Waiting
Login processing...

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

Environment

De kalibratie en het gebruik van capaciteit sensoren volgen vochtgehalte van de stam van bomen

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

De hydraulische capaciteit van biomassa is een essentieel onderdeel van de begroting voor het water van vegetatie, die als een buffer tegen korte en lange termijn droogte benadrukt fungeert. Hier presenteren we een protocol voor de calibratie and gebruik van bodemvocht precisiecapaciteit sensoren om te controleren watergehalte in de stengels van grote bomen.

Abstract

Water transport en opslag via het bodem-plant-atmosfeer continuüm is essentieel voor de Aardse waterkringloop, en is uitgegroeid tot een belangrijke focus onderzoeksruimte. Biomassa capaciteit speelt een integrale rol in het vermijden van hydraulische bijzondere waardevermindering te transpiratie. Hoge temporele resolutie metingen van dynamische veranderingen in de hydraulische capaciteit van grote bomen zijn echter zeldzaam. Hier presenteren we de procedures voor de kalibratie en het gebruik van capaciteit sensoren, doorgaans gebruikt voor het bewaken van vochtgehalte van de bodem, voor het meten van de volumetrische vochtgehalte van bomen in het gebied. Frequentie-domein reflectometrie-stijl opmerkingen zijn gevoelig voor de dichtheid van de media wordt bestudeerd. Het is daarom nodig om uit te voeren van de soortspecifieke kalibraties converteren van de sensor-gemeld waarden van diëlektrische permittiviteit naar volumetrische watergehalte. Kalibratie wordt uitgevoerd op een geoogste tak of stam in segmenten die zijn gedroogd of opnieuw gehydrateerd voor de productie van een volledige waaier van water inhoud gebruikt voor het genereren van een best passende regressie met sensor opmerkingen gesneden. Sensoren zijn kalibratie segmenten ingevoegd of geïnstalleerd in bomen na vooraf het boren van gaten tot een tolerantie passen met behulp van een verzonnen sjabloon om juiste boor uitlijning. Speciale zorg is genomen om ervoor te zorgen dat de sensor tanden goed contact met de omliggende media, maken terwijl het toestaan van hen moet worden ingevoegd zonder buitensporig geweld. Volumetrische water inhoud dynamics waargenomen via de voorgestelde methodologie uitlijnen met sap stroom metingen opgenomen met behulp van de warmtedissipatie technieken en dwingen milieugegevens. Biomassa vochtgehalte kunnen gegevens worden gebruikt om het observeren van het begin van de waterstress, droogte reactie en herstel, en heeft het potentieel om te worden toegepast op de kalibratie en de evaluatie van nieuwe modellen van de plant-niveau hydrodynamica, alsmede tot compartimentering van de extern voelde vocht producten in boven- en ondergronds componenten.

Introduction

Water opgeslagen in plantmateriaal speelt een integrale rol in planten vermogen om te gaan met de water van de korte - en lange termijn stress1,2. Planten slaan water in de wortels, stengels, en bladeren in zowel de intracellulaire en de extracellulaire (bijvoorbeeld xylem vaartuigen) ruimtes zijn 2,3,4. Dit water is gebleken om bij te dragen tussen 10 en 50% van de diurnally bleek water2,5,6,7,8. Zo plant hydraulische capaciteit vormt een belangrijk onderdeel van de aardse waterbalans, kan worden gebruikt als een indicator van waterstress, droogte reactie en herstel1en is een kritische factor nodig te corrigeren voor de waargenomen vertraging tussen transpiratie en sap stromen9,10,11. Real-time bewaking van het watergehalte van de vegetatie kan ook worden gebruikt in agrarische toepassingen om te helpen beperken van boomgaard en bijsnijden irrigatie teneinde drenken efficiëntie12,13. Echter, metingen van continu, in-situ stam-watergehalte van woody soort7,14,15,16,17,18, 19 zijn zeldzaam ten opzichte van sap flux metingen20. We schetsen hier, een procedure voor het kalibreren van precisiecapaciteit sensoren om te controleren de waterinhoud van de volumetrische binnen de stammen van bomen5,21.

