Summary
La capacidad hidráulica de la biomasa es un componente clave del presupuesto de agua de vegetación, que sirve como amortiguador contra el estrés de sequía corto y largo plazo. Aquí, presentamos un protocolo para la calibración y uso de humedad sensores de capacitancia para monitorear el contenido de agua en los tallos de árboles grandes.
Abstract
Agua transporte y almacenamiento de información a través del continuo suelo-planta-atmósfera es fundamentales para el ciclo del agua terrestre y se ha convertido en un área de enfoque de la investigación. Capacitancia de la biomasa juega un papel integral en la evitación de problemas hidráulicos en transpiración. Sin embargo, las mediciones de alta resolución temporal de cambios dinámicos en la capacitancia hidráulica de árboles grandes son raras. Presentamos los procedimientos para la calibración y uso de los sensores de capacitancia, que normalmente se utiliza para monitorear el contenido hídrico del suelo, para medir el contenido volumétrico de agua en los árboles en el campo. Observaciones de estilo de reflectometría de dominio de frecuencia son sensibles a la densidad de los medios de comunicación en estudio. Por lo tanto, es necesario realizar calibraciones específicos para convertir los valores registrados por el sensor de permitividad dieléctrica al contenido volumétrico de agua. Calibración se realiza en una rama cosechada o tallo cortado en segmentos que se seca o hidratados nuevamente para producir una amplia gama de contenido de agua para generar una regresión de mejor ajuste con las observaciones del sensor. Sensores insertados en segmentos de calibración o instalados en los árboles después de pretaladrar los agujeros a un ajuste mediante una plantilla fabricada para asegurar la alineación apropiada taladro de tolerancia. Especial cuidado para asegurarse de que dientes de sensor hacen buen contacto con los medios circundantes, lo que les permite ser insertado sin fuerza excesiva. Dinámica contenido volumétrico de agua observada a través de la metodología presentada se alinee con sap flujo medidas utilizando técnicas de disipación térmica y datos ambientales de forzamientos. Datos de contenido de agua de biomasa pueden ser utilizados para observar la aparición de estrés hídrico, respuesta de la sequía y recuperación, y ha detectado el potencial de ser aplicado a la calibración y la evaluación de nuevos modelos de nivel de planta hidrodinámica, así como el repartir de forma remota productos de la humedad en componentes arriba y soterrados.
Introduction
El agua almacenada en el material vegetal desempeña un papel integral en la capacidad de las plantas para hacer frente a estrés de agua de corto y largo plazo1,2. Las plantas almacenan agua en raíces, tallos y hojas en intracelulares y extracelulares (e.g., vasos de xilema) espacios 2,3,4. Esta agua ha demostrado aportar entre el 10 y el 50% de agua transpirados diurna2,5,6,7,8. Como tal, capacitancia hidráulica planta es un componente clave de la balanza de agua terrestre, puede ser utilizada como un indicador de estrés hídrico, respuesta de la sequía y recuperación1y es un factor crítico necesario para corregir de intervalos observados entre transpiración y sap flujo9,10,11. Monitoreo en tiempo real del contenido de agua de vegetación puede también utilizarse en aplicaciones agrícolas para ayudar a restringir la huerta y cultivos de riego para aumentar el riego eficiencia12,13. Sin embargo, mediciones continuas, in situ madre-del contenido de agua de especies leñosas7,14,15,16,17,18, son raros en relación con de las mediciones de flujo de savia20 19 . Aquí, describimos un procedimiento para la calibración de los sensores de capacitancia para monitorear el contenido volumétrico de agua en los tallos de árboles5,21.
Comportamiento hidrodinámico y Reglamento de uso del agua por la vegetación son un componente integral del continuo suelo-planta-atmósfera22,23 y por lo tanto importantes controles para los flujos de agua y carbono entre el la Biosfera y la atmósfera24,25. La dinámica del contenido de agua del tallo está influenciada por factores bióticos y abióticos. Agotamiento y recarga de agua almacenados en el tallo se ven afectados por las tendencias a corto y largo plazo en las condiciones ambientales, en especial, déficit de presión de vapor y agua contenido1,26del suelo. Las propiedades físicas de la madera27 (p. ej., densidad, estructura de la nave) y el emergente estrategia hidráulica25 (p. ej., iso - o anisohydric regulación estomática) determinan la capacidad de la planta para almacenar y usar agua 19 , 26 , 28y puede variar ampliamente por especies29,30. Estudios anteriores han demostrado diferentes roles de la capacitancia en tropical16,27,31,32,33 y templada5,7 ,21 especies y en tanto angiospermas1,2,34 y gimnospermas6,11,17,19.
