JoVE Journal > Environment
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Risultati
Discussion
Divulgazioni
Acknowledgements
Materials
Riferimenti
Traduzione automatica
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Ambiente

Калибровка и использование емкостных датчиков для мониторинга стволовых содержание воды в деревьях

Published: December 27, 2017
doi:
10.3791/57062
, ,
1Department of Geological Sciences, Jackson School of Geosciences,University of Texas at Austin, 2METER Group, Inc., USA, 3Department of Civil, Environmental and Geodetic Engineering,Ohio State University

Summary

Гидравлической емкости биомассы является ключевым компонентом бюджета воды растительности, который служит в качестве буфера против краткосрочные и долгосрочные засуха напряжений. Здесь мы представляем протокол для калибровки и использования влажности почвы емкостных датчиков для мониторинга содержания воды в стебли больших деревьев.

Abstract

Водный транспорт и хранение через континуум почва растение атмосфера имеет решающее значение для наземного водного цикла и стала направлением основных исследований. Биомассы емкость играет важную роль в целях предотвращения гидравлических ухудшение транспирации. Однако высокое временнóе разрешение измерения динамических изменений в гидравлической емкости больших деревьев являются редкими. Здесь мы представляем процедуры для калибровки и использовании емкостных датчиков, обычно используется для наблюдения за содержание воды в почве, измерять содержание воды в деревья в поле. Частоты домена рефлектометрии стиль замечания чувствительны к плотности в исследуемых СМИ. Таким образом это необходимо для выполнения вегетационных калибровок для преобразования из значения датчика сообщили диэлектрической проницаемости в содержание воды. Калибровка производится по заготавливаемым филиал или стволовых клеток, нарезать сегменты, которые были сушеные или Регидратированные производить полный спектр воды содержимое, используемое для создания наилучшего регрессии с датчика наблюдения. Датчики вставляется в калибровки сегментов или установлен в деревьях после предварительного сверления отверстий с допуском подходят с помощью готовых шаблонов для обеспечения надлежащего дрель выравнивание. Особое внимание уделяется убедитесь, что датчик зубья делают хороший контакт с окружающим СМИ, позволяя им быть вставлен без чрезмерной силы. Воды содержание динамика наблюдается через представлена методология выравнивания с sap расходометрии записаны с помощью методов теплового рассеивания и экологические воздействия данных. Содержание данных могут использоваться для наблюдения за наступлением водный стресс, засухи реагирования и восстановления, и имеет потенциал, чтобы быть применены для калибровки и оценки новых моделей гидродинамики завод уровня, а также разделять удаленно почувствовал биомассы воды Влажность продукции в выше – и Билогические компоненты.

Introduction

Вода хранится в растительного материала играет важную роль в растений способность справляться с кратко – и долгосрочной перспективе воды стресса1,2. Растения хранить воду в корни, стебли, и листья в внутриклеточного и внеклеточным (например, сосуды ксилемы) запрещено 2,3,4. Было показано, что эта вода способствует между 10 и 50% суточных выяснится воды2,5,6,,78. Таким образом завод гидравлических емкость является ключевым компонентом земной водного баланса, может использоваться в качестве показателя дефицита воды, засуха реагирования и восстановления1и является важнейшим фактором необходимо исправить для наблюдаемых задержек между 9,10,11Поток транспирацию и sap. Режиме реального времени мониторинг растительности содержание воды может также использоваться в сельскохозяйственных видах применения чтобы помочь ограничить Орчард и обрезать орошения с целью повышения полива эффективности12,13. Однако измерения содержания непрерывного, монолитного ствола воды древесных видов7,14,,1516,17,18, 19 редки по сравнению с sap потока измерения20. Здесь мы приводим процедуры для калибровки емкостных датчиков контролировать содержание воды в пределах стволы деревьев5,21.

