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Die Kalibrierung und die Nutzung der Kapazität Sensoren Stem Wassergehalt in den Bäumen zu überwachen

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

Die hydraulische Kapazität der Biomasse ist ein zentraler Bestandteil der Vegetation Wasserhaushalt, dient als Puffer gegen kurz- und langfristige Dürre betont. Hier präsentieren wir ein Protokoll für die Kalibrierung und die Verwendung von Bodenfeuchte Kapazität Sensoren zur Überwachung der Wassergehalt in den Stängeln der Großbäume.

Abstract

Wassertransport und Lagerung durch den Boden-Pflanze-Atmosphäre-Kontinuum ist entscheidend für den terrestrischen Wasserkreislauf und ist ein wichtiger Forschungsschwerpunkt geworden. Biomasse-Kapazität spielt eine wichtige Rolle in der Vermeidung von hydraulischen Beeinträchtigung Transpiration. Hoher zeitlicher Auflösung Messungen der dynamischen Veränderungen in die hydraulische Kapazität der großen Bäume sind jedoch selten. Hier präsentieren wir Ihnen Verfahren für die Kalibrierung und Kapazität-Sensoren, in der Regel verwendet, um Boden Wassergehalt zur Messung des volumetrischen Wassergehalts in den Bäumen auf dem Gebiet zu überwachen. Frequency Domain Reflectometry-Stil Beobachtungen sind empfindlich auf die Dichte der Medien untersucht. Daher ist es notwendig, artspezifische Kalibrierungen volumetrischen Wassergehalt von den Sensor gemeldeten Werten der dielektrischen Permittivität konvertieren durchzuführen. Kalibrierung wird durchgeführt auf einem geernteten Ast oder Stamm geschnitten in Segmente, die getrocknet oder neu hydratisiert um zu produzieren eine breite Palette von Wasserinhaltsstoffen verwendet, um eine optimale Regression mit Sensor Beobachtungen zu generieren. Sensoren sind in Kalibrierung Segmente eingefügt oder installiert in Bäumen nach Vorbohren Löcher mit einer Toleranz passen mit einer vorgefertigten Vorlage um zu richtigen Bohrer Ausrichtung zu gewährleisten. Besondere Sorgfalt ist sicherzustellen, dass Sensor Zinken guten Kontakt mit dem umgebenden Medium zu machen, während es ihnen ermöglicht, ohne großen Kraftaufwand eingefügt werden. Volumetrische Content Wasserdynamik beobachten über die vorgestellte Methodik ausrichten mit Sap Durchflussmessungen Wärmeableitung Techniken und Umweltdaten zwingt mit aufgezeichnet. Biomasse Wassergehalt Daten können verwendet werden, um das Auftreten von Wasserknappheit, Dürre Reaktion und die Wiederherstellung zu beobachten, und hat das Potenzial für die Kalibrierung und Bewertung neuer Werksebene Hydrodynamik-Modelle, sowie an der Partitionierung aus der Ferne gelten gespürt Feuchtigkeit-Produkte in über- und unterirdisch Komponenten.

Introduction

Wasser im Pflanzenmaterial spielt eine wesentliche Rolle in Pflanzen die Fähigkeit zur Bewältigung von kurz- und langfristigen Wasser Stress1,2. Pflanzen speichern Wasser in Wurzeln, Stängel und Blätter in intrazelluläre und extrazelluläre (z. B. Xylemgefäße) Räume, 2,3,4. Dieses Wasser hat sich gezeigt, zwischen 10 und 50 % tagaktiv transpirierten Wasser2,5,6,7,8beizutragen. Als solche Anlage hydraulische Kapazität ist eine Schlüsselkomponente der terrestrischen Wasserbilanz, kann als Indikator für Wasserknappheit, Dürre Reaktion und Wiederherstellung1verwendet werden und ist ein kritischer Faktor für die beobachteten Zeitverzögerungen zwischen korrigiert Transpiration und Sap fließen9,10,11. Echtzeit-Überwachung des Wassergehalts Vegetation auch in landwirtschaftlichen Anwendungen einsetzbar zur Obstgarten zu beschränken und Bewässerung zu beschneiden, um Bewässerung Effizienz12,13zu erhöhen. Jedoch Messungen des kontinuierlichen, in-Situ- Stamm-Wassergehalt Gehölze7,14,15,16,17,18, 19 sind selten im Vergleich zu SAP-Flussmittel Messungen20. Hier beschreiben wir ein Verfahren für die Kalibrierung der Kapazität Sensoren zur Überwachung des volumetrischen Wassergehalt in den Stämmen der Bäume5,21.

Hydrodynamische Verhaltensweisen und Wasser-Use-Verordnung von Vegetation sind ein integraler Bestandteil der Boden-Pflanze-Atmosphäre Kontinuum22,23 und sind daher wichtige Steuerelemente für die Wasser und Kohlenstoff Flüsse zwischen den Biosphäre und Atmosphäre24,25. Die Dynamik der Stamm Wassergehalt werden von biotischen und abiotischen Faktoren beeinflusst. Erschöpfung und Aufladen des Stamm gespeicherten Wassers von kurz- und langfristigen Trends in der Umweltbedingungen, insbesondere Dampfdruck Defizit betroffen sind und Boden Wasser Inhalt1,26. Die physikalischen Eigenschaften von Holz27 (z. B.Dichte, Schiff-Struktur) und emergent hydraulische Strategie25 (z.B., Iso- oder Anisohydric Stomata Verordnung) bestimmen eine Pflanze Fähigkeit zur Speicherung und Nutzung von Wasser 19 , 26 , 28, und kann stark variieren von Arten29,30. Frühere Studien zeigten verschiedene Rollen der Kapazität in den tropischen16,27,31,32,33 und gemäßigten5,7 ,21 Arten, und in beiden Angiospermen1,2,34 und Gymnospermen6,11,17,19.