Hydrodynamisch gedrag en water-use-verordening door vegetatie zijn een integraal onderdeel van de bodem-plant-atmosfeer continuüm22,23 , en zijn daarom belangrijke besturingselementen voor het water en CO2 fluxen tussen de biosfeer en atmosfeer24,25. De dynamiek van het watergehalte van de stam worden beïnvloed door zowel biotische en abiotische factoren. Uitputting en aanvulling van de stam-opgeslagen water worden beïnvloed door korte - en lange termijn trends in milieu-omstandigheden, met name dampdruk tekort en bodem water inhoud1,26. De fysische eigenschappen van het hout27 (b.v., dichtheid, vaartuig structuur) en de opkomende hydraulische strategie25 (b.v., iso- of anisohydric stomatal verordening) bepalen van een plant kunnen opslaan en gebruiken van water 19 , 26 , 28, en sterk kunnen verschillen door soorten29,30. Eerdere studies hebben aangetoond dat verschillende rollen van capaciteit in de tropische16,27,31,32,33 en gematigde5,7 ,21 soorten, en in beide bedektzadigen1,2,34 en naaktzadigen6,11,17,19.

Betere kennis van het watergehalte van de biomassa zal inzicht van vegetatie strategieën voor water verwerving en gebruik van1,2, samen met de soorten kwetsbaarheid voor voorspelde veranderingen in neerslag regimes35 ,,36. Verder begrip van plant watergebruik strategieën zal helpen voorspellen veranderende demografische patronen onder toekomstige klimaat scenario's37,38. Door middel van modelgegevens fusie technieken39, stam watergehalte gegevens die zijn verkregen met behulp van deze methode kan worden gebruikt om te informeren en testen van schaalbare, plant-niveau hydrodynamica modellen40,41, 42,43,44 ter verbetering van de berekeningen van stomatal geleidingsvermogen en daarmee simulaties van zowel transpiratie en fotosynthetische CO2 opname. Deze geavanceerde hydrodynamische modellen kunnen een significante vermindering in onzekerheid en fout wanneer opgenomen in grotere landoppervlak en aarde systemen modellen25,45,46, 47,48.

Methoden die worden gebruikt om te controleren of het berekenen van de stengel watergehalte omvatten boom ontkernen33,49, elektronische dendrometers2,15,50, elektrische weerstand 51, gamma straling demping52, deuterium traceurs19, netwerken van sap flux sensoren32,33,53, psychrometers49, stammen en amplitude11 en tijd4,12,13 domain reflectometrie (TDR). Recente inspanningen hebben getest de levensvatbaarheid van precisiecapaciteit sensoren die van oudsher gebruikt hebben voor het meten van de bodem volumetrische water inhoud5,18,21,27. Frequentie-domein reflectometrie (FRD)-stijl precisiecapaciteit sensoren zijn lage kosten en relatief kleine hoeveelheden energie gebruiken voor continumetingen, waardoor ze een aantrekkelijk hulpmiddel voor hoge temporele resolutie metingen in het veld scenario's. Het gemak van automatisering van FDR over TDR-stijl sensoren vergemakkelijkt het verzamelen van continue zon-uurtarief datasets, en veel van de uitdagingen die inherent zijn aan TDR metingen vereisen aanzienlijke kabellengtes13elimineert. Het gebruik van in-situ precisiecapaciteit sensoren elimineert de noodzaak voor repetitieve ontkernen of tak oogsten, en verbeterde nauwkeurigheid kan voorzien in hardhout soorten.Woody soorten die water hoofdzakelijk opzeggen in extracellulaire ruimten, zoals xylem schepen, of hoge hout of schors moduli van elasticiteit, zijn doorgaans niet goede kandidaten voor populaire dendrometer meettechnieken als gevolg van lage elastische stam uitbreiding 2. capaciteit sensoren schatting diëlektrische permittiviteit, die direct kan worden geconverteerd naar volumetrische watergehalte. Capaciteit metingen zijn echter gevoelig voor de dichtheid van de media rondom de sensor. Daarom pleiten wij voor soortspecifieke kalibraties dat de output van de sensoren omzetten in volumetrische hout-water inhoud5,21.

