Målinger af CO2 fluxes på ikke-ideelle Eddy Covarians sites
Summary
Den præsenterede protokol bruger hvirvelkovarians metoden på ikke-typiske steder, der gælder for alle typer af kort baldakin økosystemer med begrænset område, på en i øjeblikket forplantet rodskader site i Polen. Nærmere oplysninger om måling af opsætningsregler, flux-beregninger og kvalitetskontrol og resultatanalyse er beskrevet.
Abstract
Denne protokol er et eksempel på at udnytte hvirvelkovarians (EC) teknikken til at undersøge rumligt og tidsmæssigt gennemsnitligt net Co2 flusmidler (net økosystem Production, NEP), i ikke-typiske økosystemer, på et i øjeblikket forplantet rodskader-område i Polen. Efter en tornado begivenhed, blev en forholdsvis smal “korridor” skabt i overlevende skov stande, hvilket komplicerer en sådan form for eksperimenter. Anvendelsen af andre måleteknikker, såsom kammer metoden, er endnu vanskeligere under disse omstændigheder, fordi især i begyndelsen, faldne træer og generelt stor heterogenitet af stedet giver en udfordrende platform til at udføre flux målinger og derefter til korrekt opskalere opnåede resultater. I sammenligning med EF-standard målinger, der udføres i uberørte skove, kræver tilfælde af rodskader-områder særlig opmærksomhed, når det gælder lokaliteten og dataanalysen for at sikre deres repræsentativitet. Derfor præsenterer vi her en protokol for real-time, kontinuerlig CO2 flux målinger på en dynamisk skiftende, ikke-ideel EC site, som omfatter (1) site placering og instrumentering setup, (2) flux beregning, (3) strengdata filtrering og kvalitetskontrol, og (4) Gap fyldning og netto flusmidler opdeling i co2 respiration og absorption. Den vigtigste fordel ved den beskrevne metode er, at den giver en detaljeret beskrivelse af den eksperimentelle opstilling og måle præstation fra bunden, som kan anvendes på andre rumligt begrænsede økosystemer. Det kan også ses som en liste over anbefalinger om, hvordan man håndterer ukonventionel site operation, giver en beskrivelse for ikke-specialister. Opnået kvalitet-kontrolleret, Gap fyldt, halv time værdier af net CO2, samt absorption og respiration fluxes, kan endelig samles i daglige, månedlige, sæson-eller årlige totaler.
Introduction
I dag er den mest almindeligt anvendte teknik i atmosfæren-jord økosystemet kuldioxid (CO2) udvekslings studier er hvirvelkovarians (EC) teknik1. EF-metoden har været anvendt i årtier, og omfattende beskrivelser af spørgsmål vedrørende alle de metodologiske, tekniske og praktiske aspekter er allerede blevet offentliggjort2,3,4. Sammenlignet med andre teknikker, der anvendes til lignende formål, giver EF-metoden mulighed for at opnå de rumligt og tidsmæssigt gennemsnitligt netto CO2 -strømme fra automatiske, punktmålinger, der tager hensyn til bidraget fra alle elementer i komplicerede økosystemer, i stedet for besværlige, manuelle målinger (f. eks. kammer teknikker) eller kravet om at tage mange prøver1.
Blandt land økosystemerne spiller skovene den mest betydningsfulde rolle i C-cykling, og mange videnskabelige aktiviteter har fokuseret på at undersøge deres CO2 -cyklus, kulstoflagring i træbiomasse og deres gensidige forhold til skiftende klimatiske forhold ved både direkte måling eller modellering5. Mange EF-lokaliteter, herunder en af de længste flux Records6, blev oprettet over forskellige typer af skove7. Normalt blev webstedets placering omhyggeligt valgt, før målingerne startede, med målet om det mest homogene og største område muligt. Selv om antallet af EF-målestationer i forstyrrede skovområder, såsom vind kast, stadig er utilstrækkeligt8,9,10. En af grundene er logistiske vanskeligheder ved at måle site setup og, mest af alt, et lille antal pludseligt forekommende steder. For at opnå de mest informative resultater på rodskader områder, er det afgørende at starte så hurtigt som muligt efter en sådan tilfældig begivenhed, som kan forårsage yderligere problemer. I modsætning til uberørte skovområder er ef’s målinger på rodskader-steder mere udfordrende og kan afvige fra allerede etablerede procedurer3. Da nogle ekstreme vind fænomener skaber rumligt begrænsede områder, er der behov for en velovervejet måle Stations placering og omhyggelig databehandling for at kunne udlede så meget pålidelige flux-værdier som muligt. Lignende vanskeligheder ved anvendelse af EF-metoden er forekommet (f. eks. undersøgelser udført over en lang, men smal sø), hvor målte CO2 -strømme krævede strengdata filtrering11,12 for at sikre deres geografisk repræsentativitet.
Derfor er den præsenterede protokol et eksempel på brugen af EF-metoden på ikke-typiske steder, der ikke kun er designet til rodskader-områder, men for alle andre typer af kort vegetation med det begrænsede område (f. eks. arealer beliggende mellem højere vegetationstyper). Den største fordel ved den foreslåede metode er en generel beskrivelse af komplicerede procedurer, der kræver avanceret viden, fra valg af lokalitet og instrumentering, der er sat op til det endelige resultat: et komplet datasæt af høj kvalitet CO2 Strømme. Den tekniske nyhed i måle protokollen er brugen af en unik basis konstruktion til EF-systemets placering (f. eks. stativ med en defineret højde, der er et “mini tårn” med en justerbar, elektrisk betjent mast, som gør det muligt at ændre den endelige højde på sensorer efter individuelle behov).
Protocol
Representative Results
Discussion
Denne protokol præsenterer den Eddy covarians (EC) metode, der skal anvendes på ikke-ideelle steder (her en beplantet rodskader site): site placering og måling infrastruktur setup, netto Co2 flusmidler beregning og efter behandling, samt nogle spørgsmål vedrørende Gap fyldning og flusmidler partitionering procedurer.
Selv om EF-teknikken almindeligvis anvendes på mange målesteder rundt om i verden, er de fleste af dem ikke-forstyrrede økosystemer, hvor designet og følgende…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denne forskning blev støttet af finansiering fra Generaldirektoratet for statens skove, Warszawa, Polen (projekt LAS, no eller-2717/27/11). Vi vil gerne udtrykke vores taknemmelighed over for hele forskningsgruppen fra Institut for meteorologi, Poznan University of Life Sciences, Polen, involveret i denne protokol gennemførelse og deres hjælp under oprettelsen af sin visuelle version.
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).