Bessere Kenntnis der Biomasse Wassergehalt verbessert Verständnis der Vegetation Strategien für den Erwerb von Wasser und verwenden Sie1,2, zusammen mit der Art Anfälligkeit für prognostizierten Veränderungen im Niederschlag Regime35 ,36. Weitere Verständnis der Pflanze Wassernutzung Strategien hilft vorherzusagen Verschiebung demografische Muster des zukünftigen Klimas Szenarien37,38. Stamm Wassergehalt Daten, die mit dieser Methode verwendet werden, können um zu informieren und testen Sie skalierbare und Werksebene Hydrodynamik Modelle durch Modell-Datenfusion Techniken39,40,41, 42,43,44 um Berechnungen der Stomata Leitfähigkeit zu verbessern und damit Simulationen von Transpiration und Photosynthese Kohlenstoff-Aufnahme. Diese erweiterte hydrodynamische Modelle können eine signifikante Reduktion in Unsicherheit und Fehler beim größeren Landoberfläche und Erde Systeme Modelle25,45,46eingegliedert, 47,48.

Methoden zum überwachen oder Stamm Wassergehalt berechnen gehören Baum Entkernung33,49, elektronische Stückzahl2,15,50, elektrischer Widerstand 51, Gamma Strahlung Dämpfung52, Deuterium Tracer19, Netzwerke von SAP-Flux Sensoren32,33,53, Psychrometer49, stammen und Amplitude11 und Zeit4,12,13 Domain Reflectometry (TDR). Die jüngsten Bemühungen haben die Lebensfähigkeit der Kapazität Sensoren getestet, die traditionell verwendet wurden, um Boden volumetrische Wasser Inhalt5,18,21,27messen. Frequency Domain Reflectometry (FRD)-Stil Kapazität Sensoren sind kostengünstig und relativ kleine Mengen von Energie für kontinuierliche Messungen, so dass sie ein attraktives Instrument für hohe Zeitauflösung Messungen im Feld Szenarien verwenden. Die einfache Automatisierung von FDR über TDR-Stil Sensoren erleichtert die Sammlung von kontinuierlichen Sonne stündlich Datensätzen und beseitigt viele der Herausforderungen im TDR-Messungen erfordern erhebliche Kabellängen13. Die Verwendung von in-Situ -Kapazität-Sensoren entfällt die Notwendigkeit für sich wiederholende Kernbohrungen oder Zweig Ernte und kann erhöhte Genauigkeit für Laubhölzer.Gehölze, die Wasser hauptsächlich aus extrazellulären Räumen, wie Xylemgefäße, zurückziehen oder hohen Holz oder Rinde Moduli Elastizität, sind in der Regel nicht gute Anwärter für beliebte Dendrometer Messverfahren durch geringe elastische Stiel Ausbau 2. Kapazität Sensoren schätzen dielektrische Permittivität, die direkt zur volumetrischen Wassergehalt umgewandelt werden kann. Kapazität-Messungen sind jedoch empfindlich auf die Dichte der Medien rund um den Sensor. Daher setzen wir uns für die artspezifische Kalibrierungen, die die Ausgabe der Sensoren in volumetrischen Holz-Wasser Inhalt5,21zu konvertieren.

Wir präsentieren Ihnen ein Protokoll für eine artspezifische Kalibrierung Kapazität Sensorausgang volumetrischen Wassergehalt des Holzes zu konvertieren. Ebenfalls vorhanden sind Anweisungen für die Installation vor Ort von Kapazität Sensoren in altem Baumbestand und eine Diskussion über der Methode stärken, Schwächen und Annahmen. Diese Techniken sind entworfen, um volumetrische Wassergehalt in den Kofferraum, der größte Baum Wasser Lagerung Behälter8, überwachen aber auf den ganzen Baum mit Einbau von zusätzlichen Sensoren entlang der Zweige leicht erweiterbar. Messungen der dynamischen Pflanze Wassergehalt werden die Bereichen Vegetation Hydrodynamik, Biometeorologie und Landoberfläche Modellierung voraus.

