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환경과학

Die Kalibrierung und die Nutzung der Kapazität Sensoren Stem Wassergehalt in den Bäumen zu überwachen

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

Die hydraulische Kapazität der Biomasse ist ein zentraler Bestandteil der Vegetation Wasserhaushalt, dient als Puffer gegen kurz- und langfristige Dürre betont. Hier präsentieren wir ein Protokoll für die Kalibrierung und die Verwendung von Bodenfeuchte Kapazität Sensoren zur Überwachung der Wassergehalt in den Stängeln der Großbäume.

Abstract

Wassertransport und Lagerung durch den Boden-Pflanze-Atmosphäre-Kontinuum ist entscheidend für den terrestrischen Wasserkreislauf und ist ein wichtiger Forschungsschwerpunkt geworden. Biomasse-Kapazität spielt eine wichtige Rolle in der Vermeidung von hydraulischen Beeinträchtigung Transpiration. Hoher zeitlicher Auflösung Messungen der dynamischen Veränderungen in die hydraulische Kapazität der großen Bäume sind jedoch selten. Hier präsentieren wir Ihnen Verfahren für die Kalibrierung und Kapazität-Sensoren, in der Regel verwendet, um Boden Wassergehalt zur Messung des volumetrischen Wassergehalts in den Bäumen auf dem Gebiet zu überwachen. Frequency Domain Reflectometry-Stil Beobachtungen sind empfindlich auf die Dichte der Medien untersucht. Daher ist es notwendig, artspezifische Kalibrierungen volumetrischen Wassergehalt von den Sensor gemeldeten Werten der dielektrischen Permittivität konvertieren durchzuführen. Kalibrierung wird durchgeführt auf einem geernteten Ast oder Stamm geschnitten in Segmente, die getrocknet oder neu hydratisiert um zu produzieren eine breite Palette von Wasserinhaltsstoffen verwendet, um eine optimale Regression mit Sensor Beobachtungen zu generieren. Sensoren sind in Kalibrierung Segmente eingefügt oder installiert in Bäumen nach Vorbohren Löcher mit einer Toleranz passen mit einer vorgefertigten Vorlage um zu richtigen Bohrer Ausrichtung zu gewährleisten. Besondere Sorgfalt ist sicherzustellen, dass Sensor Zinken guten Kontakt mit dem umgebenden Medium zu machen, während es ihnen ermöglicht, ohne großen Kraftaufwand eingefügt werden. Volumetrische Content Wasserdynamik beobachten über die vorgestellte Methodik ausrichten mit Sap Durchflussmessungen Wärmeableitung Techniken und Umweltdaten zwingt mit aufgezeichnet. Biomasse Wassergehalt Daten können verwendet werden, um das Auftreten von Wasserknappheit, Dürre Reaktion und die Wiederherstellung zu beobachten, und hat das Potenzial für die Kalibrierung und Bewertung neuer Werksebene Hydrodynamik-Modelle, sowie an der Partitionierung aus der Ferne gelten gespürt Feuchtigkeit-Produkte in über- und unterirdisch Komponenten.

Introduction

Wasser im Pflanzenmaterial spielt eine wesentliche Rolle in Pflanzen die Fähigkeit zur Bewältigung von kurz- und langfristigen Wasser Stress1,2. Pflanzen speichern Wasser in Wurzeln, Stängel und Blätter in intrazelluläre und extrazelluläre (z. B. Xylemgefäße) Räume, 2,3,4. Dieses Wasser hat sich gezeigt, zwischen 10 und 50 % tagaktiv transpirierten Wasser2,5,6,7,8beizutragen. Als solche Anlage hydraulische Kapazität ist eine Schlüsselkomponente der terrestrischen Wasserbilanz, kann als Indikator für Wasserknappheit, Dürre Reaktion und Wiederherstellung1verwendet werden und ist ein kritischer Faktor für die beobachteten Zeitverzögerungen zwischen korrigiert Transpiration und Sap fließen9,10,11. Echtzeit-Überwachung des Wassergehalts Vegetation auch in landwirtschaftlichen Anwendungen einsetzbar zur Obstgarten zu beschränken und Bewässerung zu beschneiden, um Bewässerung Effizienz12,13zu erhöhen. Jedoch Messungen des kontinuierlichen, in-Situ- Stamm-Wassergehalt Gehölze7,14,15,16,17,18, 19 sind selten im Vergleich zu SAP-Flussmittel Messungen20. Hier beschreiben wir ein Verfahren für die Kalibrierung der Kapazität Sensoren zur Überwachung des volumetrischen Wassergehalt in den Stämmen der Bäume5,21.