Гидродинамические поведения и регулирование использования водных ресурсов, растительности являются неотъемлемым компонентом22,почва растение атмосфера континуум23 и поэтому важные элементы для потоков воды и углерода между Биосфера и атмосфера24,25. Динамика содержания стволовых воды находятся под влиянием биотических и абиотических факторов. Истощение и пополнения стволовых хранят воды страдают от кратко – и долгосрочных тенденций в условиях окружающей среды, в частности, дефицит давления паров и почвы воды содержание1,26. Физические свойства древесины27 (например, плотность, структура судна) и возникающим гидравлические стратегия25 (например, iso – или анизогидрические устьиц регулирование) определить растения способность хранить и использовать воду 19 , 26 , 28и может широко варьировать видов29,30. Предыдущие исследования показали различные роли емкости в тропических16,27,,3132,33 и умеренных5,7 ,21 видов и в обоих Покрытосеменные1,2,34 и голосеменных6,11,17,19.

Хорошее знание содержание воды биомассы будет улучшить понимание стратегий растительности для приобретения воды и использовать1,2, а также видов уязвимости для прогнозируемых изменений в режимах осадков35 ,36. Углублению понимания использования водных растений, стратегии поможет предсказать изменения демографических моделей под будущие климатические сценарии37,38. Через слияние данных модели техники39, содержание воды стволовых, данные, полученные с использованием этой методологии может использоваться для информирования и проверить масштабируемые, завод уровня гидродинамики модели40,41, 42,,4344 с целью улучшения расчеты устьичную проводимость и, таким образом, Симуляторы транспирации и поглощение фотосинтеза углерода. Эти передовые гидродинамической модели может обеспечить значительное сокращение неопределенности и ошибка когда включены в большие поверхности земли и земли систем модели25,45,46, 47,48.

Методы, используемые для мониторинга или рассчитать содержание воды стволовых включают дерево керна33,49, электронные dendrometers2,15,50, электрическое сопротивление 51, гамма излучения затухания52, дейтерий Трейсеры19, сетей sap потока датчики32,33,53, остановить Психрометры49, и амплитуда11 и время4,12,13 домена рефлектометрии (ДТР). Недавние усилия протестировали жизнеспособность емкостных датчиков, которые традиционно используются для измерения почвы воды содержание5,18,21,27. Частоты домена рефлектометрии (ФРР)-стиль емкостные датчики являются низкая стоимость и использование относительно небольшое количество энергии для непрерывных измерений, что делает их привлекательным инструментом для высокого временного разрешения измерений в области сценариев. Простота автоматизации ФДР над Датчики TDR-стиль облегчает сбор непрерывной солнце почасовой наборов данных и устраняет многие из проблем, присущих TDR измерений, требующих существенной длины кабеля13. Использование in situ емкостных датчиков устраняет необходимость для повторяющихся керна или филиал сбора урожая и может обеспечить повышение точности для пород.Древесных видов, которые главным образом лишать воды внеклеточного пространства, такие как ксилемы судов, или имеют высокий древесины или коры модули упругости, как правило не являются хорошими кандидатами для популярных dendrometer методы измерения из-за низкого упругой стволовые расширение 2. датчики Емкостные оценить диэлектрической проницаемости, который может быть прямо преобразован в содержание воды. Однако измерения емкости чувствительны к плотности СМИ вокруг датчика. Поэтому мы выступаем за вегетационных калибровок для преобразования выходных данных датчиков в объемной дерева воды содержание5,21.

Мы представляем собой протокол для вегетационных калибровки для преобразования выход датчика емкости для воды содержание древесины. Также приведены инструкции для поля установки емкостных датчиков в зрелые деревья и обсуждение метода сильных и слабых сторон и предположений. Эти методы предназначены для контролировать содержание воды в стволе, крупнейший дерево воды хранения водохранилище8, но может быть легко расширена на весь дерево с установкой дополнительных датчиков вдоль ветвей. Измерения содержания воды растения динамических будет заранее области гидродинамики растительности, биометеорологии и моделирования поверхности земли.