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Protocol

1. Wählen Sie eine Struktur für die Instrumentation

  1. Wählen Sie Bäume für die Messung. Idealerweise wählen Sie Bäume, die mit in der Regel Runde Stängel Querschnitt und einem Durchmesser zwischen 1 - 2 Mal die Länge der Zinken oder Splintholz Tiefe größer als die Länge der Sensor-Zinken (~ 5 cm für die spezifische Kapazität Sensoren hier gezeigt) gesund sind. Messen Sie die Tiefe der Splint mit Baum-Kerne, oder für viele Arten berechnen Sie Splintholz Tiefe durch allometrische Gleichungen, die im Zusammenhang mit Splint Bereich um Durchmesser 29,54, einzudämmen, gemessen mit einem Standarddurchmesser Band.
    Hinweis: Allerdings können einige Arten von Kapazität Sensoren auf eine geeignete Länge nach Schritt 1.2 ohne Beeinträchtigung der Messgenauigkeit getrimmt werden können. Nur Kapazität Sensoren mit starren Messung Zinken, die keine Verdrahtung können getrimmt oder geschnitten werden. Separate Kalibrierung ist für beschnittene Sensoren notwendig. Daher wähle den Baum und die entsprechenden Zinken Länge vor der Kalibrierung zu bestimmen.
  2. Bestimmen Sie die geeignete Länge der Sensor-Zinken, basierend auf dem Baum Durchmesser und Tiefe der Splint.
    Hinweis: Kapazität Sensoren integrieren Feuchtigkeit Informationen über die Länge der Sensor-Zinken, L. es wird daher angenommen, dass die integrierte Beobachtung sie bieten repräsentativ für den ganzen Stamm, ist wenn der Durchmesser zwischen L und 2 L . Die Rinde und Bast beeinträchtigt nicht die Messung wie sie aus den Messbereich vor der Installation (siehe Abschnitt 4.2) entfernt werden.
    1. Schneiden Sie die Sensoren für Bäume wo L größer als der Stammdurchmesser (siehe Schritt 1.3) ist, dass die Zinken nicht durch die entgegengesetzte Seite des Stammes eindringen.
    2. Messen Sie das kombinierte Signal aus dem Splintholz und Kernholz mit dem Sensor für Bäume, wo der Durchmesser ist größer als 2LSplintholz Tiefe ist jedoch weniger als L.
      Hinweis: Wie Wassergehalt unterscheidet sich in diesen beiden Gewebetypen, eine Tendenz dadurch kann wenn man davon ausgeht, dass die Beobachtung repräsentativ für den gesamten Stamm ist. In solchen Fällen, oder wenn der Benutzer das Splintholz Wasserschwankungen, der Sensor nur interessiert ist Zinken müssen der Splint Tiefe getrimmt werden, so dass die Beobachtungen Content Wasserschwankungen des das Splintholz (aktive Xylem) vertreten werden nur. Wenn die Splint Tiefe größer als List, Beobachtungen stellen nur das Splintholz, aber der Sensor muss nicht getrimmt werden.
  3. Bei Bedarf (wie in den Schritten 1.2.1 und 1.2.2 bestimmt), schneiden Sie den Sensor für die angegebene Anwendung passen. Schneiden Sie die Sensor-Zinken, Klemmen Sie den Sensor fest an einer Werkbank und beim richtigen Schutzausrüstung tragen, verwenden ein rotary Elektrowerkzeug mit Stahl Trennscheibe ausgestattet, um jeder Zinken auf genau die gleiche Länge zu schneiden.

(2) ernten Sie und bereiten Sie Holzproben aller Arten von Interesse, eine artspezifische Kalibrierung zu generieren zu

  1. Sammle einen Kofferraum, juvenile Stamm oder große Filiale mindestens 6 cm im Durchmesser von Arten von Interesse. Größere Durchmesser werden bevorzugt, um die Menge an Holz umschließt den Sensor zu maximieren und ungefähre am ehesten die Stamm-Dichte für Feldmessungen. Entfernen Sie alle angeschlossenen Zweige oder Blätter, und Flechten oder loses Material.
    Hinweis: Siehe Abschnitt "Diskussion" für die weitere Diskussion der Unsicherheit aufgrund von Unterschieden im Zweig und Dichte stammen.
  2. Das Segment des Stamms in 25 oder mehr zylindrischen Abschnitte von ca. 15 cm Länge.
  3. Beschriften Sie jedes Segment und zeichnen Sie der durchschnittliche Durchmesser und Länge der einzelnen auf. Nähern Sie sich die Segmente Volumen als das Volumen eines Zylinders.
  4. Trennen Sie die Segmente in zwei Gruppen für differenzielle Rehydratation und trocknen. Legen Sie etwa 1/3 der Segmente in einem Wasserbad zu rehydrieren und die anderen 2/3 der Segmente in einem Trockenschrank bei 60 ° C zu dehydrieren. Halten Sie zwei Segmente getrennt für unmittelbare Messung: vorzugsweise ein aus der Mitte der Länge des Stammes und von einem Ende.
    Hinweis: In der Regel Segmente Trocknung bei 60 ° C werden nach ~ 2 Wochen vollständig ausgetrocknet, und nach ca. 3 Tagen voll rehydriert. Entfernen Sie einzelne Segmente aus dem Ofen/Wasserbad und Messen Sie tägliche oder zweimal täglich Abständen (siehe Schritt 3,7). Um einen Verlauf der Messungen über die größte Auswahl an möglichen volumetrischen Wassergehalt zu produzieren.

3. erstellen Sie eine Kalibrierung Beziehung zwischen Sensorausgang und volumetrische Wasser Inhalt

