Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Environment
Click here for the English version

Environment

Калибровка и использование емкостных датчиков для мониторинга стволовых содержание воды в деревьях

Published: December 27, 2017 doi: 10.3791/57062
Automatic Translation
1, 2, 3
1Department of Geological Sciences, Jackson School of Geosciences, University of Texas at Austin, 2METER Group, Inc., USA, 3Department of Civil, Environmental and Geodetic Engineering, Ohio State University

Summary

Гидравлической емкости биомассы является ключевым компонентом бюджета воды растительности, который служит в качестве буфера против краткосрочные и долгосрочные засуха напряжений. Здесь мы представляем протокол для калибровки и использования влажности почвы емкостных датчиков для мониторинга содержания воды в стебли больших деревьев.

Abstract

Водный транспорт и хранение через континуум почва растение атмосфера имеет решающее значение для наземного водного цикла и стала направлением основных исследований. Биомассы емкость играет важную роль в целях предотвращения гидравлических ухудшение транспирации. Однако высокое временнóе разрешение измерения динамических изменений в гидравлической емкости больших деревьев являются редкими. Здесь мы представляем процедуры для калибровки и использовании емкостных датчиков, обычно используется для наблюдения за содержание воды в почве, измерять содержание воды в деревья в поле. Частоты домена рефлектометрии стиль замечания чувствительны к плотности в исследуемых СМИ. Таким образом это необходимо для выполнения вегетационных калибровок для преобразования из значения датчика сообщили диэлектрической проницаемости в содержание воды. Калибровка производится по заготавливаемым филиал или стволовых клеток, нарезать сегменты, которые были сушеные или Регидратированные производить полный спектр воды содержимое, используемое для создания наилучшего регрессии с датчика наблюдения. Датчики вставляется в калибровки сегментов или установлен в деревьях после предварительного сверления отверстий с допуском подходят с помощью готовых шаблонов для обеспечения надлежащего дрель выравнивание. Особое внимание уделяется убедитесь, что датчик зубья делают хороший контакт с окружающим СМИ, позволяя им быть вставлен без чрезмерной силы. Воды содержание динамика наблюдается через представлена методология выравнивания с sap расходометрии записаны с помощью методов теплового рассеивания и экологические воздействия данных. Содержание данных могут использоваться для наблюдения за наступлением водный стресс, засухи реагирования и восстановления, и имеет потенциал, чтобы быть применены для калибровки и оценки новых моделей гидродинамики завод уровня, а также разделять удаленно почувствовал биомассы воды Влажность продукции в выше - и Билогические компоненты.

Introduction

Вода хранится в растительного материала играет важную роль в растений способность справляться с кратко - и долгосрочной перспективе воды стресса1,2. Растения хранить воду в корни, стебли, и листья в внутриклеточного и внеклеточным (например, сосуды ксилемы) запрещено 2,3,4. Было показано, что эта вода способствует между 10 и 50% суточных выяснится воды2,5,6,,78. Таким образом завод гидравлических емкость является ключевым компонентом земной водного баланса, может использоваться в качестве показателя дефицита воды, засуха реагирования и восстановления1и является важнейшим фактором необходимо исправить для наблюдаемых задержек между 9,10,11Поток транспирацию и sap. Режиме реального времени мониторинг растительности содержание воды может также использоваться в сельскохозяйственных видах применения чтобы помочь ограничить Орчард и обрезать орошения с целью повышения полива эффективности12,13. Однако измерения содержания непрерывного, монолитного ствола воды древесных видов7,14,,1516,17,18, 19 редки по сравнению с sap потока измерения20. Здесь мы приводим процедуры для калибровки емкостных датчиков контролировать содержание воды в пределах стволы деревьев5,21.

Гидродинамические поведения и регулирование использования водных ресурсов, растительности являются неотъемлемым компонентом22,почва растение атмосфера континуум23 и поэтому важные элементы для потоков воды и углерода между Биосфера и атмосфера24,25. Динамика содержания стволовых воды находятся под влиянием биотических и абиотических факторов. Истощение и пополнения стволовых хранят воды страдают от кратко - и долгосрочных тенденций в условиях окружающей среды, в частности, дефицит давления паров и почвы воды содержание1,26. Физические свойства древесины27 (например, плотность, структура судна) и возникающим гидравлические стратегия25 (например, iso - или анизогидрические устьиц регулирование) определить растения способность хранить и использовать воду 19 , 26 , 28и может широко варьировать видов29,30. Предыдущие исследования показали различные роли емкости в тропических16,27,,3132,33 и умеренных5,7 ,21 видов и в обоих Покрытосеменные1,2,34 и голосеменных6,11,17,19.

Хорошее знание содержание воды биомассы будет улучшить понимание стратегий растительности для приобретения воды и использовать1,2, а также видов уязвимости для прогнозируемых изменений в режимах осадков35 ,36. Углублению понимания использования водных растений, стратегии поможет предсказать изменения демографических моделей под будущие климатические сценарии37,38. Через слияние данных модели техники39, содержание воды стволовых, данные, полученные с использованием этой методологии может использоваться для информирования и проверить масштабируемые, завод уровня гидродинамики модели40,41, 42,,4344 с целью улучшения расчеты устьичную проводимость и, таким образом, Симуляторы транспирации и поглощение фотосинтеза углерода. Эти передовые гидродинамической модели может обеспечить значительное сокращение неопределенности и ошибка когда включены в большие поверхности земли и земли систем модели25,45,46, 47,48.

