木の幹の水分量を監視するための校正と静電容量センサーの使用
Summary
バイオマスの油圧容量は、短期および長期の干ばつのストレスに対するバッファーとして機能する植生水収支のキー コンポーネントです。ここで、大きな木の幹の水分をモニターする静電容量センサー紹介校正と土壌水分の使用のためのプロトコル。
Abstract
土壌-植物-大気圏の連続を通して水の輸送・陸域水循環に重要ですし、主要な研究分野となっています。バイオマスの静電容量は、蒸散する油圧障害の回避に不可欠な役割を果たしています。ただし、大きな木の油圧容量の動的な変化の高時間分解能測定はまれです。校正および通常使用フィールドの木の体積含水率を測定するため、土壌水分を監視したり、静電容量センサーの使用手順を紹介します。周波数ドメイン反射スタイル観測研究されているメディアの密度に敏感です。したがって、体積含水率誘電率のセンサーから報告された値から変換する種特異的なキャリブレーションを行うことが必要です。校正は、収穫された枝や茎は乾燥または水量センサー観測データと回帰を生成するために使用の完全な範囲を生成する再水和のセグメントにカットされます。センサーはキャリブレーションのセグメントに挿入または適切なドリルのアライメントを確保するため作製したテンプレートを使用して適切な公差の穴を事前ドリル加工後の木にインストールされています。特別なセンサーの歯部が無理なく挿入することを可能にしながら、周囲のメディアとの良好な接触を作るように注意します。説明されている方法で体積含水コンテンツ ダイナミクスは、放熱技術と強制環境のデータを使用して記録された sap 流量測定に合わせます。水ストレス、干ばつの応答および回復、発症を観察するバイオマス水コンテンツ データを使用でき、校正とリモートでのパーティション分割するだけでなく、新しい工場の流体力学モデルの評価に適用する可能性を感じています地上部および地下部の成分に水分製品。
Introduction
植物材料の保存水は、短期および長期の水ストレス1,2に対応する植物の能力の不可欠な役割を果たしています。植物は、根、茎、水を貯えるし、葉細胞内と細胞外の両方で (例えば導管) 空間2,3,4。この水は、10 と日周所要水2,5,6,7,8の 50% 間に貢献して示されています。そのため、工場油圧容量地上水バランスの重要なコンポーネントです、水ストレス、干ばつの応答および回復1、インジケーターとして使用することができますの観測時間の差を補正するために必要な重要な要因は、蒸散と sap9,10,11 を流れ。植生水コンテンツのリアルタイム モニタ リングも使用できます農業アプリケーションで果樹園を制約し、散水効率12,13を増加するために灌漑をトリミングを助けるため。ただし、樹種7,14,15,16,17,18、連続、原幹水分含量の測定 19 sap フラックス測定20を基準にして珍しい。ここでは、私たちは木5,21の樹幹内における体積含水率を監視する静電容量センサーのキャリブレーションの手順を概説します。
土壌-植物-大気圏の連続22,23の不可欠なコンポーネントは、流体の挙動と植生による水利用調節間水と炭素フラックスの重要なコントロールであるため、生物圏と雰囲気24,25。幹の水分動態生物的・非生物的要因によって影響を受けています。枯渇と幹保存水の涵養、環境条件、特に、飽の短期および長期の傾向によって影響を受けます、土壌水コンテンツ1,26。木製27 (例えば密度、血管構造) と創発的油圧戦略25 (例えば、iso または anisohydric 気孔制御) の物理的性質保存し、水を使用する植物の能力を決定します。19,26,28日、種29,30によって大きく異なります。以前の研究は、熱帯16,27,31,32,33 , 温帯5,7 容量のさまざまな役割を実証しています。 ,21種と両方被子植物1,2,34と裸子植物6,11,17,19。
バイオマス含水率の改善の知識が植生水獲得のための戦略の理解を改善し、1、2、と一緒に沈殿物の政体35 が変化する種の脆弱性を使用して、 ,36。さらに戦略は、将来の気候変動のシナリオ37,38の下で人口統計学パターンのシフトの予測を助ける植物の水の使用を理解します。モデル データの融合技術39、を通して茎水分通知およびスケーラブルなプラント レベルの流体力学をテストするこの手法を使用して得られたデータを使用ことができますモデル40,41, 42,,4344気孔コンダクタンスの計算を改善するために、それによって、蒸散および光合成の炭素吸収量のシミュレーション。これらの高度な流体力学モデルは不確実性およびより大きい土地の表面および地球システム モデル25,45,46に組み込まれた場合のエラーの大幅な削減を提供可能性があります。 47,48。
