Name: Kalibracja i wykorzystanie czujników pojemnościowych do monitorowania zawartości wody w łodygach drzew (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-12-27T15:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 31 s
Description: Poznaj metodę kalibracji czujników pojemnościowych do ciągłego monitorowania zawartości wody w łodygach drzew. Technika ta umożliwia automatyczne pomiary w skali podgodzinowej, dostarczając cennych danych dla badań ekohydrologicznych i modelowania powierzchni ziemi.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

playerTrialDesktop

Finansowanie tego badania zostało zapewnione przez Biuro Nauki Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych, Biuro Badań Biologicznych i Środowiskowych, Nagroda Programu Nauk o Ekosystemach Lądowych No. DE-SC0007041, program zarządzania Ameriflux w ramach umowy nr 7096915 dotyczącej głównego ośrodka Flux za pośrednictwem Lawrence Berkeley National Laboratory oraz grant National Science Foundation Hydrological Science 1521238. Wszelkie opinie, ustalenia, wnioski lub zalecenia wyrażone w tym materiale są opiniami autorów i niekoniecznie odzwierciedlają poglądy agencji finansujących.

1. Wybór drzewa do instrumentacji
<ol>
	<li>Wybierz drzewa do pomiaru. Idealnie powinny to być drzewa zdrowe, z ogólnie okrągłym przekrojem pnia i średnicą od 1 do 2 razy większą niż długość wypustek czujnika, lub z głębokością biela większą niż długość wypustek sensora (~5 cm dla zaprezentowanych tutaj czujników pojemnościowych). Zmierz głębokość biela za pomocą rdzeni drzewnych lub, w przypadku wielu gatunków, oblicz głębokość biela za pomocą równań allometrycznych wiążących powierzchnię biela ze średnicą pnia 29,54, zmierzoną standardową taśmą do pomiaru średnicy. 
	UWAGA: Niektóre rodzaje czujników pojemnościowych mogą zostać przycięte do odpowiedniej długości po kroku 1.2 bez niekorzystnego wpływu na dokładność pomiaru. Przycinać lub przecinać można jedynie czujniki pojemnościowe z sztywnymi wypustkami pomiarowymi, które nie zawierają okablowania. W przypadku przyciętych czujników konieczna jest oddzielna kalibracja. Dlatego należy wybrać drzewo i określić odpowiednią długość wypustek przed procedurą kalibracji.</li>
	<li>Określ odpowiednią długość wypustek czujnika na podstawie średnicy drzewa i głębokości biela. 
	UWAGA: Czujniki pojemnościowe integrują informacje o wilgotności na całej długości wypustek czujnika, L. Przyjmuje się zatem, że dostarczana przez nie zintegrowana obserwacja jest reprezentatywna dla całego pnia, gdy średnica mieści się w przedziale od L do 2L. Kora i łyko nie wpłyną na pomiar, ponieważ zostaną usunięte z obszaru pomiarowego przed instalacją (patrz sekcja 4.2).
	<ol>
		<li>Przytnij czujniki w przypadku drzew, w których L jest większe niż średnica pnia (patrz Krok 1.3), tak aby wypustki nie przebiły się na wylot przez przeciwległą stronę pnia.</li>
		<li>W przypadku drzew, w których średnica jest większa niż 2L, a głębokość biela jest mniejsza niż L, zmierz połączony sygnał z biela i drewna jądrowego za pomocą czujnika. 
		UWAGA: Ponieważ zawartość wody różni się w tych dwóch typach tkanek, może to spowodować błąd, jeśli przyjmie się, że obserwacja jest reprezentatywna dla całego pnia. W takich przypadkach lub gdy użytkownika interesują jedynie wahania wody w bieli, wypustki czujnika należy przyciąć do głębokości biela, tak aby obserwacje reprezentowały wahania zawartości wody wyłącznie w bieli (aktywnym ksylemie). Gdy głębokość biela jest większa niż L, obserwacje reprezentują tylko biel, ale czujnika nie trzeba przycinać.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Jeśli jest to konieczne (zgodnie z ustaleniami w Krokach 1.2.1 i 1.2.2), utnij czujnik tak, aby pasował do określonego zastosowania. Aby przeciąć wypustki czujnika, mocno przymocuj sensor do stołu warsztatowego i, używając odpowiedniego sprzętu ochronnego, zastosuj elektronarzędzie obrotowe wyposażone w stalową tarczę tnącą, aby uciąć każdą wypustkę do dokładnie tej samej długości.</li>
</ol>