Методы, используемые для мониторинга или рассчитать содержание воды стволовых включают дерево керна33,49, электронные dendrometers2,15,50, электрическое сопротивление 51, гамма излучения затухания52, дейтерий Трейсеры19, сетей sap потока датчики32,33,53, остановить Психрометры49, и амплитуда11 и время4,12,13 домена рефлектометрии (ДТР). Недавние усилия протестировали жизнеспособность емкостных датчиков, которые традиционно используются для измерения почвы воды содержание5,18,21,27. Частоты домена рефлектометрии (ФРР)-стиль емкостные датчики являются низкая стоимость и использование относительно небольшое количество энергии для непрерывных измерений, что делает их привлекательным инструментом для высокого временного разрешения измерений в области сценариев. Простота автоматизации ФДР над Датчики TDR-стиль облегчает сбор непрерывной солнце почасовой наборов данных и устраняет многие из проблем, присущих TDR измерений, требующих существенной длины кабеля13. Использование in situ емкостных датчиков устраняет необходимость для повторяющихся керна или филиал сбора урожая и может обеспечить повышение точности для пород.Древесных видов, которые главным образом лишать воды внеклеточного пространства, такие как ксилемы судов, или имеют высокий древесины или коры модули упругости, как правило не являются хорошими кандидатами для популярных dendrometer методы измерения из-за низкого упругой стволовые расширение 2. датчики Емкостные оценить диэлектрической проницаемости, который может быть прямо преобразован в содержание воды. Однако измерения емкости чувствительны к плотности СМИ вокруг датчика. Поэтому мы выступаем за вегетационных калибровок для преобразования выходных данных датчиков в объемной дерева воды содержание5,21.

Мы представляем собой протокол для вегетационных калибровки для преобразования выход датчика емкости для воды содержание древесины. Также приведены инструкции для поля установки емкостных датчиков в зрелые деревья и обсуждение метода сильных и слабых сторон и предположений. Эти методы предназначены для контролировать содержание воды в стволе, крупнейший дерево воды хранения водохранилище8, но может быть легко расширена на весь дерево с установкой дополнительных датчиков вдоль ветвей. Измерения содержания воды растения динамических будет заранее области гидродинамики растительности, биометеорологии и моделирования поверхности земли.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Выберите дерево для инструментирования

  1. Выберите деревья для измерения. В идеале выберите деревья, которые являются здоровыми с сечение обычно раунда стволовых и диаметром 1 - 2 раза длина зуб или заболонь глубина больше, чем длина зубцов датчик (~ 5 см для конкретных емкостных датчиков, продемонстрировали здесь). Измерить глубину заболонь, используя дерево ядра, или для многих видов, вычислить заболонь глубины через аллометрических уравнений, касающиеся области заболонь остановить диаметр 29,54, как измеряется стандартного диаметра ленты.
    Примечание: Однако, некоторые типы емкостных датчиков могут быть в состоянии должен быть укорочен до нужной длины, следуя шаг 1.2 без ущерба для точности измерения. Только емкостных датчиков с жесткой измерение зубцов, которые не содержат проводки могут быть обрезаны или вырезать. Отдельные калибровка необходима для обрезанных датчиков. Таким образом выберите дерево и определить соответствующие зуб Длина до процедуры калибровки.
  2. Определите соответствующие длина зубцов датчик на основе дерева диаметром и глубиной заболонь.
    Примечание: Датчики Емкостные интегрировать информацию влаги по всей длине датчик зубья, Л. Поэтому предполагается, что комплексные наблюдения, они обеспечивают является представителем весь стебель, когда диаметр находится между L и 2 Л . Кора и флоэмы не влияет на измерение как они будут удалены из области измерения перед установкой (см. раздел 4.2).
    1. Трим датчики для деревьев, где L больше, чем диаметр штока, (см. шаг 1.3) таким образом, что зубья не проникают через противоположной стороне ствола.
    2. Измерьте комбинированный сигнал от заболони и ядровой древесины с датчиком для деревьев, где диаметр больше, чем 2L, но заболонь глубина меньше, чем Л.
      Примечание: Содержание воды отличается в этих двух тканей, это может вызвать уклоном, если предположить, что замечание представителя всего ствола. В таких случаях, или когда пользователь заинтересована только в заболони колебания воды, датчик, зубья должны быть обрезаны на глубину заболонь таким образом, что замечания будут представлять Содержание колебания воды Заболонь (активные ксилема) только. Когда заболонь глубина больше, чем L, замечания представляют собой только заболонь, но датчик не нужно быть обрезаны.
  3. При необходимости (как определено в пунктах 1.2.1 и 1.2.2), вырезать датчик пригоден для указанного приложения. Чтобы вырезать зубцы датчик, зажим датчик надежно к верстаку и при ношении надлежащего защитного оборудования, использовать мощность роторный инструмент оснащен стальной режущий диск для резки каждый зуб в точно такой же длины.

2. собрать и подготовить древесины образцы всех видов, представляющих интерес для создания вегетационных калибровки

  1. Соберите ствол, несовершеннолетних стволовых или большие ветви по крайней мере 6 см в диаметре от видов, представляющих интерес. Большие диаметры предпочтительны для того, чтобы максимизировать объем древесины, Обшивка датчика и наиболее тесно Приблизительная плотность ствола для полевых измерений. Удаление всех присоединенных филиалов или листья и лишайников или рыхлого материала.
    Примечание: Обратитесь к разделу обсуждения для дальнейшего обсуждения неопределенности из-за различий в отрасли и стволовых плотности.
  2. Сегмент ствола на 25 или более цилиндрические секции ~ 15 см длины.
  3. Этикетке каждого сегмента и записывать средний диаметр и длина каждого из них. Примерный объем сегменты как объем цилиндра.
  4. Отдельные сегменты на две группы для дифференциальной регидратации и сушки. Место примерно 1/3 сегментов в водяной бане увлажняет и другие 2/3 сегментов в сушильном шкафу при температуре 60 ° C к обезвоживанию. Отделить два сегмента для немедленного измерения: предпочтительно одним из середины длины ствола и один из конца.
    Примечание: Как правило, сегменты, сушка при 60 ° C будет полностью сморщившимися после ~ 2 недели и полностью Регидратированные после ~ 3 дней. Удаление отдельных сегментов из духовки/водяной бани и измерения ежедневно или два раза в день интервалов (см. шаг 3.7). Для того чтобы произвести градиент измерений, охватывающих самый большой спектр возможных воды содержание.