Protocol

1. Выберите дерево для инструментирования Выберите деревья для измерения. В идеале выберите деревья, которые являются здоровыми с сечение обычно раунда стволовых и диаметром 1 – 2 раза длина зуб или заболонь глубина больше, чем длина зубцов датчик (~ 5 см для конкретных емкостных дат…

Representative Results

В этом разделе мы представляем данные калибровки для пяти распространенных видов деревьев Восточноевропейский лес, после подробного анализа полевых измерений хранения стволовых воды в трех Acer Красная лиц в вегетационный период 2016. Калибровочные кривые были соз…

Discussion

Сезонные и суточные шаблоны в стволовых содержание воды наблюдается через емкостные датчики выровнять с тенденциями в параллельных sap потока и окружающей среды, заставляя измерений (рис. 3, Рисунок 4, рис. 5). Резервуары ?…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Финансирование этого исследования оказали Министерство энергетики США по вопросам науки, Отделение биологических на всей территории отеля и в экологических исследований, земных наук экосистем программы награду № ДЕ-SC0007041, программа управления Ameriflux под флюсом основной сайт соглашение № 7096915 через Лоуренса Беркли национальной лаборатории и Национальный фонд науки гидрологической науки Грант 1521238. Любые мнения, выводы и выводы и рекомендации, высказанные в этом материале являются мнениями авторов и не обязательно отражают взгляды финансирующих учреждений.

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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