  1. Schließen Sie einen Kapazität Sensor an ein Datenlogging-Gerät gemäß den Anweisungen des Herstellers und auf einen Computer für die Echtzeit-Sensor Auslesen Visualisierung. Legen Sie das Zeitintervall für die Datenerfassung auf 30 s.
  2. Mit einem vorgefertigten Bohrschablone hielt fest im Ort zu erhalten, Ausrichtung und einem Bohrer etwas kleiner als der Durchmesser der Zinken des Sensors Kapazität (3,57 mm für den Sensor in diesem Experiment verwendet), Bohren Sie zwei vertikale Sätze von drei Löcher mit der zweiter Satz befindet sich ca. 150 ° entfernt um die Holz-Segment mit einem vertikalen Abstand von wenigen Zentimetern um sicherzustellen, dass es keine mögliche Überschneidungen zwischen den Löchern gibt. Verwenden Sie die Holz Segmenten für die erste Reihe von Messungen in Schritt 2.4 beiseite.
  3. Wiegen Sie das Segment und die Platte das Gewicht auf die nächste 0,01 g zum Zeitpunkt der Messung. Verschließen Sie die Enden der Segmente mit Plastikfolie um zusätzliche Trocknung zu verhindern.
  4. Sofort nach dem wiegen, reinigen Sie die Zinken des Sensors Kapazität mit einem Alkoholtupfer und stecken Sie ihn in das Stamm-Segment vollständig, so dass kein Teil der Stahl Zinken sichtbar ist. Warten Sie den Meßwert auf dem Ausgabebild zu stabilisieren (2 oder 3 min, in der Regel). Notieren Sie die Sensor-Ausgänge von Temperatur, elektrische Leitfähigkeit und dielektrische Permittivität (εb) alle 30 s für 5 min und berechnen den Mittelwert aus 10 Messungen.
  5. Schonend entfernen Sie den Sensor aus dem Segment, reinigen Sie die Zinken mit einem Alkoholtupfer und warten Sie, bis die Ausgabe Lesungen auf Null zurück. Wiederholen Sie den Messvorgang aus Schritt 3.3 vorwärts im zweiten Satz der vorgebohrten Löcher.
  6. Kunststoff aus den Enden und das Stamm-Segment im Trockenofen. Lassen Sie ihn vollständig auszutrocknen (in der Regel 2 Wochen oder bis Gewicht für mehrere Tage stabilisiert hat).
  7. Wiederholen Sie die Schritte 3.3 bis 3.7 für alle Segmente. Entfernen Sie Segmente aus der Trockenofen und häufiger messen (zweimal täglich) in den ersten Tagen der Trocknung, aufgrund der höheren Rate von anfänglichen Feuchtigkeitsverlust als in den letzten Tagen (täglich). Trocknen Sie überschüssiges Wasser von der Oberfläche der Segmente entfernt aus dem Wasserbad mit einem Papiertuch vor dem Wiegen und messen.
Messen Sie ein eingeweichtes Stamm Segment pro Tag, bis alle eingeweichtes Segmente gemessen wurden.
  • Nach der vollständigen Austrocknung Aufzeichnen der endgültigen Trockengewicht aller Stamm Segmente.
  • Berechnen Sie den volumetrischen Wassergehalt (VWC, cm3Wasser /cm3Holz) von jedem Stamm Segment zum Zeitpunkt der Messung, mithilfe der folgenden Formel:
    Equation 1(1)
    Wo ist Vw das Volumen von Wasser (cm3), und Vstammen das Volumen der Stamm Segment (cm3) in Schritt 1.2 berechnet.
    1. Berechnen Sie das Volumen des Wassers in den einzelnen Segmenten zum Zeitpunkt der Messung als:
      Equation 2(2)
      Wo ist mw Masse Wasser im Stamm-Segment (g) zum Zeitpunkt der Messung und ρw die Dichte von Wasser (1 g cm-3)
    2. Berechnen Sie die Masse des Wassers in den einzelnen Segmenten zum Zeitpunkt der Messung als:
      Equation 3(3)
      Wo Mnass ist die Masse des Segments Stamm zum Zeitpunkt der Messung (g), und Mtrocken ist das Endgewicht des Segments (g).
  • Mit einer statistischen Analyse Software, erstellen eine optimale lineare Regression zwischen Sensor beobachtet dielektrische Permittivität und VWC (Abbildung 1, Tabelle 1).

    • Figure 1
    Abbildung 1: Beispiel Kalibrierkurven. Kalibrierkurven für Quercus Rubra, Acer Rubrum, Betula Papyrifera, Populus Grandidentataund Pinus Strobus nach Teil 1 und 2 dieses Protokolls generiert. Gleichungen und Koeffizienten der Bestimmung sind jeweils in Tabelle 1vorgesehen. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

    m b R2
    B. paprifera 0,048 -0.098 0.967
    A. rubrum 0,067 -0.158 0.853
    F. Rubra (gekürzt) 0,120 0,041 0.636
    F. rubra 0.058 -0.109 0.718
    P. grandidentata 0,023 -0.028 0.887
    P. strobus 0.030 -0.072 0,900

    Tabelle 1: Kalibrierung Gleichungen für die Umwandlung von Ε b zu VWC für fünf gemäßigten Baumarten. Koeffizienten bin ' und 'b' für eine lineare Gleichung in der standard-Form präsentiert werden: VWC = m * εb+ b.

    4. Installation von Kapazität Sensoren in den Bäumen für Feldmessungen

    1. Vor der Installation des Sensors Aufzeichnen der Stammdurchmesser und die Höhe über der Geländeoberfläche für jeden Sensor-Standort. In der Regel um VWC im Kofferraum zu überwachen, legen Sie einen Sensor ~0.5 m über der Geländeoberfläche, und legen Sie eine zweite knapp unterhalb der ersten großen verzweigten Split (~7.5 m über dem Boden, Abbildung 2).

    Figure 2
    Abbildung 2: Beispiel Feld Testeinrichtung. Eine schematische Darstellung des Sensor-Standorte und Orientierung in einem ausgewachsenen Baum neben einem Datenlogging-Station. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

