Kalibrering og brug af kapacitans sensorer til at overvåge stilk vandindholdet i træer

Summary

Den hydrauliske kapacitans af biomasse er en nøglekomponent i vegetation vand budget, som fungerer som en buffer mod kort- og langsigtede tørke understreger. Vi præsenterer her, en protokol til kalibrering og brug af jordfugtighed kapacitans sensorer til overvågning af vandindholdet i stængler af store træer.

Abstract

Vandtransport og lagring gennem jord-plante-atmosfære kontinuum er afgørende for det jordbaserede vandkredsløbet, og er blevet en væsentlig forsknings fokusområde. Biomasse kapacitans spiller en integrerende rolle i undgåelse af hydrauliske værdiforringelse til transpiration. Men høj tidsmæssige opløsning målinger af dynamiske ændringer i de hydrauliske kapacitans af store træer er sjældne. Vi præsenterer her, procedurer for kalibrering og brug af kapacitans sensorer, typisk bruges til at overvåge jord vandindhold, for at måle volumetrisk vandindholdet i træer i området. Frekvens domæne reflectometry-stil observationer er følsomme for massefylden af medierne undersøges. Det er derfor nødvendigt at foretage artsspecifikke kalibreringer konvertere fra de sensor-rapporterede værdier af dielektriske Permittivitet til volumetrisk vandindhold. Kalibrering udføres på et fældet gren eller stilken skæres i segmenter, der er tørret eller fornyet hydreret for at producere en bred vifte af vand indhold bruges til at generere en Best-fit regression med sensor observationer. Sensorer er indsat i kalibrering segmenter eller installeret i træer efter forboring huller til en tolerance passer ved hjælp af en opdigtet skabelon for at sikre ordentlig drill justering. Særlig omhu at sikre at sensor tænder får god kontakt med den omkringliggende medier, samtidig med at tillade dem at blive indsat uden overdreven kraft. Volumetriske vand indhold dynamik observeret via metoden præsenteres Juster med sap flow målinger registreres ved hjælp af termisk varmeafledning teknikker og tvinger miljødata. Biomasse vand indhold data kan bruges til at observere udbrud af vand stress, tørke respons og helbredelse, og har potentiale til at blive anvendt til kalibrering og evaluering af nye plante-niveau hydrodynamik modeller og partitionering af fjernt fornemmede fugt produkter i over- og belowground komponenter.

Introduction

Vand gemt i plantemateriale spiller en integrerende rolle i planternes evne til at håndtere kort og lang sigt vand stress^1,2. Planter opbevare vand i rødder, stængler, og blade i både intracellulære og ekstracellulære (fx vedvævet fartøjer) rum ^2,3,4. Dette vand har vist sig at bidrage mellem 10 og 50% af diurnally viste sig vand^2,5,6,7,8. Som sådan plante hydraulisk kapacitans er et nøgleelement i den jordbaserede vandbalance, kan bruges som en indikator for inddrivelse¹vand stress og tørke svar og er en kritisk faktor nødvendigt at korrigere for observerede tidsforskydninger mellem transpiration og sap flow^9,10,11. Real-time overvågning af vegetation vandindhold kan også bruges i landbruget til at begrænse orchard og beskære kunstvanding for at øge vanding effektivitet^12,13. Dog målinger af kontinuerte, in situ stilk-vand indhold af woody arter^{7,14,15,16,17,18, 19} er sjældne i forhold til sap flux målinger²⁰. Her, skitsere vi en procedure for kalibrering af kapacitans sensorer til at overvåge volumetrisk vandindholdet i stængler af træer^5,21.

Hydrodynamisk adfærd og vandforbrug forordning af vegetation er en integreret del af jord-plante-atmosfære kontinuum^22,23 og er derfor vigtige Kontroller for vand og CO2 strømme mellem den biosfæren og atmosfære^24,25. Dynamikken i stilken vandindholdet er påvirket af både biotiske og abiotiske faktorer. Udtynding og infiltration af stilk-gemt vand påvirkes af kort – og langsigtede tendenser i de miljømæssige forhold, navnlig damptryk underskud og jord vand indhold^1,26. De fysiske egenskaber af det træ²⁷ (fx, tæthed, fartøjets struktur) og emergent hydraulisk strategi²⁵ (fx, iso- eller anisohydric spalteåbningernes regulering) bestemme en plantens evne til at gemme og bruge vand ^{19 , 26 , 28}, og kan variere meget af arter^29,30. Tidligere undersøgelser har vist forskellige roller i kapacitans i tropiske^{16,27,31,32,33} og tempererede^{5,7 ,21} arter, og i begge dækfrøede^1,2,34 og nøgenfrøede^6,11,17,19.

