Waiting
Login processing...

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

Environment

معايرة واستخدام أجهزة الاستشعار السعة لرصد محتوى الماء الجذع في الأشجار

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

السعة المائية للكتلة الحيوية هو عنصرا رئيسيا في ميزانية المياه الغطاء النباتي، الذي يعمل كحاجز ضد تشدد الجفاف قصيرة وطويلة الأجل. هنا، نحن نقدم بروتوكولا للمعايرة واستخدامه لرطوبة التربة السعة أجهزة استشعار لرصد محتوى الماء في ينبع الأشجار الكبيرة.

Abstract

والمياه والنقل والتخزين من خلال التواصل التربة والنبات-الغلاف الجوي أمر بالغ الأهمية لدورة المياه الأرضية، وقد أصبح أحد مجالات تركيز رئيسية لبحث. السعة الكتلة الحيوية يلعب دوراً أساسيا في تفادي إعاقة الهيدروليكية للرشح. ومع ذلك، قياسات عالية الدقة الزمنية للتغيرات الدينامية في السعة المائية للأشجار الكبيرة نادرة. هنا، نحن نقدم إجراءات المعايرة واستخدام أجهزة الاستشعار السعة، وعادة ما تستخدم لرصد محتوى الماء في التربة، لقياس المحتوى المائي الحجمي في الأشجار في الميدان. التردد المجال ريفليكتوميتري على غرار الملاحظات حساسة لكثافة وسائل الإعلام تجري دراستها. ولذلك، من الضروري إجراء التحديدات إبلاغها لتحويل من قيم أفادت أجهزة الاستشعار سماحية عازل للمحتوى المائي الحجمي. يتم إجراء المعايرة على فرع المقطوع أو الجذعية مقطعة شرائح المجففة أو إعادة رطب لإنتاج مجموعة كاملة من محتويات المياه المستخدمة لتوليد انحدار تناسبا مع استشعار الملاحظات. إدراج شرائح معايرة أجهزة الاستشعار أو مثبتة في الأشجار بعد قبل حفر ثقوب لتسامح صالح باستخدام قالب ملفقة للتأكد من محاذاة الحفر المناسبة. يتم إيلاء عناية خاصة لضمان أن استشعار قواديس جعل الاتصال الجيد مع وسائل الإعلام المحيطة بها، بينما يسمح لهم بإدراجها دون استخدام القوة المفرطة. ديناميات المحتوى الحجمي المياه لوحظ عبر المنهجية المقدمة محاذاة مع قياسات التدفق ساب تسجيلها باستخدام تقنيات الفقد الحراري والبيانات مما اضطر البيئية. يمكن استخدام الكتلة الأحيائية المائية محتوى البيانات لمراقبة ظهور الإجهاد المائي والجفاف الاستجابة والانتعاش، وقد لمست من إمكانية تطبيقها على معايرة وتقييم النماذج مستوى المصنع الهيدروناميكا الجديدة، فضلا عن تقسيم عن بعد منتجات الرطوبة في العناصر المذكورة أعلاه-وبيلووجروند.

Introduction

المياه المخزنة في المواد النباتية يلعب دوراً أساسيا في قدرة النباتات على التعامل مع المياه في الأجلين القصير والطويل الإجهاد1،2. منشآت تخزين المياه في الجذور، والسيقان، والأوراق في كل من داخل الخلية وخارج الخلية (مثل الخشب السفن) المسافات 2،،من34. لقد ثبت هذا الماء للمساهمة بين 10 و 50 في المائة من المياه حدث استمرارية التقلبات2،5،6،،من78. على هذا النحو، هو عنصر أساسي في توازن المياه الأرضية السعة المائية النباتية ويمكن أن تستخدم كمؤشر للإجهاد المائي والجفاف الاستجابة والانتعاش1وهو أحد عوامل حاسمة اللازمة لتصحيح للفترات الزمنية الملحوظة بين تدفق النتح وساب9،،من1011. رصد في الوقت الحقيقي لمحتوى الماء الغطاء النباتي يمكن أيضا استخدامها في التطبيقات الزراعية للمساعدة على تقييد البساتين والمحاصيل الري من أجل زيادة كفاءة الري12،13. ومع ذلك، قياسات مستمرة، محتوى الجذعية-الماء في الموقع من الأنواع الخشبية7،،من1415،16،،من1718، 19 نادرة بالنسبة لقياسات الجريان ساب20. هنا، فإننا مخطط إجراء لمعايرة أجهزة الاستشعار السعة لرصد المحتوى المائي الحجمي داخل ينبع من الأشجار5،21.

السلوكيات هيدرودينامية وتنظيم استخدام المياه بالنباتات جزءا لا يتجزأ من22،التربة والنبات-الغلاف الجوي متوالية23 وبالتالي فهي عناصر مهمة لتدفقات المياه والكربون بين الغلاف الحيوي والغلاف الجوي24،25. القوى المحركة لمحتوى الماء الجذعية تتأثر بالعوامل الحيوية وغير الحيوية على حد سواء. نفاد والتغذية من المياه المخزنة الجذعية تتأثر بالاتجاهات القصيرة الأجل والطويلة الأجل في الظروف البيئية، على وجه الخصوص، عجز ضغط البخار والتربة الماء المحتوى1،26. تحديد الخصائص الفيزيائية ل الخشب27 (مثلاً، والكثافة، وهيكل السفينة) و استراتيجية الهيدروليكية الناشئة25 (مثلاً، iso-أنيسوهيدريك ستوماتال تنظيم أو) للنبات القدرة على تخزين واستخدام المياه 19 , 26 , 28، ويمكن أن تختلف على نطاق واسع من الأنواع29،30. وقد أثبتت الدراسات السابقة أدواراً مختلفة السعة في الاستوائية16،،من2731،،من3233 و المعتدلة5،7 ،21 الأنواع، وفي كلا كاسيات البذور1،2،34 وعاريات البذور6،11،،من1719.