    1. Entfernen Sie die Rinde, das Kambium und erstellen eine Ebene Fläche, wo der Sensor werden, installiert, mit einem Unentschieden. Stellen Sie sicher, dass diese Oberfläche ist breit und flach genug, dass der Sensor sitzt bündig gegen die Oberfläche des Baumes, wenn es installiert ist, so dass kein Teil der Zinken ausgesetzt ist. Entfernen Sie die Rinde und Kambium sicherstellen, dass Messungen nur Wassergehalt in das Xylem enthalten, während mit Ausnahme der Wassergehalt in der Rinde oder Bast.
    2. Bohren Sie die Löcher für die Zinken. Verwenden Sie einen Bohrer etwas kleiner als der Durchmesser der Zinken für weichere Holz während der Verwendung ein wenig näher an die wahre Größe der Zinken für härtere Holz (3,57 mm wie in diesem Protokoll verwendet). Sicherzustellen Sie für qualitativ hochwertige Messungen, dass die Sensor-Zinken guten Kontakt mit dem Holz machen. Denn es nicht notwendig sein wird, den Sensor regelmäßig zu entfernen wie bei der Kalibrierung der Fall war, ein etwas kleinerer Bohrer verwendet werden als für die Kalibrierung.
    3. Reinigen Sie die Sensor-Zinken mit einem Alkoholtupfer, jeder Schmutz oder Haut Öle zu entfernen, und legen Sie den Sensor in die vorgebohrten Löcher. Wenn der Sensor zu viel Widerstand beim einsetzen erfüllt, sanft wieder heraus und neu Bohren Sie die Löcher leicht zu erweitern. Stellen Sie sicher, dass alle drei Zinken vollständig eingesteckt sind und der Körper des Sensors bündig gegen den Baumstamm sitzt.
    4. Verwenden Sie eine Silizium-basierten Dichtstoff zur Abdichtung des Sensors gegen den Baumstamm zu helfen, halten Sie Strom vom Eintritt in die Löcher zu stoppen und um Schädlingsbefall zu verhindern.
    5. Decken Sie den Sensor mit reflektierende Wärmedämmung, externe Heizung zu vermeiden.
    6. Schließen Sie nach Herstellervorgaben alle Sensoren an eine 12 V-Stromquelle und eine kompatible Datenlogger. Nutzung Daten Sammlung Intervalle von 5 min für Sensoren im Einsatz im Feld, aber Gebrauch längere Intervalle um in Websites zu schonen wo macht, begrenzen, z.B., solar/Batterie ist betriebenen Websites.

    5. Prozess Rohdaten zu Stamm-Wasserspeicher verwenden die Kalibrierkurve

    1. Konvertieren Sie unter Verwendung der Gleichung für die Eichkurve erstellt in Schritt 2,9, die Sensor-Ausgang in VWC für alle Beobachtungen. VWC ist in der Regel als cm3 /cm3 oder als Prozentsatz ausgedrückt. Die Prozent reichen VWC daher zwischen 0 und 100 %.
    2. Das Gesamtvolumen des Interesses (cm3) zwischen den beiden Höhen zu integrieren (z. B. in Abbildung 2: 0,5 m und 7,5 m) durch die Annahme Stamm Durchmesser ändert sich linear mit der Höhe.
    Für Bäume, wobei die Beobachtung den ganze Stamm steht (d.h., Bäume mit Durchmessern zwischen L und 2L, mit unveränderten Sensoren oder dünnere Bäume wo der Sensor, der Stammdurchmesser getrimmt wurde siehe Abschnitt 2.2), verwenden Sie Gleichung 4:
    Equation 4(4)
    wo H ist der Höhenunterschied (vertikaler Abstand) zwischen den Sensoren (z. B.in Abbildung 2: 700 cm) und R1 und R2 sind die Radien des Vorbaus (cm) am unteren und oberen Sensoren Standorte bzw..
    Für Bäume, wo Sensoren bieten eine Schätzung nur der Splint Wasser, Inhalt (siehe Sensor Längenbestimmung, Abschnitt 1.2) EQ. 5 verwenden:
    Equation 5(5)
    wo s1 und s2 der Splint Tiefe (cm) an der unteren und oberen Sensoren Orten, bzw. sind.
  • Berechnen Sie das Volumen des Stamm- oder Splint - gespeicherte Wasser durch Multiplikation der Baum durchschnittliche VWC durch das Gesamtvolumen von Interesse.

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    Representative Results

    In diesem Abschnitt präsentieren wir Kalibrierdaten für fünf gemeinsamen östlichen Waldbäumen, gefolgt von einer detaillierten Analyse der Feldmessungen des Stamm-Wasserspeicherung in drei Acer Rubrum Personen während der Vegetationszeit 2016. Kalibrierkurven entstanden für Acer Rubrum, Betula Papyrifera, Pinus Strobus, Populus Grandidentata und Quercus Rubra (Abbildung 1). Pisten der Kurven unterschieden sich von 97,7 % für p. Grandidentata und A. Rubrum (Tabelle 1) zeigt die Notwendigkeit artspezifische Kalibrierung VWC Messgenauigkeit zu erzielen. Volumetrischen Wassergehalt wurde am Fuße des Baumes Stamm 0,5 m über der Geländeoberfläche und an der Basis der live Krone, 7,5 m über der Geländeoberfläche (Abbildung 2) überwacht. Tagaktive Entleerung und Wiederauffüllung der VWC wurden an beiden Orten mit VWC am oberen Messpunkt zeigt größere tagaktive Variabilität als die untere Position (Abbildung 3) beobachtet. VWC an der oberen Messort reichte von 0,55 bis 0,88 cm3/cm3, während VWC an der unteren Messort von 0,72 0,95 cm3/cm3 reichte. Während der Transpiration ist Wasser aus den Blättern verloren und erschöpft am schnellsten vom distalen Äste. Daher, daraus folgt, dass VWC an der Basis der gemessen Krone sollte niedriger sein als auf der Basis des Stammes, wenn Speicher aktiv zurückzieht. Messungen an beiden Standorten zeigten die gleichen allgemeinen Trends während der Wachstumsperiode (Abbildung 3).

