הרשמה ל-JoVE נדרשת לצפייה בתוכן זה. התחברו או התחילו בגרסת ניסיון בחינם.

מאמר שיטה

מדידות של CO2 פלוסים באתרים לא אידיאליים של אדי השונות המשותפת

7.9K צפיות

⸱

DOI:

10.3791/59525

⸱

24 ביוני 2019

 ,  ,  , 
1Department of Meteorology, Poznan University of Life Sciences, 2Department of Matter and Energy Fluxes, Global Change Research Centre

במאמר זה

סיכום

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.

תקציר

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.

מבוא

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).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

1. מיקום האתר והתקנת מכשור

  1. בחר מיקום של אתר מדידה בשטח אחיד יחסית ושטוח כדי לעמוד בדרישות הבסיסיות של שיטת ה-EC. הימנע ממקומות עם צורות היבשה מסובך (דיכאונות, מדרונות) או ממוקם ליד מכשולים אירודינאמיים (g., ששרדו דוכני עצים), אשר יכול לעוות את זרימת האוויר.
    1. בדוק קומפוזיציה מינים ומכסה הצמח. בחרו מקום עם המאפיינים הדומים ביותר: הגיל והגובה של סוג הצמחייה העיקרי.
    2. במידת האפשר, בצע כמה חקירות קרקע נוספות, המסייעות לבחור באזור אחיד. השוואת סוגי הקרקע במיקומים מעטים (פרופילי אדמה), פחמן באדמה ותוכן חנקן, כמו גם תנאי לחות (למשל, באמצעות רשת סדירה לדגימת אדמה). הימנע ממקומות עם תכונות מצטיינים בהשוואה לערכים הממוצעים מחקירת הקרקע.
  2. לפני שתחליט היכן למקם את המכשירים, לחקור את כיווני הרוח השוררים (באופן אידיאלי עבור שנה אחת לפני הגדרת האתר), או לנתח את הנתונים מהתחנה המטאורולוגית הקרובה ביותר. אם יש כמה הגבלות בנוגע למידת השטח של עניין, לבחור את המיקום שנמצא בתוך מגזרי הרוח השוררים (upwind).
    הערה: במקרה של האתר הפולני לזרוק, בשל הצורה של הנתיב טורנדו, הוחלט למקם את המגדל באמצע מימד הרוחב שלה (ca. 400-500 מ ') והרחק ממטע אורן השכנה, בני כמה שאפשר בכיוון מזרח-מערב (ca. 200 m f רום המגדל לקצוות שלהם), שכן כיוון הרוח הרווחת היה מצפון מערב לדרום-מערב ומצפון מזרח למזרח (איור 1).
  3. החלט באיזו מערכת EC להשתמש: נתיב פתוח או נתיב סגור (נתיב סגור = נתיב סגור עם שפופרת צריכת קיצור) (או שניים מהם במידת האפשר). לכל אחד יש יתרונות וחסרונות, אך באופן כללי, שניהם אמינים לשימוש בשדה. השתמש במונומטר קולי ממדי תלת מימדי (3D). כדי להשתמש בשיטת ה-EC, נדרשים מדידות בתדר גבוה-לפחות 10 הרץ במקרה של שני המכשירים.
    1. לשקול איזה סוג של ספק כוח הוא הריאלי ביותר לשימוש באתר (האם יש קו חשמל בקרבת מקום, פאנלים סולאריים או גנרטור כוח אחר?). אם אין מגבלות, השתמש במנתח הגז של הנתיב הסגור (או התחום).
      הערה: למערכת שביל פתוח יש צריכת חשמל נמוכה בהרבה, אך בסביבות קשות (מזג אוויר קר מאוד, ציפוי, מקומות גשומים) זה יגרום לאובדן ניכר של נתונים באיכות גבוהה.
    2. בצע את הכללים כדי למקם את שני המכשירים יחסית אחד לשני13. הימנע מטעינת רכיבים מיותרים הקרובים למערכת ה-EC, אשר יכולים לעוות את זרימת האוויר.
      הערה: בניסוי זה שימשו מנתח נתיב סגור (טבלת חומרים) וממד אנמטר קולי תלת-ממדי (לוח חומרים).
  4. לאחר הבחירה במיקום, למקם חצובה עם מוט אנכי (או סוג אחר של בניית בסיס) כדי לטעון את מערכת EC על גבי. הגדר את גובה המכשירים בהתחשב בשתי דרישות בסיסיות: החספוס משטח נחקר (בפישוט גובה הצמחייה הקיימת) ואזור ההשפעה (הבאה/טביעת רגל – האזור "ראה" על-ידי מערכת ה-EC)4.
    הערה: באופן דינמי, בפיתוח מערכות אקולוגיות, כגון מיוער באתר האינטרנט Tlen I, השינוי במיקום המכשיר עם הזמן יידרש לעמוד בדרישות השיטה EC. כחלופה לבניית בסיס עבור מערכת ה-EC, תשתית חדשנית (כלומר, "mini-tower") הוצע כאן: בניית אלומיניום עוגן (1.5-m-בעלת מבנה מלבני גבוה (W x L) 1 m x 1.2 m) עם תורן (עם משולש מסבך 30 ס"מ x 30 ס"מ x 30 ס"מ) הזזה בתוך המבנה לאורך מסילות פלדה, מופעל על ידי מנוע חשמלי.
    1. ראשית, הבהר את שני המכשירים של מערכת ה-EC על מוט מתכת המחובר באופן מרכזי לתורן. זכור להציב את מד הרוח הקולי במצב אנכי מושלם. להטות את מנתח הגז מעט כדי לאפשר למי גשמים לברוח בקלות.
    2. העלה מכשירים לגובה פי שניים מגובה החופה ממשטח הקרקע, ולפחות 1.5-2.0 מ' מעל החלק העליון של החופה4. ודא כי בניית בסיס ממוקם באופן, אשר מבטיח כי האזור נחקר משתרע לפחות 100 פעמים גובה של מיקום חיישן בכל כיוון14.
    3. זכור להתקין הגנה ברקים לבניית מתכת.
      הערה: כדי להשיג תפוקה מקסימלית ממדד ה-EC באתר הרוח הפולני (Tlen I), נעשו פשרות מסוימות. המכשירים הוצבו בגובה 3.3 מ' בתחילת הניסוי.
  5. לחישוב נוסף וניתוח השטף, למדוד כמה משתני עזר באותו זמן, כולל לפחות: אוויר (Ta) והקרקע (Ts) טמפרטורה, לחות יחסית (RH) של האוויר, הצפיפות פוטוסינתטית פוטון השטף (PPFD), הנכנסים קרינת השמש (Rg) ו משקעים (P). בדרך כלל, באתרי EC מתקבלים גם מספר רב של משתנים אחרים.
    1. מניחים חיישני קרינה (PPFD ו Rg) בדרום. השתמש בקוטב אופקי כדי להרחיק אותם מהחצובה. בדוק את זווית התצוגה של החיישנים ולהתאים את אורך המוט ואת הגובה הגובר כדי להבטיח שרק משטח נחקר נראה.
    2. השתמש בטמפרטורת האוויר ובחיישני הלחות עם מגיני קרינה, רכוב בגובה דומה כמו מערכת EC.
    3. התקנת ממדי הגשם מחוונים (לפחות שניים) בחללים פתוחים יחסית, ליד מגדל ה-EC, 1 מ' מעל למפלס הקרקע. לקבור חיישני טמפרטורת הקרקע בעומקים שונים (שלושה או יותר בהתאם לסוג הקרקע). זכור כי יש כמה חזרות עבור כל עומק. מקם כמה חיישנים ברמה האפשרית האפשרי.