Un mejor conocimiento del contenido de agua de biomasa mejorará la comprensión de estrategias para la adquisición de agua de vegetación y uso1,2, junto con la vulnerabilidad de la especie a los cambios previstos en los regímenes de precipitación35 ,36. Comprensión adicional de uso de agua de planta estrategias ayudarán a predecir cambios demográficos bajo escenarios de clima futuro37,38. A través de técnicas de fusión de datos modelo39, contenido de agua del tallo datos obtenidos mediante esta metodología pueden utilizarse para informar y prueba hidrodinámica escalable, nivel planta modelos40,41, 4243,de,44 con el fin de mejorar el cálculo de la conductancia estomática y, así, simulaciones de transpiración y absorción de carbono fotosintético. Estos modelos hidrodinámicos avanzados pueden proporcionar una reducción significativa en la incertidumbre y error al incorporar mayor superficie de tierra y tierra sistemas modelos25,45,46, 47,48.
Los métodos utilizados para controlar o calcular el contenido de agua del tallo incluyen árbol metálico33,49, electrónicos dendrometers2,15,50, resistencia eléctrica de atenuación de radiación gamma52, deuterio trazadores19, 51, redes de sap flujo sensores32,33,53, psicrómetros49, del tallo y amplitud tiempo y11 4,12,13 dominio reflectometry (TDR). Los esfuerzos recientes han probado la viabilidad de los sensores de capacitancia que tradicionalmente se han utilizado para medir el suelo agua volumétrica contenido5,18,21,27. Reflectometría de dominio de frecuencia (FRD)-sensores de capacitancia de estilo son de bajo costo y uso de cantidades relativamente pequeñas de energía para mediciones continuas, haciéndolas una herramienta atractiva para mediciones de alta resolución temporal en situaciones de campo. La facilidad de automatización de FDR sobre sensores TDR-estilo facilita la colección de conjuntos de datos de horas de sol continuo y elimina muchos de los retos inherentes a medidas de TDR que requieren longitudes de cable importantes13. El uso de sensores de capacitancia in situ elimina la necesidad de perforación repetitivas o recolección de rama y puede proporcionar exactitud mejorada de especies de madera dura.Especies leñosas que retiran agua principalmente de los espacios extracelulares, como los vasos del xilema, o que tengan alta madera o corteza de módulos de elasticidad, generalmente no son buenos candidatos para técnicas de medición dendrométricas popular debido a la extensión de espiga elástica bajo 2. sensores de capacitancia estiman permitividad dieléctrica, que se puede convertir directamente a contenido volumétrico de agua. Sin embargo, las mediciones de la capacitancia son sensibles a la densidad de los medios que rodea el sensor. Por lo tanto, abogamos por calibraciones específicos que convierten la salida de los sensores al contenido volumétrico de agua madera5,21.
Presentamos un protocolo para una calibración específica convertir salida de sensor de capacitancia al contenido volumétrico de agua de la madera. También están las instrucciones para la instalación en el campo de los sensores de capacitancia en árboles maduros y un análisis de fortalezas, debilidades y supuestos del método. Estas técnicas están diseñadas para monitorear el contenido volumétrico de agua en el tronco, el más grande árbol agua almacenamiento depósito8, pero pueden ampliarse fácilmente a todo el árbol con la instalación de sensores adicionales a lo largo de las ramas. Mediciones de contenido de agua de planta dinámica avanzará los campos de la hidrodinámica de la vegetación, biometeorology y modelado de la superficie de la tierra.
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Protocol
1. Seleccione un árbol para la instrumentación
- Seleccionar árboles para medición. Lo ideal es seleccionar árboles sanos con un corte transversal del tallo generalmente redondo y un diámetro entre 1 - 2 veces la longitud del diente, o una profundidad de albura mayor que la longitud de las púas del sensor (~ 5 cm para los sensores de capacitancia específica demostrada aquí). Medir la profundidad de la albura con núcleos de árbol, o para muchas especies, calcular la profundidad de la albura a través de las ecuaciones alométricas sobre zona de albura para vástago diámetro 29,54, medida con una cinta de diámetro estándar.