    Um die beobachteten tagaktive Dynamik wechselnder Stamm Wassergehalt zu bewerten, haben wir die Zeit Änderungsrate in Stamm-Durchschnitt insgesamt Wassergehalt, ΔStorage (g/s) (Abbildung 4) berechnet. ΔStorage war im Vergleich um zu sap-Flussmittel Daten gleichzeitig in der gleichen Struktur mit Granier-Stil Wärmeableitung Sensoren55. Negative Werte in ΔStorage geben die Rate der Rückgang der Stamm Wasserspeicherung. Änderungen im Speicher begann kurz nach Sonnenaufgang (06:00), auftreten, während SAP-Flussmittel und anderthalb bis zwei Stunden zurückgeblieben (~ 8:00 Uhr). Im Allgemeinen sind Verzögerungszeiten zwischen SAP-Fluss und Transpiration schätzungsweise etwas mehr als eine Stunde-9. Die Verlangsamung Erschöpfung der Lagerung zwischen Mittag und 16:00 kann mittags Stomata Schließung, zugeschrieben werden ist auch verantwortlich für die asymmetrische Form der SAP-Flussmittel Kurve während der Nachmittag56,-57. Die Kongruenz in erzielten Ergebnisse mit etablierten SAP-Flussmittel Techniken und unsere Speicher-Messverfahren zeigen die Fähigkeit der Kapazität Sensoren erfassen schnelle Dynamik der Veränderungen im Stamm Wasserspeicherung in altem Baumbestand.

    Drei verschiedene Reifen Acer Rubrum (Durchmesser in Brusthöhe, Bhd: 29,1 cm, 28,3 cm, 22,7 cm) in einer Forschungsanstalt Wald in Nord-Michigan wurden während der Vegetationszeit 2016 überwacht. Zwar total Stamm Wasserspeicherung abhängig von dem Volumen des Rumpfes (Abb. 5A), alle drei Personen ausgestellt Muster aufladen und Nachschub Einklang mit saisonalen Trends in Sap Flux (Abb. 5 b) und verfügbaren Bodenfeuchte innerhalb der Top 1 m Tiefe (Abbildung 5). Stamm gespeicherten Wasser, SAP-Fluss und Bodenfeuchte waren alle am niedrigsten während der End-of-Summer interstorm Nachfrist, Tag-des-Jahres (DOY) 200-225. Zu dieser Zeit, SAP-Fluss und Stiel Wassergehalt wurden deutlich in allen überwachten Personen reduziert. Wir schätzungsweise die Dürre-Recovery-Zeit als Reaktion auf die beobachteten Rückgang im Boden Wassergehalt von 10 % auf 5,6 % etwa 10 Tage für A. Rubrum, basierend auf den Zeitaufwand für Stamm-Wasserspeicherung vor Dürre Ebenen Rebound.

    Figure 3
    Abbildung 3: Beispiel ergibt sich aus einem Feld Experiment Überwachung stammen Wassergehalt bei 0,5 und 7,5 m Höhe im Acer Rubrum (DBH = 29,1 cm). Wassergehalt auf 7,5 m über dem Boden blieb in der Regel niedriger als Wassergehalt 0,5 Meter, die tägliche Schwankungen der Wassergehalt auf 7,5 m größer als die näher zum Boden aufgezeichnet wurden. Anstieg der Stamm Wassergehalt in beiden Höhen entsprach Tagenachdem Niederschlag (in violett dargestellt), mit einem starken Rückgang der Stamm Wassergehalt zwischen DOY 210 und 225 2016 wenig bis kein Niederschlag des Auftretens. Fehlende Daten sind das Ergebnis von temporären Stromunterbrechung. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

    Figure 4
    Abbildung 4: Beispiel ergibt sich aus einem Feldexperiment Vergleich der zeitlichen Verzögerung im Wasser Fluss Saftstrom und der Änderungsrate der Stamm Wassergehalt gemessen. Saftstrom wurde gleichzeitig mit Stiel Wassergehalt in einem Acer Rubrum folgenden überwacht die Methodik in Matheny, Et Al. beschrieben 29 die durchschnittliche tägliche Sap Durchflussmenge (blau) und die Zeitableitung der Stamm Wasserspeicherung (ΔStorage, Orange) als berechnete folgende Matheny, Et al. 5 werden für 5 Tage bei Bodenfeuchtigkeit nicht (DOY 245-250, 2016) beschränkendes wurde gezeigt. Schattige Bereiche repräsentieren die Standardabweichung über die 5-Tage-Fenster. ΔStorage beginnt zu sinken kurz nach Sonnenaufgang (06:00), während SAP-Fluss beginnt etwa 2 h später (08:00) zu erhöhen. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

    Figure 5
    Abbildung 5: Beispiel ergibt sich aus einem Feldexperiment Überwachung Stamm Wasserspeicherung in drei Acer Rubrum im Laufe von 110 Tagen. Stem Wasserspeicher wurde in die Stämme der drei Acer Rubrum verschiedene Kofferraum Größe im Verlauf der Vegetationsperiode 2016 (A)überwacht. Saisonale Trends im Stamm Wasserspeicherung entsprach Trends gesehen im SAP-Fluss überwacht in 15 Acer Rubrum in derselben Gesamtstruktur nach den Verfahren der Matheny, Et al. 29 (B).Schattierte Bereich entspricht die Standardabweichung zwischen einzelnen Bäumen, während die durchgezogene Linie die mittlere tägliche integrierte SAP-Fluss stellt. Beide stammen Wasserspeicherung und SAP-Fluss von Acer Rubrum folgte die Muster der Erde Wassergehalt (SWC), als integrierte übertrieben 1 m Bodentiefe und Niederschlag (C). Fehlende Daten sind das Ergebnis von temporären Stromunterbrechung. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

