避免土壤湿度传感器监测土壤墒情受到干扰

我们告诉自己有关站点干扰在测量土壤湿度时，场地干扰是不可避免的。我们可能会认为土壤传感器会告诉我们一些关于土壤水分的信息，即使该地点的大量土壤受到干扰。或者我们可能认为传感器周围的土壤特性是否发生变化并不重要，因为针插入到未受干扰的土壤中。事实上，场地干扰确实很重要，并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索，以及研究人员如何调整他们的安装技术以应对数据中的不确定性。
 
非干扰方法达不到标准——但在土壤湿度传感器安装过程中，为了获得具有代表性的测量结果，尽可能减少土壤干扰非常重要。确实存在无干扰方法，例如卫星、探地雷达和 COSMOS。然而，这些方法面临挑战，使它们作为单一的含水量方法不切实际。卫星占地面积大，但一般测量土壤顶部5～10厘米，分辨率和测量频率较低。探地雷达分辨率高，但价格昂贵，下边界深度未知时数据解释困难。COSMOS 是一种基于地面的非侵入性中子方法，可连续测量并在直径达 800 米的区域内比卫星更深。但它在许多应用中成本过高，并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。这些方法还没有准备好取代土壤湿度传感器，但是当与土壤湿度传感器可以提供的地面实况数据结合使用时，它们会很好地工作。
 
1. 扰乱的后果是……令人不安
研究地点受到干扰后，土壤可能需要长达六个月甚至更长时间才能恢复到自然状态。影响因素包括降水（潮湿气候比干燥气候更快恢复到“正常”状态）、土壤类型和土壤密度。研究人员在等待平衡恢复时忽略前两三个月的数据是很常见的。当研究人员挖掘时，成熟的草或植物被移除然后更换。通常，这些植物很难重建，并且在大规模干扰的情况下，大量这些植物要么表现不佳，要么死亡。由于这些植物不再蒸发水分，因此水平衡发生了变化，这会对土壤水分数据产生重大影响。任何减少干扰表面积的选择都可以降低植物死亡率并改善结果。
 
2. 粉碎大孔可能是灾难性的
当土壤被移动或压实时，它会不成比例地影响微孔和大孔，微小的毛细管具有广泛的孔径，使土壤具有结构并允许水运动。场地扰动和土壤重新堆积破坏了土壤大孔，导致水沿不同路径移动更慢。这反过来又会影响改变区下方的补给。任何去除较少土壤的安装选项都会最大限度地减少这个问题。 3. 土壤密度很难准确
当土壤重新填充太松时，会发生与压实相反的情况。这会导致沿钻孔或沟壁侧面的优先流动，使更多的水流入该区域。这些多余的水通常被吸收到未受干扰的土壤中，在那里插入传感器针，从而扭曲土壤湿度数据。为了解决这个问题，研究人员应该计划时间仔细地将洞重新填充到合适的密度。这是通过添加土壤并分层填充直到表面上有一个小丘以防止积水来完成的。如果表面平坦，随着时间的推移，土壤可能会陷入洼地。大坑会导致明显的洼地，这些洼地将优先收集水并改变水渗入传感器周围土壤的方式。
 
4. 混合层位导致混合水文
在重新包装安装坑时混合土壤层会极大地改变土壤水力特性. 例如：如果土壤具有沙质 A 层和粘土 B 层，则反转或混合这些层会产生明显的后果。一些土壤层很容易区分，而其他土壤类型的层位很难区分。因此，应小心清除土壤并分层返回，以防止土壤水文变化。研究人员可以通过在安装坑周围铺设防水布并小心地逐层去除土壤，将其按顺序放置在防水布上来实现这一点。很容易混淆这些层，因此在开始之前准备一种方法来记住这些层会很有帮助。传感器安装后，研究人员应按相反的顺序将土层放回坑内，重新填充到每层之间的正确密度。
 
5. 破坏根系统——破坏你的数据
挖沟安装土壤湿度传感器可能会破坏大型根系，特别是如果研究人员在有成熟灌木和树木的地区挖掘。由于根是土壤中水分的主要消耗机制，当它们死亡时，它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都被杀死，测量结果可能表明水比实际情况更丰富。研究人员可以通过使用战略性地放置的钻孔来减少这个问题，这些钻孔会干扰较少的根系。
 
沟槽安装——最好还是最坏的主意？这取决于。
沟槽安装的一个优势是研究人员可以看到整个土壤剖面，使他们能够更轻松地识别硬土层，确定地层和土壤类型，并识别土壤结构和地层。然而，挖一条大沟会清除大量土壤。一旦所有的土壤被重新填充，许多大孔隙可能会被压碎，土壤中现在存在水力不连续性，增加了水被人为地从传感器转移或导向传感器的可能性。如果研究人员使用反铲来节省时间，情况会更糟。反铲的履带和垫板会压实土壤，尤其是在潮湿的情况下，大铲子会撕裂植物和根系。
 
剖面探针——如此近，又如此远
剖面探头很诱人，因为它们使用小钻孔，减少土壤干扰。然而，轮廓探头的刚性直线形状系数需要完美垂直的壁才能实现土壤与传感器的良好接触。不幸的是，钻孔的侧面很少完全垂直。沿土壁有曲线和凹坑。直边型材探头很少能获得良好的连接性，并且安装经常受到气隙和优先流的困扰。剖面探头用户经常尝试通过回填厚厚的泥浆来进行补偿，但这种方法也存在一些挑战，包括引入非本地土壤以及由于土壤干燥时出现的裂缝而导致的不准确。
 
为什么钻孔方法获胜
钻孔会扰乱土壤层，但对现场影响的相对大小只是沟槽安装的一小部分。沟渠长约 60 至 90 厘米，宽约 40 厘米。使用小型手动螺旋钻和钻孔安装工具进行钻孔安装，可创建直径仅 10 厘米的孔 — 仅占沟槽面积的 2-3%。由于场地干扰的规模被最小化，更少的大孔、根和植物受到干扰，场地可以更快地恢复到自然状态。此外，当在小钻孔内使用安装工具时，可以确保土壤与传感器的良好接触，并且由于要分离的土壤较少，因此更容易分离地平层并重新填充到正确的土壤密度。
 
无法消除现场干扰，但可以控制规模
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。大规模挖掘会影响更大的区域，而钻一个小钻孔对周围植物和土壤水力特性的影响要小得多，使研究地点能够以更快的速度恢复到自然状态。