Nota: Sin embargo, algunos tipos de sensores de capacitancia pueden ser capaces de cortarse a una longitud apropiada siguiendo paso 1.2 sin afectar adversamente la exactitud de la medida. Sensores de capacitancia única con puntas de medición rígido que no contienen el cableado pueden ser desbastados o troceados. Calibración independiente es necesario para los sensores recortados. Por lo tanto, seleccionar el árbol y determinar la longitud apropiada del diente antes del procedimiento de calibración. - Determinar la longitud adecuada de los dientes del sensor basado en el diámetro del árbol y la profundidad de la albura.
Nota: Los sensores de capacitancia integran información de humedad a lo largo de las puntas del sensor, L. por lo tanto se supone que la observación integral que proporcionan es representante del tallo entero cuando el diámetro está entre L y 2 L de . La corteza y floema no afectará a la medición ya que se eliminan de la zona de medición antes de la instalación (ver sección 4.2).- Ajuste de los sensores de los árboles donde L es mayor que el diámetro de tallo, (véase el paso 1.3) tal que los dientes no penetran a través del lado opuesto del tallo.
- Mida la señal combinada de la albura y duramen con el sensor de árboles donde el diámetro es mayor que 2L, pero la profundidad de la albura es menor que L.
Nota: Como el contenido de agua difiere en estos tipos de dos tejidos, esto puede causar un sesgo si se supone que la observación es representante del tallo entero. En tales casos, o cuando el usuario está interesado sólo en las fluctuaciones de agua de albura, el sensor dientes deben recortarse en la profundidad de la albura que las observaciones representan las fluctuaciones del contenido de agua de la albura (xilema activo) sólo. Cuando la profundidad de la albura es mayor que L, observaciones representan sólo la albura, pero el sensor no necesita ser ajustado.
- Si es necesario (según lo determinado en los pasos 1.2.1 y 1.2.2), corta el sensor de ajuste para la aplicación especificada. Para cortar las puntas del sensor, sujete el sensor de forma segura a un banco de trabajo y, mientras se está usando equipo de protección adecuado, use una herramienta giratoria de energía, equipada con un disco de corte de acero para cortar cada diente a exactamente la misma longitud.
2. cosecha y preparación de muestras de madera de todas las especies de interés para generar una calibración específicos para cada especie
- Recoger un tronco, tallo juvenil o rama grande por lo menos 6 cm de diámetro de las especies de interés. Diámetros más grandes son las preferidas para maximizar la cantidad de madera que encierra el sensor y más aproximan de la densidad del tronco para mediciones de campo. Eliminar todos los ramas u hojas y liquen o material suelto.
Nota: Refiérase a la sección de debate para la discusión adicional de incertidumbre debido a las diferencias en rama y la densidad de tallos. - Segmento de tallo en secciones de 25 o más cilíndricas de ~ 15 cm de longitud.
- Etiqueta de cada segmento y registre el diámetro promedio y la longitud de cada uno. Aproximar el volumen de los segmentos como el volumen de un cilindro.
- Separar los segmentos en dos grupos para rehidratación diferencial y secado. Coloque aproximadamente 1/3 de los segmentos en un baño de agua para rehidratar y los 2/3 de los segmentos en un horno de secado a 60 ° C para deshidratar. Separar dos segmentos para la medición inmediata: preferiblemente uno desde la mitad de la longitud de la espiga y desde un extremo.
Nota: Típicamente, secado a 60 ° C los segmentos completamente desecados después de 2 semanas y rehidratados completamente después de ~ 3 días. Quitar los segmentos individuales del horno baño y medir a intervalos diarios o dos veces al día (véase paso 3.7). Para producir un gradiente de medidas que abarcan la más amplia gama de contenido volumétrico de agua posible.
3. crear una relación de calibración entre la salida del Sensor y volumétrico de agua contenido
- Conectar un sensor de capacitancia de un dispositivo de registro de datos, siguiendo las instrucciones proporcionadas por el fabricante y una computadora para la visualización de lectura de sensores en tiempo real. Establece el intervalo de tiempo para la recolección de datos en 30 s.
- Utilizando una plantilla de perforación predefinida mantiene firmemente en su lugar para mantener la alineación y una broca ligeramente más pequeño que el diámetro de las puntas del sensor de capacitancia (3,57 mm para el sensor utilizado en este experimento), perfore dos conjuntos vertical de tres orificios con la segundo conjunto situado aproximadamente 150 ° a en el segmento de madera con una separación vertical de unos pocos centímetros para asegurar que no existe ningún potencial superposición entre agujeros. Utilizar los segmentos de madera destinados en el paso 2.4 el primer conjunto de medidas.
- Pesar el registro el peso con 0,01 g y un segmento en el momento de la medición. Tapa los extremos de los segmentos con envoltura de plástico para prevenir la sequedad adicional.