2. חישוב ושות2 השטף

  1. השתמש בתוכנה חופשית מסחרית (לדוגמה, EddyPro15) לחישוב השטף EC הכולל יישומי תיקון.
    הערה: תוכנה זו נבחרה בשל המורכבות שלה, הפופולריות והידידותיות למשתמש והיא מומלצת במיוחד עבור הלא-מומחים.
  2. תחילה, צור פרוייקט חדש ולאחר מכן בכרטיסיה פרטי פרוייקט , ציין את תבנית קובץ הנתונים הגולמיים ובחר קובץ מטה-נתונים. אם נתונים גולמיים הושגו כקבצי. ghg, קובץ המטא-נתונים הבודד כבר מוטבע ואין צורך בפעולה נוספת. במקרים אחרים, השתמש באפשרות קובץ חלופי והקלד את כל המידע באופן ידני.
    הערה: קובץ המטא-נתונים מציין את סדר המשתנים הנמדדים, היחידות שלהם ומידע נוסף הדרוש לחישוב השטף. אם אחד מפרטי ההתקנה או מאפייני האתר משתנים, זכור לשנות אותו במקטע המטא-נתונים.
  3. עבור אל הכרטיסיה מידע שטף , בחר את ערכת הנתונים וספריות הפלט, לציין את תבנית שם הקובץ raw ולבדוק את רשימת הפריטים עבור חישוב השטף.
  4. עבור לכרטיסיה אפשרויות עיבוד ובחר הגדרות עיבוד נתונים גולמיים.
    1. בחרו את השיטה לתיקון מדידות האנמטרים (שיטתסיבוב ), המאפשרת חשבונאות לכל שגיאת היישור של האנמטר הקולי ביחס לרוח המקומית לייעול15. התאם את הגישה המימוצעת הראשונה ל-16 (המוצעות למיקומים לא אידיאליים והטרוגנית).
    2. בחר את 0-1-2 סוג של מדיניות סימון בדגל17 (הגישה המציגה תוצאות של הליך בדיקת איכות).
    3. בחר את שיטת הטביעת הרגל המועדפת (אזור ההשפעה על הפלוסים הנמדדים) (למשל, הגישה הראשונה ל-Kljun18 ). השאר את כל ההגדרות האחרות ללא שינוי (אפשרויות ברירת המחדל).
      הערה: כאן ניתן לבחור מתוך רשימת האפשרויות לגבי תיקונים להחיל, פלקסים שיטת חישוב טביעת רגל או מבנה של קבצי פלט. למרות שהוא הציע לא לשנות אפשרויות סטנדרטיות במהלך ההפעלה הראשונית של תוכנת ה-EC הנבחרת, פרט לאלה המפורטים כאן.
  5. במקרה של בעיות/שאלות, השתמש בלחצן סימן השאלה (?) ליד אפשרות הריבית כדי לברר עוד. זכור שמידע שגוי או חסר בכרטיסיה אחת ימנע תנועה לאחרת.
  6. לחצו על ' הפעל מצב מתקדם ' כדי להתחיל בחישוב פלוסים בסוף. במקרה של שימוש בהגדרות ברירת המחדל בלבד, לחץ על הפעל מצב Express.