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    Discussion

    Saisonale und tagaktiv Muster im Stamm Wassergehalt beobachteten über Kapazität, die Sensoren mit den Trends im gleichzeitigen SAP-Fluss ausrichten und Umwelt zwingt Messungen (Abbildung 3, Abbildung 4, Abbildung 5). Stauseen des Stammes Wasserspeicherung erschöpft sind tagaktiv, wenn das Tempo der Transpiration übertrifft die Geschwindigkeit der Aufladung durch holzigen Gewebe und saisonal wenn Bodenfeuchte Wurzel-Wasser Verfügbarkeit5begrenzt. Diese interne Kapazität bietet einen wertvollen Puffer gegen hydraulische Einschränkungen Stomata Leitwert und ist verantwortlich für die Zeitspanne zwischen Beginn der Transpiration und SAP-Fluss9. In dieser Studie beobachteten wir eine maximale tägliche Wasserentnahme aus dem Speicher zwischen 23,3 und 49,9 L (14,6 und 22,3 %) der gesamten verfügbaren stammen Wassergehalt. Der relativ schnelle Anstieg der Stamm Wassergehalt nach Niederschlagsereignisse in dieser Studie beobachtet war konsistent über alle überwachten Ahorne und wurde bisher5gezeigt. Diese Art von Verhalten kann Kavitation Nachfüllung oder raschen Anstieg der Wassergehalt in anderen umliegenden Gewebe21vorschlagen. Es gibt einen weiteren Forschungsbedarf, diese Messungen mit Beobachtungen der Kavitation Nachfüllen21,58zu verbinden. Kapazität-Sensoren erleichtert die Überwachung von diesen kritischen Aspekt der Vegetation Wasserhaushalt kontinuierlich und in Situ im Bereich Umgebungen. Diese Methodik wurde entwickelt mit der robusten Bodenfeuchtesensor GS-3. Diese Sensoren verfügen über drei starren Edelstahl-Zinken (3,26 mm Durchmesser, 5,5 cm Länge). Während die Methode für die Verwendung mit anderen Kapazität Sensoren angepasst werden kann, ist es abhängig von der Anwesenheit von starren Messung Zinken.

    Artspezifische Kalibrierung ermöglicht die Umwandlung von gemessenen dielektrische Permittivität volumetrischen Wassergehalt für Baumarten mit unterschiedlichen Holz dichten (Abbildung 1). Es gibt jedoch mehrere inhärente Annahmen in den vorgestellten Kalibriervorgang. Besonders erwähnenswert ist dabei die Annahme, dass die Holzdichte der Ast oder Stamm Segmente für die Kalibrierung verwendeten entspricht in etwa der Dichte des Holzes am Einbauort im Feld ist. Beim Ast und Stamm dichten haben gezeigt, dass in guter Übereinstimmung für einige Arten59werden, dies ist nicht immer der Fall60, aufgrund von Unterschieden im Xylem Behälter Kegel und Anordnung. Ein weiterer wichtiger Aspekt bei der Kalibrierung ist die Menge an Holz, die rund um die Sensor-Zinken. Einige FDR-Stil-Sensoren erfordern erhebliche Tiefe Medien Einbettung (≥5 cm) auf allen Seiten zum Einschluss von anderen Materialien (z.B. Luft) zu vermeiden in Lesungen. Die Verwendung von größeren Durchmesser Segmente für die Kalibrierung kann die Vereinbarung zwischen Labor berechnet VWC und εb durch einen Beitrag zur Minimierung der Auswirkungen der Dichteunterschiede und Einbettung tiefen erheblich verbessern.

    Radial- und umlaufende Unterschiede im Saftstrom sind gut dokumentierten61,62,63,64,65,66. Daraus folgt, dass Unterschiede im Holz Wassergehalt würde ebenfalls mit Position und tiefe variieren. In eine Studie mit Röntgen Computertomographie, Fromm, Sautter, Et al. 67 gezeigt, dass dies tatsächlich der Fall ist. Die Arbeit von Fromm, Et al. 67 auch belegt erhebliche Dichte und VWC Unterschiede zwischen früh- und Spätholz in den Ring poröse Arten, f. Robur. Herausforderungen durch umlaufende Unterschiede in der Strömung und Leitfähigkeit können durch die Verwendung von zusätzlichen Sensoren überwunden werden; Radial- und zeitliche Dichtevariationen präsentieren jedoch schwerer. Die vorliegende Methode setzt voraus, dass die Dichte in Raum und Zeit konstant ist. Für längerfristige Messkampagnen können Änderungen in der Dichte und Strömungsmuster durch Verwundung Effekte68 auch von Belang sein. Einige Unterschiede im Wassergehalt mit radiale Schnitttiefe können durch Veränderung der Länge der Zinken Sensor gerichtet werden. Der Stil des in dieser Arbeit verwendeten Kapazität Sensor beschäftigt 5,5 cm lange feste Edelstahl-Zinken, die geschnitten werden können, ohne dass die Sensorfunktion. Es ist wichtig, dass alle Zinken auf genau die gleiche Länge geschnitten werden und eine erneute Kalibrierung durchgeführt werden mit dem modifizierten Sensor (siehe Abbildung 1 und Tabelle 1, f. Rubra verkürzt). Sensoren mit Zinken verkürzt auf 2 cm, Matheny, Et al. 5 zeigt unterschiedliche Dynamik zwischen flachen aktiv leitende Splintholz und Bulk Splintholz in Q.rubra. Während diese Methode ein Mittel bietet zu prüfen, Wassergehalt in geringer Tiefe (0 < Schnittlänge Tine < 5,5 cm), es fehlt die Fähigkeit zur Unterscheidung zwischen bestimmten tiefen (Ich. e. VWC zwischen 2 und 4 cm) oder in tiefen größer als die Sensorlänge des ersten.

