La calibración y uso de sensores de capacitancia para monitorear el contenido de agua del tallo en árboles
Summary
La capacidad hidráulica de la biomasa es un componente clave del presupuesto de agua de vegetación, que sirve como amortiguador contra el estrés de sequía corto y largo plazo. Aquí, presentamos un protocolo para la calibración y uso de humedad sensores de capacitancia para monitorear el contenido de agua en los tallos de árboles grandes.
Abstract
Agua transporte y almacenamiento de información a través del continuo suelo-planta-atmósfera es fundamentales para el ciclo del agua terrestre y se ha convertido en un área de enfoque de la investigación. Capacitancia de la biomasa juega un papel integral en la evitación de problemas hidráulicos en transpiración. Sin embargo, las mediciones de alta resolución temporal de cambios dinámicos en la capacitancia hidráulica de árboles grandes son raras. Presentamos los procedimientos para la calibración y uso de los sensores de capacitancia, que normalmente se utiliza para monitorear el contenido hídrico del suelo, para medir el contenido volumétrico de agua en los árboles en el campo. Observaciones de estilo de reflectometría de dominio de frecuencia son sensibles a la densidad de los medios de comunicación en estudio. Por lo tanto, es necesario realizar calibraciones específicos para convertir los valores registrados por el sensor de permitividad dieléctrica al contenido volumétrico de agua. Calibración se realiza en una rama cosechada o tallo cortado en segmentos que se seca o hidratados nuevamente para producir una amplia gama de contenido de agua para generar una regresión de mejor ajuste con las observaciones del sensor. Sensores insertados en segmentos de calibración o instalados en los árboles después de pretaladrar los agujeros a un ajuste mediante una plantilla fabricada para asegurar la alineación apropiada taladro de tolerancia. Especial cuidado para asegurarse de que dientes de sensor hacen buen contacto con los medios circundantes, lo que les permite ser insertado sin fuerza excesiva. Dinámica contenido volumétrico de agua observada a través de la metodología presentada se alinee con sap flujo medidas utilizando técnicas de disipación térmica y datos ambientales de forzamientos. Datos de contenido de agua de biomasa pueden ser utilizados para observar la aparición de estrés hídrico, respuesta de la sequía y recuperación, y ha detectado el potencial de ser aplicado a la calibración y la evaluación de nuevos modelos de nivel de planta hidrodinámica, así como el repartir de forma remota productos de la humedad en componentes arriba y soterrados.
Introduction
El agua almacenada en el material vegetal desempeña un papel integral en la capacidad de las plantas para hacer frente a estrés de agua de corto y largo plazo1,2. Las plantas almacenan agua en raíces, tallos y hojas en intracelulares y extracelulares (e.g., vasos de xilema) espacios 2,3,4. Esta agua ha demostrado aportar entre el 10 y el 50% de agua transpirados diurna2,5,6,7,8. Como tal, capacitancia hidráulica planta es un componente clave de la balanza de agua terrestre, puede ser utilizada como un indicador de estrés hídrico, respuesta de la sequía y recuperación1y es un factor crítico necesario para corregir de intervalos observados entre transpiración y sap flujo9,10,11. Monitoreo en tiempo real del contenido de agua de vegetación puede también utilizarse en aplicaciones agrícolas para ayudar a restringir la huerta y cultivos de riego para aumentar el riego eficiencia12,13. Sin embargo, mediciones continuas, in situ madre-del contenido de agua de especies leñosas7,14,15,16,17,18, son raros en relación con de las mediciones de flujo de savia20 19 . Aquí, describimos un procedimiento para la calibración de los sensores de capacitancia para monitorear el contenido volumétrico de agua en los tallos de árboles5,21.
Comportamiento hidrodinámico y Reglamento de uso del agua por la vegetación son un componente integral del continuo suelo-planta-atmósfera22,23 y por lo tanto importantes controles para los flujos de agua y carbono entre el la Biosfera y la atmósfera24,25. La dinámica del contenido de agua del tallo está influenciada por factores bióticos y abióticos. Agotamiento y recarga de agua almacenados en el tallo se ven afectados por las tendencias a corto y largo plazo en las condiciones ambientales, en especial, déficit de presión de vapor y agua contenido1,26del suelo. Las propiedades físicas de la madera27 (p. ej., densidad, estructura de la nave) y el emergente estrategia hidráulica25 (p. ej., iso – o anisohydric regulación estomática) determinan la capacidad de la planta para almacenar y usar agua 19 , 26 , 28y puede variar ampliamente por especies29,30. Estudios anteriores han demostrado diferentes roles de la capacitancia en tropical16,27,31,32,33 y templada5,7 ,21 especies y en tanto angiospermas1,2,34 y gimnospermas6,11,17,19.