- Inmediatamente después del pesaje, limpiar los dientes del sensor de capacitancia con un algodón embebido en alcohol e introducir en el segmento de tallo completamente, tal que ninguna parte de las púas de acero es visible. Espere a que la medición de la lectura en la pantalla de salida se estabilice (2 o 3 min, generalmente). Registrar las salidas de sensor de temperatura, conductividad eléctrica y permitividad dieléctrica (εb) cada 30 s para 5 minutos y calcular la media de las 10 mediciones.
- Suavemente Retire el sensor del segmento, limpiar los dientes con un algodón embebido en alcohol y esperar a que las lecturas de salida volver a cero. Repita el procedimiento de medición de paso 3.3 hacia adelante en el segundo conjunto de agujeros pretaladrados.
- Quitar el plástico de los extremos y colocar el segmento de tallo en el horno de secado. Déjelo secar completamente (generalmente 2 semanas, o hasta que el peso se ha estabilizado durante varios días).
- Repita los pasos 3.3 a 3.7 en todos los segmentos. Extraer segmentos de la estufa y medir con mayor frecuencia (dos veces al día) en los primeros días de secado, debido a la mayor tasa de pérdida de la humedad inicial que durante los últimos días (diario). Secar el exceso de agua de la superficie de los segmentos de la bañera de agua utilizando una toalla de papel antes de pesaje y medición.
(1)Donde Vw es el volumen de agua (cm3) y V deltallo es el volumen del segmento de tallo (cm3) calculado en el paso 1.2.
- Calcular el volumen de agua en cada segmento en el momento de la medición como:
(2)
Donde mw el agua total en el segmento de tallo (g) en el momento de la medición y ρw es la densidad del agua (1 g cm-3) - Calcular la masa de agua en cada segmento en el momento de la medición como:
(3)
Donde húmedo M es la masa del segmento de tallo a la hora de medición (g) y Mseco es el peso final del segmento (g).
(2)
(3)
Figura 1: curvas de calibración ejemplo. Curvas de calibración generadas para Quercus rubra, Acer rubrum, Betula papyrifera, Populus grandidentatay Pinus strobus tras partes 1 y 2 del presente Protocolo. Ecuaciones y coeficientes de determinación se proporcionan para cada uno en la tabla 1. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
| m | b | R2 | |
| B. paprifera | 0.048 | -0.098 | 0.967 |
| A. rubrum | 0.067 | -0.158 | 0.853 |
| P. rubra (acortado) | 0.120 | 0,041 | 0.636 |
| P. rubra | 0.058 | -0.109 | 0.718 |
| P. grandidentata | 0.023 | -0.028 | 0.887 |
| P. strobus | 0.030 | -0.072 | 0,900 |
Tabla 1: ecuaciones de calibración para la conversión de Ε b a VWC de cinco especies de árboles templados. Coeficientes de am' y 'b' se presenta para una ecuación lineal en forma estándar: VWC = m * εb+ b.
4. instalación de sensores de capacitancia en árboles para mediciones de campo
- Antes de la instalación del sensor, registrar el diámetro del tallo y la altura sobre la superficie del terreno para cada ubicación del sensor. Por lo general, para supervisar VWC en el tronco, un sensor ~0.5 m sobre la superficie de la tierra y otro justo debajo de la primera división ramificación importante (~7.5 m sobre el suelo, figura 2).
Figura 2: configuración de experimento de campo ejemplo. Un esquema de orientación en un árbol maduro junto a una estación de registro de datos y ubicaciones de los sensores. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
- Quitar la corteza al cambium y crear una superficie plana donde el sensor será instalado utilizando una hoja de dibujo. Asegúrese de que esta superficie es amplia y bastante plana que el sensor quede al ras contra la superficie del árbol cuando se instala tal que ninguna parte de las púas está expuesta. Quitar la corteza y el cambium para asegurar que las medidas incluyen sólo el contenido de agua en el xilema, mientras que excluyendo el contenido de agua en la corteza o floema.
- Taladre los orificios para los dientes. Utilice una broca ligeramente más pequeño que el diámetro de los dientes para la madera más suave, mientras que usa un poco más al verdadero tamaño de los dientes para madera más dura (3,57 mm según lo utilizado en este protocolo). Para mediciones de alta calidad, asegúrese de que las púas del sensor hagan buen contacto con la madera. Ya que no habrá necesidad de quitar el sensor regularmente, como fue el caso durante el procedimiento de calibración, puede utilizarse una broca un poco más pequeña que la que se utiliza para la calibración.