3. Создание калибровки отношения между выход датчика и воды содержание

  1. Подключите датчик емкости на устройство регистрации данных, следуя инструкциям, предоставленным изготовителем и на компьютер для визуализации реального времени Датчик индикации. Задать интервал времени для сбора данных до 30 s.
  2. Используя готовые сверлильный шаблон надежно удерживается в месте для поддержания выравнивание и сверла немного меньше, чем диаметр пальцев емкость сенсора (3.57 мм для датчиков, используемых в этом эксперименте), просверлите два вертикальных наборов из трех отверстий с второй набор расположен приблизительно в 150 ° вокруг дерева сегмент с вертикального разделения на несколько сантиметров, чтобы обеспечить, что нет никакого потенциального дублирования между отверстиями. Используйте дерево сегментов, отложите в шаг 2.4 для первого набора измерений.
  3. Взвесьте сегмента и запись вес с точностью до 0,01 г во время измерения. Крышка концы сегментов с полиэтиленовой пленкой для предотвращения дополнительных сушки.
  4. Сразу же после взвешивания, очистить зубья датчика емкости с спиртом и вставьте его в стволовых сегмент полностью, таким образом, чтобы никакая часть стальные зубья является видимым. Ждать для чтения на экране вывода для стабилизации измерения (2 или 3 минут, как правило). Запись результатов датчик температуры, электропроводность и диэлектрической проницаемости (εb) каждые 30 s на 5 мин и вычислить среднее 10 измерений.
  5. Осторожно извлеките датчик из сегмента, очистить зубец с спиртом и дождаться выходных чтениях вернуться к нулю. Повторите процедуру измерения от шагу 3.3 вперед во втором наборе предварительно просверленные отверстия.
  6. Удалите пластиковые из концы и место стволовых сегмента в сушильном шкафу. Дайте ему полностью пересыхают (обычно 2 недели, или до тех пор, пока вес стабилизировался на несколько дней).
  7. Повторите шаги 3.3 через 3.7 для всех сегментов. Удаление сегментов из печи и измерения более часто (два раза в день) в течение первых нескольких дней сушки, из-за более высокие темпы потери первоначальных влаги чем в течение последних нескольких дней (ежедневно). Высушите излишки воды с поверхности сегментов, удалены из водяной бани с помощью бумажным полотенцем до взвешивания и измерения.
Измерьте один сегмент Регидратированные штока в день, до тех пор, пока все Регидратированные сегменты были измерены.
  • После полного высыхания запишите окончательный сухой вес всех сегментов стволовых.
  • Рассчитайте содержание воды (Женскому, см3воды выход3древесины) каждого сегмента стволовых во время измерения, с помощью следующей формулы:
    Equation 1(1)
    Где Vw объем воды (3см) и Vстволовых является объем сегмента стволовых (3см), рассчитанные на шаге 1.2.
    1. Рассчитайте объем воды в каждом сегменте во время измерения как:
      Equation 2(2)
      Где mw массы воды в сегменте стволовых (g) во время измерения и ρw является плотность воды (1 g см-3)
    2. Вычислите массу воды в каждом сегменте во время измерения как:
      Equation 3(3)
      Где Mмокрой масса стебля сегмента во время измерения (g), и Mсухой является Окончательный вес сегменте (g).
  • С помощью статистического анализа пакета программного обеспечения, создать наилучшее линейной регрессии между датчик наблюдаемое диэлектрической проницаемости и Женскому (рис. 1, Таблица 1).

    • Figure 1
    Рисунок 1: пример калибровочные кривые. Калибровочные кривые, созданные для Quercus rubra, Acer Красная, Берёза бумажная, тополь grandidentataи Pinus strobus после частях 1 и 2 настоящего Протокола. Уравнения и коэффициенты определения предоставляются для каждого в таблице 1. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

    m b R2
    Б. paprifera 0,048 -0.098 0.967
    A. Красная 0.067 -0.158 0.853
    Q. rubra (сокращение) 0,120 0,041 0.636
    Q. rubra 0,058 -0.109 0.718
    P. grandidentata 0.023 -0.028 0,887
    P. strobus 0,030 -0.072 0.900

    Таблица 1: калибровочных уравнений для преобразования Ε b для Женскому для пяти видов умеренных деревьев. Коэффициенты ам ' и «b» для линейного уравнения в стандартном виде представлены: Женскому = m * εb+ b.

    4. Установка емкостных датчиков в деревья для полевых измерений

    1. До установки датчика запишите ствола Диаметр и высота над поверхностью земли для каждого датчика местоположения. Как правило для мониторинга Женскому в багажнике, место один датчик ~0.5 м над поверхностью земли и место второй чуть ниже первых крупных ветвления Сплит (~7.5 м над поверхностью земли, рис. 2).

    Figure 2
    Рисунок 2: пример настройки эксперимента в области. Схема датчика расположения и ориентации в зрелых деревьев, прилегающих к станции регистрации данных. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

    1. Удалить кору до Камбия и создать плоскую поверхность, где датчик будет установлена с помощью лезвия ничья. Убедитесь, что поверхность является широкий и достаточно плоский, что датчик сидит флеш против поверхности дерева, когда он установлен таким образом, чтобы никакая часть зубцов подвергается. Удалите кору и камбий обеспечить измерения включают только содержание воды в ксилемы, исключая содержание воды в кору или флоэмы.
    2. Просверлите отверстия для пальцев. Используйте сверло немного меньше, чем диаметр зубья для мягкой древесины, при использовании немного ближе к истинный размер зубцов для труднее древесины (3.57 мм, используемые в настоящем протоколе). Для высокого качества измерений убедитесь, что датчик зубья делают хороший контакт с дерева. Так как не будет необходимо удалить датчик регулярно, как это было во время процедуры калибровки, чуть меньше сверло может использоваться здесь, чем той, которая используется для калибровки.
    3. Очистите датчик зубец с спиртом, чтобы удалить любой грязи или кожу масла и вставьте датчик в предварительно просверленные отверстия. Если датчик встречает слишком большого сопротивления после вставки, аккуратно обратно его и повторно просверлить расширить их немного. Убедитесь, что все три зубья полностью вставлена и тело датчика сидит заподлицо против ствол дерева.
    4. Используйте на основе кремния герметик для герметизации датчиков против ствол дерева помочь держать остановить поток от попадания в лунки и для предотвращения нашествия вредителей.
    5. Накройте датчик отражающая изоляция, чтобы избежать внешних Отопление.
    6. После спецификации производителей Подключите все датчики к источнику питания 12 V и совместимых данных журнала. Использование данных сбора каждые 5 мин для датчиков, развернутых на местах, но использование более длительные интервалы для экономии электроэнергии в местах, где власти ограничения, например, солнечной батареи действовали сайтов.

