So analysieren Sie Daten zur Bodenfeuchtigkeit

How to analyze soil moisture data

Erfahren Sie alles, was Sie wissen müssen über die Analyse von Bodenfeuchtigkeitsdaten.

MITARBEITER

Sie haben Sensoren für den Wassergehalt und das Wasserpotenzial des Bodens in den Boden eingegraben, ein ATMOS 41 auf dem Feld installiert und Ihren ZL6 Datenlogger eingerichtet. Ihr Netzwerk von Instrumenten sammelt seit Tagen, Wochen oder sogar die ganze Saison über Daten. Und was nun? Die Analyse von Bodenfeuchtigkeitsdaten für Ihren Forschungsstandort ist eine Sache. Zu wissen, wie man aussagekräftige Rückschlüsse und Schlussfolgerungen zieht, um zu verstehen, was vor sich geht, und Probleme zu beheben, ist eine ganz andere Sache.

In diesem Artikel werden wir mehrere Datensätze durchgehen, um zu verstehen, wie Bodenwassergehalt, Bodentemperatur, Bodenwasserpotenzial und atmosphärische Messungen verwendet werden können, um die Bedeutung hinter den Spuren zu entdecken. In diesem Artikel erfahren Sie, wie Sie die folgenden Ereignisse in Ihren Daten identifizieren können:

  • Verhalten von Bodenfeuchtesensoren in verschiedenen Bodentypen
  • Infiltration
  • Überschwemmung
  • Rissbildung im Boden
  • Gefrieren
  • Räumliche Variabilität
  • Auswirkungen der Temperatur
  • Tageszeitliche Muster aufgrund der hydraulischen Umverteilung
  • Kaputte Sensoren
  • Probleme bei der Installation

Jedes Beispiel wird durch ein Diagramm dargestellt. Es ist nicht notwendig, jeden Aspekt der Informationen in diesen Diagrammen zu verstehen. Sie dienen lediglich zur Veranschaulichung gängiger Muster von Bodenfeuchtigkeitsdaten, auf die Sie stoßen könnten, und dazu, wie Sie aus diesen Mustern die nützlichsten Informationen extrapolieren können. Jedes Diagramm enthält in der oberen rechten Ecke ein Feld mit der Bodenart und der Kulturart, damit Sie die beteiligten Variablen besser verstehen können.

Alle bereitgestellten Daten wurden von Datenloggern, wie unserer ZL6 Serie, erfasst und auf ZENTRA Cloud hochgeladen, damit der Benutzer sie bequem aus der Ferne betrachten kann. Alle Datensätze stammen entweder von METERs eigenen Instrumenten oder wurden vom Eigentümer der Daten zur Verfügung gestellt und sind mit dessen Erlaubnis enthalten.

A photograph of a ZL6 next to a tablet showing ZENTRA Cloud data
Abbildung 1. ZL6 Basic Datenlogger mit gesammelten und gespeicherten Daten auf der ZENTRA Cloud Plattform
Auswirkungen der Bodentypen
A graph showing water content and water potential measurements for a turf grass in loamy sand in wet conditions
Abbildung 2. Messungen des Wassergehalts und des Wasserpotenzials eines Rasengrases in lehmigem Sand unter nassen Bedingungen

In Abbildung 2 sehen wir die Daten von einem künstlich hergestellten lehmigen Sand mit einer Grasnarbe. Unser Ziel bei der Durchführung unserer Experimente in diesem Beispiel war es, die Bewässerung von Rasengras zu verbessern. Dieses Gras hatte eine ziemlich flache Wurzelzone, die in der Mitte etwa sechs Zentimeter und am Boden etwa 10 Zentimeter tief war. Im Laufe der Zeit zeigte dieses Beispiel zunächst relativ nasse Bedingungen zu Beginn im Juni und Juli, eine feste Trockenperiode im Juli und August und ein Austrocknen bis zur Einstellung der Wasseraufnahme im August und September.

Dieses Diagramm zeigt zwei Arten von Bodenfeuchtigkeitsdaten: den volumetrischen Wassergehalt auf der linken y-Achse und Matrixpotential, oder Wasserpotenzial, auf der rechten y-Achse. Auf der x-Achse ist die Zeit vom Frühsommer bis zum Herbstanfang angegeben. Um zu verstehen, was diese Datencluster uns sagen können, müssen wir jeden Datensatz einzeln betrachten.