- Limpiar las cuchillas cultivadoras de sensor con un algodón embebido en alcohol para eliminar cualquier suciedad o piel aceites e Inserte el sensor en los orificios previamente perforados. Si el sensor se encuentra con demasiada resistencia al insertar, ligeramente vuelta hacia fuera y vuelva a perforar los agujeros para los Ensanche un poco. Asegúrese de que todos tres dientes estén completamente insertados y el cuerpo del sensor encuentra al ras contra el tronco del árbol.
- Use un sellador a base de silicon para sellar el sensor contra el tronco del árbol para ayudar a mantener a frenar flujo de entrar en los agujeros y para prevenir la infestación de plagas.
- Cubrir el sensor con aislamiento reflectante para evitar el calentamiento externo.
- Siguiendo las especificaciones de los fabricantes, conectar todos los sensores a una fuente de alimentación de 12 V y un registrador de datos compatible. Uso datos colección intervalos de 5 min para sensores desplegaron sobre el terreno, pero uso de intervalos más largos para conservar energía en sitios donde la energía es limitar, por ejemplo, solar/batería operado sitios.
5. procesar los datos en bruto al tallo agua almacenamiento usando la curva de calibración
- Utilizando la ecuación de la curva de calibración generada en el paso 2.9, convertir la salida del sensor a VWC para todas las observaciones. VWC se expresa generalmente como cm3 /cm3 o como un porcentaje. El por ciento VWC por lo tanto varían entre 0 y 100%.
- Integrar el volumen total de interés (cm3) entre las alturas de dos medición (por ejemplo, en la figura 2: 0,5 m y 7,5 m.) asumiendo cambios de diámetro de vástago linealmente con la altura.
(4)donde H es la diferencia de altura (distancia vertical) entre los sensores (por ejemplo, en la figura 2: 700 cm) y r1 y r2 son los radios del tallo (cm) en la parte inferior y superior de los sensores, respectivamente.
Árboles donde los sensores proporcionan una estimación solamente del agua albura contenido (ver determinación de la longitud del sensor, sección 1.2) utilizar ecuación 5:
(5)donde s1 y s2 son las albura profundidades (cm) en las localizaciones de la sensores inferior y superior, respectivamente.
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Representative Results
En esta sección, presentamos los datos de calibración para cinco común oriental especies arbóreas forestales, seguidos de un análisis detallado de mediciones de campo de almacenamiento de agua madre en tres individuos de Acer rubrum durante la temporada de crecimiento de 2016. Se generaron curvas de calibración para Acer rubrum, Pinus strobus, Betula papyrifera, Populus grandidentata y Quercus rubra (figura 1). Pendientes de las curvas se diferenciaron por 97.7% para que p. grandidentata y a. rubrum (tabla 1) que demuestra la necesidad de realizar la calibración específica para obtener medidas precisas de VWC . Contenido volumétrico de agua fue supervisado en la base del tallo de árbol 0,5 m sobre la superficie de la tierra y en la base de la corona vivo, 7,5 m sobre la superficie del terreno (figura 2). Agotamiento diurno y reposición de VWC se observaron en ambas localidades, con VWC en el punto superior de medición que muestra variabilidad diurna más grande que el lugar más bajo (figura 3). VWC en la ubicación de medición superior oscilaron entre 0,55 y 0,88 cm3/cm3, mientras que VWC en la ubicación de medición inferior oscilaron entre 0,72 y 0,95 cm3/cm3. Durante la transpiración, el agua es perdido de hojas y agotado más rápidamente de las ramas distales. Por lo tanto, se deduce que VWC medido en la base de la corona debe ser inferior a la base del tronco cuando el almacenamiento está siendo retirado activamente. Las mediciones en ambas localidades mostraron las mismas tendencias generales durante la temporada de crecimiento (figura 3).
Para evaluar la dinámica diurna observada de cambiar el contenido de agua del tallo, se calculó la velocidad de cambio en el contenido de la potencia media total de agua, ΔStorage (g/s), (figura 4). ΔStorage se comparó para sap datos flujo simultáneamente en el mismo árbol con Granier-estilo disipación térmica sensores55. Valores negativos en ΔStorage indican la tasa de reducción en el almacenamiento de agua de tronco. Cambios en el almacenamiento de información comenzaron a producirse poco después del amanecer (6:00), mientras que el flujo de savia rezagado entre una hora y media y dos horas (8:00 am). En general, tiempos de retraso entre el flujo de savia y transpiración se estiman en un poco más de una hora9. La desaceleración disminución de almacenamiento entre mediodía y las 16:00 se puede atribuir a medio día cierre estomático, que también es responsable de la forma asimétrica de la curva de flujo de savia a lo largo de la tarde de56,57. La congruencia en los resultados obtenidos mediante técnicas de flujo de savia bien establecido y el procedimiento de medida de almacenamiento demuestran la capacidad de los sensores de capacitancia para captura rápida dinámica de cambios en el almacenamiento de agua del tallo en árboles maduros.
