A calibração e a utilização de sensores de capacitância de monitorar o conteúdo de água do caule em árvores

Summary

A capacitância hidráulica da biomassa é um componente-chave do orçamento da água de vegetação, que serve como um amortecedor contra estresses seca de curto e longo prazo. Aqui, apresentamos um protocolo para a calibração e a utilização da umidade do solo sensores de capacitância para monitorar o conteúdo de água nas hastes das árvores de grandes porte.

Abstract

Transporte de água e armazenamento através do continuum solo-planta-atmosfera é fundamentais para o ciclo da água terrestre e tornou-se uma área de foco de pesquisa principais. Capacitância de biomassa desempenha um papel integral em evitar a imparidade hidráulica a transpiração. No entanto, medições de alta resolução temporal de mudanças dinâmicas na capacitância hidráulica de árvores de grandes porte são raras. Aqui, apresentamos os procedimentos para a calibração e a utilização de sensores de capacitância, normalmente usado para monitorar o conteúdo de água do solo, para medir o teor volumétrico de água em árvores no campo. Frequência domínio reflectometria estilo observações são sensíveis à densidade dos meios de comunicação a ser estudados. Portanto, é necessário realizar calibrações específicas para converter os valores relatados sensor de permissividade dielétrica em conteúdo volumétrico de água. Calibração é executada em um ramo colhido ou tronco cortado em segmentos que são secas ou re-hidratados para produzir uma ampla gama de conteúdo de água usado para gerar um melhor ajuste de regressão com observações de sensor. Sensores são inseridos no segmentos de calibração ou instalados em árvores após furação prévia dos furos com uma tolerância de ajuste usando um modelo fabricado para garantir o alinhamento da broca apropriada. Especial cuidado é tomado para assegurar-se que dentes sensor façam bom contato com a mídia circundante, permitindo-lhes a ser inserido sem força excessiva. Dinâmica de conteúdo volumétrico de água observada através da metodologia apresentada alinhar com medições de fluxo de seiva gravadas usando técnicas de dissipação térmica e forçamento de dados ambientais. Dados de conteúdo de água de biomassa podem ser usados para observar o aparecimento de estresse hídrico, resposta seca e recuperação, e tem o potencial para ser aplicado para a calibração e avaliação de novos modelos de nível de planta hidrodinâmica, bem como para o particionamento de remotamente sentiu produtos de umidade em componentes acima – e belowground.

Introduction

Água armazenada no material vegetal desempenha um papel integral na capacidade das plantas para lidar com o stress de curto e longo prazo de água^1,2. As plantas armazenam água nas raízes, caules, e folhas no intracelular e extracelular (por exemplo, vasos de xilema) espaços de ^2,3,4. Esta água tem demonstrada contribuir entre 10 e 50% de água de répteis transpareceu^2,5,6,7,8. Como tal, planta hidráulica capacitância é um componente chave do balanço hídrico terrestre, pode ser usada como um indicador do estresse hídrico, resposta seca e recuperação¹e é um fator crítico necessário para corrigir defasagens de tempo observadas entre transpiração e sap fluam^9,10,11. Monitoramento em tempo real do conteúdo de água de vegetação pode também ser usado em aplicações agrícolas para ajudar a restringir o pomar e irrigação de culturas a fim de aumentar a irrigação eficiência^12,13. No entanto, medições do teor de tronco-água contínua, in situ de espécies lenhosas^{7,14,15,16,17,18, 19} são raros em relação de medições de fluxo de seiva²⁰. Aqui, vamos descrever um procedimento para a calibração de sensores de capacitância para monitorar o conteúdo volumétrico de água dentro das hastes de árvores^5,21.

Regulamento de utilização da água pela vegetação e comportamentos hidrodinâmicos são um componente integral da continuum solo-planta-atmosfera^22,23 e, portanto, controles importantes para os fluxos de água e de carbono entre o biosfera e atmosfera^24,25. A dinâmica do conteúdo de água do tronco é influenciada por fatores bióticos e abióticos. Depleção e recarga de água armazenadas no tronco são afetados pelas tendências de curto e longo prazo nas condições ambientais, em particular, déficit de pressão de vapor e água conteúdo^1,26do solo. As propriedades físicas da madeira²⁷ (por exemplo, densidade, estrutura do navio) e a estratégia emergente de hidráulica²⁵ (por exemplo, iso – ou anisohydric Regulamento estomático) determinam a capacidade da planta para armazenar e utilizar água ^{19 , 26 , 28}e podem variar amplamente de espécies^29,30. Estudos anteriores têm demonstrado diferentes papéis de capacitância em tropical^16,,^27,31,32,33 e temperadas^{5,7 ,21} espécies e em ambas angiospermas^1,2,34 e gimnospérmicas^6,11,17,19.