3. סינון ובקרת איכות של הפלוסים

  1. הימנע מאובדן נתונים באמצעות תוכנית תחזוקה רגילה. על פי היכולות האישיות, חיישנים נקיים בתדירות גבוהה ככל האפשר באמצעות מים או ניקוי מתון.
  2. בצע כיול של מנתחי גז לפחות פעם בשישה חודשים באמצעות שיתוף2 תקני (0 דפים לדקה ולפחות ריכוז אחד אחר, למשל, 360 ppm). מינימום של 24 שעות לפני כל כיול, שינוי CO2 ו-h2קליטת סוכנים (הידרוקסיד נתרן מצופה סיליקה ומגנזיום perchlorate, בהתאמה) הנמצאים שני בקבוקים קטנים בתוך ראש החיישן.
    הערה: תהליך הכיול קל יחסית ומתואר היטב במדריך למנתח הגז. בתוכנה המוקדש LI-7200 ו-LI-7500, יש כרטיסיה, אשר מכיל את כל ההנחיות צעד אחר צעד של התהליך כולו. במקרה של קשיים כלשהם, מנתחי יכול תמיד להישלח עבור כיול מפעל שבוצעה על ידי המפיק, אבל זה דורש חיישן הרכבה ותוצאות פערים ארוכים בערכת הנתונים שטף.
  3. צור קובץ משותף (לדוגמה,. csv,. xlsx) המכיל את כל התוצאות מתוכנות חישוב השטף ומדידות העזר. ודא כי ממוצעים מקבילים של 30 דקות (פלוסים ומשתנים מטאורולוגיים) נמדדים בדיוק באותו זמן.
    הערה: כדי לפשט ולהאיץ את תהליך הסינון, השתמש בתוכניות נוספות (לדוגמה, Matlab או תוכנת R חינם), בהתאם לכישורי המשתמשים, במקום לעבוד בגיליון אלקטרוני.
  4. בצע את כל שלבי הסינון המתוארים להלן (סעיפים 3.5-3.7) בנתונים מקובץ זה. השתמש בכלי סינון בגיליון האלקטרוני (או בפונקציה מוטבעת "if") או צור פונקציות סינון מותאמות אישית המשתמשות בתוכנה אחרת.
  5. קביעת תנאי מזג אוויר שלילי ותקלות כלי.
    1. השתמש אינדיקטורים ביצועים של המכשיר כדי לסנן נתונים חשופים שגיאות עקב זיהום מנתח גז. עבור מנתח נתיב סגור, בדוק את עוצמת האות הממוצעת (ASS) הערך שניתן בקובץ הפלט מתוכנת החישוב של הפלוxes. לאחר מכן, סמן ולמחוק את כל פלקסים (co2_flux) נמדד להלן, למשל, ASS = 70% (10% סף גבוה יותר מאשר הציע במדריך של המכשיר).
    2. באופן אופציונלי, להגדיר טווח קבוע עבור fluxes, אשר מאפשר החרגה של החוצה (למשל, מ-15 עד 15 μt∙ m-2∙ s-1 באתר tlen I). אחת הדרכים האפשריות להסרת הפלוסטסים מחוץ לטווח הרגיל היא להשתמש במגבלה של 2-3 סטיות סטנדרטיות מערך השטף הממוצע, המחושב בנפרד עבור כל עונה.
      הערה: המחברים אינם מייעצים מאוד להשתמש בטווח הפריורי כפי שנעשה במקרה של האתר tlen I על ידי לא מומחה. הגישה הסטטיסטית היא הרבה יותר אמינה ואובייקטיבית.
    3. התעלם מהפלוסים הנמדדים במהלך אירועי גשם (או סוג אחר של משקעים); מחיקת פלקסים כאשר P ≥ 0.1 mm.
  6. חשבון עבור תנאים לא נאותים עבור יישום שיטת השונות המשותפת של אדי.
    1. השימוש בתוצאות של בדיקת מצב יציב ומבחן מערבולת מפותחת היטב17,19 בוצע במהלך המחשוב פלקסים בתוכנה (ראה שלב 2.4.2). התעלם מנתוני השטף עם איכות ירודה (שיתוף2 ערכי דגל: qc_co2_flux > 1) בקובץ התוצאות המשותף.
