Измерения CO2 Fluxes на неидеальных сайтах Эдди Ковариантки
Summary
Представленный протокол использует метод вихревого коварства в нетипичных местах, применимых ко всем типам экосистем с коротким навесом с ограниченной площадью, на лесовосстановленном участке в Польше. Описаны подробные сведения об измерении правил настройки сайта, расчетах потока и контроле качества, а также анализе конечных результатов.
Abstract
Этот протокол является примером использования метода вихревого ковариантного исследования (EC) для исследования пространственно и временно усредненных чистых потоков CO2 (чистое производство экосистем, НЭП) в нетипичных экосистемах, на территории, в настоящее время лесовосстановленной области в Польше. После торнадо в сохранившихся лесных стендах был создан относительно узкий «коридор», что усложняет подобные эксперименты. Применение других методов измерения, таких как метод камеры, является еще более трудным в этих обстоятельствах, потому что особенно в начале, поваленные деревья и в целом большая неоднородность сайта обеспечивают сложную платформу для выполнения измерения потока, а затем должным образом высококлассные полученные результаты. По сравнению со стандартными измерениями ЕС, проведенными в нетронутых лесах, случай ветровых зон требует особого внимания, когда речь идет о местоположении и анализе данных на объекте, с тем чтобы обеспечить их репрезентативность. Таким образом, здесь мы представляем протокол в режиме реального времени, непрерывный CO2 измерения потока на динамически меняющихся, неидеальный сайт ЕС, который включает в себя (1) расположение сайта и приборов установки, (2) flux вычислений, (3) строгий фильтрации данных и контроль качества, а также (4) заполнение пробелов и чистые потоки, разделивающиеся на дыхание и поглощение CO 2. Основным преимуществом описанной методологии является то, что она содержит подробное описание экспериментальной установки и измерительных показателей с нуля, которые могут быть применены к другим пространственно ограниченным экосистемам. Его также можно рассматривать как список рекомендаций о том, как бороться с нетрадиционной эксплуатацией сайта, предоставляя описание для неспециалистов. Полученные проверенные качество, заполненные пробелы, получасовые значения чистых CO2,а также абсорбционные и всасочные потоки, могут быть, наконец, агрегированы в ежедневные, ежемесячные, сезонные или годовые итоги.
Introduction
В настоящее время наиболее часто используемый метод в атмосфере-земля экосистемы двуокиси углерода (CO2) обмен исследований является eddy covariance (EC) техника1. Метод ЕК используется десятилетиями, а исчерпывающие описания вопросов, касающихся всехметодологических, технических и практических аспектов, уже опубликованы 2,3,4. По сравнению с другими методами, используемыми для аналогичных целей, метод ЕС позволяет получать пространственно и временно усредненные чистые потоки CO2 от автоматических, точечных измерений, которые учитывают вклад всех элементов в сложных экосистемы, вместо трудоемких, ручные измерения (например, камерные методы) или требование взятия многих образцов1.
Среди наземных экосистем леса играют наиболее значительную роль в цикле C, и многие научные мероприятия были сосредоточены на изучении их цикла CO 2, хранения углерода в древесной биомассе и их взаимоотношений с изменением климатических условий как прямое измерение, так и моделирование5. Многие сайты ЕС, в том числе один из самых длинных записей потока6, были созданы выше различных типов лесов7. Как правило, местоположение участка тщательно подбиралось до начала измерений с целью самой однородной и самой большой возможной области. Хотя, в нарушенных лесных участков, таких как ветропарки, количество ec измерительных станций по-прежнему недостаточно8,9,10. Одной из причин этого являются материально-технические трудности в измерении установки сайта и, прежде всего, небольшое число внезапно появляющихся мест. Для того, чтобы получить наиболее информативные результаты в районах ветра, очень важно, чтобы начать как можно скорее после такого случайного события, которое может вызвать дополнительные проблемы. В отличие от нетронутых лесных участков, измерения ЕС на участках ветромета являются более сложными и могут отклоняться от уже установленных процедур3. Поскольку некоторые экстремальные явления ветра создают пространственно ограниченные области, существует необходимость в продуманном местоположении станции измерения и тщательной обработке данных, чтобы получить как можно больше надежных значений потока, насколько это возможно. Аналогичные трудности в применении метода ЕС имели место (например, завершение исследований, выполненных над длинным, но узким озером), где измеренные потоки CO2 требовали строгой фильтрации данных11,12 для того, чтобы гарантировать их пространственной репрезентативности.
