Messungen von CO2-Flüssen an nicht-idealen Eddy-Kovarianzstellen
Summary
Das vorgestellte Protokoll verwendet die Wirbelkovarianzmethode an untypischen Orten, die für alle Arten von Kurzbaumökosystemen mit begrenzter Fläche auf einer derzeit aufgeforsteten Windkraftanlage in Polen anwendbar ist. Details zu den Regeln für die Standorteinrichtung, Flussrechnungen und Qualitätskontrolle sowie zur Endergebnisanalyse werden beschrieben.
Abstract
Dieses Protokoll ist ein Beispiel für die Verwendung der Wirbelkovarianz (EC)-Technik zur Untersuchung räumlich und zeitlich gemittelter Netto-CO2-Flüsse (Netto-Ökosystemproduktion, NEP) in untypischen Ökosystemen auf einem derzeit wiederaufgeforsteten Windwurfgebiet in Polen. Nach einem Tornado-Ereignis entstand in erhaltenen Waldbeständen ein relativ schmaler “Korridor”, der solche Experimente erschwert. Die Anwendung anderer Messtechniken, wie z.B. der Kammermethode, ist unter diesen Umständen noch schwieriger, da gerade am Anfang umgestürzte Bäume und im Allgemeinen eine große Heterogenität des Geländes eine herausfordernde Plattform bieten, um Flussmessungen und dann die erzielten Ergebnisse richtig zu skalieren. Im Vergleich zu eg-Standardmessungen in unberührten Wäldern ist bei Windwurfgebieten bei der Standortlage und Datenanalyse besondere Beachtung zu finden, um deren Repräsentativität zu gewährleisten. Daher stellen wir hier ein Protokoll von Echtzeit-, kontinuierlichen CO2-Flussmessungen an einem sich dynamisch verändernden, nicht idealen EC-Standort vor, das (1) Standort- und Instrumentierungsaufbau, (2) Flussberechnung, (3) strenge Datenfilterung und Qualitätskontrolle und (4) Spaltfüllung und Netzflussteilung in CO2-Atmung und -Absorption. Der Hauptvorteil der beschriebenen Methodik besteht darin, dass sie eine detaillierte Beschreibung des Versuchsaufbaus und der Messleistung von Grund auf bietet, die auf andere räumlich begrenzte Ökosysteme angewendet werden kann. Es kann auch als eine Liste von Empfehlungen für den Umgang mit unkonventionellen Website-Betrieb betrachtet werden, eine Beschreibung für Nicht-Spezialisten. Erhaltene qualitätsgeprüfte, lückengefüllte Halbstundenwertevon NettoCO2 sowie Absorptions- und Atmungsflüsse können schließlich zu Tages-, Monats-, Saison- oder Jahresgesamtwerten aggregiert werden.
Introduction
Heutzutage ist die am häufigsten verwendete Technik im Atmosphären-Land-Ökosystem Kohlendioxid (CO2 ) Austauschstudien die Wirbelkovarianz (EC) Technik1. Die EG-Methode wird seit Jahrzehnten angewandt, und umfassende Beschreibungen von Fragen zu allen methodischen, technischen und praktischen Aspekten wurden bereits veröffentlicht2,3,4. Im Vergleich zu anderen Verfahren, die für ähnliche Zwecke verwendet werden, ermöglicht die EG-Methode die Gewinnung der räumlich und zeitlich gemittelten Netto-CO2-Flusse aus automatischen Punktmessungen, die den Beitrag aller Elemente in komplizierten Ökosysteme statt mühsamer manueller Messungen (z. B. Kammertechniken) oder der Anforderung, viele Proben zu entnehmen1.