A graph showing the turf grass in loamy sand shown in Figure 2 in wet conditions
Abbildung 3. Der in Abbildung 2 gezeigte Rollrasen in lehmigem Sand bei Nässe

Abbildung 3 zeigt sowohl den Wassergehalt als auch das Wasserpotenzial des zuvor erwähnten Rasens unter feuchten Bedingungen. Dieser Rasen befand sich in einem lehmigen Sand. Beachten Sie, dass die Wasserpotenzialsensoren, die mit den gepunkteten Linien oben in der Grafik dargestellt sind, kaum reagieren. Die Sensoren für den Wassergehalt des Bodens zeigen jedoch unglaubliche Details, einschließlich jedes Bewässerungsereignisses in der Größenordnung von Tagen.

A photograph of the TEROS 10, 11, and 12 volumetric soil water content sensors
Abbildung 4. TEROS 10, 11 und 12 Sensoren für den volumetrischen Bodenwassergehalt

Das Feld wurde jede Nacht mit einer sichtbaren Spitze bewässert, als das Wasser auf den Sensor traf, sichtbar im Sensor bei sechs Zentimetern Höhe. Es gab auch eine kleine Spitze bei 15 cm, dem unteren Ende der Wurzelzone. Auch bei 30 cm zeigten die Daten einen Anstieg des Wassergehalts, aber die Kurve war abgerundeter als bei der 15-cm-Sonde. Das Wasserpotenzial zeigte überhaupt keine Veränderung. Die Partikelgrößen waren so groß, dass die Sensoren kein Wasser erkennen konnten, das von diesen Partikeln gehalten wurde. Wenn wir uns stattdessen ansehen, was in diesem lehmigen Sand unter optimalen Bedingungen passiert, sehen wir einige ziemlich coole Details.

A graph showing the turf grass in loamy sand shown in Figure 2 in optimal conditions
Abbildung 5. Der in Abbildung 2 gezeigte Rollrasen in lehmigem Sand unter optimalen Bedingungen

In diesem Abschnitt der Daten flachten die Daten zum Wassergehalt des Bodens in sechs Zentimetern während der Nacht ab und fielen am Tag. Dies war Tag für Tag zu beobachten und vermittelte uns eine Vorstellung davon, wie viel Wasser die Pflanzen bei 6 Zentimetern, dem unteren Ende der Wurzelzone, aufnahmen. Es gab einen täglichen Rückgang bei 15 Zentimetern, der aber nicht so ausgeprägt war, weil er am unteren Ende der Wasseraufnahme der Wurzeln lag.

A photograph of the TEROS 21 matric water potential sensor
Abbildung 6. Der TEROS 21 Matrix-Wasserpotential-Sensor

In Abbildung 5 ist nicht so viel Wasser durch das Profil nach unten gelaufen, was wirklich gut ist. Am 14. Juli verzeichnete der 30-cm-Pegelsensor eine kleine Spitze, aber während der anschließenden Bewässerung gab es keine Schwankungen. Dieser lehmige Sand reagiert sehr empfindlich auf das eingesetzte Wasser. Die Daten des Wasserpotenzials zeigten eine kleine Reaktion auf dem Niveau von sechs Zentimetern. Dies deutete nicht auf Stress hin, da es nur in den Bereich von -200 bis -400 kPa abfiel, was immer noch über dem Stressbereich für diesen Rasen lag.

A graph of the turf grass in loamy sand shown in Figure 2 in drought conditions
Abbildung 7. Der in Abbildung 2 gezeigte Rollrasen in lehmigem Sand bei Trockenheit

Bei Trockenheit war eine allmähliche optimale Wasseraufnahme auch auf der Ebene von sechs Zentimetern sichtbar. Das Problem in diesem Datensatz wurde am 15-cm-Sensor beobachtet, wo der Wasserstand genauso hoch war wie am 6-cm-Sensor, was darauf hindeutet, dass das Wasser durch den Boden nach unten sickert, ohne absorbiert zu werden. Eine tägliche Aufnahme war zu beobachten, bis sie um den 5. September herum plötzlich aufhörte. Zu diesem Zeitpunkt ist das Gras nicht mehr in der Lage, Wasser aus dem Boden aufzunehmen und geht vom aktiven Wachstum in die Ruhephase über.

Das Wasserpotenzial zeigt in diesem Datensatz zur Bodenfeuchte eine wirklich interessante Kurve, die bis auf -1500 kPa, dem permanenten Welkepunkt, abfällt. Dieses Gras befand sich in der Ruhephase, weil das Wasser für das Gras nicht mehr verfügbar war, um es aufzunehmen. Sowohl die Messungen des Wassergehalts als auch des Wasserpotenzials zeigten ein klares Bild des Rückgangs unter diesen Trockenheitsbedingungen. Leider haben die Landwirte in diesem Fall nicht auf die Anzeichen in den Daten reagiert, bis der Boden sehr trocken wurde.

