Actively heated fiber optics technique to quantify spatio-temporal dynamics of soil water from point to field scale

Abstract

A lack of soil water sensing techniques which measure soil water content (SWC) at high spatial and temporal resolutions has limited the ability to quantify spatiotemporal dynamics of soil water at the field scale. This research aimed to develop a sensing technique based on the actively heated fiber optics (AHFO) to measure SWC at high spatial and temporal resolutions and to quantify the soil water dynamics at point and field scales. The AHFO technique was tested in the laboratory and field. The results from the laboratory studies demonstrated the AHFO technique's ability to measure soil water accurately (root mean square error-RMSE- 2 - 4 %) irrespective of soil type and quantify the spatiotemporal dynamics at soil column scale. The third study took the results of the laboratory experiments and extended the technique to the field scale. The AHFO technique was shown to measure soil water accurately (RMSE -3 – 4 %) at high spatial (0.5 m) and temporal (6 h) resolutions throughout a cropping season. In comparison to the point-based soil water sensors, the new sensing technique was shown to provide a more accurate estimate of the averaged SWC at field scale and significantly reduce the error in water balance and estimated evapotranspiration particularly during wet periods of the season. Further, the wavelet coherency analysis examined the scale and locations dependency of the similarity of the spatial patterns of soil water storage (SWS) over time. Unlike the dry period of summer, spatial patterns of SWS were not similar across all scales and locations during the wet period of autumn and thus, it required many sampling locations to get an accurate field average of SWC. Overall, the research demonstrated the successful development of the AHFO technique through laboratory and field calibration and validation and its ability to accurately measure SWC from point and field scales at high spatial and temporal resolutions. The AHFO technique showed a great potential to bridge the measurement gap between point and large scales and it will potentially improve our understanding of spatiotemporal dynamics of soil water at the field scale.L'absence de techniques de détection de l'eau du sol permettant de mesurer la teneur en eau du sol (CES) à des résolutions spatiales et temporelles élevées a limité la capacité de quantifier la dynamique spatio-temporelle de l'eau du sol à l'échelle du champ. Cette recherche visait à développer une technique de détection basée sur la fibre optique à chauffage actif (AHFO) pour mesurer le SWC à des résolutions spatiales et temporelles élevées et pour quantifier la dynamique de l'eau du sol à des échelles de point et de champ. La technique AHFO a été testée en laboratoire et sur le terrain. Les résultats des études de laboratoire ont démontré la capacité de la nouvelle technique de détection à mesurer avec précision l'eau du sol (erreur quadratique moyenne - RMSE- 2 - 4%) indépendamment du type de sol et à quantifier la dynamique spatio-temporelle à l'échelle de la colonne de sol. La troisième étude a pris les résultats des expériences de laboratoire et a étendu la technique à l'échelle du terrain. Il a été démontré que la technique AHFO permet de mesurer avec précision l'eau du sol (RMSE -3 - 4%) à des résolutions spatiales élevées (0,5 m) et temporelles (6 h) tout au long d'une saison de culture. Comparativement aux capteurs ponctuels d'eau du sol, il a été démontré que la nouvelle technique de détection fournissait une estimation plus précise du CES moyen à l'échelle du terrain et réduisait considérablement l'erreur dans le bilan hydrique et l'évapotranspiration estimée, en particulier pendant les périodes humides de la saison. En outre, l'analyse de cohérence en ondelettes a examiné la dépendance à l'échelle et à l'emplacement de la similarité des modèles spatiaux de stockage de l'eau dans le sol (SWS) au fil du temps. Contrairement à la période sèche d'été, les modèles spatiaux de SWS n'étaient pas identiques à toutes les échelles et à tous les endroits pendant la période humide d'automne et ont donc nécessité de nombreux sites d'échantillonnage pour obtenir une moyenne de CFC sur le terrain précise. Dans l'ensemble, la recherche a démontré que la technique AHFO avait été mise au point avec succès par des étalonnages et des validations en laboratoire et sur le terrain, ainsi que par sa capacité à mesurer avec précision le SWC, du point à le champ, à des résolutions spatiales et temporelles élevées. La technique AHFO a montré un grand potentiel pour combler le fossé de mesure entre les point et les grandes échelles et améliorerait potentiellement notre compréhension de la dynamique spatiotemporelle de l'eau du sol à l'échelle du champ