Unter den Landökosystemen spielen Wälder die wichtigste Rolle beim C-Zyklus, und viele wissenschaftliche Aktivitäten haben sich auf die Untersuchung ihres CO2-Zyklus, der Kohlenstoffspeicherung in holziger Biomasse und ihrer gegenseitigen Beziehungen zu sich verändernden klimatischen Bedingungen durch sowohl die direkte Messung als auch die Modellierung5. Viele EG-Standorte, darunter einer der längsten Flussaufzeichnungen6, wurden über verschiedenen Arten von Wäldern eingerichtet7. In der Regel wurde der Standort vor Beginn der Messungen sorgfältig ausgewählt, mit dem Ziel, die homogenste und größte Fläche zu haben. Obwohl in gestörten Waldgebieten wie Windwurf die Zahl der EG-Messstationen immer noch unzureichend ist8,9,10. Ein Grund sind logistische Schwierigkeiten bei der Einrichtung von Standorten und vor allem eine kleine Anzahl plötzlich auftauchender Standorte. Um die informativsten Ergebnisse an Denwindschutzscheibenbereichen zu erhalten, ist es wichtig, so schnell wie möglich nach einem solchen Nebenereignis zu beginnen, was zusätzliche Probleme verursachen kann. Im Gegensatz zu unberührten Waldgebieten sind die EG-Messungen an Windwurfstandorten anspruchsvoller und können von bereits etablierten Verfahren abweichen3. Da einige extreme Windphänomene räumlich begrenzte Flächen schaffen, bedarf es einer durchdachten Messstationsposition und einer sorgfältigen Datenverarbeitung, um möglichst viele zuverlässige Flusswerte abzuleiten. Ähnliche Schwierigkeiten bei der Anwendung der EG-Methode traten auf (z. B. Finish-Studien, die über einem langen, aber schmalen See durchgeführt wurden), wobei gemessene CO2-Flüsse eine strenge Datenfilterung erforderten11,12, um ihre räumliche Repräsentativität.
Daher ist das vorgestellte Protokoll ein Beispiel für die Anwendung der EG-Methode an untypischen Orten, die nicht nur für Windwurfgebiete, sondern für alle anderen Arten von kurziger Vegetation mit der begrenzten Fläche (z. B. Ackerflächen zwischen höheren Vegetationsarten) ausgelegt ist. Der größte Vorteil der vorgeschlagenen Methodik ist eine allgemeine Beschreibung komplizierter Verfahren, die fortgeschrittene Kenntnisse erfordern, von der Standortwahl und Instrumentierung bis zum Endergebnis: ein vollständiger Datensatz mit hochwertigem CO2 Flussmittel. Die technische Neuheit des Messprotokolls ist die Verwendung einer einzigartigen Grundkonstruktion für die EC-Systemplatzierung (z.B. Stativ mit einer definierten Höhe, ein “Mini-Turm” mit verstellbarem, elektrisch betriebenem Mast, der eine Änderung der Endhöhe Sensoren nach individuellen Bedürfnissen).
Protocol
Representative Results
Discussion
Dieses Protokoll stellt die Wirbelkovarianz(EC)-Methode dar, die an nicht idealen Standorten (hier ein aufgeforsteter Windwurfstandort) verwendet werden soll: Standort und Messung der Infrastruktureinrichtung, Netto-CO2-Flussberechnung und Nachbearbeitung sowie einige Probleme in Bezug auf Lückenfüllung und Flusspartitionierungsverfahren.
Obwohl die EC-Technik an vielen Messstandorten auf der ganzen Welt häufig eingesetzt wird, sind die meisten von ihnen nicht gestörte Ökosyste…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Forschung wurde durch Mittel der Generaldirektion Staatsforsten, Warschau, Polen (Projekt LAS, Nr. OR-2717/27/11) unterstützt. Wir möchten der gesamten Forschungsgruppe der Abteilung für Meteorologie, Der Universität für Biowissenschaften in Posen, Polen, unseren Dank aussprechen, die an dieser Protokollimplementierung beteiligt ist, und deren Hilfe bei der Erstellung der visuellen 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).