تحسين المعرفة بمحتوى الماء الكتلة الحيوية سوف تحسين فهم استراتيجيات الغطاء النباتي للحصول على المياه واستخدام1،2، جنبا إلى جنب مع الأنواع التعرض للتغيرات المتوقعة في نظم ترسيب35 ،36. المزيد من فهم استخدام المياه مصنع الاستراتيجيات سوف يساعد على التنبؤ بتغير الأنماط الديموغرافية ضمن سيناريوهات المناخ في المستقبل37،38. من خلال دمج البيانات نموذج تقنيات39، نماذج محتوى الماء الجذعية يمكن استخدام البيانات التي تم الحصول عليها باستخدام هذه المنهجية لإعلام واختبار الهيدروناميكا قابلة للتطوير، وعلى مستوى المصنع4140،، 4243،،44 من أجل تحسين العمليات حسابية الموصلية ستوماتال، ومن ثم محاكاة النتح وامتصاص الكربون التمثيل الضوئي. قد توفر هذه نماذج هيدرودينامية المتقدمة انخفاضا كبيرا في الغموض والخطأ عند إدراجها في أكبر من سطح الأرض والأرض أنظمة نماذج25،،من4546، ،من 4748.

وتشمل الأساليب المستخدمة لمراقبة أو حساب المحتوى المائي الجذعية شجرة الحفر49من33،، ديندروميتيرس الإلكترونية2،،من1550، والمقاومة الكهربائية 51وغاما الإشعاع التوهين52، تتبع الديوتريوم19وشبكات ساب التمويه مجسات32،،من3353، وقف بسيتشروميتيرس49، و السعة11 والساعة4،،من1213 المجال ريفليكتوميتري (تقرير التجارة والتنمية). الجهود التي بذلت مؤخرا اختبرت صلاحية أجهزة استشعار السعة التي استخدمت تقليديا لقياس التربة المياه الحجمي المحتوى5،،من1821،27. التردد المجال ريفليكتوميتري (FRD)-نمط السعة أجهزة الاستشعار بتكلفة منخفضة واستخدام كميات صغيرة نسبيا من الطاقة لقياسات مستمرة، يجعلها أداة جذابة لقياسات عالية الدقة الزمنية في السيناريوهات الميدانية. سهولة أتمتة فرانكلين روزفلت على تقرير التجارة والتنمية على غرار أجهزة استشعار يسهل جمع مجموعات البيانات الشمس ساعة متواصلة، ويلغي العديد من التحديات الكامنة في القياسات تقرير التجارة والتنمية التي تتطلب كبيرة كابل أطوال13. استخدام أجهزة الاستشعار السعة في الموقع يلغي الحاجة للحفر المتكررة أو فرع الحصاد، ويمكن أن توفر دقة محسنة للأنواع الخشبية.الأنواع الخشبية التي تسحب المياه أساسا من الأماكن خارج الخلية، مثل الخشب السفن، أو بواقي الخشب أو اللحاء عالية من مرونة، عموما ليست مرشحا جيدا لتقنيات القياس ديندروميتير شعبية بسبب انخفاض الجذعية مرونة التوسع 2-أجهزة استشعار السعة تقدير سماحية العازلة للكهرباء، التي يمكن تحويلها مباشرة إلى المحتوى المائي الحجمي. ومع ذلك، قياسات السعة حساسة لكثافة وسائل الإعلام المحيطة بأجهزة الاستشعار. ولذلك، أننا ندعو معايرات إبلاغها أن تحويل الناتج من أجهزة الاستشعار الحجمي الخشب-الماء المحتوى5،21.

نقدم بروتوكول لمعايرة إبلاغها لتحويل الناتج الاستشعار السعة إلى المحتوى المائي الحجمي للخشب. كما قدمت بعض الإرشادات للحقل تركيب أجهزة استشعار السعة في أشجار ناضجة ومناقشة الطريقة مواطن القوة ومواطن الضعف، والافتراضات. هذه التقنيات صممت لرصد المحتوى المائي الحجمي في الجذع، أكبر شجرة المياه تخزين خزان8، ولكن يمكن بسهولة توسيعها للشجرة بالكامل مع تركيب أجهزة استشعار إضافية على طول الفروع. سوف تقدم القياسات الحيوية النباتية الماء المحتوى الحقول الهيدروناميكا الغطاء النباتي، والمتوصل والنمذجة سطح الأرض.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. حدد شجرة للأجهزة

