قياسات تدفقات ثاني أكسيد الكربون في مواقع التباين المشترك غير المثالية
Summary
ويستخدم البروتوكول المعروض طريقة التباين المشترك الدوامة في مواقع غير نموذجية، تنطبق على جميع أنواع النظم الإيكولوجية ذات المظلة القصيرة ذات المساحة المحدودة، في موقع لإلقاء الرياح أعيد تشجيره حاليا في بولندا. يتم وصف تفاصيل قياس قواعد إعداد الموقع، وحسابات التدفق ومراقبة الجودة، وتحليل النتائج النهائية.
Abstract
وهذا البروتوكول مثال على استخدام تقنية التباين المشترك (EC) للتحقيق في متوسط تدفقات ثاني أكسيد الكربون الصافية من الناحيتين المكانية والزمنية (صافي إنتاج النظم الإيكولوجية، NEP)، في النظم الإيكولوجية غير النموذجية، في منطقة رمي الرياح المعاد تشجيرها حالياً في بولندا. بعد حدث اعصار، تم إنشاء “ممر” ضيق نسبيا داخل المدرجات الغابات الباقين على قيد الحياة، مما يعقد هذا النوع من التجارب. تطبيق تقنيات القياس الأخرى، مثل طريقة الغرفة، هو أكثر صعوبة في ظل هذه الظروف، لأنه خاصة في البداية، والأشجار التي سقطت وبشكل عام عدم تجانس كبير من الموقع توفر منصة صعبة لأداء قياسات التدفق ومن ثم إلى النتائج الراقية بشكل صحيح. وبالمقارنة مع القياسات القياسية التي أجريت في الغابات التي لم يمسها أحد، تتطلب حالة مناطق رمي الرياح اهتماما خاصا عندما يتعلق الأمر بموقع الموقع وتحليل البيانات من أجل ضمان تمثيلها. لذلك، نقدم هنا بروتوكول من القياسات في الوقت الحقيقي، وتدفقات CO2 المستمر في موقع EC متغير بشكل حيوي، غير مثالي، والذي يتضمن (1) موقع الموقع وإعداد الأجهزة، (2) حساب التدفق، (3) تصفية البيانات الصارمة و مراقبة الجودة، و (4) ملء الفجوة وصافي التدفقات تقسيم إلى ثاني أكسيد الكربون التنفس والامتصاص. والميزة الرئيسية للمنهجية الموصوفة هي أنها تقدم وصفا مفصلا لأداء الإعداد والقياس التجريبيين من الصفر، يمكن تطبيقه على النظم الإيكولوجية الأخرى المحدودة من الناحية المكانية. ويمكن أيضا أن ينظر إليها على أنها قائمة من التوصيات بشأن كيفية التعامل مع تشغيل المواقع غير التقليدية، وتوفير وصف لغير المتخصصين. يمكن تجميع القيم التي تم التحقق منها منحيث الجودة، وملء الفجوة، ونصف ساعة من صافي CO 2، فضلا عن تدفقات الامتصاص والتنفس، في نهاية المطاف في المجاميع اليومية أو الشهرية أو الموسمية أو السنوية.
Introduction
في الوقت الحاضر، والتقنية الأكثر شيوعا في الغلاف الجويالأرض النظام الإيكولوجي ثاني أكسيد الكربون (CO 2) دراسات التبادل هو الدوامة covariance (EC) تقنية1. وقد استخدمت طريقة الجماعة الأوروبية لعقود، وقد نشرت بالفعل وصف شامل للقضاياالمتعلقة بجميع الجوانب المنهجية والتقنية والعملية 2،3،4. وبالمقارنة مع التقنيات الأخرى المستخدمة لأغراض مماثلة، تسمح طريقة الجماعة الأوروبية بالحصول على التدفقات الصافية لثاني أكسيد الكربون 2 المتوسطة مكانياً وزمنياً من القياسات التلقائية والنقاط التي تنظر في مساهمة جميع العناصر في حالات معقدة النظم الإيكولوجية، بدلا من القياسات اليدوية شاقة (على سبيل المثال، تقنيات الغرفة) أو شرط أخذ العديد من العينات1.
