De kalibratie en het gebruik van capaciteit sensoren volgen vochtgehalte van de stam van bomen

Summary

De hydraulische capaciteit van biomassa is een essentieel onderdeel van de begroting voor het water van vegetatie, die als een buffer tegen korte en lange termijn droogte benadrukt fungeert. Hier presenteren we een protocol voor de calibratie and gebruik van bodemvocht precisiecapaciteit sensoren om te controleren watergehalte in de stengels van grote bomen.

Abstract

Water transport en opslag via het bodem-plant-atmosfeer continuüm is essentieel voor de Aardse waterkringloop, en is uitgegroeid tot een belangrijke focus onderzoeksruimte. Biomassa capaciteit speelt een integrale rol in het vermijden van hydraulische bijzondere waardevermindering te transpiratie. Hoge temporele resolutie metingen van dynamische veranderingen in de hydraulische capaciteit van grote bomen zijn echter zeldzaam. Hier presenteren we de procedures voor de kalibratie en het gebruik van capaciteit sensoren, doorgaans gebruikt voor het bewaken van vochtgehalte van de bodem, voor het meten van de volumetrische vochtgehalte van bomen in het gebied. Frequentie-domein reflectometrie-stijl opmerkingen zijn gevoelig voor de dichtheid van de media wordt bestudeerd. Het is daarom nodig om uit te voeren van de soortspecifieke kalibraties converteren van de sensor-gemeld waarden van diëlektrische permittiviteit naar volumetrische watergehalte. Kalibratie wordt uitgevoerd op een geoogste tak of stam in segmenten die zijn gedroogd of opnieuw gehydrateerd voor de productie van een volledige waaier van water inhoud gebruikt voor het genereren van een best passende regressie met sensor opmerkingen gesneden. Sensoren zijn kalibratie segmenten ingevoegd of geïnstalleerd in bomen na vooraf het boren van gaten tot een tolerantie passen met behulp van een verzonnen sjabloon om juiste boor uitlijning. Speciale zorg is genomen om ervoor te zorgen dat de sensor tanden goed contact met de omliggende media, maken terwijl het toestaan van hen moet worden ingevoegd zonder buitensporig geweld. Volumetrische water inhoud dynamics waargenomen via de voorgestelde methodologie uitlijnen met sap stroom metingen opgenomen met behulp van de warmtedissipatie technieken en dwingen milieugegevens. Biomassa vochtgehalte kunnen gegevens worden gebruikt om het observeren van het begin van de waterstress, droogte reactie en herstel, en heeft het potentieel om te worden toegepast op de kalibratie en de evaluatie van nieuwe modellen van de plant-niveau hydrodynamica, alsmede tot compartimentering van de extern voelde vocht producten in boven- en ondergronds componenten.

Introduction

Water opgeslagen in plantmateriaal speelt een integrale rol in planten vermogen om te gaan met de water van de korte – en lange termijn stress^1,2. Planten slaan water in de wortels, stengels, en bladeren in zowel de intracellulaire en de extracellulaire (bijvoorbeeld xylem vaartuigen) ruimtes zijn ^2,3,4. Dit water is gebleken om bij te dragen tussen 10 en 50% van de diurnally bleek water^2,5,6,7,8. Zo plant hydraulische capaciteit vormt een belangrijk onderdeel van de aardse waterbalans, kan worden gebruikt als een indicator van waterstress, droogte reactie en herstel¹en is een kritische factor nodig te corrigeren voor de waargenomen vertraging tussen transpiratie en sap stromen^9,10,11. Real-time bewaking van het watergehalte van de vegetatie kan ook worden gebruikt in agrarische toepassingen om te helpen beperken van boomgaard en bijsnijden irrigatie teneinde drenken efficiëntie^12,13. Echter, metingen van continu, in-situ stam-watergehalte van woody soort^{7,14,15,16,17,18, 19} zijn zeldzaam ten opzichte van sap flux metingen²⁰. We schetsen hier, een procedure voor het kalibreren van precisiecapaciteit sensoren om te controleren de waterinhoud van de volumetrische binnen de stammen van bomen^5,21.

Hydrodynamisch gedrag en water-use-verordening door vegetatie zijn een integraal onderdeel van de bodem-plant-atmosfeer continuüm^22,23 , en zijn daarom belangrijke besturingselementen voor het water en CO2 fluxen tussen de biosfeer en atmosfeer^24,25. De dynamiek van het watergehalte van de stam worden beïnvloed door zowel biotische en abiotische factoren. Uitputting en aanvulling van de stam-opgeslagen water worden beïnvloed door korte – en lange termijn trends in milieu-omstandigheden, met name dampdruk tekort en bodem water inhoud^1,26. De fysische eigenschappen van het hout²⁷ (b.v., dichtheid, vaartuig structuur) en de opkomende hydraulische strategie²⁵ (b.v., iso- of anisohydric stomatal verordening) bepalen van een plant kunnen opslaan en gebruiken van water ^{19 , 26 , 28}, en sterk kunnen verschillen door soorten^29,30. Eerdere studies hebben aangetoond dat verschillende rollen van capaciteit in de tropische^{16,27,31,32,33} en gematigde^{5,7 ,21} soorten, en in beide bedektzadigen^1,2,34 en naaktzadigen^6,11,17,19.

