La calibrazione e l'uso di capacitanza sensori per monitorare il contenuto di acqua di staminali in alberi

Summary

La capacità idraulica della biomassa è un componente chiave del bilancio dell’acqua di vegetazione, che funge da cuscinetto contro sollecitazioni di siccità di breve e lungo termine. Qui, presentiamo un protocollo per la calibrazione e l’uso dell’umidità del suolo sensori di capacità per monitorare il contenuto di acqua negli steli di grandi alberi.

Abstract

Trasporto di acqua e deposito attraverso il continuum suolo-pianta-atmosfera è fondamentale per il ciclo dell’acqua terrestre è diventata una zona di messa a fuoco di ricerca principali. Capacità di biomassa gioca un ruolo fondamentale nell’evitare danno idraulico per traspirazione. Tuttavia, misurazioni di elevata risoluzione temporale delle variazioni dinamiche la capacità idraulica di grandi alberi sono rari. Qui, presentiamo le procedure per la calibrazione e l’uso di sensori di capacità, in genere utilizzato per monitorare il contenuto di acqua nel suolo, per misurare il contenuto idrico volumetrico in alberi nel campo. Frequenza domain reflectometry-stile osservazioni sono sensibili alla densità dei mezzi di comunicazione in fase di studio. Pertanto, è necessario eseguire tarature specie-specifiche per convertire dai sensore ha segnalato valori di permittività dielettrica a contenuto volumetrico di acqua. Calibrazione su un ramo raccolto o gambo tagliato in segmenti che sono secchi o reidratati per produrre una gamma completa di contenuti di acqua utilizzata per generare una regressione più appropriata con le osservazioni del sensore. Sensori sono inseriti in segmenti di calibrazione o installate in alberi dopo una tolleranza in forma utilizzando un modello fabbricato per garantire l’allineamento corretto trapano dei fori. Particolare cura è stata prestata affinché che denti sensore siano a contatto con il mezzo circostante, consentendo loro di essere inseriti senza una forza eccessiva. Dinamiche di contenuto volumetrico di acqua osservati tramite la metodologia presentata allineare con sap misure di flusso registrate utilizzando tecniche di dissipazione termica e dati ambientali di forzato. Dati di contenuto d’acqua di biomassa possono essere utilizzati per osservare l’insorgenza di stress idrico, siccità risposta e recupero, e ha intuito il potenziale per essere applicato per la calibrazione e la valutazione di nuovi modelli di idrodinamica di livello di impianto, così come per il partizionamento di in modalità remota prodotti in componenti di cui sopra – e necromassa a umidità.

Introduction

Acqua immagazzinata nel materiale vegetale svolge un ruolo integrale nella capacità delle piante di far fronte con acqua a breve e a lungo termine dello stress^1,2. Impianti di immagazzinano acqua nelle radici, steli, e foglie in intracellulari ed extracellulari (ad es., vasi xilema) interamente ^2,3,4. Quest’acqua ha dimostrato di contribuire tra 10 e 50% di acqua giornaliera traspirata^2,5,6,7,8. Come tale, impianto idraulico capacitanza è un componente chiave del bilancio idrico terrestre, può essere utilizzato come un indicatore di stress idrico, la risposta alla siccità e recupero¹ed è un fattore critico necessario correggere per osservati ritardi tra ^9,10,11flusso di traspirazione e sap. Monitoraggio in tempo reale del contenuto di acqua di vegetazione utilizzabile anche in applicazioni agricole per vincolare il frutteto e ritagliare irrigazione al fine di aumentare l’irrigazione efficienza^12,13. Tuttavia, misurazioni del contenuto di staminali-acqua continuo, in-situ di specie legnose^{7,14,15,16,17,18, 19} sono rari rispetto al sap flusso misure²⁰. Qui, descriviamo una procedura per la taratura dei sensori di capacità di monitorare il contenuto volumetrico di acqua entro i fusti di alberi^5,21.

Comportamenti idrodinamici e regolamento di utilizzo dell’acqua di vegetazione sono una parte integrante del continuum suolo-pianta-atmosfera^22,23 e sono quindi importanti controlli per i flussi di acqua e carbonio tra il Biosfera e atmosfera^24,25. La dinamica del contenuto di acqua del gambo è influenzata da fattori biotici ed abiotici. Lo svuotamento e la ricarica di acqua staminali-memorizzati sono influenzati dalle tendenze a breve e a lungo termine in condizioni ambientali, in particolare, il deficit di pressione di vapore e acqua contenuto^1,26di suolo. Le proprietà fisiche del legno²⁷ (ad esempio, densità, struttura del vaso) e l’ emergente strategia idraulico²⁵ (ad esempio, iso – o anisohydric regolamento stomatica) determinano la capacità di una pianta di memorizzare e utilizzare acqua ^{19 , 26 , 28}e possono variare ampiamente da specie^29,30. Gli studi precedenti hanno dimostrato diversi ruoli di capacitanza tropicale^{16,27,31,32,33} e temperato^{5,7 ,21} specie e in entrambi angiosperme^1,2,34 e gimnosperme^6,11,17,19.