Tres maduran Acer rubrum (diámetro a la altura del pecho, DAP: 29,1 cm, cm 28,3 22,7 cm) en un sitio de investigación de bosque en Michigan Norte fueron monitoreados durante la temporada de crecimiento de 2016. Mientras que la potencia total de almacenamiento de agua es dependiente en el volumen del tronco (figura 5A), los tres individuos exhiben patrones de recarga y reposición constante con tendencias estacionales en sap flujo (figura 5B) y la humedad del suelo disponibles en el superior 1 m de profundidad (figura 5). Agua almacenados en el tallo, flujo de savia y humedad del suelo fueron todos en su punto más bajo durante el período interstorm extendido del final del verano, día del año (DOY) 200-225. En este momento, flujo de savia y vástago contenido de agua se redujeron significativamente en todos los individuos monitoreados. Se estimó el tiempo de recuperación de la sequía en respuesta a la disminución observada en el agua del suelo contenido de 10% a 5.6% para aproximadamente 10 días para a. rubrum, basado en el tiempo requerido para que el almacenamiento de agua madre a recuperarse a los niveles de la sequías.
Figura 3: ejemplo de resultados de un experimento de campo monitoreo vástago contenido de agua en 0,5 y 7,5 m de altura en Acer rubrum (DAP = 29,1 cm). Contenido de agua en 7.5 m sobre el suelo generalmente seguía siendo inferior al contenido de agua a 0,5 m. de las fluctuaciones diurnas en el contenido de agua en 7.5m fueron mayores que los registrados más cerca al nivel del suelo. Aumentos en contenido de agua del tallo en ambas alturas correspondieron a días después de la precipitación (se muestra en púrpura), con una gran disminución en el contenido de agua del tallo entre la DOY 210 y 225 de 2016 cuando poca o ninguna precipitación ocurrió. Datos que faltan son el resultado de la interrupción de la energía temporal. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4: ejemplo de resultados de un experimento de campo comparando el retardo en el flujo del agua medida por el flujo de savia y la tasa de cambio de contenido de agua del tallo. Flujo de savia fue supervisada simultáneamente con contenido de agua del tallo en un Acer rubrum que sigue la metodología descrita en Matheny, et al. 29 la tasa de flujo promedio diurno sap (azul) y el derivado del tiempo de almacenamiento de agua de vástago (ΔStorage, naranja) como Matheny siguiente calculado, et al. 5 se muestran durante 5 días cuando la humedad del suelo fue no limitantes (DOY 245-250, 2016). Las áreas sombreadas representan la desviación estándar a través de la ventana de 5 días. ΔStorage comienza a disminuir poco después del amanecer (6:00), mientras que el flujo de la savia comienza a aumentar aproximadamente 2 h más tarde (8:00). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 5: Ejemplo el resultado de un experimento de campo control de almacenaje de agua del tallo en tres Acer rubrum a lo largo de 110 días. Almacenamiento de agua de la madre fue supervisado en los troncos de tres Acer rubrum de tamaños diferentes del tronco en el curso de la temporada de crecimiento de 2016 (A). Tendencias estacionales en el almacenamiento de agua de la madre corresponden a las tendencias en el flujo de savia en 15 Acer rubrum en el mismo bosque siguiendo los procedimientos de Matheny, et al. 29 (B).Área sombreada corresponde a la desviación estándar entre árboles individuales, mientras que la línea continua representa el flujo diario promedio de integrado sap. Ambos derivan de almacenamiento de agua y flujo de la savia de Acer rubrum seguido las pautas de contenido de agua del suelo (SWC), como integrado en la parte superior de 1 m de profundidad del suelo y la precipitación (C). Datos que faltan son el resultado de la interrupción de la energía temporal. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
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Discussion