  1. حدد الأشجار للقياس. ومن الناحية المثالية، حدد الأشجار التي يتمتعون بصحة جيدة مع شريحة جذعية جولة عموما، وقطره بين 1-2 مرات طول طينة، أو عمق سبود أكبر من طول قواديس الاستشعار (~ 5 سم بالنسبة لأجهزة الاستشعار السعة المحددة أثبت هنا). قياس عمق سابوود استخدام شجرة النوى، أو لكثير من الأنواع، حساب عمق سابوود من خلال معادلات المغايرة النسبية التي تتعلق بمنطقة سابوود لوقف قطرها 29،54، مقيسة بشريط قطر قياسية.
    ملاحظة: ومع ذلك، بعض أنواع أجهزة الاستشعار السعة قد تكون قادرة على يتم اقتطاعها طول مناسب بعد "الخطوة 1، 2" دون أن يؤثر ذلك سلبا على دقة القياس. يمكن اقتطاعها مجسات السعة فقط مع قواديس القياس الجامدة التي لا تحتوي على أسلاك أو قص. معايرة منفصل ضروري لأجهزة الاستشعار المشذبة. ولذلك، حدد الشجرة وتحديد طول الطينة المناسبة قبل إجراء المعايرة.
  2. تحديد الطول المناسب قواديس استشعار تستند إلى القطر للشجرة وعمق سبود.
    ملاحظة: أجهزة الاستشعار السعة دمج المعلومات الرطوبة على طول قواديس الاستشعار، ل. ولذلك يفترض أن المراقبة المتكاملة توفر ممثل الجذعية كاملة عندما يكون قطرها بين L و ل 2 . اللحاء ولحاء لن يؤثر القياس كما يتم إزالتها من منطقة القياس قبل التثبيت (انظر القسم 4.2).
    1. تقليم أجهزة الاستشعار للأشجار حيث أن L أكبر من قطر الجذع، (راجع الخطوة 1، 3) مثل أن لا اختراق قواديس عبر الجانب الآخر من الجذع.
    2. قياس الإشارات مجتمعة من سبود وخشب القلب مع استشعار للأشجار حيث القطر أكبر من 2لتر، ولكن عمق سبود أقل من لتر.
      ملاحظة: كما يختلف محتوى الماء في هذه الأنواع من الأنسجة اثنين، هذا قد يسبب تحيز إذا كان من المفترض أن الملاحظة ممثل تنبع كلها. وفي مثل هذه الحالات، أو عندما المستخدم مهتمة فقط بتقلبات المياه sapwood، المجس يجب أن يتم اقتطاعها قواديس إلى عمق sapwood أن الملاحظات التي سوف تمثل تقلبات sapwood (الخشب النشطة) محتوى المياه فقط. عند عمق sapwood أكبر من L، الملاحظات تمثل فقط في سابوود، ولكن أجهزة الاستشعار لا يحتاج إلى تهذيب.
  3. إذا لزم الأمر (على النحو المحدد في الخطوات 1.2.1 و 1.2.2)، قطع جهاز استشعار لصالح للتطبيق المحدد. لقص قواديس استشعار والمشبك الاستشعار بشكل أمن على منضدة، وأثناء ارتداء المعدات الواقية المناسبة، استخدم أداة دوارة سلطة مزودة بقرص الصلب قطع لقطع كل طينة بالضبط بنفس الطول.

2. الحصاد وإعداد عينات الأخشاب من جميع الأنواع لمصلحة توليد بمعايرة إبلاغها

  1. جمع جذع أو الجذعية الأحداث، أو فرع كبير على الأقل 6 سم من الأنواع ذات الأهمية. ويفضل من أجل تعظيم كمية الخشب وإشراب الاستشعار أقطار أكبر وتقريب الأكثر كثافة الجذع للقياسات الميدانية. إزالة المرفق جميع فروع أو أوراق، وأي حزاز أو المواد السائبة.
    ملاحظة: راجع قسم النقاش لمزيد من المناقشة لعدم اليقين بسبب الاختلافات في فرع ووقف الكثافة.
  2. الجزء الجذعية إلى أقسام 25 أو أسطواني أكثر من طول ~ 15 سم.
  3. قم بتسمية كل قطعة وسجل متوسط القطر وطول كل منها. تقريب حجم شرائح كحجم الاسطوانة.
  4. فصل الأجزاء إلى مجموعتين الإماهة التفاضلية والتجفيف. مكان تقريبا 1/3 شرائح في حمام مائي ترطيب، والأخرى 2/3 شرائح في فرن تجفيف عند 60 درجة مئوية ليذوي. الحفاظ على جزأين منفصلين للقياس المباشر: يفضل أن يكون واحد من منتصف طول الساق، وواحدة من نهاية.
    ملاحظة: عادة، شرائح التجفيف عند 60 درجة مئوية سوف يكون مبشور تماما بعد أسابيع ~ 2، وامهاء تماما بعد ~ 3 أيام. إزالة الأجزاء الفردية من حمام الفرن والماء وقياس فترات يوميا أو مرتين يوميا (راجع الخطوة 3، 7). من أجل إنتاج متدرجة قياسات التي تغطي نطاق أكبر من محتويات المياه الحجمي ممكن.