Таким образом, представленный протокол является примером использования метода ЕС в нетипичных местах, предназначенных не только для ветровых зон, но и для всех других видов короткой растительности с ограниченной площадью (например, пахотные угодья, расположенные между более высокими типами растительности). Самым большим преимуществом предлагаемой методологии является общее описание сложных процедур, требующих углубленных знаний, от выбора местоположения и приборов, установленных до окончательного результата: полный набор данных высококачественного CO2 Потоков. Технической новизной измерительного протокола является использование уникальной базовой конструкции для размещения системы ЕС (например, штатив с определенной высотой, которая является «мини-башней» с регулируемой, электрически управляемой мачты, что позволяет изменить конечную высоту датчиков в соответствии с индивидуальными потребностями).
Protocol
Representative Results
Discussion
Этот протокол представляет вихревый covariance (EC) метод, который будет использоваться на неидеальных сайтах (здесь лесовосстановление ветроустановки сайта): расположение сайта и измерения инфраструктуры установки, чистый CO2 fluxes вычислений и пост-обработки, а также некоторые вопросы,…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Это исследование было поддержано финансированием со стороны Главного управления государственных лесов Варшавы, Польша (проект LAS, No OR-2717/27/11). Мы хотели бы выразить нашу благодарность всей исследовательской группе из кафедры метеорологии Познанского университета наук о жизни, Польша, участвующих в реализации этого протокола и их помощь в создании его визуальной версии.
Materials
| Adjustable mast with metal rails and electric engine (24 V) | maszty.net | – | Alternative basic construction. To be designed and made by professionals |
| EddyPro | LI-COR, Inc. | ver. 6.2.0. | Free commercial software for fluxes calculation. Available on a website: https://www.licor.com/env/products/eddy_covariance/software.html, on request |
| Enclosed-path infrared gas analyzer | LI-COR, Inc. | LI-7200 | One of two instruments of the eddy covariance system (EC) used for CO2 fluxes measurements. Other types of fast analyzers (>10Hz sampling frequency) can be used |
| REddyProc | – | – | Free software for EC fluxes gap filling and partitioning. Available on Max Planck Institute for Biogeochmistry: https://www.bgc-jena.mpg.de/bgi/index.php/Services/REddyProcWeb. Both online tool and R package are provided. |
| Short aluminum tower base with concrete foundation | maszty.net | – | Alternative basic construction (pioneering solution). To be designed and made by professionals |
| Sonic anemometer | Gill Instruments | Gill Windmaster | One of two instruments of the eddy covariance system (EC) used for wind speed measurements. Other types of three-dimensional sonic anemometers can be used |
| Stainless-steel tripod | Campbel Scientific, Inc. | CM110 10 ft | The basic construction for eddy covariance (EC) system. Can be constructed by yourself- materials to be found in a hardware store |
| Sunshine sensor | Delta-T Devices Ltd. | BF5 | One of the exemplary instruments for photosynthetic photon flux density measurements (PPFD). To be bought from several commercial companies. Remember to place it above the canopy, far from reflective surfaces. |
| Thermistors | Campbel Scientific, Inc. | T107 | One of the exemplary instruments for soil temperature measurements. To be bought from several commercial companies. It is advisable to have a profile of soil temperature |
| Thermohygrometer | Vaisala Oyj | HMP155 | One of the exemplary instruments for air temperature and humidity measurements. To be bought from several commercial companies. Remember to place it inside radiation shield at similar height as the EC system. |
References
- Baldocchi, D. Measuring fluxes of trace gases and energy between ecosystems and the atmosphere – the state and future of the eddy covariance method. Global Change Biology. 20, 3600-3609 (2014).
- Aubinet, M., et al. Estimates of the annual net carbon and water exchange of European forests: the EUROFLUX methodology. Advances in Ecological Research. 30, 113-174 (2000).
- Aubinet, M., Vesala, T., Papale, D. . A practical guide to measurements and Data Analysis. , (2012).
- Burba, G. . Eddy Covariance Method for: Scientific, Industrial, Agricultural, and Regulatory Applications. A Field Book on Measuring Ecosystem Gas Exchange and Areal Emission Rates. , (2013).
- Pan, Y., et al. A Large and Persistent Carbon Sink in the World’s Forests. Science. 333, 988-993 (2011).
- Wofsy, S. C., et al. Net exchange of CO2 in a midlatitude forest. Science. 260 (5112), 1314-1317 (1993).
- Luyssaert, S., et al. CO2 balance of boreal, temperate, and tropical forests derived from a global database. Global Change Biology. 13, 2509-2537 (2007).
- Knohl, A., et al. Carbon dioxide exchange of a Russian boreal forest after disturbance by wind throw. Global Change Biology. 8, 231-246 (2002).