A graph showing an example of water content data for seed potatoes in a well-irrigated clay loam
Abbildung 8. Ein Beispiel für Wassergehaltsdaten für Pflanzkartoffeln in einem gut bewässerten Lehmboden

Was passiert, wenn der Boden kein lehmiger Sand, sondern ein fein strukturierter Boden ist: ein Lehmlehm? Abbildung 8 zeigt einen lehmigen Boden, auf dem Saatkartoffeln in Süd-Idaho angebaut wurden und der einen Durchmesser von fast 700 m hatte, in dem wir an sechs Stellen Sensoren installiert hatten. Diese Grafik zeigt, dass sich der Wassergehalt während der gesamten Saison kaum verändert hat und nur um 2 bis 3 % schwankte. Der Landwirt sah sich diese Daten an und fragte sich, wie er feststellen könnte, wann er das Wasser für dieses Feld abstellen sollte. Wie wir in unserem vorherigen Webinar Water Resource Capture erklärt haben, ist es sehr schwierig, diese Entscheidung allein anhand dieser Daten zu treffen : Wasser in Biomasse umwandeln. Die Daten zum Wassergehalt sind zwar sehr hilfreich, um das Vorhandensein und die Menge von Wasser zu bestimmen, aber sie sagen nur sehr wenig darüber aus, ob die Pflanzen gestresst sind oder wann sie genug Wasser bekommen haben.

A graph showing the water potential measurements for the same field represented in Figure 8
Abbildung 9. Die Messungen des Wasserpotenzials für dasselbe in Abbildung 8 dargestellte Feld

Um das Stressniveau der Pflanzen und ihre Fähigkeit, Wasser zu aktualisieren, zu verstehen, müssen wir das Matrixpotenzial untersuchen. Während die Daten zum Wassergehalt des Bodens ein Bild von gleichmäßiger, unauffälliger Bewässerung während der gesamten Saison zeichneten, wiesen drei der sechs Standorte ein Matrixpotenzial auf, das in den gestressten Bereich abfiel, wobei ein Standort sehr nahe an den permanenten Welkepunkt heranreichte. Die mit einem Messgerät wie dem IRT-Infrarotthermometer gemessene Blatttemperatur der Pflanzen in diesen Gebieten war viel höher als die Lufttemperatur. Und der Ertrag an diesen Standorten war viel geringer als der Ertrag in Bereichen, in denen kein Stress gemessen wurde, was die Messungen des Wasserpotenzials und ihre Hinweise auf ein Problem bestätigt.

Infiltration
A graph showing volumetric water content for a native system in a desert sandy loam soil in the fall
Abbildung 10. Volumetrischer Wassergehalt für ein natives System in einem sandigen Wüstenlehmboden im Herbst

Der sandige Lehmboden in Abbildung 10 befindet sich in einer Wüste im Rush Valley. In diesem Beispiel untersuchten wir nicht etwa eine Kulturpflanze, sondern invasive Arten in einem einheimischen System. Der Grund für die Installation der Messgeräte war es, zu verstehen, warum invasive Arten wie das Raufußgras die einheimische Vegetation in diesem Gebiet verdrängt haben. Die grünen Linien stehen für Niederschlagsereignisse und die horizontalen Linien für die drei Wassergehaltssensoren, die in verschiedenen Tiefen angebracht wurden.

A photograph of the ATMOS 41 all-in-one weather station
Abbildung 11. Die ATMOS 41 All-in-One-Wetterstation

Bei der Untersuchung dieser Bodenfeuchtigkeitsdaten werden Sie feststellen, dass selbst die vier bis fünf Millimeter starken Nässeereignisse nur geringe bis gar keine Auswirkungen auf den Sensor in fünf Zentimeter Höhe und keine spürbaren Auswirkungen auf die Sensoren in 10 und 20 Zentimeter Höhe hatten. Warum erscheint das Niederschlagsereignis nicht in den Wassergehaltsdaten? Es gibt einige Faktoren, die dazu beitragen. Diesem Messzeitraum ging ein sehr langer, heißer und trockener Sommer voraus, in dem die Bodentemperatur fast jeden Tag über 40°C stieg, was den Boden hydrophob machte. Außerdem war der Boden staubtrocken, was dazu führte, dass das gesamte Wasser aufgenommen und an der Oberfläche gehalten wurde, bevor es wieder verdunstete, so dass das Wasser keine Chance hatte, tiefer in das System zu gelangen.