3. إنشاء علاقة معايرة بين الناتج الاستشعار والمياه الحجمي المحتوى

  1. قم بتوصيل جهاز استشعار سعة لجهاز تسجيل بيانات، واتباع التعليمات المقدمة من قبل الشركة المصنعة، وجهاز كمبيوتر للتصور قراءات جهاز الاستشعار في الوقت الحقيقي. تعيين الفاصل الزمني لجمع البيانات إلى 30 ثانية.
  2. استخدام قالب حفر premade عقدت بشكل أمن في مكان للحفاظ على محاذاة، وقليلاً حفر أصغر قليلاً من قطر قواديس استشعار السعة (3.57 مم لأجهزة الاستشعار المستخدمة في هذه التجربة)، وحفر مجموعتين الرأسي من ثلاثة ثقوب وتقع المجموعة الثانية حوالي 150 ° بعيداً حول الجزء الخشب مع فصل رأسي بين بضعة سنتيمترات لضمان أن يكون هناك أي تداخل محتمل بين الثقوب. استخدام شرائح الخشب جانبا في "الخطوة 2، 4" لأول مجموعة من القياسات.
  3. تزن قطعة وسجل الوزن ز 0.01 أقرب وقت القياس. كاب نهايات الأجزاء مع غلاف بلاستيكي لمنع تجفيف إضافية.
  4. فورا بعد وزنها، تنظيف قواديس استشعار السعة مع مسحه الكحول وأدخله في الجزء المتعلق بوقف تماما، مثل أن أي جزء من قواديس الصلب مرئياً. الانتظار لقياس القراءة على الشاشة الإخراج لتحقيق استقرار (2 أو 3 دقيقة، عموما). تسجيل نواتج الاستشعار الموصلية الكهربائية، درجة الحرارة وسماحيه كهرونافذية (اليوروب) كل 30 ثانية لمدة 5 دقائق وحساب متوسط القياسات 10.
  5. بلطف إزالة أجهزة الاستشعار من الجزء وتنظيف الصحون مع مسحه الكحول وانتظر قراءات الإخراج للعودة إلى الصفر. كرر الإجراء القياس من الخطوة 3، 3 فصاعدا في المجموعة الثانية من قبل حفر ثقوب.
  6. إزالة البلاستيك من الغايات ووضع الجزء الجذعية في فرن التجفيف. تسمح بذلك ديسيككاتي تماما (عادة من 2 أسابيع، أو حتى الوزن قد استقرت لعدة أيام).
  7. كرر الخطوات من 3، 3 من خلال 3.7 لجميع شرائح. إزالة أجزاء من أفران التجفيف، وقياس أكثر تواترا (مرتين يوميا) خلال عدة أيام الأولى للتجفيف، ونظرا لارتفاع معدل فقدان الرطوبة الأولية من خلال الأيام القليلة الماضية (يوميا). تجف المياه الزائدة من سطح شرائح إزالتها من حمام الماء باستخدام منشفة ورقية قبل وزنها وقياسها.
قياس قطعة الجذعية امهاء واحدة يوميا، حتى تم قياس جميع قطاعات ريهيدراتيد.
  • بعد جفاف كاملة، تنبع سجل الوزن الجاف النهائي لجميع القطاعات.
  • حساب المحتوى المائي الحجمي (فانواتو، سم3المياه /cm3الخشب) لكل قطعة الجذعية في وقت القياس، باستخدام الصيغة التالية:
    Equation 1(1)
    حيث Vw هو حجم الماء (سم3)، و الخامسوقف هو حجم الجزء الجذعية (سم3) المحسوبة في الخطوة 1.2.
    1. حساب حجم المياه في كل قطعة في وقت القياس حسب:
      Equation 2(2)
      أين هو مث المياه الشامل في الجزء الجذعية (ز) في وقت القياس، و ρث هو كثافة الماء (ز 1 سم-3)
    2. حساب كتلة المياه في كل قطعة في وقت القياس حسب:
      Equation 3(3)
      مالرطب هو كتلة الجزء الجذعية في وقت القياس (ز)، حيث Mالجافة هو الوزن النهائي للجزء (ز).
  • باستخدام حزمة برامج تحليل الإحصائي، إنشاء انحدار خطي تناسبا بين فانواتو (الشكل 1، الجدول 1) ولاحظ استشعار سماحية عازل.

    • Figure 1
    رقم 1: مثال معايرة المنحنيات. منحنيات المعايرة ولدت سنديان أحمرو أيسر ربرم، بابيريفيرا بتولا، جرانديدينتاتا حورو صنوبر ستروبوس عقب الجزأين 1 و 2 من هذا البروتوكول. يتم توفير معادلات ومعاملات التصميم لكل منها في الجدول 1. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

    m ب R2
    ب-بابريفيرا 0.048 -0.098 0.967
    أ ربرم 0.067 -0.158 0.853
    س: أحمر (اختصار) 0.120 0.041 0.636
    أحمر س. 0.058 -0.109 0.718
    جرانديدينتاتا ص 0.023 -0.028 0.887
    ستروبوس ص 0.030 -0.072 0.900

    الجدول 1: المعادلات المعايرة للتحويل اليورو ب إلى فانواتو لخمسة أنواع أشجار المناطق المعتدلة- أنا معاملات 'و' ب ' وتعرض لمعادلة خطية في النموذج القياسي: فانواتو = m * اليوروب+ ب.

    4-تركيب أجهزة استشعار السعة في الأشجار للقياسات الميدانية

    1. قبل تثبيت جهاز استشعار، سجل قطر الجذع والارتفاع فوق سطح الأرض لكل موقع أجهزة الاستشعار. عادة، لرصد فانواتو في الجذع، ضع جهاز استشعار واحد ~0.5 متر فوق سطح الأرض، ووضع ثانية واحدة فقط دون انقسام التفريع الرئيسية الأولى (~7.5 متر فوق سطح الأرض، الشكل 2).

    Figure 2
    الشكل 2: مثال حقل تجربة الإعداد. رسم تخطيطي لمواقع أجهزة الاستشعار والتوجه في شجرة ناضجة المتاخمة لمحطة لتسجيل بيانات. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

    1. إزالة اللحاء إلى كامبيوم وإنشاء سطح مستو حيث ستكون أجهزة الاستشعار المثبتة باستخدام شفرة رسم. تأكد من أن هذا السطح واسعة ومسطحة ما يكفي أن أجهزة الاستشعار يجلس دافق ضد سطح الشجرة عند تثبيته مثل أن يتعرض أي جزء من الصحون. إزالة اللحاء وكامبيوم لضمان أن تشمل القياسات فقط محتوى الماء في الخشب، مع استبعاد محتوى الماء في اللحاء أو لحاء.
    2. حفر الثقوب للصحون. استخدام مثقاب أصغر قليلاً من قطر قواديس للخشب ليونة، أثناء استخدام قليلاً أقرب إلى الحجم الحقيقي للصحون للخشب أكثر صعوبة (3.57 ملم المستخدمة في هذا البروتوكول). لقياسات عالية الجودة، ضمان أن قواديس استشعار إجراء اتصالات جيدة مع الخشب. حيث لا تكون هناك حاجة إزالة جهاز استشعار بانتظام، كما كان الحال أثناء إجراء المعايرة، يمكن استخدام مثقاب أصغر قليلاً هنا عن المستخدم للمعايرة.
    3. تنظيف قواديس الاستشعار مع مسحه الكحول لإزالة أي زيوت الترابية أو الجلد، وإدراج الاستشعار في الثقوب قبل حفر. إذا كان الاستشعار يلبي الكثير من المقاومة عند الإدراج، بلطف العودة وإعادة حفر ثقوب تتسع لهم قليلاً. ضمان أن يتم إدراج جميع الصحون الثلاثة تماما والجسم من أجهزة الاستشعار يجلس دافق ضد جذع شجرة.
    4. استخدام تسرب السيليكون المستندة إلى ختم الاستشعار ضد جذع شجرة للمساعدة في الحفاظ على وقف تدفق من دخول الثقوب ومنع الإصابة بالآفات.
    5. تغطية أجهزة الاستشعار مع العزل العاكسة لتجنب التدفئة الخارجية.
    6. عقب مواصفات الشركات المصنعة، قم بتوصيل جميع أجهزة الاستشعار مصدر طاقة الخامس 12 ومسجل بيانات متوافق. استخدام فترات جمع البيانات لمدة 5 دقائق لأجهزة الاستشعار المنتشرة في الميدان، ولكن استخدام فترات أطول الحفاظ على الطاقة في مواقع السلطة فيها الحد، مثلاً، الطاقة الشمسية/بطارية تعمل مواقع.