    5. обработка исходных данных для хранения стволовых воды с помощью калибровочной кривой

    1. Используя уравнение калибровочной кривой, созданного на шаге 2.9, преобразуйте выход датчика к Женскому для всех наблюдений. Женскому обычно выражается как см3 выход3 или в процентах. Процент Женскому будет таким образом в диапазоне между 0 и 100%.
    2. Интегрировать общий объем интерес (3см) между двумя измерения высот (например, на рисунке 2: 0,5 м и 7,5 м), при условии изменения диаметра стебля линейно с высотой.
    Для деревьев, где наблюдение представляет весь стебель (то есть, деревья диаметром между Л и 2Л, используя неизмененном датчики или тоньше деревья, где датчик был отделан с диаметром ствола, см. раздел 2.2), использовать уравнение 4:
    Equation 4(4)
    где H -высота разница (расстояние по вертикали) датчики (например, на рисунке 2: 700 см) и r1 и r2 определяют радиусы стволовых (см) в нижней и верхней датчики расположения, соответственно.
    Для деревьев, где датчики обеспечивают оценку только заболонь воды содержание (см. датчик Длина определения, раздел 1.2) использовать эквалайзер 5:
    Equation 5(5)
    где s1 и s2 . заболонь глубина (см) на нижней и верхней датчики расположения, соответственно
  • Рассчитать объем ствола - или заболонь - хранить воду, умножив среднее дерево Женскому общий объем интерес.

    • Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

    Representative Results

    В этом разделе мы представляем данные калибровки для пяти распространенных видов деревьев Восточноевропейский лес, после подробного анализа полевых измерений хранения стволовых воды в трех Acer Красная лиц в вегетационный период 2016. Калибровочные кривые были созданы для Acer красная, Берёза бумажная, Pinus strobus, тополь grandidentata и Quercus rubra (рис. 1). Склоны кривых отличались как 97,7% P. grandidentata и а. Красная (Таблица 1) демонстрирует необходимость выполнения вегетационных калибровки для получения точных измерений Женскому . Содержание воды контролируется на базе ствола дерева 0,5 м над поверхностью земли и на базе живой короны, 7,5 м над поверхностью земли (рис. 2). Суточный истощения и пополнение Женскому наблюдались в обоих местах, с Женскому точке Топ измерения показаны большие дневной изменчивости чем ниже местоположения (рис. 3). Женскому в расположении верхней измерения, варьировались от 0,55 до 0,88 см3выход3, в то время как Женскому в нижнем месте измерения варьировались от 0,72 до 0,95 см3выход3. Во время испарения воды потеряли от листьев и наиболее быстро истощены от дистальных ветвей. Таким образом, следует, что Женскому измеряется на базе живого Корона должна быть ниже, чем у основания ствола, когда хранения активно снимается. Измерения в обоих местах показали те же общие тенденции в вегетационный период (рис. 3).

    Для оценки наблюдаемых суточной динамики изменения содержания воды стволовых, мы рассчитали время скорость изменения в содержание стволовых в среднем всего воды, ΔStorage (g/s), (рис. 4). ΔStorage была по сравнению с sap потока данных, собранных одновременно в том же дереве, с помощью датчиков тепловой отвод Гранье стиль55. Отрицательные значения в ΔStorage указывают темпы сокращения в ствол для хранения воды. Изменения в хранилище начали происходить вскоре после рассвета (6:00 утра), в то время как поток sap отстает между часа с половиной и два часа (~ 8:00). В общем ЛАГ раз между sap потока и транспирации оцениваются в немного больше, чем час9. Замедление истощение хранения между полуднем и 4:00 вечера может объясняться устьичного закрытия в середине дня, который отвечает также за асимметричной формы кривой потока sap на протяжении днем56,57. Конгруэнтность в результаты, полученные с помощью методов потока устоявшихся sap и наши процедуры измерения хранения продемонстрировать способность емкостных датчиков для захвата быстрая динамика изменения в стволовых хранения воды в зрелые деревья.

    Три различных Зрелые Acer Красная (диаметры на груди, дуг: 29,1 см, 28,3 см, 22,7 см) на сайте исследований лесов в северной части штата Мичиган контролировалось в вегетационный период 2016. В то время как общая стволовых хранения воды зависит объем багажника (Рисунок 5A), все три лица выставлены модели пополнения и пополнения, в соответствии с сезонные тенденции в sap потока (Рисунок 5B) и доступных почвенной влаги в рамках Топ глубиной 1 м (рис. 5 c). Стволовые хранят воду, sap потока и влажности почвы были все на их низкий период конец лета расширенный interstorm, день года (Дой) 200-225. На этот раз, sap потока и стволовых содержание воды были существенно снизился в всех отслеживаемых людей. Приблизительно в 10 дней для A. Красная, основанный на время, необходимое для хранения стволовых воды отскок к уровням до засухи мы по оценкам время восстановления засухи в ответ на наблюдаемое снижение в содержание воды в почве от 10% до 5,6%.

    Figure 3
    Рисунок 3: пример результатов мониторинга эксперимент поле остановить содержание воды в 0,5 и 7,5 м высоты в Acer Красная (DBH = 29,1 см). Содержание воды в 7,5 м над поверхностью земли в целом оставался ниже, чем содержание воды на 0,5 м. суточные колебания содержания воды в 7,5 м были больше, чем те, которые записаны ближе на уровне земли. Увеличение стволовых содержание воды в обоих высот соответствует дней после осадков (показан в фиолетовый), с большим снижением стволовых содержание воды между дой 210 и 225 2016 года, когда мало осадков не произошло. Недостающие данные являются результатом временной власти перерыва. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

    Figure 4
    Рисунок 4: пример результатов от полевой эксперимент, сравнивая время отставание в поток воды как измеряется sap потока и скорость изменения содержания воды стволовых. SAP поток контролируется одновременно с стволовых содержание воды в Acer Красная следующую методологию изложенные в Матени, et al. 29 (синий) скорость потока средний суточный sap и производная по времени хранения стволовых воды (ΔStorage, оранжевый) как вычисляемые следующие Матени, et al. 5 показаны на 5 дней, когда влажность почвы не ограничение (дой 245-250, 2016). Затененные участки представляют собой стандартное отклонение через окна 5-день. ΔStorage начинает снижаться вскоре после рассвета (6:00), в то время как sap потока начинает увеличиваться примерно на 2 часа позже (8:00). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