Patrones estacionales y diurnos en contenido de agua del tallo observado mediante sensores alinean con las tendencias de flujo concurrente sap la capacitancia y ambiental obliga a mediciones (figura 3, figura 4, figura 5). Reservorios de almacenamiento de agua del tallo están agotados diurna cuando el ritmo de transpiración supera la tasa de recarga a través de los tejidos leñosos y estacionalmente cuando la humedad del suelo limita la disponibilidad de agua de la raíz5. Esta capacitancia interna proporciona un valioso tampón contra limitaciones hidráulicas de conductancia estomática y es responsable por el desfase temporal entre el inicio de la transpiración y sap flujo9. En este estudio, se observó una retirada de agua diaria máxima de almacenamiento que oscila entre los 23.3 y 49,9 L (14,6 y 22.3%) contenido de agua del tallo del total disponible. El relativamente rápido aumento en contenido de agua del tallo después de eventos de precipitación observaron en este estudio fue consistente en todas arces vigiladas y se ha demostrado anteriormente5. Este tipo de comportamiento puede sugerir recarga de cavitación o rápido aumento de contenido de agua en otros de los tejidos circundantes21. Hay una necesidad de investigación adicional conectar estas mediciones con las observaciones de la cavitación recarga21,58. El uso de sensores de capacitancia facilita el monitoreo de este aspecto crítico de la vegetación agua equilibrio continuamente y en situ en entornos de campo. Esta metodología fue desarrollada usando el sensor de humedad de suelo resistente GS-3. Estos sensores cuentan con tres púas de acero inoxidable rígidas (3,26 mm de diámetro, 5,5 cm de longitud). Mientras que el método puede ser adaptado para su uso con otros sensores de capacitancia, es dependiente de la presencia de puntas de medida rígida.
Calibración específica permite la conversión de permitividad dieléctrica medido al contenido volumétrico de agua para especies de árboles con diferentes densidades de madera (figura 1). Sin embargo, hay varios supuestos inherentes en el procedimiento de calibración presentado. Lo más destacable es la suposición de que la densidad de la madera de los segmentos de rama o tallo utilizado para la calibración es equivalente a la densidad de la madera en el lugar de instalación en el campo. Mientras rama y tallo densidades han demostrado estar en buena concordancia para algunas especies59, esto no es siempre el caso60, debido a las diferencias en xylem recipiente de forma cónica y arreglo. Otra consideración importante durante la calibración es la cantidad de madera que rodean los dientes del sensor. Algunos sensores FDR-estilo requieren una considerable profundidad de empotramiento de los medios de comunicación (≥5 cm) en todos los lados para evitar la inclusión de otros materiales (es decir, aire) en las lecturas. El uso de segmentos de diámetro más grandes para la calibración puede mejorar significativamente el acuerdo entre el laboratorio calculada VWC y εb ayudando a minimizar el impacto de las diferencias de densidad y profundidad de empotramiento.
Diferencias radiales y circunferenciales en el flujo de savia son bien documentados61,62,63,64,65,66. Se deduce que las diferencias en el contenido de agua de madera asimismo variará con la localización y profundidad. En un estudio con rayos x la tomografía computada, Fromm, Sautter, et al. 67 demostró que este es el caso. La obra de Fromm, et al. 67 también evidenciado densidad significativa y VWC diferencias entre principios - y tardía en la especie porosa del anillo, Q. robur. Problemas debido a diferencias circunferenciales en caudal y conductividad pueden ser superados por el uso de sensores adicionales; sin embargo, las variaciones de densidad radial y temporal presentan más dificultad. La presente metodología asume que la densidad es constante en tiempo y espacio. Para campañas de medidas a más largo plazo, cambios en la densidad y patrones de flujo debido a heridas efectos68 pueden ser también de preocupación. Algunas diferencias en el contenido de agua con profundidad radial pueden resolverse mediante la modificación de la longitud de las puntas del sensor. El estilo de sensor de capacitancia utilizado en este trabajo emplea cuchillas de acero inoxidable larga sólida 5,5 cm que pueden cortar sin dañar la función del sensor. Es importante que los dientes cortar a exactamente la misma longitud y realizar una nueva calibración usando el sensor modificado (ver figura 1 y tabla 1, p. rubra acortado). Mediante sensores con púas acortado a 2 cm, Matheny, et al. 5 demostraron diferentes dinámicas entre albura activamente llevando a cabo superficial y albura a granel en Q.rubra. Mientras que este método proporciona un medio para examinar el contenido de agua en profundidades someras (0 < corte diente largo < cm 5,5), carece de la capacidad de distinguir entre profundidades específicas (. e. VWC entre 2 y 4 cm) o a profundidades mayores que la longitud inicial del sensor.
