sein, einen Sensor später auszugraben, nachdem er eine ganze Saison lang schlechte Daten gesammelt hat.

Stellen Sie außerdem sicher, dass Sie jeden Sensor mit dem Sensortyp, der Einbautiefe und anderen wichtigen Informationen beschriften. Forscher, die Hunderte von Sensoren installieren, kaufen manchmal ein elektronisches Etikettiergerät, um die Sensoren mit Barcodes zu versehen, aber Klebeband und ein Permanentmarker funktionieren auch. Verstauen Sie die Etiketten im Inneren des Datenloggers, um sie vor Witterungseinflüssen zu schützen.

Wartung = Seelenfrieden

Der Schutz der Sensoren um jeden Preis ist entscheidend für eine Studie. Es ist wichtig, dass die Forscher die freiliegenden Sensorkabel in einem PVC-Rohr oder einer flexiblen elektrischen Leitung verlegen und diese etwa 60 cm (2 Fuß) am Pfosten des Datenloggers hochführen. Dadurch werden Beschädigungen durch Nagetiere oder Schaufeln vermieden. Binden Sie die Kabel außerdem mit UV-resistenten Kabelbindern ordentlich am Pfosten fest, so dass sie fest gehalten werden, aber nicht gegen den Datenlogger ziehen (stellen Sie sicher, dass es eine Zugentlastung gibt). Bei einem Besuch vor Ort sollten Sie auch die Dichtungen des Datenloggers auf Risse überprüfen. Wenn die Dichtung des Datenloggers Risse aufweist, ist sie möglicherweise nicht mehr wetterfest und sollte ersetzt werden. Wenden Sie sich an den Kunden support , um einen kostenlosen Ersatz zu erhalten.

Außerdem sollten Forscher die tatsächlichen Daten so oft wie möglich überprüfen, um Probleme zu beheben. Ein Wissenschaftler entdeckte einen Fehler in seinen Pyranometerdaten, indem er sie mit einem Quantensensor auf derselben Höhe verglich. Erst als er sich die tatsächlichen Werte ansah, entdeckte er, dass ein Vogel seinen Sonnenstrahlungssensor verschmutzt hatte, so dass dieser für einen Großteil seiner Studie unbrauchbar war. Am Ende musste er die Daten aus dem Quantensensor berechnen, der nicht so genau war. Eine regelmäßige Überprüfung der Daten verhindert Probleme, die sich nachteilig auf ein Forschungsprojekt auswirken können. Das neue ZENTRA Cloud und ZL6 ermöglichen es den Forschern, die Daten so oft wie möglich zu überprüfen und grafisch darzustellen. Nur zwei bis drei Minuten, die für die Erkennung von Trends oder Fehlern aufgewendet werden, können Wochen an verlorenen Daten retten.

Timing ist alles

Die ZL6bildet, wie seine Vorgänger, einen Durchschnittswert aus den Daten. Wenn Forscher also keinen Durchschnitt wollen, sollten sie häufiger Daten aufzeichnen. Die Erzeugung großer Datenmengen ist jedoch nicht unbedingt zielführend. Wichtig ist, die Zeitreihen zu erfassen und zu verstehen, die für die Forschungshypothese relevant sind. Wenn ein Forscher versucht, die jährlichen Trends der Bodenfeuchtigkeit zu verstehen, und er/sie fünfminütige Daten aufzeichnet, wird er/sie Unmengen von Daten generieren, die nicht von Nutzen sind, da sich die Bodenfeuchtigkeit im Minutentakt kaum verändert. Dann ist der Forscher gezwungen, die Daten nachzubearbeiten, um sie auszudünnen. Wenn das Ziel der Studie jedoch darin besteht, den Zeitpunkt zu ermitteln, zu dem das Wasser in den Boden eindringt, ist die Erfassung von Daten in Intervallen von einer Minute oder weniger entscheidend. Diese Forscher benötigen einen Datenlogger von Campbell Scientific oder einen, der in der Lage ist, ein Messereignis aufgrund einer sofortigen Änderung auszulösen. Die meisten Menschen überschätzen jedoch, wie viele Daten sie benötigen. Bei der Messung der Sonneneinstrahlung ist eine Messung alle 15 Minuten wahrscheinlich ausreichend. Bei der Evapotranspiration ist es üblich, die Daten halbstündlich aufzuzeichnen. In diesen und vielen anderen Fällen sind kurze Aufzeichnungsintervalle wie alle fünf Minuten wahrscheinlich viel zu häufig.

