Kalibrering og bruk av kapasitans sensorer for å overvåke Stem vanninnhold i trær

Summary

Den hydrauliske kapasitans av biomasse er en viktig del av vegetasjon vann budsjettet, som fungerer som en buffer mot kort og lang sikt tørke påkjenninger. Her presenterer vi en protokoll for kalibreringen og bruk av fuktighet i jorda kapasitans sensorer for å overvåke vanninnhold i stammer av høye trær.

Abstract

Vanntransport og lagring gjennom jord-anlegget-atmosfære kontinuum er avgjørende for bakkesendt vannets kretsløp, og har blitt en stor forskning fokusere område. Biomasse kapasitans spiller en vesentlig rolle i unngåelse av hydraulisk verdifall til transpirasjon. Imidlertid er timelige høyoppløselig målinger av dynamiske endringer i den hydrauliske kapasitans store trær sjeldne. Her presenterer vi prosedyrer for kalibreringen og bruk av kapasitans sensorer, vanligvis brukes til å overvåke jord vanninnhold, for å måle volumetriske vanninnholdet i trærne i feltet. Frekvens domene reflectometry stil observasjoner er følsomme for tettheten av media blir studert. Derfor er det nødvendig å utføre artsspesifikke kalibreringer konvertere fra sensoren rapporterte verdiene for dielektrisk permittivity til volumetriske vanninnhold. Kalibrering utføres på en høstet armen eller stilk skåret i segmenter som er tørket eller nytt hydrert for å produsere en hel rekke vann innholdet brukes til å generere en regresjonslinje regresjon med sensor observasjoner. Sensorer er satt inn i kalibrering segmenter eller installert i trær etter pre bore hull til en toleranse passer bruker en fabrikkert mal for å sikre riktig drill justering. Forsiktighet er tatt for å sikre at sensoren tinder gjøre god kontakt med omkringliggende media, mens de kan settes inn uten overdreven kraft. Volumetrisk vann innhold dynamics observert via presentert metodikken justere med sap flyt mål registrert bruker thermal spre teknikker og tvinge miljødata. Biomasse vann innholdsdata kan brukes til å observere utbruddet av vannressursene, tørke respons og utvinning, og har potensial til å brukes til kalibrering og evaluering av nye anlegg nivå hydrodynamikk modeller, samt partisjonering av eksternt sensed fuktighet produkter i over- og belowground komponenter.

Introduction

Vann lagret i plantemateriale spiller en vesentlig rolle i anleggene evne til å håndtere kort – og langsiktige vann stress^1,2. Planter lagre vann i røtter, stilk, og blader i både intracellulær og ekstracellulære (f.eks vedvev fartøy) mellomrom ^2,3,4. Dette vannet har vist å bidra mellom 10 og 50% av diurnally frem vann,^2,,^5,,^6,,^7,,⁸. Slik plant hydraulisk kapasitans er en viktig del av terrestriske vann balansen, kan brukes som en indikator på vannressursene, tørke respons og utvinning¹og er en kritisk faktor nødvendig å korrigere observert etterslep mellom transpirasjon og sap flyt^9,10,11. Real-Time overvåkning av vegetasjon vanninnhold kan også brukes i landbruket for å begrense orchard og beskjære vanning for å øke vanning effektivitet^12,13. Imidlertid målinger av kontinuerlig, på plass stilk-vannet innholdet av woody arter^{7,14,15,16,17,18, 19} er sjeldne i forhold til sap flux målinger²⁰. Her skissere vi en prosedyre for kalibrering av kapasitans sensorer for å overvåke volumetriske vanninnholdet i stilkene trær^5,21.

Etter atferd og vannforbruk regulering av vegetasjon er en integrert komponent i jord-anlegget-atmosfære kontinuum^22,23 er derfor viktig kontroller for vann og karbon flukser mellom de biosfæren og atmosfæren^24,25. Dynamikken i stammen vanninnhold påvirkes av både biotiske og abiotiske faktorer. Uttømming og lade stilk lagret vann påvirkes av kort – og langsiktige trender i miljøforhold, spesielt Damptrykk underskudd og jord vann innhold^1,26. De fysiske egenskapene til de tre²⁷ (f.eks, tetthet, fartøy struktur) og emergent hydraulisk strategi²⁵ (f.eks, iso- eller anisohydric øverst regulering) bestemme et anlegg muligheten til å lagre og bruke vann ^{19 , 26 , 28}og varierer etter arter^29,30. Tidligere studier har vist ulike roller av kapasitans i tropiske^{16,27,31,32,33} og tempererte^{5,7 ,21} arter, og i begge Dekkfrøede planter^1,2,34 og gymnosperms^6,11,17,19.