ومن بين النظم الإيكولوجية للأراضي، تؤدي الغابات أهم دور في ركوب الدراجات في الجبال، وقد ركزت العديد من الأنشطة العلمية على دراسة دورة ثاني أكسيد الكربون، وتخزين الكربون في الكتلة الأحيائية الخشبية، وعلاقاتها المتبادلة مع الظروف المناخية المتغيرة عن طريق: كل من القياسالمباشر أو النمذجة 5. العديد من مواقع المفوضية الأوروبية،بما في ذلك واحدة من أطول سجلات تدفق 6، تم إعداد فوق أنواع مختلفة من الغابات7. عادة، تم اختيار موقع الموقع بعناية قبل بدء القياسات، بهدف أكثر المناطق تجانسا وأكبر هادى. على الرغم من أن، في مواقع الغابات المضطربة، مثلالرياح، وعدد محطات قياس EC لا تزال غير كافية 8،9،10. وأحد الأسباب هو الصعوبات اللوجستية في قياس إعداد الموقع، والأهم من ذلك كله، وجود عدد صغير من المواقع التي تظهر فجأة. من أجل الحصول على النتائج الأكثر إفادة في مناطق رمي الرياح، من الأهمية بمكان أن تبدأ في أقرب وقت ممكن بعد مثل هذا الحدث العرضي، والتي قد تسبب مشاكل إضافية. وعلى النقيض من المواقع الحرجية التي لم يمسها أحد، فإن قياسات الجماعة الأوروبية في مواقع رمي الرياح أكثر صعوبة ويمكن أن تحيد عن الإجراءات المعمول بها بالفعل3. وبما أن بعض ظواهر الرياح الشديدة تخلق مناطق محدودة من الناحية المكانية، فإن هناك حاجة إلى موقع محطة قياس مدروسة ومعالجة دقيقة للبيانات من أجل استخلاص أكبر قدر ممكن من قيم التدفق الموثوق بها. وقد حدثت صعوبات مماثلة في تطبيق طريقة الجماعة الأوروبية (على سبيل المثال، دراسات الانتهاء التي أجريت فوق بحيرة طويلة ولكنها ضيقة) حيث تتطلب تدفقات ثاني أكسيد الكربون المقاسة تصفية البيانات الصارمة11،12 من أجل ضمان التمثيل المكاني.
ومن ثم، فإن البروتوكول المعروض هو مثال على استخدام طريقة الجماعة الأوروبية في مواقع غير نموذجية، لا مصممة فقط لمناطق رمي الرياح، بل لجميع الأنواع الأخرى من النباتات القصيرة ذات المساحة المحدودة (مثل الأراضي الزراعية الواقعة بين أنواع النباتات الأطول). وتتمثل أكبر ميزة في المنهجية المقترحة في وصف عام للإجراءات المعقدة، التي تتطلب معرفة متقدمة، من اختيار الموقع والأجهزة التي تم إعدادها إلى النتيجة النهائية: مجموعة بيانات كاملة من ثاني أكسيد الكربون عالي الجودة2 تدفقات. الجدة التقنية لبروتوكول القياس هو استخدام بناء قاعدة فريدة من نوعها لوضع نظام المفوضية الأوروبية (على سبيل المثال، ترايبود مع ارتفاع محدد هو “برج صغير” مع الصاري قابل للتعديل، تعمل كهربائيا، مما يسمح بتغيير الارتفاع النهائي لل أجهزة الاستشعار وفقا للاحتياجات الفردية).
Protocol
Representative Results
Discussion
يعرض هذا البروتوكول طريقة التباين المشترك الدوامة (EC) لاستخدامها في المواقع غير المثالية (هنا موقع رمي الرياح المعاد تشجيره): موقع الموقع وقياس إعداد البنية التحتية، صافي ثاني أكسيد الكربون التدفقات الحسابية وما بعد المعالجة، فضلا عن بعض القضايا المتعلقة سد الفجوة والتدفقات تقسيم ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وقد تم دعم هذا البحث بتمويل من المديرية العامة للغابات الحكومية، وارسو، بولندا (مشروع جامعة الدول العربية، رقم OR-2717/27/11). ونود أن نعرب عن امتناننا لفريق البحوث بأكمله من قسم الأرصاد الجوية، جامعة بوزنان لعلوم الحياة، بولندا، الذي شارك في تنفيذ هذا البروتوكول ولمساعدتهم أثناء إنشاء نسخته البصرية.