Melhoria do conhecimento do teor de água de biomassa vai melhorar a compreensão das estratégias de vegetação para a aquisição de água e usar^1,2, juntamente com a vulnerabilidade da espécie às mudanças previstas em regimes de precipitação^{35 ,36}. Mais compreensão do uso da água planta estratégias ajudará a prever mudando padrões demográficos sob clima futuro cenários^37,38. Através de de técnicas de fusão de dados-modelo³⁹, teor de água do tronco dados obtidos usando esta metodologia podem ser usados para informar e hidrodinâmica escalável, nível de planta de teste modelos^{40,41, 42,},^43,44 a fim de melhorar os cálculos de Condutância estomática e, desse modo, simulações de transpiração e absorção de carbono fotossintéticos. Estes modelos hidrodinâmicos avançados podem prever uma redução significativa na incerteza e erro, quando incorporado na terra-superfície maior e terra sistemas modelos^25,,^{45,46, 47,},⁴⁸.

Métodos utilizados para monitorar ou calcular o teor de água do tronco incluem árvore retirada do dielétrico^33,49, eletrônico dendrometers^2,15,50, resistência elétrica ⁵¹, de atenuação de radiação gama⁵², deutério traçadores¹⁹redes de seiva flux sensores^32,33,53, psicrómetros⁴⁹, da haste e amplitude¹¹ e tempo^4,12,13 domain reflectometry (TDR). Esforços recentes têm testado a viabilidade dos sensores de capacitância que tradicionalmente têm sido usados para medir o solo água volumétrico conteúdo^5,18,21,27. Domínio de frequência reflectometria (FRD)-sensores de capacitância de estilo são de baixo custo e usar quantidades relativamente pequenas de energia para medições contínuas, tornando-os uma ferramenta atraente para medições de alta resolução temporal em cenários de campo. A facilidade de automação do FDR sobre sensores de TDR-estilo facilita a coleção de conjuntos de dados contínuas sol-de hora em hora e elimina muitos dos desafios inerentes a medições TDR exigindo substancial comprimentos de cabo¹³. O uso de sensores de capacitância in situ elimina a necessidade de retirada do dielétrico repetitivas ou ramo de colheita e pode fornecer maior precisão para espécies de madeira.Espécies lenhosas que retirar água principalmente espaços extracelulares, tais como vasos de xilema, ou tem alto módulo de madeira ou casca de elasticidade, geralmente não são bons candidatos para as técnicas de medição de dendrometer popular devido à haste elástica baixa expansão ². sensores de capacitância estimam a permissividade dielétrica, que pode ser convertida diretamente para o conteúdo volumétrico de água. No entanto, medidas de capacitância são sensíveis à densidade da mídia em torno do sensor. Portanto, defendemos para calibrações específicas que converter a saída dos sensores volumétricos madeira-água conteúdo^5,21.

Apresentamos um protocolo para uma calibração espécie-específicos converter a saída do sensor de capacitância para conteúdo volumétrico de água de madeira. Também são fornecidas instruções para a instalação do campo de sensores de capacitância em árvores maduras e uma discussão sobre do método pontos fortes, fraquezas e suposições. Estas técnicas são projetadas para monitorar o conteúdo volumétrico de água no porta-malas, a maior árvore água armazenamento reservatório⁸, mas podem ser facilmente expandidas para toda a árvore com a instalação de sensores adicionais ao longo dos ramos. Medições do teor de água da planta dinâmico vão avançar os campos de vegetação hidrodinâmica, Biometeorologia e modelagem de superfície da terra.

Protocol

1. escolha uma árvore para instrumentação Selecione árvores para medição. Idealmente, selecione árvores que são saudáveis com um corte transversal de caule geralmente redondo e um diâmetro entre 1 – 2 vezes o comprimento do dente, ou uma profundidade de alburno maior que o comprimento dos dentes sensor (~ 5 cm para os sensores de capacitância específico demonstrado aqui). Medir a profundidade do sapwood utilizando núcleos de árvore, ou para muitas espécies, calcular a profundidade do alburno at…

Representative Results

Nesta seção, apresentamos os dados de calibração para cinco espécies comuns de árvore de floresta Oriental, seguidos por uma análise detalhada das medições de campo de armazenamento de água do tronco em três indivíduos de Acer rubrum durante a estação de crescimento de 2016. As curvas de calibração foram geradas para Acer rubrum, Betula papyrifera, Pinus strobus, Populus grandidentata e Quercus rubra (Figura 1). Incl…

Discussion

Padrões sazonais e diurnos no conteúdo de água do tronco observado através de sensores de alinharem-se com as tendências no fluxo de seiva simultâneas de capacitância e ambiental forçando as medições (Figura 3, Figura 4, Figura 5). Reservatórios de armazenamento de água do tronco estão esgotados répteis quando o ritmo da transpiração supera a taxa de recarga através de tecidos len…

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