L’étalonnage et l’utilisation de Capacitance capteurs pour surveiller la teneur en eau tige dans les arbres

Summary

La capacité hydraulique de la biomasse est une composante clé du bilan hydrique de la végétation, qui sert à amortir les contraintes à court et à long terme de la sécheresse. Nous présentons ici un protocole pour l’étalonnage et l’utilisation de l’humidité du sol capteurs capacitance pour surveiller la teneur en eau dans les tiges des grands arbres.

Abstract

Transport de l’eau et de stockage dans le continuum sol-plante-atmosphère est cruciale pour le cycle de l’eau terrestre et est devenu une zone de mise au point de grands travaux de recherche. Capacité de la biomasse joue un rôle essentiel dans la prévention des déficiences hydrauliques à la transpiration. Toutefois, les mesures de haute résolution temporelle des variations dynamiques de la capacité hydraulique des grands arbres sont rares. Nous présentons ici les procédures d’étalonnage et d’utiliser des capteurs de capacitance, généralement utilisée pour contrôler la teneur en eau du sol, afin de mesurer la teneur en eau volumétrique dans les arbres sur le terrain. Fréquence domain reflectometry style observations sont sensibles à la densité des médias à l’étude. Par conséquent, il est nécessaire effectuer l’étalonnage spécifique à l’espèce pour convertir les valeurs déclarées capteur de permittivité diélectrique en teneur en eau volumétrique. Calibrage est effectué sur une branche récolté ou les souches coupées en segments qui sont séchés ou réhydratées pour produire une gamme complète de teneurs en eau utilisé pour générer une régression ajustée avec les observations de la sonde. Capteurs insérés dans les segments de calibration ou installées dans les arbres après pré-perçage des trous à une tolérance ajusté en utilisant un modèle fabriqué pour assurer un alignement correct perceuse. Une attention particulière est veiller à ce que dents de capteur établir un bon contact avec les médias environnants, tout en leur permettant d’être inséré sans force excessive. L’eau volumétrique contenue dynamique observée par la méthodologie présentée aligner avec sap les mesures de débit enregistrés à l’aide de techniques de dissipation thermique et des données environnementales de forçages. Données de contenu de l’eau la biomasse peuvent être utilisées pour observer l’apparition de stress hydrique, de la sécheresse intervention et de rétablissement, et a le potentiel pour être appliquée à l’étalonnage et l’évaluation de nouveaux modèles de niveau hydrodynamique, ainsi qu’à la partition à distance senti produits de l’humidité en composants aériens et souterrains.

Introduction

L’eau stockée dans le matériel végétal joue un rôle essentiel dans la capacité des plantes à faire face à court et à long terme l’eau stress^1,2. Plantes stockent l’eau dans les racines, tiges, et les feuilles à la fois intracellulaire et extracellulaire (p. ex., les vaisseaux du xylème) espaces ^2,3,4. Cette eau a démontré de contribuer entre 10 et 50 % de l’eau pendant le jour était^2,5,6,7,8. Par conséquent, plante capacité hydraulique est un élément clé de l’équilibre de l’eau terrestre, peut être utilisée comme un indicateur de stress hydrique, la réponse de la sécheresse et récupération¹et est un facteur critique nécessaire pour corriger les décalages observés entre transpiration et sap débit^9,10,11. Surveillance en temps réel de la teneur en eau la végétation également utilisable dans des applications agricoles afin de contraindre le verger et d’irrigation des cultures afin d’augmenter l’arrosage efficacité^12,13. Toutefois, les mesures de continu, tige-l’eau in situ des espèces ligneuses^{7,14,15,16,17,18, 19} sont rares par rapport aux flux de sève mesures²⁰. Ici, nous décrivons une procédure pour l’étalonnage des capteurs de la capacité de contrôler la teneur en eau volumétrique dans les tiges d’arbres^5,21.

Des comportements hydrodynamiques et règlement d’utilisation de l’eau de végétation sont une partie intégrante du continuum sol-plante-atmosphère^22,23 et sont donc des contrôles importants pour le flux de l’eau et du carbone entre les la biosphère et l’atmosphère de^24,25. La dynamique de la teneur en eau de tige est influencée par des facteurs biotiques et abiotiques. Appauvrissement de la couche et recharge d’eau stockée à la tige sont affectés par les tendances à court et à long terme dans des conditions environnementales, en particulier, le déficit de pression de vapeur et eau contenu^1,26du sol. Les propriétés physiques des bois²⁷ (p. ex., densité, structure de navire) et la stratégie hydraulique émergente²⁵ (par exemple, iso – ou anisohydric règlement stomatique) déterminent la capacité de la plante pour stocker et utiliser de l’eau ^{19 , 26 , 28}et peut varier considérablement par espèces^29,30. Des études antérieures ont démontré les différents rôles de capacitance tropicale^{16,27,31,32,33} et tempérées^{5,7 ,21} espèces et les deux angiospermes^1,2,34 et gymnospermes^6,11,17,19.