A graph showing volumetric water content for a native system in a desert sandy loam soil in the summer
Abbildung 12. Volumetrischer Wassergehalt für ein natives System in einem sandigen Wüstenlehmboden im Sommer

Abbildung 12 zeigt Daten zur Bodenfeuchtigkeit im gleichen sandigen Wüstenlehmboden zu einem früheren Zeitpunkt in diesem Jahr. Während die Niederschlagsdaten in diesem Diagramm nicht enthalten sind, traten Benetzungsereignisse in Korrelation mit jeder der Spitzen auf, die auf dem Sensor für den Wassergehalt in fünf Zentimetern Tiefe sichtbar sind. Beachten Sie, dass der Sensor für den Wassergehalt in fünf Zentimetern Tiefe um den 28. Mai herum ein Nässeereignis verzeichnete, das sich jedoch weder in den Sensoren für den Wassergehalt in 10- noch in 20-Zentimetern Tiefe widerspiegelt. Die Befeuchtung um den 2. Juni herum zeigte Anzeichen dafür, dass sich die Nadel in der 10-cm-Tiefe bewegt, erreicht aber nicht die 20-cm-Marke. Noch überraschender ist, dass das größte Nässeereignis um den 14. Juni auftrat und sich in 10 cm Tiefe überhaupt nicht bemerkbar machte, aber in 20 cm Tiefe einen kleinen Ausschlag verursachte. Was sagt uns die Analyse dieser Bodenfeuchtigkeitsdaten?

Wie im letzten Datensatz aus demselben Gebiet hat die oberste Bodenschicht einen Großteil der Feuchtigkeit aus der ersten Befeuchtung aufgenommen und den hohen Verdunstungsbedarf gedeckt, ohne dem Boden die Möglichkeit zu geben, nach unten zu entwässern. Als sich der Grundwasserspiegel während der zweiten Befeuchtung füllte, gelangte etwas Wasser bis zum 10-cm-Tiefensensor, blieb aber kurz vor der 20-cm-Marke stehen. Das größere Rätsel war das letzte Befeuchtungsereignis. Warum registrierten die Sensoren in fünf und 20 cm Tiefe einen Anstieg des Wassergehalts, während in 10 cm Tiefe kein Anstieg zu verzeichnen war?

Es ist leicht vorstellbar, dass Regenereignisse eine gleichmäßige Verteilung des Wassers über die Bodenoberfläche bewirken, das gleichmäßig versickert, aber das ist nicht immer der Fall. Anstatt als ein riesiger Block durch den Boden zu fließen, bewegt sich das Wasser in verzweigten Fingern durch den Boden und berührt dabei nicht immer alle Bodenteilchen. In diesem Fall war es wahrscheinlich so, dass einer dieser Wasserfinger den 10-cm-Tiefensensor umrundet hat und dann bis zum 20-cm-Tiefensensor weitergelaufen ist. Dies ist die wahrscheinlichste Erklärung für diese Datenanomalie, aber es wäre trotzdem wichtig, den Bereich zu überwachen, um sicherzustellen, dass es kein Problem mit der Infiltration in diesem Bereich gibt.

Anzeichen für Überschwemmungen

Wir haben zwar einen Leitfaden mit dem Titel Weather Monitoring Master Class erstellt, der alles enthält, was Sie über die Überwachung des Wetters wissen müssen, aber für die Interpretation von Bodenfeuchtedaten sollten wir uns ein paar Anwendungsfälle ansehen, bei denen die Wetterüberwachung den Unterschied ausmachen kann, um zu verstehen, was im Boden passiert. Vor einigen Jahren erlebten wir in Pullman, WA, dem Sitz von METER, ein Hochwasserereignis. Ein sehr kleiner Bach namens Missouri Flat Creek, der parallel zur Hauptstraße der Stadt verläuft, überflutete die Straße und mehrere Geschäfte entlang des Weges und hinterließ eine große Schneise der Zerstörung im Herzen der Gemeinde. Wie konnte das passieren? Können uns die Daten helfen, die Warnzeichen einer drohenden Überschwemmung zu verstehen?

A graph showing precipitation in Pullman, WA for the week proceeding the flood
Abbildung 13. Niederschlag in Pullman, WA in der Woche vor der Flut

Die Niederschlagsdaten in Abbildung 13 erklärten nicht, warum es zu den Überschwemmungen kam. Die größten Niederschlagsereignisse erreichten nur etwa drei mm. Mehrere Sensoren zeigten die gleiche Niederschlagsmenge an, was nicht auf eine Überschwemmung in dem Ausmaß schließen lässt, wie sie in dem kleinen Bach stattfand. Um besser zu verstehen, was passiert ist, müssen wir uns den Messungen des Bodenwassergehalts in diesem Gebiet zuwenden (Abbildung 14).