    2. השתמש במחוון תקופת הלילה (בשעות היום = 0) שניתן בקובץ הפלט כדי לסנן את הערכים של CO2 בלבד שנמדדו בלילה. העלילה כל לילה CO2 פלקסים נגד ערכי מהירות החיכוך המקביל (u* נמדד באותו זמן) ולמצוא את הערך u* שבו פלקסים אלה הפסיקו להגדיל.
    3. סמן את הערך שהושג כמו סף מהירות חיכוך (u*מתוך) כדי לשמש כמדד של תנאי מערבולת מספיק. למחוק את כל CO2 פלקסים עם ערכי u המקביל < u* מתוך ערכת הנתונים
      הערה: השיטה המוצגת עבורך* הנחישות היא הפשוטה ביותר, אך גם הסובייקטיבית ביותר. יש מעטות, יותר מדויק, מסובך ואמין שיטות להגדיר את הסף מהירות החיכוך21,22 מאשר בדיקה חזותית פשוטה אשר ניתן להשתמש כאן. כמו כן, יש לציין כי באתרים הטרוגנית מאוד המגדירים u* לא יכול להיות קל. יש להתייחס לאמצעים אחרים במקרים כאלה, המתוארים היטב בספרות3,4.
  7. השטף אילוצים של הייצוג המרחבי
    1. ראשית, להתוות את הרוח עלה, המתקבלים ממדידות או מהתחנה המטאורולוגית הקרובה ביותר, על מפת האזור הנחקר. לציין אילו מגזרי רוח יש להוציא מהניתוח הסופי (בשל קיומו של כל נטל פוטנציאלי או סוג צמחייה שונה מאשר נחקר). השתמש בשיטה מותאמת אישית או להשתמש בפונקציות מוכנות מתוכנות מתמטיות אחרות (לדוגמה, הפונקציה windRose ב- R software).
    2. על פי הערכה של מעבר משולב של עקבות הרוח שנבחרו במהלך מיחשוב פלקסים (שלב 2.4.3), להחליט איזה מאפיין טביעת רגל ישמש ניתוח נוסף (x_10%, x_30%, x_50%, x_70% או x _ 90% רמה). כדי לפשט, כל ערך של 30 דקות של טביעת רגל מספק מידע על המרחק (הרוח) לקצה האזור, שממנו האות הנמדד (שטף) מקורו ברמת הסתברות נתונה.
      הערה: להלן ערכי טביעת הרגל המייצגים 70% (x_70%) ההסתברות נבחרה כמגבלה, מאז הגבוה ביותר האפשרי 90% רמת באתרים מוגבלים מרחב הולך הרבה מעבר לאזור החקירה.
    3. בחר סקטורים בכיוון רוח המייצג ביותר את אתר המדידה. עשה את אותו הדבר עם ערכי טביעת הרגל, הזכור שהמרחק הרחוק ביותר (ערך השטח הגבוה ביותר) אינו יכול לחרוג מאזור הריבית (איור 1). סנן את ערכי השטף שאינם עומדים בשתי הדרישות.
      הערה: מאז האתר הימי של טאלן הראשי נמצא בין דוכני היער ששרדו את הטורנדו, רק שני מגזרים של כיוון רוח התקבלו כנציגים: 30-90 ° ו-210 עד 300 °. כך, כל CO2 פלקסים מקורו באזור מעבר סקטורים אלה לא נכללו. יתר על כן, המרחק אל הנטל הקרוב ביותר (עיוות האוויר) או סוג של מערכת אקולוגית שונה (עם הדינמיקה האחרת של net CO2 ) בכל כיוון צריך להיות מגבלת טביעת הרגל המקסימלית, אם כי מומלץ להקטין את הערך. באתר המרכזי של Tlen I, המרחק אל קצות היער ששרדו היה כ-200-250 מ'; לפיכך, סף טביעת הרגל שנבחרה הוגדר כ-200 מ' לכל היותר ויושם באופן שווה בכל כיוון.

