מדידות של CO2 פלוסים באתרים לא אידיאליים של אדי השונות המשותפת
Summary
הפרוטוקול המוצג משתמש בשיטת אדי השונות המשותפת במקומות שאינם טיפוסיים, החלים על כל סוגי המערכות האקולוגיות הקצרות עם השטח המוגבל, באתר מיוער הנוכחי בפולין. פרטים על מדידת כללי הגדרת האתר, חישובי השטף ובקרת איכות וניתוח תוצאות סופי, מתוארים.
Abstract
פרוטוקול זה הוא דוגמה לניצול הטכניקה של אדי השונות המשותפת (EC) כדי לחקור מרחב ו-באופן זמני הממוצע נטו CO2 פלקסים (הייצור נטו האקולוגית, nep), במערכת האקולוגית הלא אופיינית, על האזור מיוער כרגע מחדש בפולין. לאחר אירוע טורנדו, “פרוזדור” צר יחסית נוצר בתוך דוכני היער ששרדו, אשר מסבך סוג כזה של ניסויים. היישום של טכניקות מדידה אחרות, כגון השיטה הקאמרית, קשה אף יותר בנסיבות אלה, כי במיוחד בהתחלה, בעצים שנפלו ובטרוגניות הגדול של האתר מספקים פלטפורמה מאתגרת לבצע מדידות השטף ואז מפואר כראוי השיגו תוצאות. בהשוואה למדידות EC סטנדרטיות שבוצעו ביערות ללא שינוי, המקרה של אזורי הרוח דורש שיקול מיוחד כשמדובר במיקום האתר ובניתוח נתונים על מנת להבטיח את הייצוג שלהם. לכן, כאן אנו מציגים פרוטוקול של בזמן אמת, רציף2 מדידות השטף באתר שינוי דינמי, לא אידיאלי EC, אשר כולל (1) מיקום האתר והתקנת מכשור, (2) השטף חישוב, (3) סינון נתונים קפדני ו בקרת איכות, ו (4) מילוי הפער ו פלקסים נטו לחלוקה לתוך CO2 נשימה וקליטה. היתרון העיקרי של המתודולוגיה המתוארת הוא כי הוא מספק תיאור מפורט של ההתקנה הניסיונית וביצועי המדידה מאפס, אשר ניתן להחיל על מערכות אקולוגיות אחרות מוגבלות. זה יכול להיות גם לצפות כרשימה של המלצות על איך להתמודד עם הפעולה באתר לא שגרתי, מתן תיאור של שאינם מומחים. מושגת באיכות מלאה, הפער מלא, ערכי חצי שעה של net CO2, כמו גם הקליטה ואת fluxes נשימה, ניתן לצבור בסופו של דבר מדי יום, חודשי, עונתי או שנתי הסכומים.
Introduction
כיום, הטכניקה הנפוצה ביותר בשימוש האטמוספירה-קרקע האקולוגית פחמן דו חמצני (CO2) לימודי החליפין הוא המשותף אדי המשותפת (EC) טכניקה1. השיטה EC שימש עשרות שנים, ותיאורים מקיפה של סוגיות הנוגעות לכל ההיבטים מתודולוגיים, טכניים ומעשיים כבר פורסמו2,3,4. לעומת טכניקות אחרות המשמשות למטרות דומות, שיטת ה-EC מאפשר להשיג את מרחב ואת הממוצע באופן זמני net CO2 פלקסים מ אוטומטי, מדידות נקודה כי לשקול את התרומה של כל האלמנטים מסובכים מערכות אקולוגיות, במקום מדידות מפרך, ידניות (למשל, טכניקה קאמרית) או הדרישה לקחת דגימות רבות1.
בין מערכות אקולוגיות קרקע, יערות לשחק את התפקיד המשמעותי ביותר ב-C אופניים ופעילויות מדעיות רבות התמקדו בחקירת מחזור CO2 שלהם, שמירת פחמן ביומסה וודי וקשרים הדדית שלהם עם תנאי אקלים שינוי על ידי מדידה ישירה או מידול5. אתרי EC רבים, כולל אחת מרשומות השטף הארוך ביותר6, הוגדרו לעיל סוגים שונים של יערות7. בדרך כלל, מיקום האתר נבחר בקפידה לפני תחילת המדידות, עם המטרה של האזור הומוגנית והגדול ביותר האפשרי. למרות, באתרי היער המופרע, כגון windthrows, מספר תחנות מדידה טק עדיין לא מספיק8,9,10. אחת הסיבות לכך היא קשיים לוגיסטיים במדידת הגדרת האתר, ומעל לכל, מספר קטן של הופעה פתאומית של מיקומים. על מנת לקבל את התוצאות האינפורמטיביות ביותר באזורים windthrow, זה חיוני להתחיל בהקדם האפשרי לאחר אירוע כזה מקרי, אשר עלול לגרום לבעיות נוספות. בניגוד לאתרי היער שאינם נגועים, מדידות ה-EC באתרי הרוח מאתגרות יותר ויכולים לסטות מהליכים שכבר נקבעו3. מאז כמה תופעות הרוח קיצוניים ליצור אזורים מוגבלים מרחב, יש צורך במיקום מתחשב תחנת מדידה ועיבוד נתונים זהירים כדי לגזור ערכי השטף אמין הרבה ככל האפשר. קשיים דומים ביישום השיטה EC אירעו (למשל, לסיים את המחקרים שבוצעו מעל אגם ארוך אך צר) שבו נמדד שיתוף2 פלקסים נדרש סינון נתונים קפדניים11,12 כדי להבטיח את ייצוג מרחבי.
לפיכך, הפרוטוקול המוצג הוא דוגמה לשימוש בשיטת ה-EC במיקומים שאינם טיפוסיים, המיועדים לא רק לאזורי הרוח, אלא לכל סוגי הצמחייה הקצרה עם השטח המוגבל (למשל, מקומות הקרופלדים המצויים בין סוגי צמחייה גבוהים). היתרון הגדול ביותר של המתודולוגיה המוצעת הוא תיאור כללי של הליכים מסובכים, המחייב ידע מתקדם, מתוך בחירה ומכשור מיקום האתר המוגדר לתוצאה הסופית: ערכת נתונים מלאה של CO באיכות גבוהה2 פלקסים. החידוש הטכני של פרוטוקול המדידה הוא השימוש בבניית בסיס ייחודי עבור מיקום המערכת EC (למשל, חצובה עם גובה מוגדר כי הוא “מיני מגדל” עם תורן מתכוונן, מופעל חשמלית, המאפשר לשנות את הגובה הסופי של חיישנים בהתאם לצרכים האישיים).
Protocol
Representative Results
Discussion
פרוטוקול זה מציג את שיטת אדי השונות המשותפת (EC) כדי לשמש באתרים שאינם אידיאליים (כאן אתר windthrow יוער מחדש): מיקום האתר ומדידת הגדרת תשתית, net CO2 מיחשוב ולאחר עיבוד, כמו גם כמה בעיות לגבי מילוי פערים ו פלקסים הליכי חלוקה למחיצות.
למרות שטכניקת ה-EC משמשת בדרך כלל באתרי מדידה ר…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
מחקר זה נתמך על ידי מימון מינהל כללי של יערות המדינה, ורשה, פולין (פרויקט לאס, No או-2717/27/11). היינו רוצים להביע את תודתנו לקבוצת המחקר כולה ממחלקת המטאורולוגיה, אוניברסיטת פוזנן במדעי החיים, פולין, העוסקת ביישום הפרוטוקול הזה ועזרתם ביצירת הגרסה החזותית שלה.
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).