A graph showing water content measurements leading up to the flooding event in Pullman, WA
Abbildung 14. Wassergehaltsmessungen vor dem Hochwasserereignis in Pullman, WA

Der Wassergehalt des Bodens blieb sehr konstant, bis irgendwann am 6. April die Befeuchtung einsetzte und einen Anstieg bei 20 cm, dann bei 40 cm, etwas bei 60 cm und 90 cm und sogar etwas bei 120 cm bewirkte. Gegen Ende des 7. April begann das Wasser aus den oberen Schichten des Bodens abzulaufen und in die unteren Regionen zu sickern. Nachfolgende Regenereignisse führten dazu, dass am 9. April der Pegel bei 60 cm einen ziemlich hohen Wassergehalt anzeigte und begann, sich abzuflachen, ebenso wie die übrigen Tiefen, was ein Zeichen dafür war, dass sich der Grundwasserspiegel füllte und ein bevorstehendes Hochwasserereignis ankündigte. Am Ende des 9. April gab weiterer Regen den Ausschlag und der Missouri Flat Creek trat über seine Ufer.

A graph showing water depths on the bank of the Missouri Flat Creek just before and at the beginning of the flooding event
Abbildung 15. Wassertiefen am Ufer des Missouri Flat Creek kurz vor und zu Beginn des Hochwasserereignisses

Abbildung 15 zeigt die Wassertiefen entlang des Baches, was verdeutlicht, dass der Wasserstand bei 1 m gehalten wurde. Das letzte Regenereignis korrelierte mit dem Plateau des Wassergehalts, als das Wasser über die Ufer trat und fast 2,5 m erreichte.

Knacken Sie

In einem Schiffston (Abbildung 16), einem Ton mit hohem Schrumpfungsverhalten in Südtexas, haben wir mehrere Wassergehaltssensoren eingesetzt, um zu veranschaulichen, wie eine Analyse der Bodenfeuchtigkeitsdaten im Falle von Bodenrissen aussehen würde.

A graph showing water content sensors in a high shrink-swell clay in south Texas
Abbildung 16. Wassergehaltssensoren in einem stark schrumpfenden Ton in Südtexas

Wenn wir Gegenüberstellung das Verhalten der Sensoren betrachten, sehen wir ein interessantes Muster. Ein Sensor in 20 cm Tiefe zeigte einen allmählichen Rückgang nach jedem Benetzungsereignis, aber der andere Sensor in der gleichen Tiefe zeigte einen steilen Abfall, was typischerweise in einem sandigen Boden zu erwarten wäre. Das wirft die Frage auf, was in diesem Lehm passiert ist, um diese Messwerte zu verursachen. Das Phänomen, das Sie in diesem Datensatz beobachten, besteht darin, dass der Sensor mit der steileren Kurve in einem Abschnitt des Lehms mit einer hohen Schrumpfung eingebettet war, was dazu führte, dass sich der Boden um den Sensor herum zurückzog, wodurch Luftspalten entstanden, die dazu führten, dass der elektromagnetische Sensor nicht so hohe Werte wie erwartet anzeigte. Abbildung 16 ist ein perfektes Beispiel dafür, dass dieser steile Abfall auf Risse im Boden hindeutet.

Gefrieren
A graph showing water content and precipitation during freezing in sandy loam soil with invasive species growing on top during winter
Abbildung 17. Wassergehalt und Niederschlag während des Gefrierens in sandigem Lehmboden, auf dem im Winter invasive Arten wachsen

Abbildung 17 zeigt ein Feld mit sandigem Lehm, auf dem invasive Arten wachsen, die aufgrund der Temperaturen abgestorben sind. Beachten Sie, dass die Messungen des Wassergehalts bei jedem Regenereignis sprunghaft ansteigen und dann in zackigen Stufen abfallen. Wurden diese Sensoren entsorgt? Wie lassen sich die in diesen Daten dargestellten Schwankungen erklären? Wenn wir die Temperaturmessungen in das Diagramm aufnehmen, wird klar, was passiert ist.

