如何安装土壤水分传感器--更快、更好、更精确
如果您希望获得准确的数据,正确安装传感器应该是您的首要任务。安装不当有可能导致精度损失超过 10%。
在测量土壤水分时,现场扰动是不可避免的。我们可能会自我安慰,认为即使现场的大量土壤被扰动,土壤传感器也能告诉我们土壤水分的情况。或者,我们可能会认为,传感器周围的土壤性质发生变化并不重要,因为针头插入的是未受扰动的土壤。事实上,场地扰动确实很重要,而且有办法减少其对土壤水分数据的影响。以下是对现场干扰的探讨,以及研究人员如何调整安装技术以消除数据中的不确定性。
在安装土壤水分传感器时,必须尽可能减少对土壤的扰动,以获得具有代表性的测量结果。非扰动方法确实存在,例如卫星、探地雷达和 COSMOS。然而,这些方法都面临着挑战,使其无法作为单一的含水量测量方法。卫星覆盖面积大,但一般只能测量土壤顶部 5 到 10 厘米,而且分辨率和测量频率较低。探地雷达的分辨率很高,但价格昂贵,而且在下边界深度未知的情况下,数据解读很困难。COSMOS 是一种基于地面的非侵入式中子方法,可连续测量直径达 800 米的区域,测量深度超过卫星。但这种方法在许多应用中成本过高,而且对植被和土壤都很敏感,因此研究人员必须将这两种信号分开。这些方法还不能取代土壤水分传感器,但如果与土壤水分传感器提供的地面实况数据结合使用,效果会很好。
研究地点受到干扰后,土壤可能需要长达六个月甚至更长的时间才能恢复自然状态。影响因素包括降水量(潮湿气候比干燥气候恢复 "正常 "更快)、土壤类型和土壤密度。在等待恢复平衡的过程中,研究人员通常会忽略前两三个月的数据。当研究人员挖掘时,成熟的草或植物会被移走,然后再替换。通常情况下,这些植物很难重新生长,而在大规模干扰下,这些植物中的大量植物要么表现不佳,要么死亡。由于这些植物不再蒸腾水分,水分平衡发生了变化,这可能会对土壤水分数据产生重要影响。任何减少扰动面积的方案都能降低植物死亡率,改善结果。
当土壤被移动或压实时,会对土壤的微孔和大孔隙造成不成比例的影响,微孔和大孔隙是具有各种孔隙大小的微小毛细管,它们赋予了土壤结构并允许水流动。场地扰动和土壤重新堆积会破坏土壤的大孔隙,导致水流速度更慢,并沿着不同的路径流动。这反过来又会影响改变区下方的补给。任何能减少土壤移除量的安装方案都能将这一问题降至最低。
与压实相反的情况是,土壤被重新包扎得过于松散。这会导致水沿着钻孔或沟壁的两侧优先流动,使进入该区域的水量多于正常情况。这些多余的水通常会被插入传感器针头的未扰动土壤吸收,从而使土壤湿度数据出现偏差。为了解决这个问题,研究人员应该计划好时间,仔细地将孔洞重新包装到适当的密度。具体做法是分层添加土壤和填土,直到表面出现一个小丘以防止积水。如果表面是平的,随着时间的推移,土壤可能会沉积成凹陷。大坑可能会形成较大的凹陷,从而优先集水,并改变水渗入传感器周围土壤的方式。
在重新安装基坑时,混合土层会极大地改变土壤的水力特性。例如:如果土壤的 A 层为沙土,B 层为粘土,将土层颠倒或混合会产生明显的后果。有些土层很容易区分,而有些土层则很难区分。因此,应小心地分层取土和还土,以防止土壤水文发生变化。为此,研究人员可以在安装坑周围铺上防水布,然后一层一层地小心取土,并按顺序放在防水布上。这些土层很容易弄混,因此在开始之前准备一个记住土层的方法很有帮助。传感器安装完毕后,研究人员应按相反的顺序将土层放回坑中,每层之间按正确的密度重新包装。
挖沟安装土壤水分传感器有可能会破坏大型根系,尤其是当研究人员在有成熟灌木和树木的区域挖沟时。由于根系是土壤中水分的主要消耗机制,当根系死亡时,将改变土壤水分测量对整个研究区域的代表性。如果传感器附近的所有根系都被杀死,测量结果可能会表明土壤中的水分比实际更充足。研究人员可以通过战略性地放置钻孔,减少对根系的干扰,从而减少这一问题。
挖掘沟渠的一个好处是,研究人员可以看到整个土壤剖面,从而更容易识别硬土层、确定地层和土壤类型,以及确定土壤结构和形成。但是,挖掘大沟会带走大量土壤。一旦这些土壤被重新包扎,许多大孔隙很可能被压碎,土壤中现在存在水力不连续性,增加了水从传感器被人为分流或流向传感器的可能性。如果研究人员为了节省时间而使用反铲挖掘机,情况就会更糟。反铲挖掘机的履带和垫子会压实土壤,尤其是在潮湿的情况下,而大铲子则会撕裂植物和根系。
剖面探头的诱人之处在于其钻孔较小,对土壤的扰动较小。然而,剖面探头的刚性直线形状要求井壁完全垂直,以实现土壤与传感器的良好接触。遗憾的是,钻孔的两侧很少是完全垂直的。土壤壁上会有曲线和凹坑。直边剖面探头很少能获得良好的连通性,而且安装过程中经常会出现气隙和偏流现象。剖面探头用户通常会尝试用浓稠的泥浆回填来弥补,但这种方法也存在挑战,包括引入非本地土壤和土壤干燥时产生的裂缝导致的误差。为了减少这些问题,METER 的新型TEROS 54 剖面探头采用专利的四鳍设计,专门用于实现土壤与传感器之间的良好接触。
钻孔会扰动土层,但对场地的影响相对较小,仅是沟槽安装的一小部分。沟槽长约 60 至 90 厘米,宽约 40 厘米。使用小型手动钻进行钻孔安装,钻孔直径仅为 10 厘米。 TEROS Borehole Installation Tool钻孔直径仅为 10 厘米,仅为沟槽面积的 2-3%。由于对场地的扰动最小,因此受到扰动的大孔隙、根系和植物较少,场地可以更快地恢复到自然状态。此外,在小钻孔内使用安装工具时,可确保土壤与传感器之间的良好接触,而且由于需要分离的土壤较少,因此更容易分离地平层并重新包装以达到正确的土壤密度。
减少场地扰动对土壤水分数据影响的关键是控制扰动的规模。大规模的挖掘会影响到更大的区域,而钻一个小孔对周围植物和土壤水分特性的影响要小得多,可以让研究地点以更快的速度恢复到自然状态。
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