4. מילוי הפער השטף נטו לחלוקה לתוך CO2 נשימה וקליטה

  1. בחר את השיטה עבור איכות-בדק CO2 השטף מילוי ומחיצות לקליטה (הייצור העיקרי הגולמי [gpp] fluxes) ונשימה (הנשימה האקולוגית [Reco] fluxes) מתוך מספר גישות נפוצות, הכוללים שלוש קבוצות בסיסיות: גישה מבוססת תהליכים23,24, שיטות סטטיסטיות25,26, והשימוש ברשתות עצביות27,28.
    הערה: מאחר ששתי הקבוצות הראשונות של השיטות (המבוססות על תהליך וגישות סטטיסטיות) נמצאות בשימוש נרחב בקרב הקהילה המדעית, מתוארים היטב ונדונים בספרות ובמקרה של האחרון, מומלץ להשתמש ברשת השטף הגלובלית אתרי מדידות (FLUXNET) ומערכת תצפית פחמן משולבת (ICOS) פרוייקט (יוזמות בינלאומיות המכוונים לניטור גזי מעקב, איסוף נתונים EC ופרוטוקולי עיבוד משותף היצירה), השימוש בשניהם הומלץ כאן ב תחילת.
  2. כדוגמה לגישה המבוססת על תהליך, בצע את ההליך מרשת המחקר של קנדה Fluxnet (FCRN23,24).
    1. בחר נטו CO2 פלקסים (nep) נמדד בתקופות הלילה, כמו גם את כל ערכי השטף מחוץ לעונה הגוברת. ההנחה היא כי הם לגמרי R-fluxes eco .
      הערה: כדי להבדיל בין הלילה לבין תקופת היום, ערך סף PPFD יכול לשמש גם (למשל, PPFD < 120 μ:∙ m-2∙ s-1 כמחוון לילה29). יתר על כן, להעריך כאשר תקופת הצומח מתחיל ומסתיים, שיטה תרמית פשוטה שימש כאן: כאשר האוויר היומי הממוצע (בגובה של 2 מ') וטמפרטורת הקרקע (בעומק 2 ס מ) היו גדולים מ 0 ° c, תחילת עונת הצומח היה ציין והסתיים כאשר b הטמפרטורות הנוספות נפלו שוב מתחת ל -0 ° c. במקרה של מינים צמחייה שונים, סף טמפרטורה שונה יש להשתמש בנוגע לפיזיולוגיה צמחים. התחלתה של פעילות פוטוסינתטית שונה עבור עצי מחטניים ונשירים, יבולים ועשבים, אשר מגיע מן העובדה, כי מינים צמחייה שונים להגיב באופן שונה לטמפרטורה האוויר.
    2. באמצעות הטמפרטורה (T) של אדמה, אוויר או שילוב של השניים, לקבוע את היחסים בין טמפרטורה Reco. השתמש בכל תוכנה המאפשרת להתאים פונקציות לא לינאריות לנתונים (למשל, תוכנה Matlab). במנהל, בחר את מודל הרגרסיה המתאימה ביותר (השתמש לדוגמה, קריטריון המידע של אקאיק (AIC) כדי להחליט על הפונקציה המתאימה ביותר לנתונים; למרות בפועל, אחת הפונקציות הנפוצות ביותר היא מודל לויד-טיילור30 :
      figure-protocol-1
      כאשר Rאקו הוא הערך השטף של figure-protocol-2 הנשימה האקולוגית, הוא קצב הנשימה בטמפרטורת התייחסות, tref הוא טמפרטורת ההתייחסות, t היא האוויר נמדד או טמפרטורת הקרקע, T0 הוא הטמפרטורה שהיא סף עבור פעילות ביולוגית ליזום (פרמטר מוערך של המודל) ו- E0 הוא הפרמטר המתאר את אנרגיית ההפעלה.
      הערה: במקרה של שגרת FCRN, חלק ממשתנים אלה מוגדרים מראש: Tref ו- E0, אשר במקרה של tlen אני windthrow אתר היו שווים 283.25 k ו 309 k, בהתאמה. מחקרים מראים את השימוש בטמפרטורת הקרקע נמדד על העומק הגדול ביותר עבור מערכת היחסים Reco vs. T 25, אשר עבור צמחייה קצרה נראה הבחירה הטובה ביותר, מאז חלק גדול של פליטה מגיע הנשימה הטרוגניים מהקרקע והשורשים. בניגוד ליער הגבוה, הנשימה הautotrophic של העלווה, הענפים והבולנים, המונעת על ידי טמפרטורת האוויר, אינה משחקת תפקיד מרכזי (אם קיים).
    3. באמצעות Rאקו לעומת הפונקציה הרגרסיה T , למלא את הפערים בלילה וללא הגדל העונה nep פלוסים ולחשב את ערך הפונקציה של פלקסים חסר באמצעות מדידות טמפרטורה המקביל. שים לב כי במקרים אלה Reco = NEP, ו gpp = 0. הפונקציה זהה עם הטמפרטורות בשעות היום תעניק R לאורך היום פלקסים עבור כל חצי שעה.