A graph showing water content, precipitation, and temperature during freezing in sandy loam soil with invasive species growing on top during winter
Abbildung 18. Wassergehalt, Niederschlag und Temperatur während des Gefrierens in sandigem Lehmboden, auf dem im Winter invasive Arten wachsen

Die fette schwarze horizontale Linie in Abbildung 18 zeigt 0°C oder den Gefrierpunkt an. Mit den Temperaturmessungen und dem hinzugefügten Gefrierpunkt wurde deutlich, dass die Wassergehaltswerte bei Frost abfielen und zu schwanken schienen. Wenn die Temperaturen über den Gefrierpunkt stiegen, stiegen die Wassergehaltsmessungen wieder in einen Bereich, den wir erwarten würden. Diese Beziehung macht Sinn. Je mehr Wasser gefriert, desto mehr verschwinden die Wassermoleküle in dem elektrischen Magnetfeld, mit dem die Sensoren das Vorhandensein von Wasser erkennen. Da nicht das gesamte Wasser gefroren war, ist die gemessene Wassermenge zwar nicht auf Null gesunken, aber doch deutlich zurückgegangen. Sobald das Tauwetter einsetzte, zeigten die Daten, dass sich der Wassergehalt des Bodens glättete und wieder auf den Wert vor dem Einfrieren zurückkehrte. Dies ist das Muster, das bei Frost zu erwarten ist. In Abbildung 19 sehen Sie denselben Datensatz im Kontext eines ganzen Jahres. Beachten Sie, dass die Frostereignisse deutlich anders aussehen als die gleichmäßigere Ebbe und Flut der Sommerdaten. Die gepunktete Linie in den Wintermonaten ist das Muster, das Sie in den Wassergehaltsdaten erwarten sollten, ohne dass ein Gefrierereignis auftritt.

A graph showing the same data set from Figure 18 expanded to include data from the entire year
Abbildung 19. Derselbe Datensatz aus Abbildung 18, erweitert um die Daten des gesamten Jahres
Räumliche Variabilität

In Abbildung 20 haben wir Sensoren in sieben Gebieten platziert, die alle innerhalb von drei bis vier Kilometern voneinander entfernt sind, in einem lehmigen Boden mit Pflanzkartoffeln. Die Sensoren in Abbildung 20 wurden nach einem nassen Winter mit viel Schnee und anschließendem Regen installiert.

A graph showing water content readings for seven locations within a clay loam soil, all planted with seed potatoes
Abbildung 20. Wassergehaltsmessungen für sieben Standorte in einem lehmigen Boden, alle mit Pflanzkartoffeln bepflanzt

Je nachdem, wie viel Erfahrung Sie beim Lesen von Wassergehaltsdaten haben, werden Sie sich vielleicht fragen, warum es so große Unterschiede zwischen diesen sieben Sensoren gibt, selbst zu Beginn des Datensatzes. Diese Abweichung ist eine Funktion der Bodenart. Selbst wenn die Bodenart ähnlich kategorisiert ist, hat jede Stelle ihre eigene Basislinie. Daher ist es wichtig, dass Sie Gegenüberstellung Bodenwassergehaltsmessungen mit früheren Messungen an derselben Stelle vergleichen und nicht erwarten, dass die Messwerte von einer Stelle zur nächsten identisch sind, egal wie nahe sie beieinander liegen. Wenn wir jedoch die Wasserpotenzialdaten für dieselben Felder über denselben Zeitraum hinweg untersuchen (Abbildung 21), können wir sehen, dass das Wasserpotenzial für diese Sensoren zu Beginn alle innerhalb von +/- 10 kPa voneinander lagen, was bemerkenswert nahe war. Das ist die Stärke der Verwendung von Wasserpotenzialmessungen über ein Feld hinweg, unabhängig von der Bodenart.

A graph showing water potential measurements in the same seven locations shown in Figure 20
Abbildung 21. Messungen des Wasserpotenzials an denselben sieben Standorten wie in Abbildung 20
Temperatur-Empfindlichkeit

Im Sommer ist es wichtig, ein gewisses Maß an Schwankungen des Wassergehalts zu berücksichtigen, insbesondere bei Messungen nahe der Bodenoberfläche. Auf diese Weise können alle Wassergehaltssensoren auch als Temperatursensoren fungieren.

A graph showing water content and temperature measurements across the summer months showing the effect of temperature fluctuations on water content readings
Abbildung 22. Messungen des Wassergehalts und der Temperatur während der Sommermonate, die die Auswirkungen von Temperaturschwankungen auf den Wassergehalt zeigen

In Abbildung 22 zeigen die Daten eine tägliche Temperaturschwankung von +/- 14°C. Ohne die Kenntnis dieser Temperaturschwankungen könnte die zackige Natur der Wassergehaltsmessungen fälschlicherweise als hydrologische Bewegung des Wassers interpretiert werden, während sie in Wirklichkeit die Auswirkung der Wärmeänderung auf den Feuchtigkeitsgehalt des Bodens veranschaulicht. Jeder kleine Ausschlag der Wassergehaltsänderung betrug in Wirklichkeit nur 0,0003m3 m-3 /°C.

