För kalibrering och användning av kapacitans sensorer för att övervaka Stem vatteninnehåll i träd

Summary

Den hydrauliska kapacitansen av biomassa är en nyckelkomponent i vegetation vatten budgeten, som fungerar som en buffert mot kort- och långsiktiga torka påfrestningar. Här presenterar vi ett protokoll för kalibrering och användning av markfuktighet kapacitans sensorer för att övervaka vatteninnehåll i stjälkarna av stora träd.

Abstract

Vattentransport och lagring genom mark-växt-atmosfär kontinuum är kritisk till terrestrial vattnets kretslopp, och har blivit ett stort forskningsområde fokus. Biomassa kapacitans spelar en viktig roll i att undvika hydrauliska njurfunktion och transpiration. Hög temporal upplösning mätningar av dynamiska förändringar i den hydrauliska kapacitansen av stora träd är dock sällsynta. Här presenterar vi förfaranden för kalibrering och användandet av kapacitans sensorer, vanligtvis används för att övervaka markens vattenhalt för att mäta halten volymetriska i träd i fältet. Frekvens domain reflectometry stil observationer är känsliga för tätheten av media som studeras. Det är därför nödvändigt att utföra artspecifika kalibreringar att konvertera från sensor-rapporterade värden för dielektriska Dielektricitetskonstant till volymetrisk vattenhalt. Kalibrering utförs på en skördade grenen eller stammen är skuren i segment som är torkat eller åter hydratiserade för att producera ett komplett utbud av vatteninnehåll som används för att generera en bästa passning regression med sensor observationer. Sensorer infogas i kalibrering segment eller installerade i träd efter förborrning hål till en tolerans som passar med en fabricerade mall för att säkerställa korrekt borr justering. Särskild försiktighet vidtas för att se till att sensorn pinnar bra kontakt med omgivande media, samtidigt som dem att införas utan överdriven kraft. Volymetrisk vatten innehåll dynamics observerade via metoden presenteras justera med sap Flödesmätningarna inspelade med thermal skingra tekniker och tvingar miljödata. Biomassa vattenhalt data kan användas för att följa uppkomsten av vattenstress, torka respons och återhämtning, och har potential att användas till kalibrering och utvärdering av nya anläggningsnivå hydrodynamik modeller, liksom till en uppdelning av distans kände fukt produkter i ovan- och belowground komponenter.

Introduction

Vatten lagras i växtmaterial spelar en viktig roll i växternas förmåga att klara av kort – och långsiktiga vatten stress^1,2. Växter lagra vatten i rötter, stjälkar och blad i både intracellulär och extracellulär (t.ex. xylem fartyg) utrymmen ^2,3,4. Detta vatten har visat sig bidra med mellan 10 och 50% av under inträffad vatten^2,5,6,7,8. Som sådan, växt hydrauliska kapacitans är en nyckelkomponent i den terrestrial bevattnar balansen, kan användas som en indikator för vattenstress och torka svar återställning¹och är en kritisk faktor för att korrigera för observerade tidsförskjutningar mellan transpiration och sap flöde^9,10,11. Realtidsövervakning av vegetation vattenhalt kan också användas i jordbruket för att begränsa orchard och beskära bevattning för att öka vattning effektivitet^12,13. Men mätningar av kontinuerlig, in situ- stam-vatten innehåll vedartade arter^{7,14,15,16,17,18, 19} är sällsynta i förhållande till sap flux mätningar²⁰. Här beskriver vi ett förfarande för kalibrering av kapacitans sensorer övervaka halten volymetriska inom stjälkarna av träd^5,21.

Hydrodynamiska beteenden och vattenanvändning förordning av vegetation är en integrerad del av den mark-växt-atmosfär kontinuum^22,23 och är därför viktiga kontroller för vatten och kol flödena mellan den biosfären och atmosfär^24,25. Dynamiken i stem vatteninnehåll påverkas av både biotiska och abiotiska faktorer. Utarmningen och påfyllning av stem-lagras vatten påverkas av kort – och långsiktiga trender i miljöförhållanden, i synnerhet ångtryck underskott och jord vatten innehåll^1,26. De fysiska egenskaperna hos trä²⁷ (t.ex., densitet, fartygets struktur) och framväxande hydrauliska strategi²⁵ (t exiso- eller anisohydric stomatala förordning) fastställa en växtens förmåga att lagra och använda vatten ^{19 , 26 , 28}, och kan variera kraftigt av arter^29,30. Tidigare studier har visat olika roller för kapacitans i tropiska^{16,27,31,32,33} och tempererade^{5,7 ,21} arter, och i båda blomväxter^1,2,34 och gymnospermer^6,11,17,19.