- Lindauer, M., et al. Net ecosystem exchange over a non-cleared wind-throw-disturbed upland spruce forest-Measurements and simulations. Agricultural and Forest Meteorology. 197, 219-234 (2014).
- Schulze, E. D., et al. Productivity of forests in the Eurosiberian boreal region and their potential to act as a carbon sink – a synthesis. Global Change Biology. 5, 703-722 (1999).
- Mammarella, I., et al. Carbon dioxide and energy fluxes over a small boreal lake in Southern Finland. Journal of Geophysical Research-Biogeosciences. 120, 1296-1314 (2015).
- Vesala, T., et al. Eddy covariance measurements of carbon exchange and latent and sensible heat fluxes over a boreal lake for a full open water period. Journal of Geophysical Research-Biogeosciences. 111, 1-12 (2006).
- Burba, G., Anderson, D. . A brief practical guide to Eddy Covariance Flux Measurements. Principles and workflow examples for scientific and industrial applications. , (2010).
- Businger, J. Evaluation of the accuracy with which dry deposition could be measured with current micrometeorological techniques. Journal of Applied Meteorology and Climatology. 25, 1100-1124 (1986).
- . Eddy Pro Software Instruction Manual Available from: https://www.licor.com/documents/1ium2zmwm6hl36yz9bu4 (2017)
- Wilczak, J. M., Oncley, S. P., Stage, S. A. Sonic anemometer tilt correction algorithms. Boundary-Layer Meteorology. 99, 127-150 (2001).
- Foken, T., Lee, X., et al. Post-field quality control. Handbook of Micrometeorology: A Guide for Surface Flux Measurements. , (2004).
- Kljun, N., Rotach, M. W., Schmid, H. P. A three-dimensional backward Lagrangian footprint model for a wide range of boundary-layer stratifications. Boundary Layer Meteorology. 103, 205-226 (2002).
- Foken, T., Wichura, B. Tools for quality assessment of surface-based flux measurements. Agricultural and Forest Meteorology. 78, 83-105 (1996).
- Mauder, M., Foken, T. Impact of post-field data processing on eddy covariance flux estimates and energy balance closure. Meteorologische Zeitschrift. 15, 597-609 (2006).
- Gu, L., et al. Objective threshold determination for nighttime eddy flux filtering. Agricultural and Forest Meteorology. 128 (3-4), 179-197 (2005).
- Papale, D., et al. Towards a standardized processing of Net Ecosystem Exchange measured with eddy covariance technique: algorithms and uncertainty estimation. Biogeosciences. 3 (4), 571-583 (2006).
- Barr, A. G., et al. Interannual variability in the leaf area index of a boreal aspen-hazelnut forest in relation to net ecosystem production. Agricultural and Forest Meteorology. 126, 237-255 (2004).
- Krishnan, P., Black, T. A., Jassal, R. S., Chen, B., Nesic, Z. Interannual variability of the carbon balance of three different-aged Douglas-fir stands in the Pacific Northwest. Journal of Geophysical Research. 114, 1-18 (2009).
- Reichstein, M., et al. On the separation of net ecosystem exchange into assimilation and ecosystem respiration: Review and improved algorithm. Global Change Biology. 11, 1424-1439 (2005).
- Falge, E., et al. Gap filling strategies for defensible annual sums of net ecosystem exchange. Agricultural and Forest Meteorology. 107, 43-69 (2001).
- Ooba, M., Hirano, T., Mogami, J. I., Hirata, R., Fujinuma, Y. Comparisons of gap-filling methods for carbon flux dataset: A combination of a genetic algorithm and an artificial neural network. Ecological Modelling. 198, 473-486 (2006).
- Papale, D., Valentini, R. A new assessment of European forests carbon exchanges by eddy fluxes and artificial neural network spatialization. Global Change Biology. 9, 525-535 (2003).
- Baldocchi, D. D., Vogel, C. A., Hall, B. Seasonal variation of carbon dioxide exchange rates above and below a boreal jack pine forest. Agricultural and Forest Meteorology. 83, 147-170 (1997).
- Lloyd, J., Taylor, J. On the Temperature Dependence of Soil Respiration. Functional Ecology. 8, 315-323 (1994).
- Lasslop, G., et al. Separation of net ecosystem exchange into assimilation and respiration using a light response curve approach: critical issues and global evaluation. Global Change Biology. 16, 187-208 (2010).
- Kljun, N., Calanca, P., Rotach, M. W., Schmid, H. P. A simple two-dimensional parameterisation for Flux Footprint Prediction (FFP). Geoscientific Model Development. 8, 3695-3713 (2015).