Améliorer la connaissance de la teneur en eau de la biomasse améliorera la compréhension des stratégies de la végétation pour l’acquisition de l’eau et utiliser^1,2, ainsi que la vulnérabilité des espèces aux changements prévus dans les régimes de précipitations^{35 ,},³⁶. Comprendre davantage de consommation d’eau plante stratégies aidera à prévoir les changements démographiques sous climats futurs scénarios^37,38. Par le biais de techniques de fusion de données du modèle³⁹, teneur en eau tige données obtenues à l’aide de cette méthode peuvent être utilisées pour informer et tester évolutive, niveau hydrodynamique modèles^{40,41, 42,43,44} afin d’améliorer le calcul de la conductance stomatique et, partant, des simulations de transpiration et assimilation photosynthétique du carbone. Ces modèles hydrodynamiques avancés peuvent prévoir une réduction significative dans l’incertitude et l’erreur une fois incorporé plus grandes terres émergées et terre systèmes modèles^{25,45,46, 47,48}.

Méthodes utilisées pour surveiller ou calculer la teneur en eau tige incluent arbre carottage^33,49, dendromètres électronique^2,15,50, résistance électrique ⁵¹, gamma rayonnement atténuation⁵², deutérium traceurs¹⁹réseaux de sève flux capteurs^32,33,53, psychromètres⁴⁹, la tige et amplitude¹¹ et temps^4,12,13 réflectométrie (TDR). Les efforts récents ont testé la viabilité des capteurs de capacité qui ont traditionnellement été utilisées pour mesurer le sol eau volumétrique contenu^5,18,21,27. Réflectométrie de domaine de fréquence (FRD)-style capacitance capteurs sont de faible coût et utilisent des quantités relativement faibles de l’énergie pour les mesures en continu, ce qui les rend un outil attrayant pour les mesures haute résolution temporelle dans les scénarios de champ. La facilité d’automatisation des FDR sur capteurs TDR-style facilite la collecte des ensembles de données de sun-horaire continus et élimine un grand nombre des défis inhérents à la mesure de TDR nécessitant d’importantes longueurs de câble¹³. L’utilisation de capteurs de capacitance in situ élimine le besoin de carottage répétitif ou de la direction générale de la récolte et peut prévoir des meilleure précision des essences feuillues.Les espèces ligneuses qui retirent l’eau principalement des espaces extracellulaires, telles que les vaisseaux du xylème, ou ont des modules hauts de bois ou d’écorce d’élasticité, ne sont généralement pas de bons candidats pour les techniques de mesure de verniers populaire en raison de la faible tige élastique expansion ². capteurs de capacitance estiment permittivité diélectrique, qui peut être directement convertie en teneur en eau volumétrique. Toutefois, les mesures de capacité sont sensibles à la densité des médias autour du capteur. C’est pourquoi, nous préconisons pour les étalonnages spécifiques à l’espèce qui convertissent la sortie des capteurs volumétriques bois-eau contenu^5,21.

Nous présentons un protocole pour un étalonnage spécifique à l’espèce convertir la sortie capacité du capteur à teneur en eau volumétrique du bois. Instructions pour l’installation de capteurs de capacitance en arbres matures sur le terrain et une analyse des forces, des faiblesses et des hypothèses de la méthode sont également fournis. Ces techniques visent à contrôler la teneur en eau volumétrique dans le coffre, le plus grand arbre eau stockage réservoir⁸, mais peuvent être facilement étendues à l’arbre tout entier avec l’installation de capteurs supplémentaires le long des branches. Mesures de teneur en eau plante dynamique fera progresser les domaines de l’hydrodynamique de la végétation, biométéorologie et modélisation de la surface terrestre.

Protocol

1. choisir un arbre pour l’Instrumentation Sélectionner les arbres pour la mesure. Idéalement, sélectionnez les arbres qui sont en bonne santés avec une coupe transversale de tige généralement rond et un diamètre entre 1 – 2 fois la longueur de la tige, ou aubier épaisseur supérieure à la longueur des dents capteur (~ 5 cm pour les capteurs spécifiques capacitance démontré ici). Mesurez la profondeur de l’aubier à l’aide de carottes, ou pour de nombreuses espèces, calculer la profondeur d…

Representative Results

Dans cette section, nous présentons des données d’étalonnage pour cinq espèces d’arbres forestiers est commune, suivies d’une analyse détaillée des mesures sur le terrain de stockage de tige-eau chez trois individus Acer rubrum pendant la saison de croissance de 2016. Courbes d’étalonnage ont été générés pour Acer rubrum, Betula papyrifera, Pinus strobus, Populus grandidentata et Quercus rubra (Figure 1). Pentes …

Discussion

Tendances saisonnières et diurnes tige de teneur en eau observée par l’intermédiaire de capteurs s’aligner sur les tendances dans le flux de sève simultanées de capacitance et environnemental obligeant les mensurations (Figure 3, Figure 4, , Figure 5). Réservoirs de stockage de l’eau de tige sont épuisées pendant le jour quand le rythme de transpiration dépasse le taux de recharge à…

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