2. Pobranie i przygotowanie próbek drewna wszystkich interesujących gatunków w celu stworzenia kalibracji specyficznej dla gatunku
<ol>
	<li>Pobrać pień, młodą łodygę lub dużą gałąź o średnicy co najmniej 6 cm z gatunku, który jest przedmiotem badania. Preferowane są większe średnice, aby zmaksymalizować ilość drewna otaczającego czujnik i jak najbliżej odwzorować gęstość pnia dla pomiarów terenowych. Usunąć wszystkie przytwierdzone gałązki lub liście, a także wszelkie porosty lub luźny materiał. 
	UWAGA: Szczegółowe omówienie niepewności wynikających z różnic w gęstości gałęzi i łodyg znajduje się w sekcji Dyskusja.</li>
	<li>Podzielić łodygę na 25 lub więcej cylindrycznych odcinków o długości ok. 15 cm.</li>
	<li>Oznaczyć każdy odcinek oraz zapisać jego średnią średnicę i długość. Objętość odcinków obliczyć jako objętość walca.</li>
	<li>Podzielić odcinki na dwie grupy w celu różnicowego nawadniania i suszenia. Około 1/3 odcinków umieścić w kąpieli wodnej w celu rehydratacji, a pozostałe 2/3 odcinków w suszarce w temperaturze 60 °C w celu dehydratacji. Dwa odcinki zachować osobno do natychmiastowego pomiaru: najlepiej jeden z połowy długości łodygi i jeden z końca. 
	UWAGA: Zazwyczaj odcinki suszone w 60 °C zostaną całkowicie wysuszone po ok. 2 tygodniach, a w pełni nawodnione po ok. 3 dniach. Wyjmować poszczególne odcinki z suszarki/kąpieli wodnej i dokonywać pomiarów w odstępach dobowych lub dwukrotnie w ciągu doby (patrz Krok 3.7), aby uzyskać gradient pomiarów obejmujący największy zakres możliwej objętościowej zawartości wody.</li>
</ol>
3. Utworzenie zależności kalibracyjnej między sygnałem wyjściowym czujnika a objętościową zawartością wody
<ol>
	<li>Podłącz czujnik pojemnościowy do rejestratora danych, zgodnie z instrukcjami producenta, oraz do komputera w celu wizualizacji odczytów czujnika w czasie rzeczywistym. Ustaw interwał czasowy zbierania danych na 30 s.</li>
	<li>Używając gotowego szablonu do wiercenia, mocno unieruchomionego w celu zachowania osiowości, oraz wiertła o średnicy nieco mniejszej niż średnica elektrod czujnika pojemnościowego (3,57 mm dla czujnika użytego w tym doświadczeniu), wywierć dwa pionowe zestawy trzech otworów. Drugi zestaw powinien znajdować się pod kątem około 150° wokół segmentu drewna, z zachowaniem pionowego odstępu kilku centymetrów, aby wykluczyć potencalne nakładanie się otworów. Do pierwszego zestawu pomiarów wykorzystaj segmenty drewna odłożone w kroku 2.4.</li>
	<li>Zważ segment i zapisz masę z dokładnością do 0,01 g w momencie pomiaru. Końce segmentów zabezpiecz folią spożywczą, aby zapobiec dodatkowemu wysychaniu.</li>
	<li>Niezwłocznie po ważeniu oczyść elektrody czujnika pojemnościowego wacikiem nasączonym alkoholem i całkowicie wprowadź go w segment łodygi, tak aby żadna część stalowych elektrod nie była widoczna. Odczekaj, aż odczyt pomiarowy na ekranie wyjściowym ustabilizuje się (zazwyczaj 2 lub 3 min). Rejestruj wyjściowe wartości temperatury, przewodności elektrycznej i przenikalności dielektrycznej (εb) co 30 s przez 5 min, a następnie oblicz średnią z 10 pomiarów.</li>
	<li>Ostrożnie wyjmij czujnik z segmentu, oczyść elektrody wacikiem nasączonym alkoholem i poczekaj, aż odczyty wyjściowe powrócą do zera. Powtórz procedurę pomiarową od kroku 3.3 w drugim zestawie nawierconych otworów.</li>
	<li>Usuń folię z końców i umieść segment łodygi w suszarce. Pozostaw go do całkowitego wysuszenia (zazwyczaj 2 tygodnie lub do momentu ustabilizowania się masy przez kilka dni).</li>
	<li>Powtórz kroki od 3.3 do 3.7 dla wszystkich segmentów. Wyjmuj segmenty z suszarki i wykonuj pomiary częściej (dwukrotnie dziennie) w ciągu pierwszych kilku dni suszenia, ze względu na szybsze tempo początkowej utraty wilgoci niż w ostatnich dniach (raz dziennie). Przed ważeniem i pomiarem osusz nadmiar wody z powierzchni segmentów wyjętych z łaźni wodnej za pomocą ręcznika papierowego. Mierz jeden rehydratyzowany segment łodygi dziennie, aż wszystkie rehydratyzowane segmenty zostaną zmierzone.</li>
	<li>Po całkowitym wysuszeniu zapisz końcową masę suchą wszystkich segmentów łodyg.</li>