    5-معالجة البيانات الخام لتخزين المياه الجذعية استخدام منحنى المعايرة

    1. باستخدام معادلة منحنى المعايرة التي تم إنشاؤها في الخطوة 2.9، تحويل الناتج الاستشعار إلى فانواتو لجميع الملاحظات. وأعرب عموما عن فانواتو هو كسم3 /cm3 أو كنسبة مئوية. المئة فانواتو ولذلك سوف تتراوح بين 0% و 100%.
    2. دمج الحجم الإجمالي للفائدة (سم3) بين مرتفعات قياس اثنين (مثلاً، في الشكل 2: 0.5 و 7.5 متر) بافتراض التغييرات قطرها الجذعية خطيا مع الارتفاع.
    للأشجار حيث تمثل الملاحظة التي تنبع كلها (أي، والأشجار من أقطار بين L و 2لتر، باستخدام أجهزة استشعار غير معدلة، أو أرق الأشجار حيث تم اقتطاعها الاستشعار قطر الجذع، انظر الفرع 2-2)، استخدم المعادلة 4:
    Equation 4(4)
    حيث H هو ارتفاع الفرق (المسافة العمودية) بين أجهزة الاستشعار (مثلاً، في الشكل 2: 700 سم) وص1 وص2 هي إنصاف أقطار الجذعية (سم) في الجزء السفلي ومواقع أجهزة الاستشعار أعلى، على التوالي.
    للأشجار حيث تقدم أجهزة استشعار تقديراً فقط للماء سبود (انظر استشعار طول البت، القسم 1-2) استخدام محتوى مكافئ. 5:
    Equation 5(5)
    ق1 ق2 فيها وأعماق سبود (سم) في مواقع مجسات السفلي والعلوي، على التوالي.
  • حساب حجم الجذعية-أو سبود-تخزين المياه بضرب متوسط شجرة فانواتو بالحجم الإجمالي للفائدة.

    • Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

    Representative Results

    في هذا القسم، نقدم بيانات المعايرة للخمسة المشتركة الشرقية أنواع الأشجار الحرجية، تليها تحليلاً مفصلاً للقياسات الميدانية لتخزين المياه الجذعية في ثلاثة ربرم أيسر الأفراد خلال موسم النمو عام 2016. تم إنشاء منحنيات المعايرة أيسر ربرم، بابيريفيرا بتولا، ستروبوس صنوبر، حور جرانديدينتاتا، و سنديان أحمر (الشكل 1). تختلف منحدرات المنحنيات بقدر 97.7% P. جرانديدينتاتا و ربرم (أ) (الجدول 1) مما يدل على الحاجة إلى القيام بمعايرة إبلاغها للحصول على قياسات دقيقة في فانواتو . وتم رصد المحتوى المائي الحجمي في قاعدة جذع شجرة 0.5 متر فوق سطح الأرض، وفي قاعدة التاج حية، 7.5 متر فوق سطح الأرض (الشكل 2). ولوحظت استنفاد الدافيء وتجديد فانواتو في كلا الموقعين، مع فانواتو في نقطة القياس أعلى عرض تقلب الدافيء أكبر من موقع أقل (الشكل 3). فانواتو في موقع قياس أعلى تراوحت من 0.55 إلى 0.88 سم3/cm3، بينما تراوحت فانواتو في موقع قياس أقل من 0.72 إلى 0.95 سم3/cm3. خلال النتح، فقدت من يترك الماء وتستنفد بسرعة أكثر من الفروع البعيدة. ولذلك، فإنه يتبع أن فانواتو يقاس على قاعدة العيش التاج ينبغي أن تكون أقل من قاعدة الجذع عند سحب التخزين هو يجري بنشاط. وأظهرت قياسات في كلا الموقعين نفس الاتجاهات العامة خلال موسم النمو (الشكل 3).