Förbättrad kunskap om biomassa vatteninnehåll kommer att förbättra förståelsen av vegetation strategier för vatten förvärv och Använd^1,2, tillsammans med arters sårbarhet för förutsedda förändringar i nederbörd regimer^{35 ,36}. Vidare förståelse av växten vattenanvändning strategier hjälper förutsäga skiftande demografiska mönster under framtida klimatförändringar scenarier^37,38. Genom modell-data fusion tekniker³⁹, stem vatteninnehåll data som erhålls med denna metod kan användas för att informera och testa skalbara, växt-nivå hydrodynamik modeller^{40,41, 42,43,44} för att förbättra beräkningarna av stomatala konduktans och därmed simuleringar av både transpiration och photosynthetic carbon upptag. Dessa avancerade hydrodynamiska modeller kan ge en betydande minskning i osäkerhet och fel när införlivas med större mark-yta och Earth system modeller^{25,45,46, 47,48}.

Metoder som används för att övervaka eller beräkna stammen vatteninnehåll inkluderar träd coring^33,49, elektroniska dendrometers^2,15,50, elektriskt motstånd ⁵¹, gamma strålning dämpning⁵², deuterium spårämnen¹⁹, nätverk av sap flux sensorer^32,33,53, hejda psykrometrar⁴⁹, och amplitud¹¹ och tid^4,12,13 domain reflectometry (TDR). Insatser nyligen har testat livskraft kapacitans sensorer som traditionellt har använts för att mäta markens volymetriska vatten innehåll^5,18,21,27. Frekvens domain reflectometry (FRD)-stil kapacitans sensorer är låg kostnad och använder relativt små mängder energi för kontinuerliga mätningar, vilket gör dem till ett attraktivt verktyg för hög temporal upplösning mätningar i fält scenarier. Enkel automatisering av FDR över TDR-stil sensorer underlättar insamling av kontinuerlig solen timme datauppsättningar och eliminerar många av utmaningarna som är inneboende i TDR mätningar som kräver betydande kabellängder¹³. Användning av in situ – kapacitans sensorer eliminerar behovet av repetitiva coring eller gren skörd, och kan ge förbättrad noggrannhet för hardwood arter.Vedartade arter som huvudsakligen frånträda extracellulära utrymmen, såsom xylem fartyg, vatten eller har hög trä eller bark moduli av elasticitet, är i allmänhet inte bra kandidater för populära dendrometer mätteknik låg elastisk stem expansionen ². kapacitans sensorer uppskatta dielektriska dielektricitetskonstant, som direkt kan omvandlas till volymetrisk vatteninnehåll. Kapacitans mätning är dock känsliga för tätheten av media kring sensorn. Därför förespråkar vi för artspecifika kalibreringar som konvertera utdata från sensorerna till volymetrisk trä-vatten innehåll^5,21.

Vi presenterar ett protokoll för en artspecifik kalibrering konvertera kapacitans sensor utdata till volymetrisk vattenhalten i trä. Även finns instruktioner för fältinstallation av kapacitans sensorer i mogna träd och en diskussion om metodens styrkor, svagheter och antaganden. Dessa tekniker är utformade för att övervaka volymetriska vatteninnehåll i stammen, den största träd vatten lagring behållare⁸, men kan enkelt expanderas till hela trädet med installation av ytterligare sensorer längs grenarna. Mätningar av dynamiska växt vatteninnehåll kommer förväg fälten vegetation hydrodynamik, biometeorology och markytan modellering.

Protocol

1. Välj ett träd för Instrumentation Välj träd för mätning. Idealiskt, Välj träd som är friska med ett allmänt runda stammen tvärsnitt och en diameter mellan 1 – 2 gånger längden tine eller ytved djup större än längden på sensorn pinnarna (~ 5 cm för specifika kapacitans sensorer visat här). Mäta djupet av ytveden använder träd kärnor, eller för många arter, beräkna splintveden djup genom allometrisk ekvationer rör splintveden område för att hejda diameter 29</s…

Representative Results

I det här avsnittet presenterar vi kalibreringsdata för fem vanliga trädslag i östra skog, följt av en detaljerad analys av fältmätningar av stem-vatten lagring i tre Acer rubrum individer under säsongen 2016 växande. Kalibreringskurvorna genererades för Acer rubrum, Betula papyrifera, Pinus strobus, Populus grandidentata, och Quercus rubra (figur 1). Sluttningarna av kurvorna skilde sig så mycket som 97,7% för P. gr…

Discussion

Säsongsbetonade och dagaktiva mönster i stem vattenhalt observerade via kapacitans sensorer justeras med trender i samtidiga sap flux och miljö tvingar mätningar (figur 3, figur 4, figur 5). Reservoarer av stem vatten lagring är utfiskade under när takten i transpiration överträffar andelen ladda batterierna genom woody vävnader och säsongsmässigt när markfuktighet begränsar rot-vatte…

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