Ein weiterer wichtiger Schritt, den Forscher oft vergessen, ist der Abgleich aller Zeitmessungsfrequenzen der Datenlogger. Wenn ein Forscher zwei Datenlogger hat, die alle 15 Minuten messen, und jemand anderes einen Logger so einrichtet, dass er jede Stunde misst, können nur die stündlichen Daten verwendet werden.

Dateninterpretation - denken Sie über den Tellerrand hinaus

Wenn ein Wissenschaftler einen Fehler in den Daten entdeckt, liegt das nicht unbedingt daran, dass der Sensor defekt ist. Oft erzählen interessante Sensormesswerte eine Geschichte darüber, was im Boden oder in der Umwelt passiert. Die Interpretation der Daten kann manchmal schwierig sein, und die Forscher müssen unter Umständen an den Ort des Geschehens zurückkehren, um zu verstehen, was wirklich passiert. Ein Beispiel: In Abbildung 22 sieht es so aus, als sei ein Bodenfeuchtesensor defekt. Als der Wissenschaftler jedoch genauer hinsah, entdeckte er, dass die Evapotranspiration höher war als die Infiltration.

Außerdem müssen die Forscher möglicherweise über den Tellerrand hinausschauen, um ihre Daten zu interpretieren. Sie können versuchen, die Daten auf verschiedene Arten zu betrachten. Abbildung 23 veranschaulicht die traditionelle zeitliche Darstellung von Daten. In Abbildung 24 können dieselben Daten auf eine völlig andere Weise betrachtet werden.

Forscher können ihre Wassergehaltsdaten auch mithilfe einer Feuchtigkeitsabgabekurve in das Wasserpotenzial umrechnen (siehe Abbildung 25).

Sobald die Daten zum Wasserpotenzial vorliegen, würden die Daten wie folgt aussehen:

Wenn Sie dieselben Daten auf drei verschiedene Arten aufzeichnen, können Sie Fragen oder Probleme aufdecken, die einem Forscher mit einem herkömmlichen zeitlichen Diagramm vielleicht nicht auffallen.

Lassen Sie die Daten für sich arbeiten

Wenn Sie im Laufe eines Experiments ein wenig zusätzliche Zeit investieren, um die Dinge richtig zu machen, macht sich das in Form von Zeit-, Arbeits- und Geldersparnis bezahlt. Vorbereitung, Planung, ein klar definiertes Forschungsziel, die richtige Auswahl des Standorts, Installation, Wartung, Zeitplanung und korrekte Dateninterpretation tragen wesentlich dazu bei, typische Datenpannen zu vermeiden, die ein Forschungsprojekt gefährden können. Das Endergebnis? Daten, die veröffentlicht oder zur Entscheidungsfindung verwendet werden können.

Sehen Sie, wie ZENTRA Cloud funktioniert.

In dem folgenden Video erläutert Dr. Colin Campbell, wie ZENTRA Cloud die Datenerfassung vereinfacht und warum Forscher nicht mehr darauf verzichten können. Anschließend gibt er eine Live-Tour durch die Funktionen von ZENTRA Cloud .

Testen Sie jetzt ZENTRA Cloud

Möchten Sie sehen, wie ZENTRA Cloud die Datenerfassung und -verwaltung für Hunderte von Forschern revolutioniert? Fordern Sie Zugang zu unserem Live-Testkonto an oder machen Sie eine virtuelle Tour, um zu sehen, wie ZENTRA Cloud sich selbst bezahlt macht und mehr.

Wie Sie Daten zur Bodenfeuchtigkeit interpretieren

Tauchen Sie ein in die Welt der Bodenfeuchtigkeit. In dem folgenden Webinar erläutert Dr. Colin Campbell, wie Sie überraschende und problematische Daten zur Bodenfeuchtigkeit interpretieren können. Er erklärt auch, was Sie in verschiedenen Boden-, Standort- und Umweltsituationen erwarten können.

Konsultieren Sie einen Umweltwissenschaftler

Angebot anfordern

Der vollständige Leitfaden für Forscher zur Bodenfeuchtigkeit

Bodenfeuchte - warum Sie sie brauchen, wie Sie sie messen, Methodenvergleiche, wie viele Messungen, wo Sie messen sollten und vieles, vieles mehr.