Un mejor conocimiento del contenido de agua de biomasa mejorará la comprensión de estrategias para la adquisición de agua de vegetación y uso1,2, junto con la vulnerabilidad de la especie a los cambios previstos en los regímenes de precipitación35 ,36. Comprensión adicional de uso de agua de planta estrategias ayudarán a predecir cambios demográficos bajo escenarios de clima futuro37,38. A través de técnicas de fusión de datos modelo39, contenido de agua del tallo datos obtenidos mediante esta metodología pueden utilizarse para informar y prueba hidrodinámica escalable, nivel planta modelos40,41, 4243,de,44 con el fin de mejorar el cálculo de la conductancia estomática y, así, simulaciones de transpiración y absorción de carbono fotosintético. Estos modelos hidrodinámicos avanzados pueden proporcionar una reducción significativa en la incertidumbre y error al incorporar mayor superficie de tierra y tierra sistemas modelos25,45,46, 47,48.
Los métodos utilizados para controlar o calcular el contenido de agua del tallo incluyen árbol metálico33,49, electrónicos dendrometers2,15,50, resistencia eléctrica de atenuación de radiación gamma52, deuterio trazadores19, 51, redes de sap flujo sensores32,33,53, psicrómetros49, del tallo y amplitud tiempo y11 4,12,13 dominio reflectometry (TDR). Los esfuerzos recientes han probado la viabilidad de los sensores de capacitancia que tradicionalmente se han utilizado para medir el suelo agua volumétrica contenido5,18,21,27. Reflectometría de dominio de frecuencia (FRD)-sensores de capacitancia de estilo son de bajo costo y uso de cantidades relativamente pequeñas de energía para mediciones continuas, haciéndolas una herramienta atractiva para mediciones de alta resolución temporal en situaciones de campo. La facilidad de automatización de FDR sobre sensores TDR-estilo facilita la colección de conjuntos de datos de horas de sol continuo y elimina muchos de los retos inherentes a medidas de TDR que requieren longitudes de cable importantes13. El uso de sensores de capacitancia in situ elimina la necesidad de perforación repetitivas o recolección de rama y puede proporcionar exactitud mejorada de especies de madera dura.Especies leñosas que retiran agua principalmente de los espacios extracelulares, como los vasos del xilema, o que tengan alta madera o corteza de módulos de elasticidad, generalmente no son buenos candidatos para técnicas de medición dendrométricas popular debido a la extensión de espiga elástica bajo 2. sensores de capacitancia estiman permitividad dieléctrica, que se puede convertir directamente a contenido volumétrico de agua. Sin embargo, las mediciones de la capacitancia son sensibles a la densidad de los medios que rodea el sensor. Por lo tanto, abogamos por calibraciones específicos que convierten la salida de los sensores al contenido volumétrico de agua madera5,21.
Presentamos un protocolo para una calibración específica convertir salida de sensor de capacitancia al contenido volumétrico de agua de la madera. También están las instrucciones para la instalación en el campo de los sensores de capacitancia en árboles maduros y un análisis de fortalezas, debilidades y supuestos del método. Estas técnicas están diseñadas para monitorear el contenido volumétrico de agua en el tronco, el más grande árbol agua almacenamiento depósito8, pero pueden ampliarse fácilmente a todo el árbol con la instalación de sensores adicionales a lo largo de las ramas. Mediciones de contenido de agua de planta dinámica avanzará los campos de la hidrodinámica de la vegetación, biometeorology y modelado de la superficie de la tierra.
Protocol
Representative Results
Discussion
Patrones estacionales y diurnos en contenido de agua del tallo observado mediante sensores alinean con las tendencias de flujo concurrente sap la capacitancia y ambiental obliga a mediciones (figura 3, figura 4, figura 5). Reservorios de almacenamiento de agua del tallo están agotados diurna cuando el ritmo de transpiración supera la tasa de recarga a través de los tejidos leñosos y estacional…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Financiamiento para este estudio fue proporcionada por el Departamento de energía de los Estados Unidos Oficina de ciencia, oficina de biológicos e investigación ambiental, terrestre ecosistema Ciencias programa Premio Nº DE SC0007041, programa de gestión Ameriflux bajo flujo base sitio acuerdo no. 7096915 a través del laboratorio nacional Lawrence Berkeley y la ciencia hidrológica de la Fundación Nacional de ciencia otorga 1521238. Cualquier opinión, resultados y conclusiones o recomendaciones expresadas en este material son las de los autores y no reflejan necesariamente las opiniones de las agencias de financiación.
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 |
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