Hydraulische Umverteilung

Wir haben bis zu diesem Punkt einige Beispiele gezeigt, die zunächst wie Anzeichen für eine Wasseraufnahme durch die Vegetation aussahen, aber bei näherer Betrachtung der Daten nicht mehr erklärt wurden. Wie sieht also die hydraulische Umverteilung in Ihren Daten aus? Schauen wir uns nacheinander vier Diagramme an, um zu sehen, ob wir das Vorhandensein einer Wasseraufnahme aus dem Boden in die Pflanzen nachweisen können. Jedes Diagramm zeigt Daten über denselben Zeitraum auf demselben bewässerten Weizenfeld in einem Abstand von 500 m zueinander.

A graph showing water content measurements at a depth of 15 cm across six sites on the same field combined with watering and precipitation data
Abbildung 23. Messungen des Wassergehalts in einer Tiefe von 15 cm an sechs Standorten auf demselben Feld in Kombination mit Bewässerungs- und Niederschlagsdaten

Abbildung 23 zeigt den Wassergehalt in einer Tiefe von 15 cm auf dem gesamten Feld. Die Bewässerung lief bis Ende Juli immer wieder an und aus, wobei einige Niederschlagsereignisse nach dem Abschalten der Bewässerung auftraten. Jeder Wassergehaltssensor zeigte ein klassisches Tagesmuster an, das auf den ersten Blick wie Temperaturschwankungen aussehen könnte, aber zu diesem Zeitpunkt der Saison war das Feld voll mit Weizenblättern bedeckt, die einen Leaf Area Index (LAI) von etwa vier bis fünf aufwiesen und nur sehr wenig Strahlung auf die Bodenoberfläche abgaben. Daher ist es unwahrscheinlich, dass der tageszeitliche Fluss auf eine Temperaturänderung zurückzuführen ist. Das Muster hörte erst auf, als die Bewässerung abgestellt wurde und die Pflanzen so viel wie möglich aufgenommen hatten.

A graph showing water content measurements for the same field shown in Figure 23, but at a depth of 45 cm
Abbildung 24. Wassergehaltsmessungen für dasselbe Feld wie in Abbildung 23, aber in einer Tiefe von 45 cm

In den 45 cm Tiefe in Abbildung 24 war das Tagesmuster Anfang Juni noch nicht vorhanden und wurde erst Ende Juni deutlich. Als das Wasser Ende Juli abgestellt wurde, war das Tagesmuster am stärksten ausgeprägt. Es fiel tagsüber und erreichte nachts ein Plateau. Da die Daten so tief in den Boden eingedrungen waren, entsprachen sie eher der Wasseraufnahme durch die Pflanzen als einer Temperaturänderung.

A graph showing water content measurements for the same field shown in Figure 23, but at a depth of 65 cm
Abbildung 25. Wassergehaltsmessungen für dasselbe Feld wie in Abbildung 23, aber in einer Tiefe von 65 cm

Je tiefer wir in den Boden vordringen (Abbildung 25), desto weniger ist derselbe Tagesgang bis Mitte/Ende Juli und bis weit in den August hinein zu beobachten.

Ausgefallener Sensor

Obwohl Genauigkeit und Zuverlässigkeit zwei der wichtigsten Faktoren für uns sind, wenn es um die von uns hergestellten Messgeräte geht, gibt es noch andere Faktoren, wie z.B. die Installation und Wartung, die zum Ausfall eines Sensors führen können.

A graph showing an example of data that indicates the potential of a failed sensor
Abbildung 26. Beispiel für Daten, die auf einen möglichen Sensorausfall hinweisen

Abbildung 26 ist ein gutes Beispiel dafür, wie ein ausgefallener Sensor in den Daten aussieht. Mehrere Sensoren hatten einen sehr gleichmäßigen Verlauf und einen reibungslosen Datenfluss, als plötzlich ein einziger Sensor fast augenblicklich ausfiel und eine große Anzahl variabler Daten zu liefern begann. Glücklicherweise war der Sensor dieses Anwenders mit dem ZENTRA Cloud verbunden, das ihn automatisch über den Sensorausfall informierte, so dass dieser rechtzeitig und mit minimaler Unterbrechung der kontinuierlichen Messung behoben werden konnte. In diesem Fall hatte sich der Sensor gelöst. Nachdem er wieder in den Datenlogger eingesteckt wurde, funktionierte der Sensor wieder einwandfrei.

Probleme bei der Installation

Die letzte Datenanomalie, die wir in diesem Artikel besprechen werden, sind fehlerhafte Daten aufgrund von Problemen während des Installationsprozesses.