    4. חישוב ערכי GPP על פי המשוואה: GPP = NEP + Reco עבור כל שטף nep זמין במהלך היום בעונת הצמיחה או להגדיר לאפס במהלך הלילה ואת העונה לא גדל. לאחר מכן, למצוא את היחסים בין PPFD ו GPP fluxes. השתמש בכל תוכנה המאפשרת להתאים פונקציות שאינן לינאריות לנתונים. שוב, קיימת משוואה נפוצה להשגת מערכת יחסים כזאת-היפרבולה מלבנית של מייקל-מנטה, כאן בטופס משתנה26:
      figure-protocol-3
      כאשר GPP הוא 30 דקות בממוצע התפוקה העיקרית הייצור העיקרי הערך, α היא התשואה הקוונטית האקולוגית, ו GPPלבחור הוא שיעור השטף gpp ב-ppfd אופטימלי (2000 μo∙ m-2∙ s-1).
      הערה: השתמש בפונקציה המתקבלת כדי לדגמן ערכי GPP עבור היום הנמדד, הגוברת ערכי הפלוסים של NEP.
    5. בסוף ההליך כולו, השתמש בדגם gpp ו- Reco פלקסים כדי לחשב חסר ערכי פלקסים חסרים כדלקמן: nep = gpp- Reco.
      הערה: חלק מהפערים הקטנים (מספר פלוסים חסרים) יכולים להתמלא בפונקציית רגרסיה לינארית פשוטה, גישה מתכוונת נעה או שיטות סטטיסטיות אחרות לפני הכניסה למודלים. הפערים במשתנים משניים (טמפרטורה, קרינת השמש) חייבים להיות מלאים לפני הכניסה למודלים. לפיכך, המדידה המוכפלה של אותו משתנה או משתנים חלופיים שימושיים, ומסייעת להימנע מפערים גדולים בערכות נתונים.
  3. כדי למלא את הפערים לא רק ב-CO2 אלא גם ערכים אחרים EC השטף (הגיוני וחום חבוי), כמו גם באלמנטים המטאורולוגיים חשוב, השתמש בכלי ReddyProc25 מקוון (זמין גם כחבילת תוכנה R ).
    הערה: בניגוד לשיטה הקודמת, הראשון החסר פלקסים פלוסים מלאים ולאחר מכן כל השטף נטו לחצי שעה מחולק לתוך gpp ו Rאקו. סוג המודל המשמש לחלוקה למחיצות Reco פלקסים זהה לטכניקה הקודמת.
    1. כדי להשתמש בכלי מקוון, הכינו נתונים לפי הכללים הנוגעים לתבנית ולסדר שלהם. הנתונים הדרושים כוללים 30-min ממוצעים של net CO2 (nep), חום כמוס (LE) והרבה חום הגיוני (H) fluxes, הגירעון אדי מים (vpd) ומהירות חיכוך ערכים מחושבים באמצעות מדידות EC, כמו גם בטמפרטורת הקרקע או האוויר (Tair או Tאדמה), קרינת השמש נכנסות (Rg) ולחות יחסית של האוויר (RH).
    2. עבור אל דף העיבוד ומלא את כל המידע הנחוץ לגבי אתר המדידה (שם, קואורדינטות, גובה, אזור זמן).
    3. החלט אם להעריך את הסף* בנוסף לתוכנה זו (ראה שלבים 3.6.2 ו-3.6.3), באיזו שיטה להשתמש ובאיזו תקופה: השנה כולה או בנפרד לכל עונה.
    4. בחרו אחת מהשיטות או את שתי השיטות לחלוקה למחיצות רשת (לילה-25 או31יום) והפעל את תהליך המחשוב.
  4. השוואת התוצאות שהתקבלו במונחים של שתי הופעות השיטה בפער השטף של NEP מילוי וחלוקה על ידי יצירת פערים מלאכותיים ב NEP, ולבדוק איך בדיוק הם היו מעוצב.
  5. לחשב יומית, הסכומים החודשיים והשנתיים של כל מילוי הפער CO2 פלקסים כולל nep, gpp, ו Reco, על בסיס שבו השינויים של תפקוד המערכת האקולוגית ניתן לעקוב. השתמש בפונקציה האישית של המשתמשים כדי לצבור את הפלוסים האלה בנפרד לתוך תחום הזמן שנבחר ולסכם את כל הערכים.
    הערה: באתר האינטרנט של tlen I, הסכומים השנתיים, כמו גם פלקסים חודשי מותר לנתח לא רק net CO2 exchange דינמיקה אלא גם מנגנוני התאוששות פוסט הפרעה של היער המנוהל.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