Materials
| Adjustable mast with metal rails and electric engine (24 V) | maszty.net | – | Alternative basic construction. To be designed and made by professionals |
| EddyPro | LI-COR, Inc. | ver. 6.2.0. | Free commercial software for fluxes calculation. Available on a website: https://www.licor.com/env/products/eddy_covariance/software.html, on request |
| Enclosed-path infrared gas analyzer | LI-COR, Inc. | LI-7200 | One of two instruments of the eddy covariance system (EC) used for CO2 fluxes measurements. Other types of fast analyzers (>10Hz sampling frequency) can be used |
| REddyProc | – | – | Free software for EC fluxes gap filling and partitioning. Available on Max Planck Institute for Biogeochmistry: https://www.bgc-jena.mpg.de/bgi/index.php/Services/REddyProcWeb. Both online tool and R package are provided. |
| Short aluminum tower base with concrete foundation | maszty.net | – | Alternative basic construction (pioneering solution). To be designed and made by professionals |
| Sonic anemometer | Gill Instruments | Gill Windmaster | One of two instruments of the eddy covariance system (EC) used for wind speed measurements. Other types of three-dimensional sonic anemometers can be used |
| Stainless-steel tripod | Campbel Scientific, Inc. | CM110 10 ft | The basic construction for eddy covariance (EC) system. Can be constructed by yourself- materials to be found in a hardware store |
| Sunshine sensor | Delta-T Devices Ltd. | BF5 | One of the exemplary instruments for photosynthetic photon flux density measurements (PPFD). To be bought from several commercial companies. Remember to place it above the canopy, far from reflective surfaces. |
| Thermistors | Campbel Scientific, Inc. | T107 | One of the exemplary instruments for soil temperature measurements. To be bought from several commercial companies. It is advisable to have a profile of soil temperature |
| Thermohygrometer | Vaisala Oyj | HMP155 | One of the exemplary instruments for air temperature and humidity measurements. To be bought from several commercial companies. Remember to place it inside radiation shield at similar height as the EC system. |
References
- Baldocchi, D. Measuring fluxes of trace gases and energy between ecosystems and the atmosphere – the state and future of the eddy covariance method. Global Change Biology. 20, 3600-3609 (2014).
- Aubinet, M., et al. Estimates of the annual net carbon and water exchange of European forests: the EUROFLUX methodology. Advances in Ecological Research. 30, 113-174 (2000).
- Aubinet, M., Vesala, T., Papale, D. . A practical guide to measurements and Data Analysis. , (2012).
- Burba, G. . Eddy Covariance Method for: Scientific, Industrial, Agricultural, and Regulatory Applications. A Field Book on Measuring Ecosystem Gas Exchange and Areal Emission Rates. , (2013).
- Pan, Y., et al. A Large and Persistent Carbon Sink in the World’s Forests. Science. 333, 988-993 (2011).
- Wofsy, S. C., et al. Net exchange of CO2 in a midlatitude forest. Science. 260 (5112), 1314-1317 (1993).
- Luyssaert, S., et al. CO2 balance of boreal, temperate, and tropical forests derived from a global database. Global Change Biology. 13, 2509-2537 (2007).
- Knohl, A., et al. Carbon dioxide exchange of a Russian boreal forest after disturbance by wind throw. Global Change Biology. 8, 231-246 (2002).
- Lindauer, M., et al. Net ecosystem exchange over a non-cleared wind-throw-disturbed upland spruce forest-Measurements and simulations. Agricultural and Forest Meteorology. 197, 219-234 (2014).
- Schulze, E. D., et al. Productivity of forests in the Eurosiberian boreal region and their potential to act as a carbon sink – a synthesis. Global Change Biology. 5, 703-722 (1999).