    Figure 5
    Рисунок 5: Пример результатов от полевой эксперимент, мониторинг стволовых хранения воды в трех Acer Красная в течение 110 дней. Хранения стволовых воды контролируется в плавках трех Acer Красная размеров различных ствола на протяжении сезона выращивания 2016 (A). Сезонные тенденции в стволовых воды хранения соответствует тенденции, видели в sap флюса контролируется в 15 Красная Acer в том же лесу после процедуры Матени, et al. 29 (B).Затененная область соответствует стандартное отклонение между отдельными деревьями, в то время как сплошная линия представляет собой среднее ежедневное интегрированного sap потока. Как остановить хранения воды и sap потока от Acer Красная после модели содержания воды почвы (МЖК), как интегрированный поверх 1 м глубины почвы, и осадков (C). Недостающие данные являются результатом временной власти перерыва. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

    Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

    Discussion

    Сезонные и суточные шаблоны в стволовых содержание воды наблюдается через емкостные датчики выровнять с тенденциями в параллельных sap потока и окружающей среды, заставляя измерений (рис. 3, Рисунок 4, рис. 5). Резервуары хранения стволовых воды истощаются суточных когда темпы транспирации превосходит темпы пополнения через древесных тканей и сезонно влажности почвы ограничивает доступность корень воды5. Эта внутренняя емкость предоставляет ценные буфер против гидравлические ограничения для устьичной проводимости и отвечает за временной лаг между наступлением транспирации и sap потока9. В этом исследовании, мы наблюдали максимальный ежедневный водозабор из хранения от 23,3 до 49,9 Л (14,6 и 22,3%) от общего числа доступных остановить содержание воды. Относительно быстрый рост стволовых содержание воды после осадков наблюдается в этом исследовании был последовательным во всех контролируемых кленов и было показано ранее5. Этот тип поведения может предложить кавитации пополнения или быстрое увеличение содержания воды в других близлежащих тканей21. Существует необходимость для дальнейших исследований для подключения этих измерений с данными наблюдений кавитации, заправка5821,. Использование емкостных датчиков облегчает мониторинг этот важнейший аспект растительности водный баланс непрерывно, и на месте в полевых условиях. Эта методология была разработана с использованием датчик влажности почвы повышенной прочности GS-3. Эти датчики имеют три жесткой зубья из нержавеющей стали (3.26 мм диаметр, длина 5,5 см). Хотя этот метод может быть адаптирован для использования с другими емкостных датчиков, это зависит от наличия жесткой измерение зубцов.

    Вегетационных калибровки позволяет преобразование измеренных диэлектрическая проницаемость воды содержание для видов деревьев с различной плотности древесины (рис. 1). Однако есть несколько присущие предположения в процедуре представлены калибровки. Наиболее примечательным является предположение, что плотности древесины филиал или стволовых сегментов, используемых для калибровки примерно эквивалентная плотность древесины на место установки в поле. То время как филиал и плотности стволовых было показано, быть в хорошей соглашение для некоторых видов59, это не всегда дело60, вследствие различий в ксилемы судов конусом и договоренности. Еще одним важным соображением при калибровке является количество древесины, окружающих датчик зубья. Некоторые датчики ФДР стиль требуют существенного глубина анкеровки СМИ (≥5 см) со всех сторон, чтобы избежать включения других материалов (например, воздух) в чтениях. Использование большего диаметра сегментов для калибровки может значительно улучшить соглашение между лаборатории вычисляетсяb Женскому и ε, помогая свести к минимуму влияние плотности различия и глубин анкеровки.

    Радиальные и продольных различия в sap потока являются документально61,,6263,64,65,66. Отсюда следует, что различия в содержание древесины воды будет зависеть также от местоположения и глубины. В исследовании с использованием рентгеновской компьютерной томографии, Фромм, Sautter, и др. 67 показал, что это действительно так. Работа Фромм, и др. 67 также свидетельствует значительный плотности и Женскому различия между ранне - и latewood в кольцо пористых пород, Q. robur. Проблемы продольных разницам в поток и проводимости могут быть преодолены с помощью дополнительных датчиков; Тем не менее плотности радиального и временных вариаций представляют больше трудностей. Нынешняя методология предполагает, что плотность является постоянным во времени и пространстве. Для долгосрочных кампаний, измерения изменения в плотности и шаблонов потока за счет ранив эффекты68 также может быть озабоченность. Некоторые различия в содержании воды с радиальной глубиной может решаться путем модификации по длине пальцев датчика. Стиль датчика емкости, используемые в этой работе занято 5,5 см долго твердых зубья из нержавеющей стали, которые могут отрезать без повреждения функцию датчика. Важно, чтобы все зубья режется точно такой же длины и Новая калибровка выполняться с использованием модифицированных датчик (см. Рисунок 1 и Таблица 1, Q. rubra сокращен). С помощью датчиков с захватывающих пальцев сокращается до 2 см, Матени, и др. 5 продемонстрировали различную динамику между мелкой активно проводит Заболонь и массовых заболонь в Q.rubra. Хотя этот метод предоставляет средства для изучения содержания воды в неглубокой глубины (0 < зуб длина реза < 5,5 см), ей не хватает способности различать между конкретными глубины (я. e. Женскому между 2 и 4 см) или на глубинах больше первоначального датчик длины.

    Наиболее распространенные трудности с этой методологией возникают во время установки и часто являются результатом-пробурено или неровные отверстия. Это необходимо для обеспечения хорошего контакта между датчиком и древесины, но использование чрезмерной силы во время установки может вызвать датчик сломать. В случае, если предварительно просверленные отверстия или датчик зубья, сами являются перекосом, изгиб к корпусу датчик может также привести к инструмент неудачи. Близко подходят, необходимых для поддержания достаточного контакт с дерева также делает удаление из дерева или образец сегмент трудно и осторожность при необходимости во время процедуры калибровки датчики должны быть удалены и повторно после каждого измерения. Учитывая кожу масла способность влиять на показания, это разумно предположить, что использование смазочных веществ или другой смазки для облегчения установки и удаления будет аналогичным образом влияет на выход датчика. Во время операции на местах наиболее вероятной причиной отказа инструмента снижается мощность или коммуникации вследствие повреждения кабеля. Большие пики Женскому наблюдались, вероятно в результате стволовых поток проникающего датчика поврежденным силиконовое уплотнение вокруг датчика или неполными. Эти шипы должны быть отфильтрованы из данных во время пост-обработки.