Una migliore conoscenza del contenuto di acqua di biomassa sarà migliorare la comprensione delle strategie per l’acquisizione di acqua di vegetazione e utilizzare^1,2, insieme a vulnerabilità della specie ai cambiamenti previsti nei regimi di precipitazione^{35 ,36}. Ulteriore comprensione dell’uso di acqua impianto strategie aiuterà a prevedere lo spostamento di modelli demografici sotto clima futuro scenari^37,38. Attraverso tecniche di fusione di dati del modello³⁹, contenuto di acqua staminali dati ottenuti utilizzando questa metodologia possono essere utilizzati per informare e prova idrodinamica scalabile, a livello di impianto modello^{40,41, 42,43,44} al fine di migliorare i calcoli della conduttanza stomatica e, quindi, simulazioni di traspirazione e assorbimento di carbonio fotosintetica. Questi modelli idrodinamici avanzati possono fornire una riduzione significativa di incertezza e di errore quando incorporati in superficie più grande della terra e terra sistemi modelli^{25,45,46, 47,48}.

Metodi utilizzati per monitorare o calcolare il contenuto di acqua staminali includono albero carotaggio^33,49, elettronica dendrometers^2,15,50, resistenza elettrica ⁵¹, radiazione gamma attenuazione⁵², deuterio traccianti¹⁹reti di sap flusso sensori^32,33,53, psicrometri⁴⁹, del gambo e ampiezza¹¹ e tempo^4,12,13 domain reflectometry (TDR). Gli sforzi recenti hanno testato la fattibilità di sensori di capacità che sono stati tradizionalmente usati per misurare il terreno acqua volumetrico contenuto^5,18,21,27. Frequenza domain reflectometry (FRD)-stile capacitanza sensori sono a basso costo e utilizzare relativamente piccole quantità di energia per misurazioni continue, che li rende uno strumento attraente per misure di alta risoluzione temporale in scenari di campo. La facilità di automazione del FDR sopra i sensori TDR-stile facilita la raccolta di set di dati di sole-orario continuo ed elimina molte delle sfide inerenti misure TDR che richiedono notevoli lunghezze di cavo¹³. L’uso di sensori di capacitanza in situ Elimina la necessità di detorsolamento ripetitivo o la raccolta di ramo e può fornire una maggiore precisione per le specie di latifoglie.Specie legnose che prelevare acqua principalmente da spazi extracellulari, come vasi di xylem, o hanno alti moduli di legno o di corteccia di elasticità, in genere non sono buoni candidati per tecniche di misurazione dendrometro popolare a causa dell’espansione di basso fusto elastico ². sensori di capacitanza stimano permittività dielettrica, che può essere convertito direttamente in contenuto volumetrico di acqua. Tuttavia, misure di capacità sono sensibili alla densità dei media che circonda il sensore. Di conseguenza, sosteniamo per specie-tarature che convertire l’output dei sensori volumetrici legno-acqua contenuto^5,21.

Vi presentiamo un protocollo per una calibrazione specie-specifico convertire uscita sensore capacità contenuto volumetrico di acqua di legno. Istruzioni per l’installazione sul campo dei sensori di capacitanza in alberi maturi e una discussione dei punti di forza, debolezze e presupposti del metodo sono anche forniti. Queste tecniche sono progettate per monitorare il contenuto volumetrico di acqua nel bagagliaio, il più grande albero acqua deposito serbatoio⁸, ma possono essere facilmente esteso a tutto l’albero con l’installazione di ulteriori sensori lungo i rami. Misure del contenuto d’acqua impianto dinamico avanzeranno i campi di idrodinamica di vegetazione, Biometeorologia e modellazione di superficie della terra.

Protocol

1. Selezionare un albero per strumentazione Selezionare gli alberi per la misurazione. Idealmente, selezionare gli alberi che sono sani con una sezione trasversale del fusto generalmente rotonda e un diametro compreso tra 1 – 2 volte la lunghezza del dente, o una profondità di alburno maggiore della lunghezza dei denti sensore (~ 5 cm per i sensori di specifiche capacità dimostrata qui). Misurare la profondità dell’alburno utilizzando albero core, o per molte specie, calcolare la profondità di alburno att…

Representative Results

In questa sezione, presentiamo i dati di taratura per cinque specie di albero di foresta orientale comune, seguite da un’analisi dettagliata delle misure in campo di stoccaggio di staminali-acqua in tre individui di Acer rubrum durante la stagione di crescita del 2016. Curve di calibrazione sono state generate per Acer rubrum, Betula papyrifera, Pinus strobus, Populus grandidentata e Quercus rubra (Figura 1). Piste delle curve hanno…

Discussion

Modelli stagionali e diurne nel contenuto idrico di staminali osservato tramite capacità sensori allineare con le tendenze in continuo mutamento sap simultanee e ambientale costringendo dimensioni (Figura 3, Figura 4, Figura 5). Serbatoi di stoccaggio dell’acqua staminali sono vuotati giornaliera quando il ritmo della traspirazione supera il tasso di ricarica attraverso tessuti legnosi, e stagion…

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