Forbedret kunnskap av biomasse vanninnhold vil bedre forståelse av vegetasjon strategier for vann oppkjøp og bruke^1,2, sammen med Art sikkerhetsproblemet spådd endringer i nedbør regimer^{35 ,36}. Videre forståelse av anlegget vannbruken strategier vil bidra til å forutsi skiftende demografiske mønstre under fremtidige klimaendringer scenarier^37,38. Gjennom modelldataene fusion teknikker³⁹, stilk vanninnhold data innhentet med denne metoden kan brukes til å informere og teste skalerbare, plante-nivå hydrodynamikk modeller^{40,41, 42,43,44} for å forbedre beregninger av øverst konduktans og, dermed simuleringer av transpirasjon og fotosynteseaktiviteten karbon opptak. Disse avanserte etter modeller kan gi en betydelig reduksjon i usikkerhet og feil når innlemmet i større land-overflate og jorden systemer modeller^{25,45,46, 47,48}.

Metodene som brukes til å overvåke eller beregne stilk vanninnhold inkluderer tre coring^33,49, elektronisk dendrometers^2,15,50, elektrisk motstand ⁵¹, gamma stråling demping⁵², deuterium tracers¹⁹, nettverk av sap flux sensorer^32,33,53, stammer psychrometers⁴⁹, og amplituden¹¹ og tiden^4,12,13 domene reflectometry (TDR). Siste innsats har testet levedyktigheten til kapasitans sensorer som har tradisjonelt blitt brukt til å måle jord volumetriske vann innhold^5,18,21,27. Frekvens domene reflectometry (FRD)-stil kapasitans sensorer er lavpris og bruke relativt små mengder energi for kontinuerlig målinger, noe som gjør dem til et attraktivt verktøy for timelige høyoppløselig målinger i feltet scenarier. Enkel automatisering av FDR over TDR stil sensorer forenkler innsamling av kontinuerlig sun-Times datasett, og eliminerer mange av utfordringene som er iboende i TDR målinger som krever betydelige kabellengder¹³. Bruk av på plass kapasitans sensorer eliminerer behovet for repeterende prøvetaking eller gren høsting, og kan gi forbedret nøyaktighet for løvtre arter.Woody arter som trekke vann hovedsakelig fra ekstracellulære områder, for eksempel vedvev fartøy, eller har høy tre eller bark moduli av elastisitet, er vanligvis ikke gode kandidater for populære dendrometer måling teknikker på grunn av lav elastisk stilk utvidelse ². kapasitans sensorer anslå dielektrisk permittivity, som kan konverteres direkte til volumetriske vanninnhold. Kapasitans mål er imidlertid følsomme for tettheten av media rundt sensoren. Derfor argumentere vi for artsspesifikke kalibreringer konvertere utdataene fra sensorer til volumetriske tre-vann innhold^5,21.

Vi presenterer en protokoll for en artsspesifikke kalibrering konvertere kapasitans sensoren utgang til volumetriske vanninnholdet av tre. Også er instruksjoner for feltet installasjon av kapasitans sensorer i modne trær og en diskusjon om metodens styrker, svakheter og forutsetninger. Disse teknikkene er utviklet for å overvåke volumetriske vanninnhold i bagasjerommet, den største treet vann lagring reservoaret⁸, men kan enkelt utvides til hele treet med installasjon av ekstra sensorer langs grenene. Målinger av dynamisk anlegget vanninnhold vil avansere vegetasjon hydrodynamikk, biometeorology og land-overflate modellering.

Protocol

1. Velg et tre for Instrumentation Velg trær for måling. Ideelt sett, Velg trær som sunt med et generelt rundt stammen tverrsnitt og diameter mellom 1 – 2 ganger tine lengden eller massetetthet dyp større enn lengden på sensoren tines (~ 5 cm for bestemte kapasitans sensorer demonstrert her). Måle dybden av massetetthet med tre kjerner, eller for mange arter, beregne massetetthet dybde gjennom allometric formler knyttet massetetthet området for å demme diameter 29,<s…

Representative Results

I denne delen presenterer vi kalibreringsdataene for fem vanlige østlige skogen treslag, etterfulgt av en detaljert analyse av feltet målinger av stilk-vann lagring i tre Acer rubrum personer i 2016 vekstsesongen. Kalibrering kurver ble generert for Acer rubrum, Betula papyrifera, Pinus strobus, Populus grandidentata, og Quercus Red elefanter (figur 1). Av kurvene skilte seg med så mye som 97.7% s. grandidentata og A…

Discussion

Sesongmessige og dagaktive mønstre i stammen vanninnhold observert via kapasitans sensorer justere med trender i samtidige sap flux og miljømessige tvinge målinger (Figur 3, Figur 4, figur 5). Reservoarer stilk vann lagring er oppbrukt diurnally når tempoet av transpirasjon overgår veksten lade gjennom woody vev, og sesongen når fuktighet i jorda begrenser rot-vann tilgjengelighet<sup class=…

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