- Mammarella, I., et al. Carbon dioxide and energy fluxes over a small boreal lake in Southern Finland. Journal of Geophysical Research-Biogeosciences. 120, 1296-1314 (2015).
- Vesala, T., et al. Eddy covariance measurements of carbon exchange and latent and sensible heat fluxes over a boreal lake for a full open water period. Journal of Geophysical Research-Biogeosciences. 111, 1-12 (2006).
- Burba, G., Anderson, D. . A brief practical guide to Eddy Covariance Flux Measurements. Principles and workflow examples for scientific and industrial applications. , (2010).
- Businger, J. Evaluation of the accuracy with which dry deposition could be measured with current micrometeorological techniques. Journal of Applied Meteorology and Climatology. 25, 1100-1124 (1986).
- . Eddy Pro Software Instruction Manual Available from: https://www.licor.com/documents/1ium2zmwm6hl36yz9bu4 (2017)
- Wilczak, J. M., Oncley, S. P., Stage, S. A. Sonic anemometer tilt correction algorithms. Boundary-Layer Meteorology. 99, 127-150 (2001).
- Foken, T., Lee, X., et al. Post-field quality control. Handbook of Micrometeorology: A Guide for Surface Flux Measurements. , (2004).
- Kljun, N., Rotach, M. W., Schmid, H. P. A three-dimensional backward Lagrangian footprint model for a wide range of boundary-layer stratifications. Boundary Layer Meteorology. 103, 205-226 (2002).
- Foken, T., Wichura, B. Tools for quality assessment of surface-based flux measurements. Agricultural and Forest Meteorology. 78, 83-105 (1996).
- Mauder, M., Foken, T. Impact of post-field data processing on eddy covariance flux estimates and energy balance closure. Meteorologische Zeitschrift. 15, 597-609 (2006).
- Gu, L., et al. Objective threshold determination for nighttime eddy flux filtering. Agricultural and Forest Meteorology. 128 (3-4), 179-197 (2005).
- Papale, D., et al. Towards a standardized processing of Net Ecosystem Exchange measured with eddy covariance technique: algorithms and uncertainty estimation. Biogeosciences. 3 (4), 571-583 (2006).
- Barr, A. G., et al. Interannual variability in the leaf area index of a boreal aspen-hazelnut forest in relation to net ecosystem production. Agricultural and Forest Meteorology. 126, 237-255 (2004).
- Krishnan, P., Black, T. A., Jassal, R. S., Chen, B., Nesic, Z. Interannual variability of the carbon balance of three different-aged Douglas-fir stands in the Pacific Northwest. Journal of Geophysical Research. 114, 1-18 (2009).
- Reichstein, M., et al. On the separation of net ecosystem exchange into assimilation and ecosystem respiration: Review and improved algorithm. Global Change Biology. 11, 1424-1439 (2005).
- Falge, E., et al. Gap filling strategies for defensible annual sums of net ecosystem exchange. Agricultural and Forest Meteorology. 107, 43-69 (2001).
- Ooba, M., Hirano, T., Mogami, J. I., Hirata, R., Fujinuma, Y. Comparisons of gap-filling methods for carbon flux dataset: A combination of a genetic algorithm and an artificial neural network. Ecological Modelling. 198, 473-486 (2006).
- Papale, D., Valentini, R. A new assessment of European forests carbon exchanges by eddy fluxes and artificial neural network spatialization. Global Change Biology. 9, 525-535 (2003).
- Baldocchi, D. D., Vogel, C. A., Hall, B. Seasonal variation of carbon dioxide exchange rates above and below a boreal jack pine forest. Agricultural and Forest Meteorology. 83, 147-170 (1997).
- Lloyd, J., Taylor, J. On the Temperature Dependence of Soil Respiration. Functional Ecology. 8, 315-323 (1994).
- Lasslop, G., et al. Separation of net ecosystem exchange into assimilation and respiration using a light response curve approach: critical issues and global evaluation. Global Change Biology. 16, 187-208 (2010).
- Kljun, N., Calanca, P., Rotach, M. W., Schmid, H. P. A simple two-dimensional parameterisation for Flux Footprint Prediction (FFP). Geoscientific Model Development. 8, 3695-3713 (2015).