Riferimenti

  1. Matheny, A. M., et al. Contrasting strategies of hydraulic control in two codominant temperate tree species. Ecohydrol. 10 (3), e1815 (2017).
  2. Kocher, P., Horna, V., Leuschner, C. Stem water storage in five coexisting temperate broad-leaved tree species: significance, temporal dynamics and dependence on tree functional traits. Tree Physiol. 33 (8), 817-832 (2013).
  3. Holbrook, N. M., Gartner, B. L. Chapter 7. Plant stems: physiology and functional morphology. , 151-174 (1995).
  4. Wullschleger, S. D., Hanson, P. J., Todd, D. E. Measuring stem water content in four deciduous hardwoods with a time-domain reflectometer. Tree Physiol. 16 (10), 809-815 (1996).
  5. Matheny, A. M., et al. Observations of stem water storage in trees of opposing hydraulic strategies. Ecosphere. 6 (9), 165 (2015).
  6. Waring, R. H., Running, S. W. Sapwood water storage: its contribution to transpiration and effect upon water conductance through the stems of old-growth Douglas-fir. Plant Cell Environ. 1 (2), 131-140 (1978).
  7. Cermak, J., Kucera, J., Bauerle, W. L., Phillips, N., Hinckley, T. M. Tree water storage and its diurnal dynamics related to sap flow and changes in stem volume in old-growth Douglas-fir trees. Tree Physiol. 27 (2), 181-198 (2007).
  8. Betsch, P., et al. Drought effects on water relations in beech: The contribution of exchangeable water reservoirs. Agric. For. Meteorol. 151 (5), 531-543 (2011).
  9. Schäfer, K. V. R., Oren, R., Tenhunen, J. D. The effect of tree height on crown level stomatal conductance. Plant Cell Environ. 23 (4), 365-375 (2000).
  10. Burgess, S. S. O., Dawson, T. E. Using branch and basal trunk sap flow measurements to estimate whole-plant water capacitance: a caution. Plant Soil. 305 (1-2), 5-13 (2008).
  11. Kumagai, T., Aoki, S., Otsuki, K., Utsumi, Y. Impact of stem water storage on diurnal estimates of whole-tree transpiration and canopy conductance from sap flow measurements in Japanese cedar and Japanese cypress trees. Hydrol. Process. 23 (16), 2335-2344 (2009).
  12. Nadler, A., Raveh, E., Yermiyahu, U., Green, S. Stress induced water content variations in mango stem by time domain reflectometry. Soil Sci. Soc. Am. J. 70 (2), 510-520 (2006).
  13. Nadler, A., Raveh, E., Yermiyahu, U., Green, S. R. Evaluation of TDR use to monitor water content in stem of lemon trees and soil and their response to water stress. Soil Sci. Soc. Am. J. 67 (2), 437-448 (2003).
  14. Hernandez-Santana, V., Martinez-Fernandez, J. TDR measurement of stem and soil water content in two Mediterranean oak species. Hydrolog Sci J. 53 (4), 921-931 (2008).
  15. Cocozza, C., et al. Simultaneous measurements of stem radius variation and sap flux density reveal synchronisation of water storage and transpiration dynamics in olive trees. Ecohydrol. 8 (1), 33-45 (2015).
  16. Andrade, J. L., et al. Regulation of water flux through trunks, branches, and leaves in trees of a lowland tropical forest. Oecologia. 115 (4), 463-471 (1998).
  17. Domec, J. C., Gartner, B. L. Cavitation and water storage capacity in bole xylem segments of mature and young Douglas-fir trees. Trees-Struct. Funct. 15 (4), 204-214 (2001).
  18. Holbrook, N. M., Burns, M. J., Sinclair, T. R. Frequency and time-domain dielectric measurements of stem water-content in the arborescent palm, Sabal palmetto. J. Exp. Bot. 43 (246), 111-119 (1992).
  19. Meinzer, F. C., et al. Dynamics of water transport and storage in conifers studied with deuterium and heat tracing techniques. Plant Cell Environ. 29 (1), 105-114 (2006).
  20. Poyatos, R., et al. SAPFLUXNET: towards a global database of sap flow measurements. Tree Physiol. 36 (12), 1449-1455 (2016).
  21. Hao, G. Y., Wheeler, J. K., Holbrook, N. M., Goldstein, G. Investigating xylem embolism formation, refilling and water storage in tree trunks using frequency domain reflectometry. J. Exp. Bot. 64 (8), 2321-2332 (2013).
  22. Bonan, G. B., Williams, M., Fisher, R. A., Oleson, K. W. Modeling stomatal conductance in the earth system: linking leaf water-use efficiency and water transport along the soil-plant-atmosphere continuum. Geosci. Model Dev. 7 (5), 2193-2222 (2014).
  23. Brantley, S. L., et al. Reviews and syntheses: on the roles trees play in building and plumbing the critical zone. Biogeosciences Discuss. 2017, 1-41 (2017).
  24. Bonan, G. B. Forests and climate change: Forcings, feedbacks, and the climate benefits of forests. Science. 320 (5882), 1444-1449 (2008).