Las dificultades más comunes con esta metodología se presentan durante la instalación y son con frecuencia el resultado de los agujeros perforados bajo o mal alineados. Es necesario asegurar un buen contacto entre el sensor y la madera, pero el uso de fuerza excesiva durante la instalación puede causar el sensor de rotura. En caso de que los orificios o las púas de sensor se están fuera de alineación, flexión al cuerpo del sensor también puede resultar en el fracaso del instrumento. Es necesario el ajuste de cierre necesario para mantener el suficiente contacto con la madera también hace retiro del árbol o segmento muestra difícil y cuidado durante el procedimiento de calibración cuando sensores deben ser retirados y reutilizados después de cada medición. Teniendo en cuenta la capacidad de influir en las lecturas de aceites de la piel, es razonable asumir que el uso de grasa o algún otro lubricante para facilitar la instalación y remoción afectaría además sensor de salida. Durante la operación de campo, la causa más probable de la falta de instrumento es pérdida de energía o comunicación debido al daño del cable. Grandes picos en VWC se han observado, probablemente resultante del flujo de tallo penetrando el sensor si el sello de silicona alrededor del sensor está dañado o incompleto. Los picos deben filtrarse de los datos durante el procesamiento posterior.
Sensores de capacitancia de estilo de reflectometría de dominio de frecuencia permiten contenido volumétrico de agua a medir en los tallos de árboles grandes en mayor resolución temporal que metodologías más anteriores.Esta técnica también puede proporcionar penetraciones importantes en la disponibilidad y uso de la capacitancia del tallo el agua especialmente de árboles de madera dura con módulos elásticos bajo que son los menos propensos a generar el elástico expansiones y contracciones por electrónico microdentrometers2. VWC medidas pueden usarse también para mejorar la precisión de las mediciones de flujo de sap como por utilizado métodos como la técnica de disipación térmica69, que se basan en una temperatura máxima de referencia que se ha demostrado que sensible a los cambios en la madre VWC. La naturaleza de bajo costo, de bajo consumo de los sensores facilita la expansión de la metodología presentada para ramas y raíces más fácilmente evaluación el balance hídrico del árbol entero. La combinación de contenido de agua y datos de flujo de agua, como controlado por flujo de savia, proporciona visión avanzada funciones hidráulicas de la vegetación.
El enfoque que presentamos aquí es generalizable a cualquier especie de árbol y por lo tanto puede ser usado para medir el almacenamiento de agua de cualquier árbol, dentro de un rango de diámetros más gruesos que la mitad de longitud de una diente, pero no tan espeso que los dientes son demasiado cortos para representar la dinámica dentro de albura. Los requisitos de costo y operación bajo el enfoque presentado permiten instrumento muchos árboles con el fin de obtener un tamaño de muestra grande y significativa dentro de una parcela de bosque, incluso en casos de alta diversidad de especies. Potenciales aplicaciones incluyen hidrología forestal y ecohidrología, incluye estudios que requiere el presupuesto de agua de un soporte de bosque a ser conocidos y controlados, estudios de respuesta a la disponibilidad de agua y transpiración de plantas y estudios de respuesta de las plantas a sequía y potencial mortalidad por estrés hídrico. Datos obtenidos a través de esta metodología pueden utilizarse para la calibración de modelos hidrodinámicos de nivel de planta. Observaciones de contenido en agua volumétrico tallo también proporcionan un recurso único para la validación de las mediciones de radar de humedad del suelo de teledetección, que vegetación sobre el suelo de almacenamiento de agua es un término de ruido que ahora puede ser eliminado. Esta técnica también puede utilizarse en plantaciones agrícolas para monitorear el Estado eficaz del agua de los árboles y facilitar la optimización dinámica de sistemas de riego.
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Disclosures
Steven R. Garrity es un empleado de metro Group Inc. que produce el Sensor de humedad de suelo robusto de GS3 utilizado en este artículo.
Acknowledgments
Financiamiento para este estudio fue proporcionada por el Departamento de energía de los Estados Unidos Oficina de ciencia, oficina de biológicos e investigación ambiental, terrestre ecosistema Ciencias programa Premio Nº DE SC0007041, programa de gestión Ameriflux bajo flujo base sitio acuerdo no. 7096915 a través del laboratorio nacional Lawrence Berkeley y la ciencia hidrológica de la Fundación Nacional de ciencia otorga 1521238. Cualquier opinión, resultados y conclusiones o recomendaciones expresadas en este material son las de los autores y no reflejan necesariamente las opiniones de las agencias de financiación.
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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