	<li>Oblicz objętościową zawartość wody (VWC, cm3wody /cm3drewna) każdego segmentu łodygi w momencie pomiaru, korzystając z następującego wzoru: 
	<img alt="Równanie objętościowej zawartości wody (VWC), VWC = Vw/Vstem, wzór w badaniu naukowym." src="/files/ftp_upload/57062/57062eq1.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 1"> (1) 
	Gdzie Vw to objętość wody (cm3), a Vstem to objętość segmentu łodygi (cm3) obliczona w kroku 1.2.
	<ol>
		<li>Oblicz objętość wody w każdym segmencie w momencie pomiaru jako: 
		<img alt="Równanie gęstości cieczy, Vw=mw/ρw, klucz w obliczeniach objętości, formuła naukowa." src="/files/ftp_upload/57062/57062eq2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 2"> (2) 
		Gdzie mw jest masą wody w segmencie łodygi (g) w momencie pomiaru, a ρw to gęstość wody (1 g cm-3)</li>
		<li>Oblicz masę wody w każdym segmencie w momencie pomiaru jako: 
		<img alt="Wzór na obliczenie zawartości wody, mw=Mwet−Mdry, w badaniach nad analizą gleby." src="/files/ftp_upload/57062/57062eq3.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 3"> (3) 
		Gdzie Mwet to masa segmentu łodygi w momencie pomiaru (g), a Mdry to końcowa masa segmentu (g).</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Używając oprogramowania do analizy statystycznej, wyznacz linię regresji najlepiej dopasowaną do zależności między przenikalnością dielektryczną obserwowaną przez czujnik a VWC (Rycina 1, Tabela 1).</li>
</ol>
<img alt="Wykres objętościowej zawartości wody w funkcji przenikalności dielektrycznej dla porównania gatunków roślin." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57062/57062fig1.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rycina 1"> 
Rycina 1: Przykładowe krzywe kalibracyjne. Krzywe kalibracyjne wygenerowane dla Quercus rubra, Acer rubrum, Betula papyrifera, Populus grandidentata oraz Pinus strobus zgodnie z częściami 1 i 2 niniejszego protokołu. Równania i współczynniki determinacji dla każdego z gatunków podano w Tabeli 1. <a href="//cloudfront.jove.com/files/ftp_upload/57062/57062fig1large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td></td>
			<td>m</td>
			<td>b</td>
			<td>R2</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>B. paprifera</td>
			<td>0.048</td>
			<td>-0.098</td>
			<td>0.967</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>A. rubrum</td>
			<td>0.067</td>
			<td>-0.158</td>
			<td>0.853</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Q. rubra (skrócone)</td>
			<td>0.120</td>
			<td>0.041</td>
			<td>0.636</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Q. rubra</td>
			<td>0.058</td>
			<td>-0.109</td>
			<td>0.718</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>P. grandidentata</td>
			<td>0.023</td>
			<td>-0.028</td>
			<td>0.887</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>P. strobus</td>
			<td>0.030</td>
			<td>-0.072</td>
			<td>0.900</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>
Tabela 1: Równania kalibracyjne dla konwersji εb na VWC dla pięciu gatunków drzew strefy umiarkowanej. Współczynniki „m” i „b” przedstawiono dla równania liniowego w formie standardowej: VWC = m*εb+b.
4. Instalowanie czujników pojemnościowych w drzewach do pomiarów polowych
<ol>
	<li>Przed instalacją czujników należy zmierzyć średnicę pnia oraz wysokość nad powierzchnią gruntu dla każdego miejsca montażu czujnika. Zazwyczaj, w celu monitorowania VWC w pniu, jeden czujnik umieszcza się ok. 0,5 m nad powierzchnią gruntu, a drugi tuż poniżej pierwszego głównego rozwidlenia gałęzi (ok. 7,5 m nad gruntem, Rycina 2).</li>
</ol>
<img alt="Schemat pomiaru pojemności elektrycznej drzewa; czujniki, stacja rejestrująca dane do analizy zawartości wody." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57062/57062fig2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rycina 2"> 
Rycina 2: Przykład konfiguracji eksperymentu polowego. Schemat rozmieszczenia i orientacji czujników w dojrzałym drzewie sąsiadującym ze stacją rejestrującą dane. <a href="//cloudfront.jove.com/files/ftp_upload/57062/57062fig2large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>
