Medidas de CO2 fluxes em locais de covariância não-ideal Eddy
Summary
O protocolo apresentado utiliza o método de covariância de Foucault em locais não típicos, aplicáveis a todos os tipos de ecossistemas de dossel curtos com área limitada, em um local de o atualmente reflorestado na Polônia. Detalhes de medição de regras de configuração do site, cálculos de fluxo e controle de qualidade, e análise de resultado final, são descritos.
Abstract
Este protocolo é um exemplo de utilização da técnica de covariância do Eddy (EC) para investigar os fluxos líquidos de co2 (produção líquida de ecossistemas, NEP) espacialmente e temporalmente, em um ecossistema não-típico, em uma área de o atualmente reflorestada na Polônia. Após um evento tornado, um “corredor” relativamente estreito foi criado dentro das arquibancadas sobreviventes da floresta, o que complica esse tipo de experimentos. A aplicação de outras técnicas de medição, como o método da câmara, é ainda mais difícil nestas circunstâncias, porque especialmente no início, árvores caídas e em geral grande heterogeneidade do site fornecem uma plataforma desafiadora para executar medições de fluxo e, em seguida, para adequadamente upscale resultados obtidos. Em comparação com as medições de EC padrão realizadas em florestas intocadas, o caso de áreas de o requer consideração especial quando se trata da localização do local e análise de dados, a fim de garantir a sua representatividade. Portanto, apresentamos aqui um protocolo de medições contínuas de fluxo de CO2 em tempo real em um site EC de mudança dinâmica, não ideal, que inclui (1) local de instalação e configuração de instrumentação, (2) computação de fluxo, (3) filtragem rigorosa de dados e controle de qualidade e (4) enchimento de Gap e fluxos líquidos Particionando em co2 respiração e absorção. A principal vantagem da metodologia descrita é que ele fornece uma descrição detalhada da configuração experimental e desempenho de medição a partir do zero, que pode ser aplicado a outros ecossistemas espacialmente limitados. Ele também pode ser visto como uma lista de recomendações sobre como lidar com a operação do site não convencional, fornecendo uma descrição para não-especialistas. Obteve valores de qualidade verificada, Gap preenchido, meia hora da rede CO2, bem como fluxos de absorção e respiração, podem ser finalmente agregados em totais diários, mensais, sazonais ou anuais.
Introduction
Atualmente, a técnica mais comumente utilizada nos estudos de intercâmbio de dióxido de carbono (CO2) da atmosfera-terra é a técnica de covariância do Eddy (EC)1. O método CE tem sido utilizado há décadas, e descrições abrangentes de questões relativas a todos os aspectos metodológicos, técnicos e práticos já forampublicadas 2,3,4. Comparado com outras técnicas usadas para finalidades similares, o método do EC permite a obtenção dos fluxos líquidos de CO2 da média espacialmente e temporal das medidas automáticas, do ponto que consideram a contribuição de todos os elementos em complicado ecossistemas, em vez de medições manuais laboriosas (por exemplo, técnicas de câmara) ou a exigência de tomar muitas amostras1.
Entre os ecossistemas terrestres, as florestas desempenham o papel mais significativo no ciclismo C e muitas atividades científicas têm focado em investigar seu ciclo de CO2 , armazenamento de carbono na biomassa lenhosa e suas relações mútuas com a mudança de condições climáticas por medição direta ou modelagem5. Muitos sítios da CE, incluindo um dos mais longos registos de fluxo6, foram configurados acima de diferentes tipos de florestas7. Normalmente, a localização do local foi cuidadosamente escolhida antes das medições começarem, com o objetivo da mais homogênea e maior área possível. Embora, em locais florestais perturbados, como windlances, o número de estações de medição da EC ainda seja insuficiente8,9,10. Uma razão é dificuldades logísticas na medição do local de instalação e, acima de tudo, um pequeno número de locais de repente aparecendo. A fim obter os resultados os mais informativos em áreas do o, é crucial começar o mais cedo possível após tal evento incidental, que pode causar problemas adicionais. Em contraste com os sítios florestais intocados, as medições da CE em locais de o são mais desafiadoras e podem desviar-se de procedimentos já estabelecidos3. Desde que alguns fenômenos extremos do vento criam áreas espacialmente limitadas, há uma necessidade para uma posição pensativa da estação de medição e um tratamento de dados cuidadoso a fim derivar tão valores de fluxo confiáveis quanto possível. Ocorreram dificuldades semelhantes na aplicação do método CE (por exemplo, estudos de acabamento realizados acima de um lago longo, mas estreito), onde os fluxos medidos de co2 exigiam uma rigorosa filtração de dados11,12, a fim de assegurar a sua representatividade espacial.
Assim, o protocolo apresentado é um exemplo do uso do método EC em locais não típicos, projetados não apenas para áreas de o, mas para todos os outros tipos de vegetação curta com a área limitada (por exemplo, cultivo situados entre tipos de vegetação mais altas). A maior vantagem da metodologia proposta é uma descrição geral dos procedimentos complicados, exigindo conhecimento avançado, da escolha de localização do site e da instrumentação configurada para o resultado final: um conjunto completo de CO2 de alta qualidade Fluxos. A novidade técnica do protocolo de medição é o uso de uma construção de base única para a colocação do sistema CE (por exemplo, tripé com uma altura definida que é uma “mini torre” com um mastro ajustável, eletricamente operado, permitindo alterar a altura final de sensores de acordo com as necessidades individuais).
Protocol
Representative Results
Discussion
Este protocolo apresenta o método de covariância por Eddy (EC) a ser utilizado em locais não-ideais (aqui um local de o reflorestado): localização do local e configuração da infraestrutura de medição, computação líquida co2 fluxos e pós-processamento, bem como algumas questões sobre preenchimento de lacunas e fluxos de particionamento de procedimentos.
Embora a técnica da EC seja comumente usada em muitos locais de medição em todo o mundo, a maioria deles são ecoss…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Esta pesquisa foi apoiada pelo financiamento da direção geral das florestas estatais, Varsóvia, Polônia (projeto LAS, no ou-2717/27/11). Gostaríamos de expressar nossa gratidão a todo o grupo de pesquisa do departamento de Meteorologia, da Universidade de Ciências da vida de Poznan, na Polônia, envolvido nesta implementação de protocolo e sua ajuda durante a criação de sua versão Visual.
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).