  25. Matheny, A. M., Mirfenderesgi, G., Bohrer, G. Trait-based representation of hydrological functional properties of plants in weather and ecosystem models. Plant Diversity. 39 (1), 1-12 (2017).
  26. Chapotin, S. M., Razanameharizaka, J. H., Holbrook, N. M. Water relations of baobab trees (Adansonia spp.L.) during the rainy season: does stem water buffer daily water deficits. Plant Cell Environ. 29 (6), 1021-1032 (2006).
  27. Oliva Carrasco, L., et al. Water storage dynamics in the main stem of subtropical tree species differing in wood density, growth rate and life history traits. Tree Physiol. 35 (4), 354-365 (2015).
  28. Wullschleger, S. D., Meinzer, F. C., Vertessy, R. A. A review of whole-plant water use studies in trees. Tree Physiol. 18 (8-9), 499-512 (1998).
  29. Matheny, A. M., et al. Species-specific transpiration responses to intermediate disturbance in a northern hardwood forest. J. Geophys. Res. 119 (12), 2292-2311 (2014).
  30. Ford, C. R., Hubbard, R. M., Vose, J. M. Quantifying structural and physiological controls on variation in canopy transpiration among planted pine and hardwood species in the southern Appalachians. Ecohydrol. 4 (2), 183-195 (2011).
  31. Holbrook, N. M., Sinclair, T. R. Water-Balance in the arborescent palm, Sabal palmetto. II. Transpiration and stem water storage. Plant Cell Environ. 15 (4), 401-409 (1992).
  32. Goldstein, G., et al. Stem water storage and diurnal patterns of water use in tropical forest canopy trees. Plant Cell Environ. 21 (4), 397-406 (1998).
  33. Borchert, R. Soil and stem water storage determine phenology and distribution of tropical dry forest trees. Ecology. 75 (5), 1437-1449 (1994).
  34. Hernandez-Santana, V., Martinez-Fernandez, J., Moran, C. Estimation of tree water stress from stem and soil water monitoring with time-domain reflectometry in two small forested basins in Spain. Hydrol. Process. 22 (14), 2493-2501 (2008).
  35. . . Climate change 2013: the physical science basis contribution of working group I to the fifth assessment report of the intergovernmental panel on climate change. , 1535 (2013).
  36. Konings, A. G., Williams, A. P., Gentine, P. Sensitivity of grassland productivity to aridity controlled by stomatal and xylem regulation. Nat. Geosci. , (2017).
  37. Fei, S., et al. Divergence of species responses to climate change. Science Advances. 3 (5), (2017).
  38. Fisher, R. A., et al. Vegetation demographics in Earthsystem models: a review of progress and priorities. Glob. Change Biol. , (2017).
  39. Dietze, M. C., Lebauer, D. S., Kooper, R. O. B. On improving the communication between models and data. Plant Cell Environ. 36 (9), 1575-1585 (2013).
  40. Bohrer, G., et al. Finite element tree crown hydrodynamics model (FETCH) using porous media flow within branching elements: A new representation of tree hydrodynamics. Water Resour. Res. 41 (11), (2005).
  41. Mirfenderesgi, G., et al. Tree level hydrodynamic approach for resolving aboveground water storage and stomatal conductance and modeling the effects of tree hydraulic strategy. J. Geophys. Res. 121 (7), 1792-1813 (2016).
  42. Gentine, P., Guérin, M., Uriarte, M., McDowell, N. G., Pockman, W. T. An allometry-based model of the survival strategies of hydraulic failure and carbon starvation. Ecohydrol. 9 (3), 529-546 (2015).
  43. Huang, C. -. W., et al. The effect of plant water storage on water fluxes within the coupled soil-plant system. New Phytol. 213 (3), 1093-1106 (2017).
  44. Bittner, S., et al. Functional-structural water flow model reveals differences between diffuse- and ring-porous tree species. Agric. For. Meteorol. 158, 80-89 (2012).
  45. Matheny, A. M., et al. Characterizing the diurnal patterns of errors in the prediction of evapotranspiration by several land-surface models: an NACP analysis. J. Geophys. Res. 119 (7), 1458-1473 (2014).
  46. Matthes, J. H., Goring, S., Williams, J. W., Dietze, M. C. Benchmarking historical CMIP5 plant functional types across the Upper Midwest and Northeastern United States. J. Geophys. Res. 121 (2), 523-535 (2016).
  47. Musavi, T., et al. The imprint of plants on ecosystem functioning: A data-driven approach. Int. J. Appl. Earth Obs. Geoinf. 43, 119-131 (2015).
  48. Wullschleger, S. D., et al. Plant functional types in Earth system models: past experiences and future directions for application of dynamic vegetation models in high-latitude ecosystems. Ann. Bot. 114 (1), 1-16 (2014).