<ol start="2">
	<li>Usuń korę do poziomu kambium i za pomocą noża do kory stwórz płaską powierzchnię w miejscu instalacji czujnika. Upewnij się, że powierzchnia ta jest wystarczająco szeroka i płaska, aby czujnik po zainstalowaniu przylegał ściśle do powierzchni drzewa, tak aby żadna część elektrod nie wystawała. Usuń korę i kambium, aby upewnić się, że pomiary obejmują wyłącznie zawartość wody w ksylemie, z wyłączeniem zawartości wody w korze lub łyku.</li>
	<li>Wywierć otwory na elektrody. W przypadku miękkiego drewna użyj wiertła o średnicy nieco mniejszej niż średnica elektrod, natomiast w przypadku twardego drewna użyj wiertła o rozmiarze zbliżonym do rzeczywistego rozmiaru elektrod (w niniejszym protokole zastosowano 3,57 mm). Aby uzyskać pomiary wysokiej jakości, upewnij się, że elektrody czujnika mają dobry kontakt z drewnem. Ponieważ nie będzie istniała potrzeba regularnego wyjmowania czujnika, jak miało to miejsce podczas procedury kalibracji, można tutaj zastosować nieco mniejsze wiertło niż to użyte do kalibracji.</li>
	<li>Oczyść elektrody czujnika gazikiem nasączonym alkoholem, aby usunąć zanieczyszczenia lub tłuszcze skórne, a następnie włóż czujnik w nawiercone otwory. Jeśli podczas wkładania czujnik napotka zbyt duży opór, delikatnie go wyjmij i ponownie nawierć otwory, aby je nieco poszerzyć. Upewnij się, że wszystkie trzy elektrody są całkowicie włożone, a obudowa czujnika przylega ściśle do pnia drzewa.</li>
	<li>Użyj uszczelniacza na bazie silikonu, aby uszczelnić czujnik przy pniu drzewa, co pomoże zapobiec przedostawaniu się przepływu łodygowego do otworów oraz zapobiegnie infestacji szkodników.</li>
	<li>Przykryj czujnik izolacją refleksyjną, aby uniknąć nagrzewania zewnętrznego.</li>
	<li>Zgodnie ze specyfikacją producenta, podłącz wszystkie czujniki do źródła zasilania 12 V oraz kompatybilnego rejestratora danych. W przypadku czujników rozmieszczonych w terenie stosuj 5-minutowe odstępy w zbieraniu danych, natomiast w miejscach o ograniczonym dostępie do energii, np. w punktach zasilanych energią słoneczną lub bateryjnie, stosuj dłuższe odstępy w celu oszczędzania energii.</li>
</ol>
5. Przetwarzanie surowych danych na zapas wody w łodydze z wykorzystaniem krzywej kalibracyjnej
<ol>
	<li>Używając równania krzywej kalibracyjnej wyznaczonej w kroku 2.9, przelicz sygnał wyjściowy czujnika na VWC dla wszystkich obserwacji. VWC wyraża się zazwyczaj w cm3/cm3 lub w procentach. Procentowa wartość VWC będzie zatem mieścić się w zakresie od 0 do 100%.</li>
	<li>Oblicz całkowitą objętość obszaru zainteresowania (cm3) pomiędzy dwiema wysokościami pomiaru (np. na Rysunku 2: 0,5 m i 7,5 m), zakładając liniową zmianę średnicy pnia wraz z wysokością. W przypadku drzew, w których obserwacja obejmuje cały pień (tj. drzew o średnicach od L do 2L przy użyciu niemodyfikowanych czujników lub cieńszych drzew, w których czujnik został przycięty do średnicy pnia, patrz sekcja 2.2), zastosuj równanie 4: 
	<img alt="Wzór na obliczenie objętości przeksetki przedstawiony w równaniu: πH/3(2r1² + r1r2)." src="/files/ftp_upload/57062/57062eq4.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 4"> (4) 
	gdzie H to różnica wysokości (odległość pionowa) między czujnikami (np. na Rysunku 2: 700 cm), a r1 i r2 to promienie pnia (cm) odpowiednio w miejscach położenia dolnego i górnego czujnika. 
	W przypadku drzew, w których czujniki dostarczają szacunków jedynie dla zawartości wody w drewnie drzicowym (patrz wyznaczanie długości czujnika, sekcja 1.2), zastosuj równanie 5: 
	<img alt="Równanie objętości, wzór na stożek, obliczenia matematyczne, koncepcja geometryczna, symbole algebraiczne." src="/files/ftp_upload/57062/57062eq5.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 5"> (5) 
	gdzie s1 i s2 to głębokości drewna drzicowego (cm) odpowiednio w miejscach położenia dolnego i górnego czujnika.</li>
	<li>Oblicz objętość wody zmagazynowanej w pniu lub drewnie drzicowym, mnożąc średnią wartość VWC drzewa przez całkowitą objętość obszaru zainteresowania.</li>
</ol>