    Die häufigsten Schwierigkeiten mit dieser Methode entstehen während der Installation, und sind häufig das Ergebnis unter gebohrt oder falsch ausgerichtete Löcher. Es ist notwendig, um guten Kontakt zwischen dem Sensor und das Holz zu gewährleisten, aber übermäßige Gewaltanwendung während der Installation kann dazu führen, dass des Sensors zu brechen. Den Fall, dass die vorgebohrten Löcher oder der Sensor-Zinken sich unstimmig sind, kann Biegung auf den Sensorkörper auch Instrument Ausfall führen. Die enge Passform zur verpflichtet, ausreichend Kontakt mit dem Holz macht auch Entnahme aus dem Baum oder Probe Segment schwierig und besonders vorsichtig ist während der Kalibrierung notwendig, wenn Sensoren müssen entfernt und nach jeder Messung wiederverwendet. Da die Fähigkeit der Hautöle, Lesungen zu beeinflussen, ist es vernünftig anzunehmen, dass die Verwendung von Fett oder ein anderes Gleitmittel, Montage und Demontage zu erleichtern ebenso Sensorausgang beeinträchtigen würde. Im Bereich Betrieb ist die wahrscheinlichste Ursache des Scheiterns Instrument macht oder Kommunikation Verlust aufgrund von Kabelschäden. Große Spitzen in VWC sind beobachtet worden, wahrscheinlich aus Stamm Flow Sensor eindringen, wenn die Silikondichtung um den Sensor beschädigt ist oder unvollständig. Diese Spitzen sollten bei der Nachbearbeitung aus den Daten gefiltert werden.

    Frequency Domain Reflectometry-Stil Kapazität Sensoren ermöglichen volumetrischen Wassergehalt in den Stängeln der große Bäume mit höheren zeitlichen Auflösung als die meisten früheren Methoden gemessen werden.Diese Technik kann auch erhebliche Einblicke in die Verfügbarkeit und Nutzung der Stamm-Wasser Kapazität besonders bei Laubbäumen mit geringen elastischen Moduli, die am wenigsten wahrscheinlich zu generieren die elastischen Expansionen und Kontraktionen, die überwacht werden elektronische Microdentrometers2. VWC Messungen können auch zur Verbesserung der SAP-Flux-Messungen wie durch weit verbreitete Methoden, wie die Wärmeableitung Technik69, gesammelt, die auf eine maximale Referenztemperatur verlassen, die nachgewiesen werden empfindlich auf Änderungen im Stamm VWC. Der low-cost, low Power Art der Sensoren erleichtert den Ausbau der vorgestellten Methodik, Äste und Wurzeln, mehr leicht bewerten den ganzen Baum Wasserhaushalt. Die Kombination von Wassergehalt und Wasser fließen Daten, bietet als SAP-Flux, überwacht erweiterten Einblick in die Vegetation Hydraulikfunktionen.

    Der Ansatz, den wir hier vorstellen ist verallgemeinerbare zu jedem Baum-Spezies, und daher könnte verwendet werden, jeder Baum Wasserspeicherung, innerhalb eines Bereichs von Durchmesser dicker als Hälfte ein Zinken Länge zu messen aber nicht so dick, dass die Zinken zu kurz, um die Dynamik innerhalb vertreten sind Splintholz. Die geringen Kosten und Betrieb Anforderungen des vorgestellten Ansatzes machen es möglich, viele Bäume zu instrumentieren, um eine große und sinnvolle Stichprobengröße in einem ganzen Waldgrundstück, auch in Fällen der hohen Artenvielfalt zu erhalten. Mögliche Anwendungen sind Wald Hydrologie und Ökohydrologie, inklusive Studien erfordern der Wasserhaushalt der eines Waldbestandes bekannt und überwacht werden, der pflanzlichen Transpiration und Reaktion auf Verfügbarkeit Wasser sowie Studien der Pflanze als Reaktion auf Dürre und Potenzial Sterblichkeit aufgrund von Wassermangel leiden. Daten, die über diese Methodik können für die Kalibrierung der Werksebene hydrodynamische Modelle verwendet werden. Beobachtungen der volumetrischen Stamm Wassergehalt bieten auch eine einzigartige Ressource für die Validierung von Radarmessungen von Bodenfeuchte von Fernerkundung für die oberirdischen Vegetation Wasserspeicher ein Lärm-Begriff ist, der nun beseitigt werden kann. Diese Technik kann auch verwendet werden in landwirtschaftlichen Plantagen zu überwachen die effektive Gewässerzustands der Bäume und die dynamische Optimierung der Bewässerungssysteme erleichtern.

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    Disclosures

    Steven R. Garrity ist ein Mitarbeiter der METER Group Inc., die die GS3 Ruggedized Bodenfeuchtesensor produziert in diesem Artikel verwendet.

    Acknowledgments

    Diese Studie wurde von U.S. Department of Energy Office of Science, Büro des biologischen und Umweltforschung, terrestrische Ökosystem Wissenschaften Programm Award Nr. finanziert DE-SC0007041, Ameriflux-Management-Programm unter Flux Core Website Vereinbarung Nr. 7096915 durch Lawrence Berkeley National Laboratory und der National Science Foundation hydrologischen Science gewähren 1521238. Meinungen, Erkenntnisse und Schlussfolgerungen oder Empfehlungen ausgedrückt in diesem Material sind diejenigen der Autoren und spiegeln nicht unbedingt die Ansichten der Fördergesellschaften.

    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

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    Umweltwissenschaften Ausgabe 130 Stem Wassergehalt Biomasse Wasserspeicherung Frequency Domain Reflectometry Ökohydrologie SAP-Fluss Vegetation Kapazität
    Die Kalibrierung und die Nutzung der Kapazität Sensoren Stem Wassergehalt in den Bäumen zu überwachen
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    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).

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