Målinger av CO2 flukser på ikke-ideal Eddy kovariansen nettsteder
Summary
Den presenterte protokollen bruker Eddy kovariansen metoden på ikke-typiske steder, som gjelder for alle typer kort-baldakin økosystemer med begrenset område, på en nå reforested windthrow nettsted i Polen. Detaljer om måling av områdeoppsett regler, Flux beregninger og kvalitetskontroll, og endelig resultat analyse, er beskrevet.
Abstract
Denne protokollen er et eksempel på å utnytte Eddy kovariansen (EC) teknikk for å undersøke romlig og timelig gjennomsnitt netto CO2 flukser (netto økosystem produksjon, NEP), i ikke-typiske økosystemer, på en for tiden reforested windthrow området i Polen. Etter en tornado hendelse, en relativt smal “korridor” ble opprettet i gjenlevende skog stands, noe som kompliserer slike typer eksperimenter. Anvendelsen av andre måleteknikker, slik som kammer metoden, er enda vanskeligere under disse omstendighetene, fordi spesielt i begynnelsen, falt trær og generelt store heterogenitet av nettstedet gir en utfordrende plattform for å utføre Flux målinger og deretter til riktig oppskalere oppnådde resultater. I sammenligning med standard EC målinger utført i uberørt skog, krever windthrow områder spesielle hensyn når det gjelder området sted og dataanalyse for å sikre deres representativitet. Derfor, her presenterer vi en protokoll for sanntids, kontinuerlig CO2 Flux målinger på et dynamisk skiftende, ikke-ideelle EC nettsted, som inkluderer (1) sted og instrumentering oppsett, (2) Flux beregning, (3) strenge data filtrering og kvalitetskontroll, og (4) gap fylling og netto flukser partisjonering i CO2 åndedrett og absorpsjon. Den største fordelen med den beskrevne metodikken er at den gir en detaljert beskrivelse av den eksperimentelle oppsett og måling ytelse fra bunnen av, som kan brukes til andre romlig begrensede økosystemer. Det kan også sees på som en liste over anbefalinger om hvordan man skal håndtere ukonvensjonelle nettstedet drift, gir en beskrivelse for ikke-spesialister. Innhentet kvalitetskontrollert, gap fylt, halv time verdier av netto CO2, samt absorpsjon og åndedrett flukser, kan endelig samles i daglige, månedlige, sesongmessige eller årlige totaler.
Introduction
I dag, den mest brukte teknikken i atmosfæren-land økosystem karbondioksid (CO2) Exchange studiene er Eddy KOVARIANSEN (EC) teknikk1. EF-metoden har blitt brukt i flere ti år, og omfattende beskrivelser av spørsmål om alle metoder, tekniske og praktiske aspekter er allerede publisert2,3,4. Sammenlignet med andre teknikker som brukes til lignende formål, gjør EF-metoden for å oppnå romlig og timelig gjennomsnitt netto CO2 flukser fra automatisk, punkt målinger som vurderer bidraget av alle elementer i kompliserte i stedet for arbeidskrevende, manuelle målinger (f.eks. kammer teknikker) eller kravet om å ta mange prøver1.
Blant land økosystemer, skoger spille den viktigste rollen i C sykling og mange vitenskapelige aktiviteter har fokusert på å undersøke deres CO2 syklus, karbonlagring i Woody biomasse og deres gjensidige relasjoner med skiftende klimatiske forhold ved både direkte måling eller modellering5. Mange EC nettsteder, inkludert en av de lengste Flux poster6, ble satt opp over ulike typer skoger7. Vanligvis var stedet plasseringen nøye utvalgt før målingene startet, med mål om de mest homogene og største området mulig. Selv om, i forstyrret skogområder, som windthrows, antall EC målestasjoner er fortsatt utilstrekkelig8,9,10. En grunn er logistiske vanskeligheter med å måle nettstedet oppsett og, mest av alt, et lite antall plutselig vises steder. For å få de mest informative resultatene på windthrow områder, er det avgjørende å starte så snart som mulig etter en slik tilfeldig hendelse, noe som kan føre til ytterligere problemer. I motsetning til uberørte skogsområder er EF-målingene på windthrow områder mer utfordrende og kan avvike fra allerede etablerte prosedyrer3. Siden noen ekstreme vind fenomener skape romlig begrensede områder, er det behov for en gjennomtenkt måle stasjon plassering og forsiktig databehandling for å utlede så mye pålitelig Flux verdier som mulig. Lignende vanskeligheter i EC metode programmet har oppstått (f. eks finish studier utført over en lang, men smal innsjø) der målt co2 flukser nødvendig strengdata filtrering11,12 for å sikre deres romlig representativitet.
Derfor presenteres protokollen er et eksempel på bruk av EF-metoden på ikke-typiske steder, designet ikke bare for windthrow områder, men for alle andre typer kort vegetasjon med begrenset område (f. eks kornåkre ligger mellom høyere vegetasjon typer). Den største fordelen med den foreslåtte metodikk er en generell beskrivelse av kompliserte prosedyrer, som krever avansert kunnskap, fra stedet sted valg og instrumentering satt opp til det endelige utfallet: et komplett datasett av høy kvalitet CO2 Flukser. Den tekniske nyheten av måle protokollen er bruken av en unik base konstruksjon for EF-systemet plassering (f. eks tripod med en definert høyde som er et “mini-tårn” med en justerbar, elektrisk operert mast, slik at endring av den endelige høyden på sensorer etter individuelle behov).
Protocol
Representative Results
Discussion
Denne protokollen presenterer Eddy kovariansen (EC) metode som skal brukes på ikke-ideelle steder (her en reforested windthrow nettsted): Site sted og måle infrastruktur oppsett, netto CO2 flukser beregning og etterbehandling, samt noen spørsmål om gap fylling og flukser partisjonering prosedyrer.
Selv om EF teknikken er ofte brukt på mange måle steder rundt om i verden, de fleste av dem er ikke-forstyrret økosystemer, hvor design og følgende databehandling kan gjøres i hen…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denne forskningen ble støttet av finansiering fra Generaldirektoratet for de statlige skogene, Warszawa, Polen (Project LAS, no eller-2717/27/11). Vi ønsker å uttrykke vår takknemlighet til hele forskningsgruppen fra Institutt for meteorologi, Poznan University of Life Sciences, Polen, som er involvert i denne protokollen gjennomføringen og deres hjelp under oppretting av sin visuelle versjon.
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).