Steven R. Garrity jest pracownikiem firmy METER Group Inc., która produkuje wzmocniony czujnik wilgotności gleby GS3 używany w tym artykule.

Sezonowe i dobowe wzorce zawartości wody w łodygach obserwowane za pomocą czujników pojemnościowych są zgodne z trendami w jednoczesnych pomiarach strumienia soków i wymuszania środowiskowego (Rysunek 3, Rysunek 4, Rysunek 5). Zbiorniki magazynujące wodę w łodygach wyczerpują się dobowo, gdy tempo transpiracji przekracza tempo ładowania przez tkanki drzewiaste, oraz sezonowo, gdy wilgotność gleby og...

Woda przechowywana w materiale roślinnym odgrywa integralną rolę w zdolności roślin do radzenia sobie z krótko- i długoterminowym stresem wodnym1,2. Rośliny magazynują wodę w korzeniach, łodygach i liściach zarówno w przestrzeniach wewnątrzkomórkowych, jak i zewnątrzkomórkowych (np. naczyniach ksylemowych) 2,3,4. Wykazano, że ta woda przyczynia się do od 10 do 50% wody transpirowanej dobowo2,5,6,7,8. W związku z tym pojemność hydrauliczna zakładu jest kluczowym składnikiem bilansu wodnego na lądzie, może być używana jako wskaźnik stresu wodnego, reakcji na suszę i odbudowy1 i jest krytycznym czynnikiem niezbędnym do skorygowania obserwowanych opóźnień czasowych między transpiracją a przepływem soków9,10,11. Monitorowanie zawartości wody w roślinności w czasie rzeczywistym może być również wykorzystywane w zastosowaniach rolniczych, aby pomóc w ograniczeniu nawadniania sadów i upraw w celu zwiększenia wydajności nawadniania12,13. Jednak pomiary ciągłej, in-situ zawartości wody w pniu gatunków drzewiastych7,14,15,16,17,18,19 są rzadkie w stosunku do pomiarów strumienia sap20. W tym miejscu przedstawiamy procedurę kalibracji czujników pojemnościowych w celu monitorowania objętościowej zawartości wody w pniach drzew5,21.
Zachowania hydrodynamiczne i regulacja zużycia wody przez roślinność są integralnym składnikiem kontinuum gleba-roślina-atmosfera22,23 i dlatego są ważnymi elementami kontrolującymi przepływy wody i węgla między biosferą a atmosferą24,25. Na dynamikę zawartości wody w łodydze wpływają zarówno czynniki biotyczne, jak i abiotyczne. Na wyczerpywanie się i uzupełnianie wody zmagazynowanej w źdźbłowisku mają wpływ krótko- i długoterminowe trendy warunków środowiskowych, w szczególności deficyt ciśnienia pary i zawartość wody w glebie1,26. Właściwości fizyczne wood27 (np. gęstość, struktura naczynia) oraz emergentna strategia hydrauliczna25 (np. izo- lub anizohydratlenowa regulacja aparatów szparkowych) określają zdolność rośliny do magazynowania i wykorzystywania wody19,26,28, i mogą się znacznie różnić w zależności od gatunku29,30. Poprzednie badania wykazały różne role pojemności w tropikach16,27,31,32,33 i temperate5,7,21 gatunków i w obu gatunkach okrytozalążkowych1,2,34 oraz gymnosperms6,11,17,19.
Lepsza wiedza na temat zawartości wody z biomasy poprawi zrozumienie strategii roślinności w zakresie pozyskiwania i wykorzystywania wody1,2, wraz z podatnością gatunków na przewidywane zmiany w reżimach opadów35,36. Dalsze zrozumienie strategii wykorzystania wody przez rośliny pomoże przewidzieć zmieniające się wzorce demograficzne w przyszłych scenariuszach klimatycznych37,38. Dzięki technikom fuzji danych modelowych39, dane o zawartości wody w pniu uzyskane przy użyciu tej metodologii mogą być wykorzystywane do informowania i testowania skalowalnych modeli hydrodynamicznych na poziomie roślin40,41,42,43,44 w celu usprawnienia obliczeń przewodnictwa aparatów szparkowych, a tym samym symulacji zarówno transpiracji, jak i poboru węgla przez fotosyntezę. Te zaawansowane modele hydrodynamiczne mogą zapewnić znaczne zmniejszenie niepewności i błędów, gdy zostaną włączone do większych modeli powierzchni lądu i systemów Ziemi25,45,46,47,48.
Metody używane do monitorowania lub obliczania zawartości wody w pniu obejmują rdzeń drzewa33,49, dendrometry elektroniczne2,15,50, opór elektryczny51, tłumienie promieniowania gamma52, znaczniki deuteru19, sieci czujników strumienia SAP32,33,53, psychrometry macierzyste49, oraz amplitude11 i time4,12,13 reflektometria domeny (TDR). Ostatnie wysiłki przetestowały żywotność czujników pojemnościowych, które tradycyjnie były używane do pomiaru objętościowej zawartości wody w glebie5,18,21,27. Czujniki pojemnościowe typu reflektometrycznego w dziedzinie częstotliwości (FRD) są tanie i zużywają stosunkowo niewielkie ilości energii do ciągłych pomiarów, co czyni je atrakcyjnym narzędziem do pomiarów o wysokiej rozdzielczości czasowej w scenariuszach terenowych. Łatwość automatyzacji czujników typu FDR w porównaniu z TDR ułatwia gromadzenie ciągłych zestawów danych o nasłonecznieniu i eliminuje wiele wyzwań związanych z pomiarami TDR wymagającymi znacznych długości13. Zastosowanie czujników pojemnościowych in-situ eliminuje potrzebę powtarzalnego wiercenia rdzeniowego lub zbierania gałęzi i może zapewnić większą dokładność w przypadku gatunków drewna twardego. Gatunki drzewiaste, które pobierają wodę głównie z przestrzeni zewnątrzkomórkowych, takich jak naczynia ksylemu, lub mają wysokie moduły elastyczności drewna lub kory, na ogół nie są dobrymi kandydatami do popularnych technik pomiaru dendrometrycznego ze względu na niską elastyczność trzpienia2. Czujniki pojemnościowe szacują przenikalność dielektryczną, którą można bezpośrednio przekształcić w objętościową zawartość wody. Jednak pomiary pojemności są wrażliwe na gęstość mediów otaczających czujnik. Dlatego opowiadamy się za kalibracjami specyficznymi dla gatunku, które konwertują dane wyjściowe czujników na objętościową zawartość drewna i wody5,21.
Przedstawiamy protokół kalibracji specyficznej dla gatunku, który przekształca dane wyjściowe czujnika pojemnościowego na objętościową zawartość wody w drewnie. Zamieszczono również instrukcję instalacji czujników pojemnościowych w terenie w dojrzałych drzewach oraz omówienie mocnych i słabych stron metody. Techniki te mają na celu monitorowanie objętościowej zawartości wody w pniu, największym zbiorniku magazynującym wodę w drzewie8, ale można je łatwo rozszerzyć na całe drzewo poprzez instalację dodatkowych czujników wzdłuż gałęzi. Pomiary dynamicznej zawartości wody w roślinach przyczynią się do rozwoju hydrodynamiki roślinności, biometeorologii i modelowania powierzchni lądu.