    تقييم ديناميات الدافيء لوحظ تغيير محتوى الماء الجذعية، قمنا بحساب معدل وقت التغيير في محتوى الجذعية من المتوسط الإجمالي للمياه، ΔStorage (g/s)، (الشكل 4). وكان ΔStorage بالمقارنة مع ساب تدفق البيانات التي تم جمعها في وقت واحد في الشجرة نفسها باستخدام أجهزة استشعار الفقد الحراري غرانيير على غرار55. تشير القيم السلبية في ΔStorage إلى معدل الانخفاض في تخزين المياه الجذع. التغييرات في مخزن وبدأ يحدث بعد وقت قصير من الفجر (06:00 ص)، في حين تخلفت التمويه ساب بين ساعة ونصف وساعتين (~ 8:00 ص). بشكل عام، تقدر مرات الفارق بين ساب التمويه والرشح في أكثر قليلاً من ساعة9. يمكن أن يعزى تباطؤ استنفاد مخزن بين الظهر و 04:00 م إلى الإغلاق stomatal منتصف النهار، التي مسؤولة أيضا عن الشكل غير المتناظر منحنى الجريان ساب طوال56،بعد ظهر اليوم57. إثبات التطابق في النتائج التي تم الحصول عليها باستخدام تقنيات التمويه ساب الراسخة وإجراء قياس التخزين لدينا قدرة السعة مجسات لالتقاط سريع ديناميات التغيرات في تخزين المياه الجذعية في أشجار ناضجة.

    ثلاثة مختلفة ناضجة ربرم أيسر (أقطار ذروة الثدي، هذا: 29.1 سم، 28.3 سم، 22.7 سم) في موقع بحوث الغابات في شمال ولاية ميشيغان ورصدت خلال موسم النمو عام 2016. في حين تعتمد على حجم الجذع (الشكل 5A) الجذعية إجمالي مخزون المياه، جميع الأفراد الثلاثة أظهرت أنماط التغذية وتغذية تمشيا مع الاتجاهات الموسمية في ساب التمويه (الشكل 5B) ورطوبة التربة المتاحة داخل عمق 1 متر أعلى (الشكل 5). الجذعية تخزين المياه والجريان ساب، ورطوبة التربة كانت جميعا على أدنى مستوى خلال فترة نهاية لفصل الصيف إينتيرستورم الموسعة، يوم من السنة (الدوي) 200-225. في هذا الوقت، التمويه ساب الجذعية تم تخفيض محتوى المياه إلى حد كبير في جميع الأفراد المراقبة. نحن يقدر الوقت الانتعاش من الجفاف استجابة للانخفاض الملحوظ في محتوى التربة والمياه من 10% إلى 5.6% بحوالي 10 أيام ربرم ألف، استناداً إلى الوقت المطلوب لتخزين المياه الجذعية الارتفاع إلى مستويات ما قبل الجفاف.

    Figure 3
    الشكل 3: مثال على النتائج من التجربة الميدانية رصد وقف محتوى الماء في 0.5 و 7.5 م مرتفعات في ربرم أيسر (هذا = سم 29.1). محتوى الماء في 7.5 متر فوق سطح الأرض ظلت عموما أقل من محتوى الماء في 0.5 م. تقلبات الدافيء في محتوى الماء في 7.5 م كانت أكبر من تلك التي سجلت أقرب إلى مستوى سطح الأرض. الزيادات في محتوى الماء الجذعية في مرتفعات كلا يناظر أيام عقب هطول الأمطار (مبين في الأرجواني)، مع انخفاض كبير في محتوى الماء الجذعية بين 210 الدوي و 225 لعام 2016 عندما وقع إلا القليل للا هطول الأمطار. يتم فقدان البيانات نتيجة لانقطاع الطاقة المؤقتة. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

    Figure 4
    الشكل 4: مثال على النتائج من تجربة ميدانية مقارنة الفترة الزمنية الفاصلة في تدفق المياه قياسا بتدفق ساب ومعدل تغير محتوى الماء الجذعية. تم رصد تدفق ساب في وقت واحد مع محتوى الماء الجذعية في أعقاب ربرم أيسر المنهجية المبينة في Matheny, et al. 29 ساب نهاري متوسط معدل التدفق (أزرق) ومشتقات الوقت لتخزين المياه الجذعية (ΔStorage، أورانج) المحسوبة التالية Matheny, et al. يتم إظهار 5 لمدة 5 أيام عند رطوبة التربة غير-تحد (الدوي 245-250، 2016). وتمثل المناطق المظللة الانحراف المعياري عبر الإطار 5 أيام. ΔStorage يبدأ في الانخفاض بعد وقت قصير من الفجر (06:00)، في حين يبدأ تدفق sap لزيادة تقريبا 2 ح في وقت لاحق (08:00). الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

    Figure 5
    الشكل 5: مثال على النتائج من تجربة ميدانية رصد الجذعية تخزين المياه في ثلاثة ربرم أيسر على مدى 110 أيام. تم رصد الجذعية تخزين المياه في جذوع ثلاثة ربرم أيسر من أحجام مختلفة الجذع طوال موسم النمو 2016 (A). الاتجاهات الموسمية في تخزين المياه الجذعية تتفق مع الاتجاهات التي تشهدها التمويه ساب رصدت في 15 ربرم أيسر في نفس الغابة عقب إجراءات Matheny, et al. 29 (ب).المنطقة المظللة يتوافق مع الانحراف المعياري بين الأشجار الفردية، في حين يمثل خط متصل التمويه sap المتكاملة يوميا يعني. سواء وقف تخزين المياه والجريان sap من أيسر ربرم اتباع أنماط محتوى الماء في التربة (SWC)، متكاملة عبر الجزء العلوي 1 متر في عمق التربة، وهطول الأمطار (ج). يتم فقدان البيانات نتيجة لانقطاع الطاقة المؤقتة. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

    Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

    Discussion

    الأنماط الموسمية ونهاري في محتوى الماء الجذعية ملاحظتها عن طريق السعة مجسات تتماشى مع الاتجاهات في الجريان ساب المتزامنة والبيئية مما اضطر القياسات (الشكل 3، الشكل 4، الشكل 5). مستودعات لتخزين المياه الجذعية تنضب استمرارية التقلبات عندما تفوق سرعة النتح معدل إعادة الشحن عن طريق الأنسجة الخشبية، وموسميا عند رطوبة التربة يحد من توافر المياه الجذر5. يوفر قيمة المخزن مؤقت ضد القيود stomatal الموصلية الهيدروليكية هذه السعة الداخلية وهي مسؤولة عن الفترة الفاصلة بين حدوث النتح وساب التمويه9. لاحظنا في هذه الدراسة، سحب مياه يوميا الحد أقصى من تخزين تتراوح بين 23.3 و 49.9 L (14.6 و 22.3 في المائة) من مجموع المتوفرة تنبع محتوى الماء. زيادة سريعة نسبيا في المياه الجذعية المحتوى بعد أحداث الأمطار الملاحظ في هذه الدراسة كانت متسقة عبر شجر قيقب رصد كافة وقد تبين سابقا5. قد تشير إلى هذا النوع من السلوك الملء التجويف أو الزيادات السريعة في محتوى الماء في الأنسجة الأخرى المحيطة بها في21. وهناك حاجة إلى إجراء مزيد من البحوث لربط هذه القياسات مع الملاحظات التجويف إعادة الملء21،58. استخدام أجهزة الاستشعار السعة يسهل رصد هذا الجانب الهام للنباتات المائية والتوازن بشكل مستمر، و في عين المكان في البيئات الميدانية. تم تطوير هذه المنهجية باستخدام مجس رطوبة التربة ruggedized ع-3. وتتميز أجهزة الاستشعار هذه ثلاثة قواديس الفولاذ المقاوم للصدأ الصلبة (3.26 مم، وطول 5.5 سم). بينما الأسلوب يمكن تكييفها للاستخدام مع أجهزة استشعار أخرى السعة، فيعتمد على وجود قواديس القياس جامدة.

    معايرة إبلاغها تصاريح تحويل سماحية عازل المقاسة إلى المحتوى المائي الحجمي لأنواع الأشجار مع كثافة الخشب المختلفة (الشكل 1). ومع ذلك، هناك عدة افتراضات المتأصلة في إجراء المعايرة المقدمة. ومن أبرز من افتراض أن كثافة الخشب الأجزاء فرع أو الجذعية المستخدمة لمعايرة كثافة الخشب في موقع التثبيت في الميدان ما يعادل تقريبا. بينما فرع وكثافات الجذعية أظهرت أن في اتفاق جيد لبعض الأنواع59، وهذا ليس دائماً الحالة60، نظراً للاختلافات في السفينة الخشب تفتق والترتيب. هو اعتبار هام آخر أثناء معايرة كمية الخشب المحيطة قواديس الاستشعار. تتطلب بعض أجهزة الاستشعار على غرار فرانكلين روزفلت بعمق كبير لوسائل الإعلام امبيدمينت بوصة (إيه فايف سم) جميع الأطراف لتجنب إدراج مواد أخرى (أي، الهواء) في القراءات. قد تحسن استخدام أجزاء القطر الأكبر لمعايرة الاتفاق بين مختبر تحسب فانواتو واليوروب بالمساعدة على تقليل أثر اختلاف الكثافة وأعماق امبيدمينت.

    الاختلافات شعاعي ويخططون في تدفق ساب هي موثقة جيدا61،62،63،64،،من6566. يترتب على ذلك أن الاختلافات في محتوى الماء الخشب وبالمثل تختلف مع الموقع والعمق. وفي دراسة استخدام الأشعة السينية المقطعي، نتلق, ساوتير, et al. 67 أثبتت أن هذا هو الحال في الواقع. أعمال نتلق, et al. 67 أيضا يدل على كثافة كبيرة و فانواتو الاختلافات بين أوائل--ولاتيوود في الأنواع المسامية الدائري، س. قوي. ويمكن التغلب على التحديات بسبب الاختلافات كفافى في تدفق والتوصيل باستخدام أجهزة استشعار إضافية؛ ومع ذلك، يقدم تغيرات كثافة شعاعي والزمانية أكثر صعوبة. أن المنهجية الحالية يفترض أن كثافة ثابتة في الزمان والمكان. لحملات قياس الأطول أجلاً، وقد تكون التغيرات في الكثافة وأنماط التدفق بسبب إصابة68 من آثار أيضا قلق. قد تعالج بعض الاختلافات في محتوى الماء بعمق شعاعي بالتعديل على طول قواديس الاستشعار. النمط من أجهزة الاستشعار السعة المستخدمة في هذا العمل توظف سم 5.5 قواديس الفولاذ المقاوم للصدأ الصلبة منذ فترة طويلة التي يمكن أن تخفض من دون إلحاق الضرر بوظيفة الاستشعار. فمن المهم أن تكون قطع قواديس جميع بالضبط بنفس الطول وإجراء معايرة جديدة باستخدام أجهزة الاستشعار المعدلة (انظر الشكل 1 و الجدول 1، س: أحمر تقصير). استخدام أجهزة الاستشعار مع قواديس اختصارها إلى 2 سم، Matheny, et al. 5 أظهرت ديناميات مختلفة بين سبود القيام بنشاط الضحلة وسبود الأكبر في Q.rubra. بينما يوفر هذا الأسلوب وسيلة لدراسة محتوى الماء في الأعماق الضحلة (0 < قطع طول طينة < 5.5 سم)، فإنه يفتقر إلى القدرة على التمييز بين أعماق محددة (أنا. ه. فانواتو، بين 2 و 4 سم) أو في أعماق أكبر من طول استشعار الأولية.