    Частоты домена рефлектометрии стиле емкостные датчики позволяют содержание воды измеряется в стебли больших деревьев выше временным разрешением, чем самые предыдущие методологий.Этот метод также может обеспечить значительное понимание наличия и использования стволовых воды емкости особенно для лиственных деревьев с низкой упругих модулей, которые являются наименее вероятно, для создания эластичного расширения и сужения контролируется Электронные microdentrometers2. Женскому измерения может также использоваться для повышения точности измерения потоков sap как собранные широко используются методы, такие как способность теплового рассеивания техника69, которые полагаются на ссылку максимальная температура, которая была продемонстрирована быть чувствительны к изменениям в стволовых Женскому. Низкой стоимости, низкая сила природы датчиков облегчает расширение представленной методологии ветви и корни, чтобы более легко оценить целом дерево водный баланс. Сочетание содержание воды и воды потока данных, как контролируется sap потока, обеспечивает передовые проницательность в растительности гидравлические функции.

    Подход, который мы представляем здесь обобщаемым для любых видов деревьев и поэтому могут быть использованы для измерения хранения воды любого дерева, в диапазоне диаметров толще, чем половины длины зуб, но не настолько густой, что зубья слишком коротким для представления динамики в рамках Заболонь. Низкая стоимость и эксплуатации требования представленного подхода позволяют документа многие деревья с целью получения больших и значимых выборки в рамках всей лесной участок, даже в случаях высокого видового разнообразия. Потенциальные приложения включают Гидрология леса и Экогидрология, включая исследования, требующие воды бюджет древостоя известен и контролировать, исследования транспирации растений и ответ на доступность пресной воды и исследования реакции растений на засуха и потенциал смертности из-за дефицита воды. Данные, полученные через эта методология может использоваться для калибровки гидродинамической моделей растений уровне. Наблюдения за содержание воды объёмный стволовых также обеспечивают уникальный ресурс для поверки радиолокационных измерений влажности почвы от дистанционного зондирования, для которых выше наземной растительности хранения воды является шума термин, который теперь может быть ликвидирована. Этот метод также может использоваться в сельскохозяйственных плантаций для контролировать состояние эффективного воды деревьев и облегчения динамическая оптимизация ирригационных систем.

    Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

    Disclosures

    Стивен р. Garrity является сотрудником метр Group Inc., которая производит GS3 Ruggedized датчик влажности почвы, используемый в этой статье.

    Acknowledgments

    Финансирование этого исследования оказали Министерство энергетики США по вопросам науки, Отделение биологических на всей территории отеля и в экологических исследований, земных наук экосистем программы награду № ДЕ-SC0007041, программа управления Ameriflux под флюсом основной сайт соглашение № 7096915 через Лоуренса Беркли национальной лаборатории и Национальный фонд науки гидрологической науки Грант 1521238. Любые мнения, выводы и выводы и рекомендации, высказанные в этом материале являются мнениями авторов и не обязательно отражают взгляды финансирующих учреждений.

    Materials

    Name Company Catalog Number Comments
    Ruggedized Soil Moisture Sensor METER Group Inc. GS-3 Capacitance sensors
    1/8" drill bit Any N/A
    9/64" drill bit Any N/A
    Drying oven Any N/A
    Chainsaw Any N/A
    Electric drill Any N/A
    Bucket for water bath Any N/A
    Alcohol swabs Any N/A
    Draw knife Any N/A
    Data logger Any N/A
    Silicon sealant Any N/A