Forbedret viden om biomasse vandindhold vil forbedre forståelsen af vegetation strategier for vand erhvervelse og bruge^1,2, sammen med artens sårbarhed til forventede ændringer i nedbør regimer^{35 ,36}. Yderligere forståelse af planten vandforbrug strategier vil hjælpe med at forudsige shifting demografiske mønstre under fremtidige klimaændringer scenarier^37,38. Gennem modeldata fusion teknikker³⁹, stilken vandindhold data indhentet ved hjælp af denne metode kan bruges til at informere og teste skalerbare, plante-niveau hydrodynamik modeller^{40,41, 42,43,44} for at forbedre beregninger af spalteåbningernes ledningsevne og dermed simuleringer af både transpiration og fotosyntetiske carbon optagelse. Disse avancerede hydrodynamiske modeller kan give en betydelig reduktion i usikkerhed og fejl når de indarbejdes i større arealet og jordens systemer modeller^{25,45,46, 47,48}.

Metoder, der anvendes til at overvåge eller beregne stilk vandindhold omfatter træ coring^33,49, elektronisk dendrometers^2,15,50, elektrisk modstand ⁵¹, gamma stråling dæmpning⁵², deuterium røbestoffer¹⁹, netværk af sap flux sensorer^32,33,53, stammer psycrometre også samt⁴⁹, og amplitude¹¹ og tid^4,12,13 domæne reflectometry (TDR). Seneste bestræbelser har testet levedygtigheden af kapacitans sensorer, der traditionelt har været brugt til at måle jorden volumetriske vand indhold^5,18,21,27. Frekvens domæne reflectometry (FRD)-stil kapacitans sensorer er lave omkostninger og bruger relativt små mængder af energi til kontinuerlige målinger, hvilket gør dem en attraktiv værktøj for høj tidsmæssige opløsning målinger i marken scenarier. Lethed af automatisering af FDR over TDR-stil sensorer letter samling af kontinuerlig sun-time data sæt, og eliminerer mange af de udfordringer, der er iboende i TDR målinger kræver betydelige kabellængder¹³. Anvendelsen af in situ kapacitans sensorer eliminerer behovet for gentagne coring eller gren høst, og kan levere forbedret nøjagtighed for hårdttræ arter.Woody arter, at trække vand hovedsageligt fra ekstracellulære rum, såsom vedvævet fartøjer, eller har høje træ eller bark moduli af elasticitet, er generelt ikke gode kandidater til populære dendrometer måleteknik på grund af lav elastisk stilk udvidelse ². kapacitans sensorer anslå dielektrisk Permittivitet, som kan omdannes direkte til volumetrisk vandindhold. Men kapacitans målinger er følsomme for massefylden af medierne omkring sensoren. Derfor går vi ind for artsspecifikke kalibreringer, at konverterer outputtet af sensorer til volumetriske træ-vand indhold^5,21.

Vi præsenterer en protokol for en artsspecifik kalibrering konvertere kapacitans sensor output til volumetrisk vandindhold i træ. Desuden er vejledningen for inden installation af kapacitans sensorer i modne træer og en diskussion af metodens styrker, svagheder og antagelser. Disse teknikker er designet til at overvåge volumetrisk vandindhold i stammen, den største træ vand opbevaring reservoir⁸, men let kan udvides til hele træet med installation af yderligere sensorer langs grenene. Målinger af dynamiske plante vandindhold vil forhånd felterne vegetation hydrodynamik, biometeorology og jord-overfladen modellering.

Protocol

1. Vælg et træ Instrumentation Vælg træer for måling. Ideelt, Vælg træer, der er sunde med et generelt runde stilk tværsnit, og en diameter mellem 1 – 2 gange tine længde eller afgrenet dybde større end længden af sensor tænderne (~ 5 cm for specifikke kapacitans sensorer vist her). Måle dybde afgrenet bruger træ kerner, eller for mange arter, beregne afgrenet dybde gennem allometric ligninger vedrørende afgrenet område for at dæmme op diameter 29,<sup class…

Representative Results

I dette afsnit præsenterer vi kalibreringsdata for fem fælles østlige skov træarter, efterfulgt af en detaljeret analyse af feltmålinger af stilk-vand opbevaring i tre Acer rubrum enkeltpersoner i 2016 vækstsæsonen. Kalibreringskurverne blev genereret for Acer rubrum, Betula papyrifera, Pinus strobus, Populus grandidentata, og Quercus rubra (figur 1). Skråningerne af kurverne afveg med 97,7% for P. grandidentata og …

Discussion

Sæsonbestemte og temperaturprofil mønstre i stilken vandindhold observerede via kapacitans sensorer Juster med tendenser i samtidige sap flux og miljømæssige tvinger målinger (figur 3, figur 4, figur 5). Reservoirer for stilk vand opbevaring er forarmet diurnally når tempoet i transpiration overgår rente af genoplade gennem woody væv og sæsonmæssigt jordfugtighed begrænser root-vand til…

Materials

Ruggedized Soil Moisture Sensor	METER Group Inc.	GS-3	Capacitance sensors
1/8" drill bit	Any	N/A
9/64" drill bit	Any	N/A
Drying oven	Any	N/A
Chainsaw	Any	N/A
Electric drill	Any	N/A
Bucket for water bath	Any	N/A
Alcohol swabs	Any	N/A
Draw knife	Any	N/A
Data logger	Any	N/A
Silicon sealant	Any	N/A