A graph showing the water content measurements of a silt loam soil without any cover crop
Abbildung 27. Die Wassergehaltsmessungen eines Schlufflehmbodens ohne Deckfrucht

Wie bei allen wissenschaftlichen Unternehmungen ist es wichtig zu wissen, welche Informationen Sie erwarten, bevor Sie die Messwerte analysieren. Bei einem schluffigen Lehmboden wie dem in Abbildung 27 gezeigten war der Boden ziemlich feucht, und wir würden erwarten, dass die Messwerte bei oder über 30% volumetrischem Wassergehalt liegen. Stattdessen sahen wir zwei Sensoren, die einen Wassergehalt von 10% und darunter anzeigten. Dies ist ein gutes Beispiel für einen Zeitpunkt, an dem es sich lohnen würde, die Sensoren zu untersuchen und sie möglicherweise neu zu installieren.

Der Schlüssel zur Interpretation von Bodenfeuchtigkeitsdaten

Jede Situation und jeder Datensatz wird anders sein. Für die Gültigkeit Ihrer Schlussfolgerungen ist es entscheidend, dass Sie die richtigen Ableitungen und Schlussfolgerungen aus den Daten ziehen. Lassen Sie uns daher einige Dinge rekapitulieren, die Sie bei der Interpretation Ihrer einzigartigen Daten beachten sollten.

  • Erwarten Sie das Unerwartete. Der Grund für die Installation von Sensoren ist, dass Sie nicht alles wissen, was in Ihrem Boden vor sich geht. Wenn Sie davon ausgehen, dass Sie alles wissen, werden Sie wichtige Anzeichen ignorieren.
  • Die Bodenfeuchtigkeit verhält sich in verschiedenen Böden unterschiedlich. Sie werden feststellen, dass sich die Daten zur Bodenfeuchtigkeit eines groben Bodens nicht genauso verhalten wie die Daten eines feinen Bodens. Nehmen Sie sich die Zeit, Ihren Bodentyp zu verstehen, und arbeiten Sie mit einem Experten zusammen, um sicherzustellen, dass Sie die richtigen Messwerte erhalten.
  • Die Fähigkeit eines Bodens, Wasser aufzunehmen und zu speichern, kann die Wasserinfiltration stoppen. Wenn Sie Tabletopping in den Daten bemerken, halten Sie Ausschau nach gestoppter Infiltration oder überschwemmtem Boden.
  • Achten Sie auf rissanfälligen Boden. Einige Böden, insbesondere Lehmböden, können Risse um den Sensor herum verursachen, die die Ergebnisse beeinträchtigen. Informieren Sie sich über den Boden, mit dem Sie arbeiten, und halten Sie Ausschau nach Anzeichen für dieses Verhalten in den Daten.
  • Gefrieren kann dazu führen, dass Bodenwasser für die Sensoren verschwindet. Gefrorenes Wasser wird für die Sensoren unsichtbar, was zu seltsamen Verhaltensweisen führt und oft dazu führt, dass Teile der Daten aus den Datensätzen entfernt werden müssen, um die Genauigkeit auf Kosten der Kontinuität zu erhalten.
  • Der Wassergehalt des Bodens weist eine hohe räumliche Variabilität auf. Mehrere Sensoren, die auf demselben Feld installiert sind, sollten Schwankungen aufweisen. Wenn es überhaupt keine Schwankungen gibt, ist das ein Zeichen, dass Sie sich Sorgen machen sollten. Andererseits ist die Konsistenz der Bodenwasserpotenzialsensoren ein Zeichen dafür, dass Sie etwas richtig machen.
  • Tageszeitliche Muster können mehrere Bedeutungen haben. Eine tägliche Ebbe und Flut von Wassergehaltsmessungen kann durch Temperaturschwankungen nahe der Bodenoberfläche oder durch Wurzelwasser und Umverteilung verursacht werden. Es ist wichtig, alle Variablen zu untersuchen, die über den Wassergehalt hinausgehen, um die Ursache von Tagesmustern zu ermitteln.
  • Eine schlechte Installation wirkt sich stark auf die Leistung der Sensoren aus. Probleme können sowohl durch schlecht installierte Sensoren als auch durch solche entstehen, die elektrisch ausfallen. Es ist wichtig, dass Sie Ihre Daten im Auge behalten und auf Warnungen achten, die Sie von ZENTRA Cloud erhalten, um schnell zu handeln und die Auswirkungen auf Ihre Forschung zu minimieren.
Haben Sie Fragen?

Unsere Wissenschaftler verfügen über jahrzehntelange Erfahrung in der Unterstützung von Forschern und Landwirten bei der Messung des Kontinuums Boden-Pflanze-Atmosphäre.

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