אחד השלבים הקריטיים בסינון השטף ובקרת איכות באתרי EC שאינם אידיאליים הוא הערכה של הייצוג המרחבי של הפלוסים הנמדד. הדרך הפשוטה ביותר לביצוע ניתוח כזה, בהתחשב בעובדה שהחישובים נעשו באמצעות תוכנה מסחרית ומיושמת באופן נרחב, היא לכלול מדידות מהאזור הרצוי בלבד, על בסיס כיוון הרוח והערכות לטביעות רגליים (ראה סעיף 3.7). לפיכך, הרוח עלתה בעלילה, עם כיוון רוח נבחר ולהאריך מקסימלי מקובל של טביעת רגל, מסומן כמו מצולעים מוצל, על רקע של תמונת לווין מהאתר Tlen I, מוצג כאן כייצוג חזותי של תוצאת הניתוח (<...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

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 רבים ברחבי העולם, רובן הן מערכות אקולוגיות לא מופרעת, בהן העיצוב ועיבוד הנתונים הבאים ניתן לבצע בהתאם לפתרונות סטנדרטיים (לדוגמה, FLUXNET או פרוטוקולי רשת ICOS ). למרות שבכל הנוגע לתחומים מוגבלים ולעיתים קר...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

המחברים רוצים להזכיר, כי הפרוטוקול המוצג הוא בעיקר פישוט של סוגיות ידועות ומפורטות נרחב לגבי מדידות EC. כל ההפניות הספיקות ניתנו בעת הצורך. המטרה העיקרית שלנו הייתה לקדם את השימוש בשיטה זו, כמו גם את התורן החדש והייחודי שלנו, המופעל בחשמל למדידות EC, בקרב שאינם מומחים בעלי גישה צעד אחר צעד. אנו מקווים, כי זה מקל על הבנת ולדמיין כי עם זאת דרישות מחמירות צריך להיות נפגשו, הטכניקה EC יכול להיות מיושם באופן משביע רצון גם בלתי אופייני, מוגבלת מערכות אקולוגיות מוגבלות. עם ספרות רחבה בנוגע לתורת EC ומתודולוגיה, הפרוטוקול המוצג יכול להיות גם עידוד לרכישת ידע נוסף בנושא זה.