33,49, 電子 dendrometers2,15,50, 電気抵抗をコアリング ツリーを監視または茎水分を計算するために使用するメソッドに含めますsap 磁束センサー32,33,53, ネットワーク, 重水素トレーサー19ガンマ放射減衰52 51べき49の幹と振幅11と時間4,12,13領域リフレクトメトリ (TDR)。最近の努力は土壌体積含水コンテンツ5,18,21,27を測定に使用されてきた、静電容量センサーの実行可能性をテストしています。周波数領域リフレクトメトリ (FRD)-スタイル静電容量センサーは、低コストし、連続測定のフィールドのシナリオで、高時間分解能測定のための魅力的なツールを作るためのエネルギーの比較的少量の使用します。TDR スタイル センサー FDR の自動化が容易容易に連続的な太陽時間データ セットの収集と実質的なケーブルの長さ13を必要と TDR 測定で固有の課題の多くを排除します。その場で静電容量センサーの使用は反復掘削または枝を収穫する必要があるし、堅材種の精度向上を提供することがあります。樹種、導管などの細胞外スペースから主水の撤退や、弾力性の高い木材や樹皮の係数は、一般的に低弾性幹膨張人気デンドロメータ測定技術の候補ではないです。2. 静電容量センサー推定誘電体積含水率に直接変換することができます。ただし、容量測定はセンサーを取り巻くメディアの密度に敏感です。したがって、センサーの出力を体積木水コンテンツ5,21に変換種特異的なキャリブレーションを主張します。
種特異的な校正体積含水率木材の静電容量センサー出力に変換するためのプロトコルを提案します。また、成熟した木々 の静電容量センサーのフィールド ・ インストールとメソッドの強み、弱みと仮定の議論についてもあります。これらの技術は、最大ツリー水貯蔵タンク8トランクの体積含水率を監視するために設計されていますが枝に沿って追加のセンサーのインストール ツリー全体に簡単に展開できます。ダイナミックな植物水分測定は植生流体力学、生気象学、陸面モデルのフィールドに進めます。
Protocol
1. 計装のツリーを選択します。 測定のための木を選択します。理想的には、一般的にラウンドの幹断面積と 1-2 回刃物の長さ、または辺材深さセンサー尖叉 (ここに示す特定の静電容量センサー用 〜 5 cm) の長さより大きい間直径との健全木を選択します。ツリーのコアを使用して辺の深さを測定したり、多くの種の標準直径テープによって測定される直径29,</su…
Representative Results
このセクションで我々 は 2016年成長シーズン中に 3 つのエイサーの赤体個人幹水の貯蔵庫の実測の詳細な分析に続いて、共通 5 の東林木種の校正データを提示します。検量線は、アメリカハナノキ、ダケカンバ第、ストローブマツ、ポプラ、オオバギンドロ、 コナラのヤマモモ(図 1) に生成されました。カーブの斜面は、 <em…
Discussion
茎水分センサー同時 sap フラックスの動向に合わせて容量を介して観測・環境測定 (図 3, , 図 4図 5) を強制の季節および日変化パターン。日周蒸散のペースを上回る率の木質組織を通じて涵養と季節土壌水分制限ルート水可用性5幹貯水のタンクが枯渇しています。この内部キャパシ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
米国エネルギー省科学局、オフィスの生物学的および環境調査、地上生態系科学プログラム賞号によって提供されたこの研究のための資金・ デ ・ SC0007041、ローレンス ・ バークレー国立研究所による磁束コア サイト契約号 7096915 下 Ameriflux 管理プログラム、国立科学財団の水文科学 1521238 を付与します。意見、所見、結論や推奨この素材で表現、これらの者を資金提供機関の見解を必ずしも反映しています。
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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Cite This Article
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).