<table><tbody><tr><td>Wytrzymały czujnik wilgotności gleby</td><td>METER Group Inc.</td><td>GS-3</td><td>Czujniki pojemności</td></tr><tr><td>Wiertło 1/8"</td><td>Dowolna</td><td>N/A</td><td></td></tr><tr><td>Wiertło 9/64"</td><td>Dowolna</td><td>N/A</td> Suszarka Dowolna N/A <td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Piła łańcuchowa</td><td>Dowolna</td><td>N/A</td><td></td></tr><tr><td>Wiertarka elektryczna</td><td>Dowolna</td><td>N/A</td><td></td></tr><tr><td>Wiadro do kąpieli wodnej</td><td>Dowolna</td><td>N/A</td><td></td></tr><tr><td>Alkohol waciki</td><td>Dowolna</td><td>Nie dotyczy</td><td></td></tr><tr><td>Nóż do rysowania</td><td>Dowolna</td><td>nie dotyczy</td><td></td></tr><tr><td>Rejestrator danych</td><td>Dowolna</td><td>nie dotyczy</td><td></td></tr><tr><td>Uszczelniacz silikonowy</td><td>Dowolna</td><td>nie dotyczy</td><td></td></tr></tbody></table>

kalibracja i wykorzystanie czujników pojemnościowych do monitorowania zawartości wody w łodygach drzew

The Calibration and Use of Capacitance Sensors to Monitor Stem Water Content in Trees

Transport i magazynowanie wody przez kontinuum gleba-roślina-atmosfera jest kluczowe dla lądowego obiegu wody i stało się głównym obszarem badań. Pojemność biomasy odgrywa integralną rolę w unikaniu zakłóceń hydraulicznych spowodowanych transpiracją. Jednak pomiary dynamicznych zmian pojemności hydraulicznej dużych drzew w wysokiej rozdzielczości czasowej są rzadkie. W tym miejscu przedstawiamy procedury kalibracji i stosowania czujników pojemnościowych, zwykle używanych do monitorowania zawartości wody w glebie, do pomiaru objętościowej zawartości wody w drzewach na polu. Obserwacje w stylu reflektometrii w dziedzinie częstotliwości są wrażliwe na gęstość badanych ośrodków. W związku z tym konieczne jest przeprowadzenie kalibracji specyficznych dla danego gatunku w celu przekształcenia wartości przenikalności dielektrycznej podawanych przez czujnik na objętościową zawartość wody. Kalibracja jest wykonywana na zebranej gałęzi lub łodydze pociętej na segmenty, które są suszone lub ponownie nawadniane w celu wytworzenia pełnego zakresu zawartości wody używanej do generowania najlepiej dopasowanej regresji z obserwacjami czujników. Czujniki są umieszczane w segmentach kalibracyjnych lub instalowane na drzewach po wstępnym wywierceniu otworów w celu dopasowania tolerancji za pomocą spreparowanego szablonu, aby zapewnić prawidłowe wyrównanie wiertła. Szczególną uwagę zwrócono na to, aby zęby czujnika miały dobry kontakt z otaczającymi mediami, a jednocześnie umożliwiały ich wkładanie bez użycia nadmiernej siły. Dynamika objętościowej zawartości wody obserwowana za pomocą przedstawionej metodologii jest zgodna z pomiarami przepływu soków zarejestrowanymi przy użyciu technik rozpraszania ciepła i danymi dotyczącymi wymuszania środowiskowego. Dane dotyczące zawartości wody w biomasie mogą być wykorzystywane do obserwacji wystąpienia stresu wodnego, reakcji na suszę i odbudowy, a także mogą być stosowane do kalibracji i oceny nowych modeli hydrodynamicznych na poziomie roślin, a także do podziału teledetekcyjnych produktów wilgotności na składniki nadziemne i podziemne.