תודות

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.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
תורן מתכוונן עם מסילות מתכת ומנוע חשמלי (24 וולט)maszty.net-מבנהבסיסי אלטרנטיבי. יתוכנן וייוצר על ידי אנשי מקצוע
EddyProLI-COR, Inc.גרסה 6.2.0.תוכנה מסחרית חינמית לחישוב שטפים. זמין באתר אינטרנט: https://www.licor.com/env/products/eddy_covariance/software.html, על פי בקשה
מנתח גז אינפרא אדום בנתיב סגורLI-COR, Inc.LI-7200אחד משני המכשירים של מערכת השונות המערבולת (EC) המשמשים למדידות שטפי CO2. ניתן להשתמש בסוגים אחרים של מנתחים מהירים (>תדר דגימה של 10 הרץ)
REddyProc-תוכנה חינמית למילוי פערים וחלוקה של שטפי EC. זמין במכון מקס פלאנק לביוגיאוכימיטריה: https://www.bgc-jena.mpg.de/bgi/index.php/Services/REddyProcWeb. גם כלי מקוון וגם חבילת R מסופקים.
בסיס מגדל אלומיניום קצר עם תשתית בטוןmaszty.netבניה בסיסית אלטרנטיבית (פתרון חלוצי). יתוכנן וייוצר על ידי אנשי מקצוע
מד רוח קוליגיל אינסטרומנטסגיל ווינדמאסטראחד משני המכשירים של מערכת השונות המערבולת (EC) המשמשים למדידות מהירות הרוח. ניתן להשתמש בסוגים אחרים של מדי רוח קוליים תלת מימדיים
חצובה מנירוסטהCampbel Scientific, Inc.CM110 10 רגלהמבנה הבסיסי למערכת שונות מערבולת (EC). ניתן לבנות בעצמך - חומרים שניתן למצוא בחנות לחומרי בניין
חיישן סאנשייןדלתא-טי מכשירים בע"מBF5אחד המכשירים המופתיים למדידות צפיפות שטף פוטונים פוטוסינתטיים (PPFD). לרכישה ממספר חברות מסחריות. זכור למקם אותו מעל החופה, הרחק ממשטחים מחזירי אור.
תרמיסטוריםקמפבל סיינטיפיק, בע"מT107אחד המכשירים המופתיים למדידות טמפרטורת הקרקע. לרכישה ממספר חברות מסחריות. רצוי שיהיה פרופיל של טמפרטורת הקרקע
ThermohygrometerVaisala OyjHMP155אחד המכשירים המופתיים למדידות טמפרטורת אוויר ולחות. לרכישה ממספר חברות מסחריות. זכור למקם אותו בתוך מגן קרינה בגובה דומה למערכת EC.

מקורות

  1. 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).
  2. 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).
  3. Aubinet, M., Vesala, T., Papale, D. A practical guide to measurements and Data Analysis. , Springer. Dordrecht, Heidelberg, London, New York. (2012).
  4. Burba, G. Eddy Covariance Method for: Scientific, Industrial, Agricultural, and Regulatory Applications. A Field Book on Measuring Ecosystem Gas Exchange and Areal Emission Rates. , LI-COR Bioscienses. Lincoln, Nebraska. (2013).
  5. Pan, Y., et al. A Large and Persistent Carbon Sink in the World’s Forests. Science. 333, 988-993 (2011).
  6. Wofsy, S. C., et al. Net exchange of CO2 in a midlatitude forest. Science. 260 (5112), 1314-1317 (1993).
  7. Luyssaert, S., et al. CO2 balance of boreal, temperate, and tropical forests derived from a global database. Global Change Biology. 13, 2509-2537 (2007).
  8. Knohl, A., et al. Carbon dioxide exchange of a Russian boreal forest after disturbance by wind throw. Global Change Biology. 8, 231-246 (2002).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. Burba, G., Anderson, D. A brief practical guide to Eddy Covariance Flux Measurements. Principles and workflow examples for scientific and industrial applications. , LI-COR Biosciences. Lincoln, Nebraska. (2010).
  14. 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).
  15. Eddy Pro Software Instruction Manual. , LI-COR Biosciences. Lincoln, Nebraska. Available from: https://www.licor.com/documents/1ium2zmwm6hl36yz9bu4 (2017).
  16. Wilczak, J. M., Oncley, S. P., Stage, S. A. Sonic anemometer tilt correction algorithms. Boundary-Layer Meteorology. 99, 127-150 (2001).
  17. Foken, T., et al. Post-field quality control. Handbook of Micrometeorology: A Guide for Surface Flux Measurements. Lee, X. , Kluwer Academic. Dordrecht. (2004).
  18. 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).
  19. Foken, T., Wichura, B. Tools for quality assessment of surface-based flux measurements. Agricultural and Forest Meteorology. 78, 83-105 (1996).
  20. 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).
  21. Gu, L., et al. Objective threshold determination for nighttime eddy flux filtering. Agricultural and Forest Meteorology. 128 (3-4), 179-197 (2005).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).
  25. 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).
  26. Falge, E., et al. Gap filling strategies for defensible annual sums of net ecosystem exchange. Agricultural and Forest Meteorology. 107, 43-69 (2001).
  27. 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).
  28. 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).
  29. 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).
  30. Lloyd, J., Taylor, J. On the Temperature Dependence of Soil Respiration. Functional Ecology. 8, 315-323 (1994).
  31. 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).
  32. 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).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

גלה מאמרים נוספים

מדידות שטף CO2חישוב שטףסינון נתוניםמילוי פעריםייצור מערכת אקולוגית נטוניתוח שושנת רוחסף מהירות חיכוךייצוגיות מרחביתכלי REddyProc
מדידות של CO2 פלוסים באתרים לא אידיאליים של אדי השונות המשותפת
צרו קשר
המליצו לספרייה

פרטיות

תנאי שימוש

מדיניות

זכויות יוצרים © 2026 MyJoVE Corporation. כל הזכויות שמורות.