    DOWNLOAD MATERIALS LIST

    References

    1. Matheny, A. M., et al. Contrasting strategies of hydraulic control in two codominant temperate tree species. Ecohydrol. 10 (3), e1815 (2017).
    2. Kocher, P., Horna, V., Leuschner, C. Stem water storage in five coexisting temperate broad-leaved tree species: significance, temporal dynamics and dependence on tree functional traits. Tree Physiol. 33 (8), 817-832 (2013).
    3. Holbrook, N. M. Chapter 7. Plant stems: physiology and functional morphology. Gartner, B. L. , Academic Press, Inc. 151-174 (1995).
    4. Wullschleger, S. D., Hanson, P. J., Todd, D. E. Measuring stem water content in four deciduous hardwoods with a time-domain reflectometer. Tree Physiol. 16 (10), 809-815 (1996).
    5. Matheny, A. M., et al. Observations of stem water storage in trees of opposing hydraulic strategies. Ecosphere. 6 (9), 165 (2015).
    6. Waring, R. H., Running, S. W. Sapwood water storage: its contribution to transpiration and effect upon water conductance through the stems of old-growth Douglas-fir. Plant Cell Environ. 1 (2), 131-140 (1978).
    7. Cermak, J., Kucera, J., Bauerle, W. L., Phillips, N., Hinckley, T. M. Tree water storage and its diurnal dynamics related to sap flow and changes in stem volume in old-growth Douglas-fir trees. Tree Physiol. 27 (2), 181-198 (2007).
    8. Betsch, P., et al. Drought effects on water relations in beech: The contribution of exchangeable water reservoirs. Agric. For. Meteorol. 151 (5), 531-543 (2011).
    9. Schäfer, K. V. R., Oren, R., Tenhunen, J. D. The effect of tree height on crown level stomatal conductance. Plant Cell Environ. 23 (4), 365-375 (2000).
    10. Burgess, S. S. O., Dawson, T. E. Using branch and basal trunk sap flow measurements to estimate whole-plant water capacitance: a caution. Plant Soil. 305 (1-2), 5-13 (2008).
    11. Kumagai, T., Aoki, S., Otsuki, K., Utsumi, Y. Impact of stem water storage on diurnal estimates of whole-tree transpiration and canopy conductance from sap flow measurements in Japanese cedar and Japanese cypress trees. Hydrol. Process. 23 (16), 2335-2344 (2009).
    12. Nadler, A., Raveh, E., Yermiyahu, U., Green, S. Stress induced water content variations in mango stem by time domain reflectometry. Soil Sci. Soc. Am. J. 70 (2), 510-520 (2006).
    13. Nadler, A., Raveh, E., Yermiyahu, U., Green, S. R. Evaluation of TDR use to monitor water content in stem of lemon trees and soil and their response to water stress. Soil Sci. Soc. Am. J. 67 (2), 437-448 (2003).
    14. Hernandez-Santana, V., Martinez-Fernandez, J. TDR measurement of stem and soil water content in two Mediterranean oak species. Hydrolog Sci J. 53 (4), 921-931 (2008).
    15. Cocozza, C., et al. Simultaneous measurements of stem radius variation and sap flux density reveal synchronisation of water storage and transpiration dynamics in olive trees. Ecohydrol. 8 (1), 33-45 (2015).
    16. Andrade, J. L., et al. Regulation of water flux through trunks, branches, and leaves in trees of a lowland tropical forest. Oecologia. 115 (4), 463-471 (1998).
    17. Domec, J. C., Gartner, B. L. Cavitation and water storage capacity in bole xylem segments of mature and young Douglas-fir trees. Trees-Struct. Funct. 15 (4), 204-214 (2001).
    18. Holbrook, N. M., Burns, M. J., Sinclair, T. R. Frequency and time-domain dielectric measurements of stem water-content in the arborescent palm, Sabal palmetto. J. Exp. Bot. 43 (246), 111-119 (1992).
    19. Meinzer, F. C., et al. Dynamics of water transport and storage in conifers studied with deuterium and heat tracing techniques. Plant Cell Environ. 29 (1), 105-114 (2006).
    20. Poyatos, R., et al. SAPFLUXNET: towards a global database of sap flow measurements. Tree Physiol. 36 (12), 1449-1455 (2016).
    21. Hao, G. Y., Wheeler, J. K., Holbrook, N. M., Goldstein, G. Investigating xylem embolism formation, refilling and water storage in tree trunks using frequency domain reflectometry. J. Exp. Bot. 64 (8), 2321-2332 (2013).
    22. Bonan, G. B., Williams, M., Fisher, R. A., Oleson, K. W. Modeling stomatal conductance in the earth system: linking leaf water-use efficiency and water transport along the soil-plant-atmosphere continuum. Geosci. Model Dev. 7 (5), 2193-2222 (2014).
    23. Brantley, S. L., et al. Reviews and syntheses: on the roles trees play in building and plumbing the critical zone. Biogeosciences Discuss. 2017, 1-41 (2017).
    24. Bonan, G. B. Forests and climate change: Forcings, feedbacks, and the climate benefits of forests. Science. 320 (5882), 1444-1449 (2008).
    25. Matheny, A. M., Mirfenderesgi, G., Bohrer, G. Trait-based representation of hydrological functional properties of plants in weather and ecosystem models. Plant Diversity. 39 (1), 1-12 (2017).
    26. Chapotin, S. M., Razanameharizaka, J. H., Holbrook, N. M. Water relations of baobab trees (Adansonia spp.L.) during the rainy season: does stem water buffer daily water deficits. Plant Cell Environ. 29 (6), 1021-1032 (2006).
    27. Oliva Carrasco, L., et al. Water storage dynamics in the main stem of subtropical tree species differing in wood density, growth rate and life history traits. Tree Physiol. 35 (4), 354-365 (2015).
    28. Wullschleger, S. D., Meinzer, F. C., Vertessy, R. A. A review of whole-plant water use studies in trees. Tree Physiol. 18 (8-9), 499-512 (1998).
    29. Matheny, A. M., et al. Species-specific transpiration responses to intermediate disturbance in a northern hardwood forest. J. Geophys. Res. 119 (12), 2292-2311 (2014).
    30. Ford, C. R., Hubbard, R. M., Vose, J. M. Quantifying structural and physiological controls on variation in canopy transpiration among planted pine and hardwood species in the southern Appalachians. Ecohydrol. 4 (2), 183-195 (2011).
    31. Holbrook, N. M., Sinclair, T. R. Water-Balance in the arborescent palm, Sabal palmetto. II. Transpiration and stem water storage. Plant Cell Environ. 15 (4), 401-409 (1992).
    32. Goldstein, G., et al. Stem water storage and diurnal patterns of water use in tropical forest canopy trees. Plant Cell Environ. 21 (4), 397-406 (1998).
    33. Borchert, R. Soil and stem water storage determine phenology and distribution of tropical dry forest trees. Ecology. 75 (5), 1437-1449 (1994).
    34. Hernandez-Santana, V., Martinez-Fernandez, J., Moran, C. Estimation of tree water stress from stem and soil water monitoring with time-domain reflectometry in two small forested basins in Spain. Hydrol. Process. 22 (14), 2493-2501 (2008).
    35. Climate change 2013: the physical science basis contribution of working group I to the fifth assessment report of the intergovernmental panel on climate change. , Cambridge University Press. 1535 (2013).
    36. Konings, A. G., Williams, A. P., Gentine, P. Sensitivity of grassland productivity to aridity controlled by stomatal and xylem regulation. Nat. Geosci. , (2017).