W tej sekcji przedstawiamy dane kalibracyjne dla pięciu powszechnie występujących gatunków drzew lasów wschodnich, a następnie szczegółową analizę pomiarów terenowych zapasów wody w pniu u trzech osobników Acer rubrum podczas sezonu wegetacyjnego w 2016 roku. Krzywe kalibracyjne wygenerowano dla Acer rubrum, Betula papyrifera, Pinus strobus, Populus grandidentata oraz Quercus rubra (Rysunek 1). Nachylenia krzywych różniły się nawet ...

Pojemność hydrauliczna biomasy jest kluczowym składnikiem budżetu wodnego roślinności, który służy jako bufor przed krótko- i długoterminowymi stresami związanymi z suszą. W tym miejscu przedstawiamy protokół kalibracji i stosowania czujników pojemności wilgotności gleby do monitorowania zawartości wody w pniach dużych drzew.

Kalibracja i wykorzystanie czujników pojemnościowych do monitorowania zawartości wody w łodygach drzew

Water transport and storage through the soil-plant-atmosphere continuum is critical to the terrestrial water cycle, and has become a major research focus ...

Ogólnym celem tej metodologii jest ciągłe monitorowanie objętościowej zawartości wody w pniach dojrzałych żywych drzew. Metoda ta może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania w dziedzinie ekohydrologii, takie jak to, w jaki sposób roślinność reaguje na ograniczenia wilgotności, w tym kiedy zaczyna się stres wodny i jak szybko następuje odbudowa po suszy. Główną zaletą tej techniki jest to, że pozwala ona na automatyczne pomiary zawartości biomasy, wody i C2 w odstępach podgodzinowych.Implikacje tej techniki rozciągają się w kierunku teledetekcji, ponieważ pomiary zawartości wód naziemnych są niezbędne do podziału produktów danych teledetekcyjnych oraz komponentów nadziemnych i podziemnych. Chociaż metoda ta może zapewnić wgląd w reakcję na suszę, można ją również rozszerzyć na inne zjawiska, takie jak monitorowanie zawartości paliwa w wodzie w celu przewidywania zapłonu pożaru lasu. To jest mój student Rio Mursinna, który pomoże nam w wyborze gałęzi i zbieraniu segmentów gałęzi.To jest Kelly Malone, asystentka naukowa w moim laboratorium. Po wybraniu drzewa do oprzyrządowania zgodnie z opisem w protokole tekstowym, przystąp do zbierania około czterech metrów lub więcej drewna z pnia

the-calibration-use-capacitance-sensors-to-monitor-stem-water-content

Research

JoVE Journal

Environment

Środowisko

Opisujemy stosunkowo szybką (30 min) i realistyczną metodę jednoczesnego pomiaru przewodności hydraulicznej liścia (Kleaf) oraz przewodności szparkowej (gs) dla transpirujących liści odciętych. Metodę tę można zmodyfikować w celu pomiaru odpowiedzi Kleaf oraz gs na światło i odwodnienie.

Pomiar przewodności hydraulicznej liści oraz przewodności szparkowej i ich odpowiedzi na natężenie promieniowania oraz odwodnienie z wykorzystaniem metody strumienia ewaporacyjnego (EFM)

Odkrycie, w jaki sposób fizjologia i morfologia są ze sobą powiązane, pozwala na głębsze zrozumienie mechanistycznego funkcjonowania liści roślin. Przedstawiono zarówno procedurę wyprowadzania parametrów regulacji aparatów szparkowych na podstawie pomiarów przewodności aparatów szparkowych, jak i korelacje z tradycyjnymi funkcjonalnymi cechami liści.