Betere kennis van het watergehalte van de biomassa zal inzicht van vegetatie strategieën voor water verwerving en gebruik van^1,2, samen met de soorten kwetsbaarheid voor voorspelde veranderingen in neerslag regimes^{35 ,},³⁶. Verder begrip van plant watergebruik strategieën zal helpen voorspellen veranderende demografische patronen onder toekomstige klimaat scenario’s^37,38. Door middel van modelgegevens fusie technieken³⁹, stam watergehalte gegevens die zijn verkregen met behulp van deze methode kan worden gebruikt om te informeren en testen van schaalbare, plant-niveau hydrodynamica modellen^{40,41, 42,43,44} ter verbetering van de berekeningen van stomatal geleidingsvermogen en daarmee simulaties van zowel transpiratie en fotosynthetische CO2 opname. Deze geavanceerde hydrodynamische modellen kunnen een significante vermindering in onzekerheid en fout wanneer opgenomen in grotere landoppervlak en aarde systemen modellen^{25,45,46, 47,48}.

Methoden die worden gebruikt om te controleren of het berekenen van de stengel watergehalte omvatten boom ontkernen^33,49, elektronische dendrometers^2,15,50, elektrische weerstand ⁵¹, gamma straling demping⁵², deuterium traceurs¹⁹, netwerken van sap flux sensoren^32,33,53, psychrometers⁴⁹, stammen en amplitude¹¹ en tijd^4,12,13 domain reflectometrie (TDR). Recente inspanningen hebben getest de levensvatbaarheid van precisiecapaciteit sensoren die van oudsher gebruikt hebben voor het meten van de bodem volumetrische water inhoud^5,18,21,27. Frequentie-domein reflectometrie (FRD)-stijl precisiecapaciteit sensoren zijn lage kosten en relatief kleine hoeveelheden energie gebruiken voor continumetingen, waardoor ze een aantrekkelijk hulpmiddel voor hoge temporele resolutie metingen in het veld scenario’s. Het gemak van automatisering van FDR over TDR-stijl sensoren vergemakkelijkt het verzamelen van continue zon-uurtarief datasets, en veel van de uitdagingen die inherent zijn aan TDR metingen vereisen aanzienlijke kabellengtes¹³elimineert. Het gebruik van in-situ precisiecapaciteit sensoren elimineert de noodzaak voor repetitieve ontkernen of tak oogsten, en verbeterde nauwkeurigheid kan voorzien in hardhout soorten.Woody soorten die water hoofdzakelijk opzeggen in extracellulaire ruimten, zoals xylem schepen, of hoge hout of schors moduli van elasticiteit, zijn doorgaans niet goede kandidaten voor populaire dendrometer meettechnieken als gevolg van lage elastische stam uitbreiding ². capaciteit sensoren schatting diëlektrische permittiviteit, die direct kan worden geconverteerd naar volumetrische watergehalte. Capaciteit metingen zijn echter gevoelig voor de dichtheid van de media rondom de sensor. Daarom pleiten wij voor soortspecifieke kalibraties dat de output van de sensoren omzetten in volumetrische hout-water inhoud^5,21.

Presenteren we een protocol voor een soortspecifieke kalibratie precisiecapaciteit sensor output omzetten volumetrische watergehalte van het hout. Ook worden instructies voor installatie van het veld voor precisiecapaciteit sensors in volwassen bomen en een bespreking van de methode sterke, zwakke punten, en veronderstellingen. Deze technieken zijn ontworpen voor het controleren van de volumetrische watergehalte in de kofferbak, de grootste boom water opslag reservoir⁸, maar kunnen gemakkelijk worden uitgebreid tot de hele boom met installatie van extra sensoren langs de takken. Metingen van de dynamische plant waterinhoud zal vooraf de velden van vegetatie hydrodynamica, biometeorology en landoppervlak modellering.

Protocol

1. Selecteer een boom voor instrumentatie Selecteer bomen voor meting. In het ideale geval Selecteer bomen die gezond met een dwarsdoorsnede van de over het algemeen ronde stengel, en een diameter tussen 1 – 2 keer de lengte van de tine, of een sapwood diepte groter is dan de lengte van de sensor tanden (~ 5 cm voor de sensoren van de specifieke capaciteit aangetoond hier zijn). Meten van de diepte van het spinthout met behulp van de kernen van de boom of voor vele soorten, sapwood diepte door allometric verg…

Representative Results

In deze sectie presenteren wij ijkgegevens voor vijf gemeenschappelijke boomsoorten van de Oost-bos, gevolgd door een gedetailleerde analyse van veldmetingen van stam-wateropslag in drie Acer rubrum personen tijdens het groeiseizoen van 2016. Kalibratiekrommen werden gegenereerd voor Acer rubrum Betula papyrifera, Pinus strobus, Populus grandidentata, en Quercus rubra (Figuur 1). Hellingen van de curven verschilden met maar liefst 9…

Discussion

Seizoens- en dagverloop patronen in stam watergehalte waargenomen via precisiecapaciteit sensoren met trends in gelijktijdige sap flux uitlijnen en milieu dwingen metingen (Figuur 3, Figuur 4, , Figuur 5). Reservoirs van stam wateropslag zijn verarmd diurnally wanneer het tempo van de transpiratie overtreft het tempo van opladen door woody weefsels en seizoensinvloeden bodemvocht beperkt wortel-wat…

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