    الصعوبات الأكثر شيوعاً مع هذه المنهجية تنشأ أثناء التثبيت، وكثيراً ما تكون نتيجة الثقوب المحفورة تحت أو المنحرفة. من الضروري لضمان الاتصال الجيد بين أجهزة الاستشعار والخشب، ولكن يمكن أن يسبب استخدام القوة المفرطة أثناء تثبيت جهاز استشعار لكسر. في حالة ما إذا الثقوب قبل حفر أو قواديس استشعار أنفسهم خارج المحاذاة، كما يمكن أن يؤدي فليشر إلى هيئة الاستشعار صك الفشل. ضروري تناسب الوثيق المطلوب للحفاظ على اتصالات كافية مع الخشب يجعل أيضا إزالة من شجرة أو من عينة الجزء الصعب، والحذر أثناء إجراء المعايرة عند أجهزة الاستشعار يجب إزالة وإعادة استخدامها بعد كل قياس. نظراً للقدرة على التأثير على قراءات من زيوت الجلد، فمن المعقول الافتراض بأن استخدام شحم أو زيت التشحيم آخر لتسهيل التثبيت والإزالة وبالمثل سوف يؤثر على الناتج الاستشعار. أثناء العملية الميدانية، السبب الأكثر احتمالاً لفشل أداة فقدان الطاقة أو الاتصال بسبب تلف كابل. طفرات كبيرة في فانواتو قد لوحظت، المحتمل الناجم عن تدفق الجذعية اختراق أجهزة الاستشعار إذا تلف الختم السليكون حول الاستشعار أو غير مكتملة. يجب تصفية هذه المسامير من البيانات خلال مرحلة ما بعد المعالجة.

    التردد المجال ريفليكتوميتري على غرار أجهزة استشعار السعة تمكين المحتوى المائي الحجمي يمكن قياسها في ينبع الأشجار الكبيرة في القرار الزماني أعلى من منهجيات أكثر من السابق.هذا الأسلوب يمكن أيضا أن توفر أفكاراً هامة في توافر واستخدام السعة الجذعية-المياه خاصة بالنسبة لأشجار الخشب الصلب مع بواقي مطاطا المنخفضة التي هي أقل من المحتمل أن تولد التوسعات مطاطا وتقلصات تراقبها ميكرودينتروميتيرس الإلكترونية2. أيضا يمكن استخدام قياسات فانواتو لتحسين دقة قياسات الجريان sap كما جمعت وسائل تستخدم على نطاق واسع، مثل تقنية الفقد الحراري69، التي تعتمد على مرجع درجة حرارة قصوى التي أثبتت أن حساسية للتغيرات في الجذعية فانواتو. طبيعة منخفضة التكلفة، وانخفاض الطاقة من أجهزة الاستشعار ويسهل توسيع نطاق المنهجية المقدمة إلى الفروع والجذور، وإلى أكثر بسهولة تقييم التوازن المائي كل شجرة. الجمع بين المحتوى المائي والمياه تدفق البيانات، كما رصدتها ساب التمويه، ثاقبة متقدمة وظائف الهيدروليكية الغطاء النباتي.

    هذا النهج نحن الحاضرين هنا هو التعميم إلى أي أنواع الأشجار، ولذلك يمكن أن تستخدم لقياس أي شجرة تخزين المياه، ضمن مجموعة من أقطار أكثر سمكا من نصف طول طينة، لكن لا سميكة جداً أن قواديس قصيرة جداً لتمثيل الديناميات داخل sapwood. منخفض التكلفة والعملية متطلبات النهج المقدمة تجعل من الممكن الصك العديد من الأشجار من أجل الحصول على حجم عينة كبيرة وذات معنى داخل قطعة أرض الغابات كلها، حتى في الحالات التي تنوع الأنواع عالية. وتشمل التطبيقات المحتملة هيدرولوجيا الغابات والهيدرولوجيا الإيكولوجية، بما في ذلك الدراسات التي تتطلب ميزانية المياه موقفا للغابات أن تكون معروفة ورصدها، ودراسات النباتات النتح واستجابة لتوافر المياه، ودراسات لاستجابة النبات الجفاف واحتمال وفيات بسبب الإجهاد المائي. يمكن استخدام البيانات التي تم الحصول عليها عن طريق هذه المنهجية لمعايرة نماذج هيدرودينامية مستوى المصنع. أيضا تقديم الملاحظات للمحتوى المائي الحجمي الجذعية مصدرا فريداً للتحقق قياسات الرادارية لرطوبة التربة من الاستشعار عن بعد، للغطاء النباتي فوق الأرض التي يتم تخزين المياه مدة ضوضاء التي قد يكون التخلص من الآن. يمكن أيضا استخدام هذا الأسلوب في المزارع لرصد حالة المياه فعالة من الأشجار وتيسير الحيوي الأمثل للري.

    Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

    Disclosures

    ستيفن ر. غاريتي هو موظف في عداد Group Inc. التي تنتج GS3 Ruggedized استشعار رطوبة التربة المستخدمة في هذه المقالة.

    Acknowledgments

    تم توفير التمويل لهذه الدراسة بوزارة الطاقة الأمريكية لمكتب العلوم ومكتب البيولوجية والبحوث البيئية، علوم النظم الإيكولوجية الأرضية البرنامج جائزة رقم دي-SC0007041، برنامج "إدارة أميريفلوكس" تحت التمويه الأساسية موقع الاتفاق رقم 7096915 عن طريق "مختبر لورنس بيركلي الوطني"، ومؤسسة العلوم الوطنية العلوم الهيدرولوجية منح 1521238. أي آراء أو النتائج التي توصل إليها، والاستنتاجات أو التوصيات التي أعرب عنها في هذه المواد هي آراء المؤلفين ولا تعكس بالضرورة آراء وكالات التمويل.

    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

    العلوم البيئية، 130 قضية، محتوى الماء الجذعية، وتخزين المياه الكتلة الأحيائية، وتردد المجال ريفليكتوميتري، الهيدرولوجيا الإيكولوجية، ساب التمويه، السعة الغطاء النباتي
    معايرة واستخدام أجهزة الاستشعار السعة لرصد محتوى الماء الجذع في الأشجار
    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