Hydrodynamische Verhaltensweisen und Wasser-Use-Verordnung von Vegetation sind ein integraler Bestandteil der Boden-Pflanze-Atmosphäre Kontinuum22,23 und sind daher wichtige Steuerelemente für die Wasser und Kohlenstoff Flüsse zwischen den Biosphäre und Atmosphäre24,25. Die Dynamik der Stamm Wassergehalt werden von biotischen und abiotischen Faktoren beeinflusst. Erschöpfung und Aufladen des Stamm gespeicherten Wassers von kurz- und langfristigen Trends in der Umweltbedingungen, insbesondere Dampfdruck Defizit betroffen sind und Boden Wasser Inhalt1,26. Die physikalischen Eigenschaften von Holz27 (z. B.Dichte, Schiff-Struktur) und emergent hydraulische Strategie25 (z.B., Iso- oder Anisohydric Stomata Verordnung) bestimmen eine Pflanze Fähigkeit zur Speicherung und Nutzung von Wasser 19 , 26 , 28, und kann stark variieren von Arten29,30. Frühere Studien zeigten verschiedene Rollen der Kapazität in den tropischen16,27,31,32,33 und gemäßigten5,7 ,21 Arten, und in beiden Angiospermen1,2,34 und Gymnospermen6,11,17,19.

Bessere Kenntnis der Biomasse Wassergehalt verbessert Verständnis der Vegetation Strategien für den Erwerb von Wasser und verwenden Sie1,2, zusammen mit der Art Anfälligkeit für prognostizierten Veränderungen im Niederschlag Regime35 ,36. Weitere Verständnis der Pflanze Wassernutzung Strategien hilft vorherzusagen Verschiebung demografische Muster des zukünftigen Klimas Szenarien37,38. Stamm Wassergehalt Daten, die mit dieser Methode verwendet werden, können um zu informieren und testen Sie skalierbare und Werksebene Hydrodynamik Modelle durch Modell-Datenfusion Techniken39,40,41, 42,43,44 um Berechnungen der Stomata Leitfähigkeit zu verbessern und damit Simulationen von Transpiration und Photosynthese Kohlenstoff-Aufnahme. Diese erweiterte hydrodynamische Modelle können eine signifikante Reduktion in Unsicherheit und Fehler beim größeren Landoberfläche und Erde Systeme Modelle25,45,46eingegliedert, 47,48.

Methoden zum überwachen oder Stamm Wassergehalt berechnen gehören Baum Entkernung33,49, elektronische Stückzahl2,15,50, elektrischer Widerstand 51, Gamma Strahlung Dämpfung52, Deuterium Tracer19, Netzwerke von SAP-Flux Sensoren32,33,53, Psychrometer49, stammen und Amplitude11 und Zeit4,12,13 Domain Reflectometry (TDR). Die jüngsten Bemühungen haben die Lebensfähigkeit der Kapazität Sensoren getestet, die traditionell verwendet wurden, um Boden volumetrische Wasser Inhalt5,18,21,27messen. Frequency Domain Reflectometry (FRD)-Stil Kapazität Sensoren sind kostengünstig und relativ kleine Mengen von Energie für kontinuierliche Messungen, so dass sie ein attraktives Instrument für hohe Zeitauflösung Messungen im Feld Szenarien verwenden. Die einfache Automatisierung von FDR über TDR-Stil Sensoren erleichtert die Sammlung von kontinuierlichen Sonne stündlich Datensätzen und beseitigt viele der Herausforderungen im TDR-Messungen erfordern erhebliche Kabellängen13. Die Verwendung von in-Situ -Kapazität-Sensoren entfällt die Notwendigkeit für sich wiederholende Kernbohrungen oder Zweig Ernte und kann erhöhte Genauigkeit für Laubhölzer.Gehölze, die Wasser hauptsächlich aus extrazellulären Räumen, wie Xylemgefäße, zurückziehen oder hohen Holz oder Rinde Moduli Elastizität, sind in der Regel nicht gute Anwärter für beliebte Dendrometer Messverfahren durch geringe elastische Stiel Ausbau 2. Kapazität Sensoren schätzen dielektrische Permittivität, die direkt zur volumetrischen Wassergehalt umgewandelt werden kann. Kapazität-Messungen sind jedoch empfindlich auf die Dichte der Medien rund um den Sensor. Daher setzen wir uns für die artspezifische Kalibrierungen, die die Ausgabe der Sensoren in volumetrischen Holz-Wasser Inhalt5,21zu konvertieren.