    37. Fei, S., et al. Divergence of species responses to climate change. Science Advances. 3 (5), (2017).
    38. Fisher, R. A., et al. Vegetation demographics in Earthsystem models: a review of progress and priorities. Glob. Change Biol. , (2017).
    39. Dietze, M. C., Lebauer, D. S., Kooper, R. O. B. On improving the communication between models and data. Plant Cell Environ. 36 (9), 1575-1585 (2013).
    40. Bohrer, G., et al. Finite element tree crown hydrodynamics model (FETCH) using porous media flow within branching elements: A new representation of tree hydrodynamics. Water Resour. Res. 41 (11), (2005).
    41. Mirfenderesgi, G., et al. Tree level hydrodynamic approach for resolving aboveground water storage and stomatal conductance and modeling the effects of tree hydraulic strategy. J. Geophys. Res. 121 (7), 1792-1813 (2016).
    42. Gentine, P., Guérin, M., Uriarte, M., McDowell, N. G., Pockman, W. T. An allometry-based model of the survival strategies of hydraulic failure and carbon starvation. Ecohydrol. 9 (3), 529-546 (2015).
    43. Huang, C. -W., et al. The effect of plant water storage on water fluxes within the coupled soil-plant system. New Phytol. 213 (3), 1093-1106 (2017).
    44. Bittner, S., et al. Functional-structural water flow model reveals differences between diffuse- and ring-porous tree species. Agric. For. Meteorol. 158, 80-89 (2012).
    45. Matheny, A. M., et al. Characterizing the diurnal patterns of errors in the prediction of evapotranspiration by several land-surface models: an NACP analysis. J. Geophys. Res. 119 (7), 1458-1473 (2014).
    46. Matthes, J. H., Goring, S., Williams, J. W., Dietze, M. C. Benchmarking historical CMIP5 plant functional types across the Upper Midwest and Northeastern United States. J. Geophys. Res. 121 (2), 523-535 (2016).
    47. Musavi, T., et al. The imprint of plants on ecosystem functioning: A data-driven approach. Int. J. Appl. Earth Obs. Geoinf. 43, 119-131 (2015).
    48. Wullschleger, S. D., et al. Plant functional types in Earth system models: past experiences and future directions for application of dynamic vegetation models in high-latitude ecosystems. Ann. Bot. 114 (1), 1-16 (2014).
    49. Scholz, F. G., et al. Biophysical properties and functional significance of stem water storage tissues in Neotropical savanna trees. Plant Cell Environ. 30 (2), 236-248 (2007).
    50. Scholz, F. G., et al. Temporal dynamics of stem expansion and contraction in savanna trees: withdrawal and recharge of stored water. Tree Physiol. 28 (3), 469-480 (2008).
    51. Borchert, R. Electric resistance as a measure of tree water status during seasonal drought in a tropical dry forest in Costa Rica. Tree Physiol. 14 (3), 299-312 (1994).
    52. Edwards, W. R. N., Jarvis, P. G. A method for measuring radial differences in water content of intact tree stems by attenuation of gamma radiation. Plant Cell Environ. 6 (3), 255-260 (1983).
    53. Phillips, N. G., Scholz, F. G., Bucci, S. J., Goldstein, G., Meinzer, F. C. Using branch and basal trunk sap flow measurements to estimate whole-plant water capacitance: comment on Burgess and Dawson (2008). Plant Soil. 315 (1-2), 315-324 (2009).
    54. Bovard, B. D., Curtis, P. S., Vogel, C. S., Su, H. -B., Schmid, H. P. Environmental controls on sap flow in a northern hardwood forest. Tree Physiol. 25, 31-38 (2005).
    55. Granier, A. Evaluation of transiration in a Douglas-Fir stand by means of sap flow measurements. Tree Physiol. 3 (4), 309-319 (1987).
    56. Brodribb, T. J., Holbrook, N. M. Stomatal closure during leaf dehydration, correlation with other leaf physiological traits. Plant Physiol. 132 (4), 2166-2173 (2003).
    57. Brodribb, T. J., Holbrook, N. M. Stomatal protection against hydraulic failure: a comparison of coexisting ferns and angiosperms. New Phytol. 162 (3), 663-670 (2004).
    58. Taneda, H., Sperry, J. S. A case-study of water transport in co-occurring ring- versus diffuse-porous trees: contrasts in water-status, conducting capacity, cavitation and vessel refilling. Tree Physiol. 28 (11), 1641-1651 (2008).
    59. Schuldt, B., Leuschner, C., Brock, N., Horna, V. Changes in wood density, wood anatomy and hydraulic properties of the xylem along the root-to-shoot flow path in tropical rainforest trees. Tree Physiol. 33 (2), 161-174 (2013).
    60. Sarmiento, C., et al. Within-individual variation of trunk and branch xylem density in tropical trees. Am. J. Bot. 98 (1), 140-149 (2011).
    61. Barij, N., Cermak, J., Stokes, A. Azimuthal variations in xylem structure and water relations in cork oak (Quercus suber). Iawa J. 32 (1), 25-40 (2011).
    62. Domec, J. C., Pruyn, M. L., Gartner, B. L. Axial and radial profiles in conductivities, water storage and native embolism in trunks of young and old-growth ponderosa pine trees. Plant Cell Environ. 28 (9), 1103-1113 (2005).
    63. Ewers, B. E., Oren, R. Analyses of assumptions and errors in the calculation of stomatal conductance from sap flux measurements. Tree Physiol. 20 (9), 579-589 (2000).
    64. Fan, Z. X., Cao, K. F., Becker, P. Axial and radial variations in xylem anatomy of angiosperm and conifer trees in Yunnan, China. Iawa J. 30 (1), 1-13 (2009).
    65. James, S. A., Clearwater, M. J., Meinzer, F. C., Goldstein, G. Heat dissipation sensors of variable length for the measurement of sap flow in trees with deep sapwood. Tree Physiol. 22 (4), 277-283 (2002).
    66. James, S. A., et al. Axial and radial water transport and internal water storage in tropical forest canopy trees. Oecologia. 134 (1), 37-45 (2003).
    67. Fromm, J. H., et al. Xylem water content and wood density in spruce and oak trees detected by high-resolution computed tomography. Plant Physiol. 127 (2), 416-425 (2001).
    68. Steppe, K., De Pauw, D. J. W., Doody, T. M., Teskey, R. O. A comparison of sap flux density using thermal dissipation, heat pulse velocity and heat field deformation methods. Agric. For. Meteorol. 150 (7-8), 1046-1056 (2010).
    69. Vergeynst, L. L., Vandegehuchte, M. W., McGuire, M. A., Teskey, R. O., Steppe, K. Changes in stem water content influence sap flux density measurements with thermal dissipation probes. Trees. 28 (3), 949-955 (2014).

    Tags

    Науки об окружающей среде выпуск 130 стволовых содержание воды биомассы для хранения воды частота домена рефлектометрии экогидрологии sap потока емкость растительности
    Калибровка и использование емкостных датчиков для мониторинга стволовых содержание воды в деревьях
    Play Video
    PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

    Cite this Article

    Matheny, A. M., Garrity, S. R.,… More

    Matheny, A. M., Garrity, S. R., Bohrer, G. The Calibration and Use of Capacitance Sensors to Monitor Stem Water Content in Trees. J. Vis. Exp. (130), e57062, doi:10.3791/57062 (2017).

    Less
    Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
    View Video

    Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

    Waiting X
    Simple Hit Counter