Mätningar av CO2 -flöden vid icke-idealiska Eddy Kovariansplatser
Summary
Det presenterade protokollet använder virvelkovariansmetoden på icke-typiska platser, som gäller för alla typer av kort-Canopy ekosystem med begränsat område, på en för närvarande återplanterade rotvälta plats i Polen. Närmare uppgifter om Mät platsens Inställningsregler, Flux-beräkningar och kvalitetskontroll samt slutresultat analys beskrivs.
Abstract
Detta protokoll är ett exempel på användning av virveln kovarians (EG) teknik för att undersöka rumsligt och temporally genomsnitt netto Co2 flöden (netto ekosystem produktion, NEP), i icke-typiska ekosystem, på en för närvarande återskogad rotvälta område i Polen. Efter en tornado-händelse skapades en relativt smal “korridor” inom bevarade skogsbestånd, vilket försvårar en sådan typ av experiment. Tillämpningen av andra mätmetoder, såsom kammar metoden, är ännu svårare under dessa omständigheter, eftersom särskilt i början, fallna träd och i allmänhet stora heterogenitet av området ger en utmanande plattform för att utföra flödesmätningar och sedan för att korrekt Uppskala erhållna resultat. I jämförelse med de standardiserade EG-mätningar som utförs i orörda skogar kräver fallet med vindkast områden särskild hänsyn när det gäller plats och dataanalys för att säkerställa deras representativitet. Därför presenterar vi här ett protokoll med realtids kontinuerliga CO2 Flux-mätningar på en dynamiskt föränderlig, icke-idealisk EC-sajt, som inkluderar (1) plats och instrumenteringsinställning, (2) Flux-beräkning, (3) rigorös data filtrering och kvalitetskontroll, och (4) gap fyllning och nettoflöden partitionering i CO2 respiration och absorption. Den största fördelen med den beskrivna metoden är att den ger en detaljerad beskrivning av experimentellt installations-och mätresultat från grunden, som kan appliceras på andra rumsligt begränsade ekosystem. Det kan också ses som en lista över rekommendationer om hur man handskas med okonventionella webbplats drift, vilket ger en beskrivning för icke-specialister. Erhållna kvalitetssäkrade, Gap fyllda, halvtimmes värden av net CO2, samt absorption och respiration flöden, kan slutligen aggregeras till dagliga, månatliga, säsongsbetonade eller årliga summor.
Introduction
Nuförtiden, den mest använda tekniken i atmosfären-land ekosystemet koldioxid (CO2) utbytesstudier är Eddy KOVARIANS (EC) teknik1. EG-metoden har använts i årtionden, och omfattande beskrivningar av frågor som rör alla metodologiska, tekniska och praktiska aspekter har redan publicerats2,3,4. Jämfört med andra tekniker som används för liknande ändamål tillåter EG-metoden att man erhåller de rumsligt och timligt genomsnittliga netto CO2 -flödena från automatiska punkt mätningar som beaktar bidraget från alla element i komplicerade ekosystem, i stället för mödosamma, manuella mätningar (t. ex. kammar tekniker) eller kravet på att ta många prover1.
Bland land ekosystem, skogar spelar den mest betydelsefulla roll i C cykling och många vetenskapliga aktiviteter har fokuserat på att undersöka deras CO2 cykel, kollagring i vedartad biomassa och deras ömsesidiga relationer med förändrade klimatförhållanden genom direkt mätning eller modellering5. Många EG-webbplatser, inklusive en av de längsta Flux-posterna6, sattes upp över olika typer av skogar7. Vanligtvis var platsen noga valt innan mätningarna började, med målet att det mest homogena och största området möjligt. Även om, i störda skogsområden, såsom windkast, antalet EG mätstationer är fortfarande otillräckliga8,9,10. En anledning är logistiska svårigheter att mäta platsinställning och, mest av allt, ett litet antal plötsligt visas platser. För att få de mest informativa resultaten på rotvälta områden, är det viktigt att starta så snart som möjligt efter en sådan händelse, vilket kan orsaka ytterligare problem. I motsats till orörda skogsområden, är EG-mätningar vid vindkast platser mer utmanande och kan avvika från redan etablerade förfaranden3. Eftersom vissa extrema vind fenomen skapar rumsligt begränsade områden finns det ett behov av en genomtänkt Mät Stations plats och noggrann databehandling för att härleda så mycket pålitliga Flux-värden som möjligt. Liknande svårigheter i EG-metodens tillämpning har inträffat (t. ex. studier utförda över en lång men smal sjö) där uppmätta CO2 -flöden krävde rigorösa data filtrering11,12 för att säkerställa deras rumslig representativitet.
Därför är det presenterade protokollet ett exempel på användningen av EG-metoden på icke-typiska platser, som inte bara är konstruerade för vindrutor, utan för alla andra typer av kort vegetation med det begränsade området (t. ex. odlingsmarker som ligger mellan högre vegetationstyper). Den största fördelen med den föreslagna metoden är en allmän beskrivning av komplicerade förfaranden, som kräver avancerade kunskaper, från platsen plats val och instrumentering upp till slutresultatet: en komplett datauppsättning av hög kvalitet CO2 Flöden. Den tekniska nyheten i Mät protokollet är användningen av en unik bas konstruktion för EG-systemet placering (t. ex. stativ med en definierad höjd som är en “mini-torn” med en justerbar, elektriskt manövrerade mast, vilket gör det möjligt att ändra den slutliga höjden av sensorer efter individuella behov).
Protocol
Representative Results
Discussion
Detta protokoll presenterar Eddy kovarians (EG) metod som skall användas vid icke-ideala platser (här en återplanterade rotvälta plats): plats och mäta infrastruktur setup, net Co2 flöden beräkning och efter behandling, liksom vissa frågor om Gap fyllning och flöden partitionering förfaranden.
Även om EG-tekniken ofta används på många mätplatser runt om i världen är de flesta av dem icke-störda ekosystem, där utformningen och följande databehandling kan göras en…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denna forskning stöddes av finansiering från generaldirektoratet för statliga skogar, Warszawa, Polen (projekt LAS, no eller-2717/27/11). Vi vill uttrycka vår tacksamhet till hela forskargruppen från Meteorologiska institutionen, Poznan University of Life Sciences, Polen, som deltar i detta protokoll genomförande och deras hjälp under skapandet av dess visuella 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).