  49. Scholz, F. G., et al. Biophysical properties and functional significance of stem water storage tissues in Neotropical savanna trees. Plant Cell Environ. 30 (2), 236-248 (2007).
  50. Scholz, F. G., et al. Temporal dynamics of stem expansion and contraction in savanna trees: withdrawal and recharge of stored water. Tree Physiol. 28 (3), 469-480 (2008).
  51. Borchert, R. Electric resistance as a measure of tree water status during seasonal drought in a tropical dry forest in Costa Rica. Tree Physiol. 14 (3), 299-312 (1994).
  52. Edwards, W. R. N., Jarvis, P. G. A method for measuring radial differences in water content of intact tree stems by attenuation of gamma radiation. Plant Cell Environ. 6 (3), 255-260 (1983).
  53. Phillips, N. G., Scholz, F. G., Bucci, S. J., Goldstein, G., Meinzer, F. C. Using branch and basal trunk sap flow measurements to estimate whole-plant water capacitance: comment on Burgess and Dawson (2008). Plant Soil. 315 (1-2), 315-324 (2009).
  54. Bovard, B. D., Curtis, P. S., Vogel, C. S., Su, H. -. B., Schmid, H. P. Environmental controls on sap flow in a northern hardwood forest. Tree Physiol. 25, 31-38 (2005).
  55. Granier, A. Evaluation of transiration in a Douglas-Fir stand by means of sap flow measurements. Tree Physiol. 3 (4), 309-319 (1987).
  56. Brodribb, T. J., Holbrook, N. M. Stomatal closure during leaf dehydration, correlation with other leaf physiological traits. Plant Physiol. 132 (4), 2166-2173 (2003).
  57. Brodribb, T. J., Holbrook, N. M. Stomatal protection against hydraulic failure: a comparison of coexisting ferns and angiosperms. New Phytol. 162 (3), 663-670 (2004).
  58. Taneda, H., Sperry, J. S. A case-study of water transport in co-occurring ring- versus diffuse-porous trees: contrasts in water-status, conducting capacity, cavitation and vessel refilling. Tree Physiol. 28 (11), 1641-1651 (2008).
  59. Schuldt, B., Leuschner, C., Brock, N., Horna, V. Changes in wood density, wood anatomy and hydraulic properties of the xylem along the root-to-shoot flow path in tropical rainforest trees. Tree Physiol. 33 (2), 161-174 (2013).
  60. Sarmiento, C., et al. Within-individual variation of trunk and branch xylem density in tropical trees. Am. J. Bot. 98 (1), 140-149 (2011).
  61. Barij, N., Cermak, J., Stokes, A. Azimuthal variations in xylem structure and water relations in cork oak (Quercus suber). Iawa J. 32 (1), 25-40 (2011).
  62. Domec, J. C., Pruyn, M. L., Gartner, B. L. Axial and radial profiles in conductivities, water storage and native embolism in trunks of young and old-growth ponderosa pine trees. Plant Cell Environ. 28 (9), 1103-1113 (2005).
  63. Ewers, B. E., Oren, R. Analyses of assumptions and errors in the calculation of stomatal conductance from sap flux measurements. Tree Physiol. 20 (9), 579-589 (2000).
  64. Fan, Z. X., Cao, K. F., Becker, P. Axial and radial variations in xylem anatomy of angiosperm and conifer trees in Yunnan, China. Iawa J. 30 (1), 1-13 (2009).
  65. James, S. A., Clearwater, M. J., Meinzer, F. C., Goldstein, G. Heat dissipation sensors of variable length for the measurement of sap flow in trees with deep sapwood. Tree Physiol. 22 (4), 277-283 (2002).
  66. James, S. A., et al. Axial and radial water transport and internal water storage in tropical forest canopy trees. Oecologia. 134 (1), 37-45 (2003).
  67. Fromm, J. H., et al. Xylem water content and wood density in spruce and oak trees detected by high-resolution computed tomography. Plant Physiol. 127 (2), 416-425 (2001).
  68. Steppe, K., De Pauw, D. J. W., Doody, T. M., Teskey, R. O. A comparison of sap flux density using thermal dissipation, heat pulse velocity and heat field deformation methods. Agric. For. Meteorol. 150 (7-8), 1046-1056 (2010).
  69. Vergeynst, L. L., Vandegehuchte, M. W., McGuire, M. A., Teskey, R. O., Steppe, K. Changes in stem water content influence sap flux density measurements with thermal dissipation probes. Trees. 28 (3), 949-955 (2014).

Tags

Capacitance SensorsStem Water ContentEcohydrologyRemote SensingForest FireBranch SegmentsBaseline AnalysisData LoggingSensor ReadoutWater Content Monitoring
check_url/it/57062?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Citazione di questo articolo
Matheny, A. M., Garrity, S. R., Bohrer, G. The Calibration and Use of Capacitance Sensors to Monitor Stem Water Content in Trees. J. Vis. Exp. (130), e57062, doi:10.3791/57062 (2017).
Scarica citazione
Ristampe e autorizzazioni

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image