Wir präsentieren Ihnen ein Protokoll für eine artspezifische Kalibrierung Kapazität Sensorausgang volumetrischen Wassergehalt des Holzes zu konvertieren. Ebenfalls vorhanden sind Anweisungen für die Installation vor Ort von Kapazität Sensoren in altem Baumbestand und eine Diskussion über der Methode stärken, Schwächen und Annahmen. Diese Techniken sind entworfen, um volumetrische Wassergehalt in den Kofferraum, der größte Baum Wasser Lagerung Behälter8, überwachen aber auf den ganzen Baum mit Einbau von zusätzlichen Sensoren entlang der Zweige leicht erweiterbar. Messungen der dynamischen Pflanze Wassergehalt werden die Bereichen Vegetation Hydrodynamik, Biometeorologie und Landoberfläche Modellierung voraus.

Protocol

1. Wählen Sie eine Struktur für die Instrumentation Wählen Sie Bäume für die Messung. Idealerweise wählen Sie Bäume, die mit in der Regel Runde Stängel Querschnitt und einem Durchmesser zwischen 1 – 2 Mal die Länge der Zinken oder Splintholz Tiefe größer als die Länge der Sensor-Zinken (~ 5 cm für die spezifische Kapazität Sensoren hier gezeigt) gesund sind. Messen Sie die Tiefe der Splint mit Baum-Kerne, oder für viele Arten berechnen Sie Splintholz Tiefe durch allometrische Gleichungen, die i…

Representative Results

In diesem Abschnitt präsentieren wir Kalibrierdaten für fünf gemeinsamen östlichen Waldbäumen, gefolgt von einer detaillierten Analyse der Feldmessungen des Stamm-Wasserspeicherung in drei Acer Rubrum Personen während der Vegetationszeit 2016. Kalibrierkurven entstanden für Acer Rubrum, Betula Papyrifera, Pinus Strobus, Populus Grandidentata und Quercus Rubra (Abbildung 1). Pisten der Kurven unterschieden sich von 97,7 % für…

Discussion

Saisonale und tagaktiv Muster im Stamm Wassergehalt beobachteten über Kapazität, die Sensoren mit den Trends im gleichzeitigen SAP-Fluss ausrichten und Umwelt zwingt Messungen (Abbildung 3, Abbildung 4, Abbildung 5). Stauseen des Stammes Wasserspeicherung erschöpft sind tagaktiv, wenn das Tempo der Transpiration übertrifft die Geschwindigkeit der Aufladung durch holzigen Gewebe und saisonal we…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Diese Studie wurde von U.S. Department of Energy Office of Science, Büro des biologischen und Umweltforschung, terrestrische Ökosystem Wissenschaften Programm Award Nr. finanziert DE-SC0007041, Ameriflux-Management-Programm unter Flux Core Website Vereinbarung Nr. 7096915 durch Lawrence Berkeley National Laboratory und der National Science Foundation hydrologischen Science gewähren 1521238. Meinungen, Erkenntnisse und Schlussfolgerungen oder Empfehlungen ausgedrückt in diesem Material sind diejenigen der Autoren und spiegeln nicht unbedingt die Ansichten der Fördergesellschaften.

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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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).
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