Powiązanie przewodnictwa aparatów szparkowych z cechami funkcjonalnymi liści

Wraz z postępem technologicznym i wzrostem oczekiwań użytkowników końcowych, wzrosło zapotrzebowanie i wykorzystanie danych o wyższej rozdzielczości czasowej do szacowania ładunku zanieczyszczeń. Protokół ten opisuje metodę ciągłego monitorowania jakości wody in situ w celu uzyskania danych o wyższej rozdzielczości czasowej w celu podejmowania świadomych decyzji dotyczących zarządzania zasobami wodnymi.

Ciągły monitoring dopływu składników pokarmowych i osadów w rolniczych zlewniach

Przedstawiamy prostą i opłacalną metodę budowy rejestratora danych o otwartym kodzie źródłowym, który mierzy kondukcję nienaczyniowych kryptogamów wraz z temperaturą i wilgotnością otoczenia. Opisujemy konstrukcję sprzętową rejestratora danych i udostępniamy instrukcje montażu krok po kroku, listę wymaganego oprogramowania do rejestrowania typu open source, kod do uruchomienia rejestratora danych oraz protokół kalibracji.

BtM, tani rejestrator danych typu open source do szacowania zawartości wody w nienaczyniowych kryptogamach

Obserwacja rozkładu wody w ksylemie dostarcza istotnych informacji na temat dynamiki przepływu wody w roślinach drzewiastych. W tym badaniu demonstrujemy praktyczne podejście do obserwacji dystrybucji wody ksylemu in situ przy użyciu kriostatu i krio-SEM, co eliminuje sztuczne zmiany stanu wody podczas przygotowywania próbki.

Dystrybucja wody ksylemu w roślinach drzewiastych wizualizowana za pomocą krioskaningowego mikroskopu elektronowego

Tutaj prezentujemy mikroskopię sił atomowych (AFM), działającą jako narzędzie do nano- i mikro-indentacji komórek i tkanek. Przyrząd pozwala na jednoczesne pozyskiwanie topografii powierzchni 3D próbki i jej właściwości mechanicznych, w tym modułu Younga ściany komórkowej oraz ciśnienia turgoru.

Zastosowanie mikroskopii sił atomowych do pomiaru właściwości mechanicznych i ciśnienia turgoru komórek roślinnych i tkanek roślinnych

Dokładny pomiar temperatury i zawartości wody w górnych 5 mm powierzchni gleby może poprawić nasze zrozumienie kontroli środowiskowej procesów biologicznych, chemicznych i fizycznych. W tym miejscu opisujemy protokół wytwarzania, kalibracji i przeprowadzania pomiarów za pomocą czujników temperatury i wilgotności powierzchni gleby.

Produkcja prostych i niedrogich czujników temperatury powierzchni gleby i grawimetrycznej zawartości wody

Ta wysokoprzepustowa, telemetryczna, grawimetryczna metoda fenotypowania stosunków wodnych całej rośliny umożliwia bezpośrednie i jednoczesne pomiary w czasie rzeczywistym, a także analizę wielu cech fizjologicznych związanych z plonami, zaangażowanych w dynamiczne interakcje roślina-środowisko.

Telemetryczna, grawimetryczna platforma do fizjologicznego fenotypowania interakcji między roślinami a środowiskiem w czasie rzeczywistym

Określenie zawartości wody w glebie jest kluczowym wymogiem misji dla wielu agencji stanowych i federalnych. Protokół ten łączy w sobie wysiłki wielu agencji mające na celu pomiar zawartości wody w glebie za pomocą czujników zakopanych in situ.

In Situ Czujniki wilgotności gleby w glebach niezakłóconych

Przedstawiono prostą i opłacalną metodę wytwarzania opartą na technice odparowywania rozpuszczalnika, która optymalizuje wydajność miękkiego pojemnościowego czujnika ciśnienia, co jest możliwe dzięki kontroli porowatości w warstwie dielektrycznej przy użyciu różnych stosunków masowych roztworu PDMS / toluenu.

Zwiększenie czułości miękkich pojemnościowych czujników ciśnienia przy użyciu techniki kontroli porowatości opartej na parowaniu rozpuszczalnika

Ten artykuł przedstawia prosty eksperyment z parowaniem przy użyciu przyrządu do właściwości hydraulicznych dla próbki gleby. Dzięki wydajnym metodom pomiary mogą być wykonywane w ciągu kilku dni w celu wygenerowania wysokiej jakości danych.

Pomiary potencjału wodnego i przewodności gleby w oparciu o prosty eksperyment parowania przy użyciu analizatora właściwości hydraulicznych

Poznaj metodę kalibracji czujników pojemnościowych do ciągłego monitorowania zawartości wody w łodygach drzew. Technika ta umożliwia automatyczne pomiary w skali podgodzinowej, dostarczając cennych danych dla badań ekohydrologicznych i modelowania powierzchni ziemi.

Kalibracja i wykorzystanie czujników pojemnościowych do monitorowania zawartości wody w łodygach drzew

Przeglądaj więcej filmów