Presenteren we een protocol voor een soortspecifieke kalibratie precisiecapaciteit sensor output omzetten volumetrische watergehalte van het hout. Ook worden instructies voor installatie van het veld voor precisiecapaciteit sensors in volwassen bomen en een bespreking van de methode sterke, zwakke punten, en veronderstellingen. Deze technieken zijn ontworpen voor het controleren van de volumetrische watergehalte in de kofferbak, de grootste boom water opslag reservoir8, maar kunnen gemakkelijk worden uitgebreid tot de hele boom met installatie van extra sensoren langs de takken. Metingen van de dynamische plant waterinhoud zal vooraf de velden van vegetatie hydrodynamica, biometeorology en landoppervlak modellering.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Selecteer een boom voor instrumentatie

  1. Selecteer bomen voor meting. In het ideale geval Selecteer bomen die gezond met een dwarsdoorsnede van de over het algemeen ronde stengel, en een diameter tussen 1 - 2 keer de lengte van de tine, of een sapwood diepte groter is dan de lengte van de sensor tanden (~ 5 cm voor de sensoren van de specifieke capaciteit aangetoond hier zijn). Meten van de diepte van het spinthout met behulp van de kernen van de boom of voor vele soorten, sapwood diepte door allometric vergelijkingen betreffende sapwood gebied om in te dammen diameter 29,54, zoals gemeten door een standaard diameter tape te berekenen.
    Opmerking: Echter, sommige soorten precisiecapaciteit sensoren mogelijk worden bijgesneden tot een passende lengte na stap 1.2 zonder nadelig effect op de meetnauwkeurigheid. Enige precisiecapaciteit sensoren met stijve meting tanden die geen bedrading kunnen worden geknipt of gesneden. Aparte kalibratie is noodzakelijk voor bijgesneden sensoren. Daarom, selecteert u de boom en bepalen van de lengte van de passende tine vóór de kalibratieprocedure.
  2. Bepaal de juiste lengte van de tanden van de sensor op basis van de diameter van de boom en sapwood diepte.
    Opmerking: Precisiecapaciteit sensoren vocht informatie integreren over de lengte van de sensor tanden, L. het is derhalve van uitgegaan dat de geïntegreerde waarneming zij vertegenwoordiger van de hele stengel is als de diameter tussen L en 2 L . De schors en floëem zal geen invloed op de meting als ze worden verwijderd uit het gebied van de meting voorafgaand aan installatie (zie rubriek 4.2).
    1. Trim de sensoren voor de bomen waar L groter dan de diameter van de stam, (zie stap 1.3 is) zodanig dat de tanden niet via de andere kant van de stengel doordringen doen.
    2. Het gecombineerde signaal van het spinthout en kernhout meten met de sensor voor bomen waar de diameter groter is dan 2L, maar sapwood diepte is minder dan L.
      Opmerking: Zoals watergehalte verschilt in deze twee weefseltypes (HLA), hierdoor kan een vooroordeel als het wordt aangenomen dat de waarneming vertegenwoordiger van de hele stengel is. In dergelijke gevallen, of wanneer de gebruiker is alleen geïnteresseerd in het spinthout water schommelingen, de tanden moeten worden bijgesneden tot het spinthout diepte zodanig zijn dat de opmerkingen de water inhoud fluctuaties van het spinthout (actieve xylem vertegenwoordigen zal) sensor alleen. Wanneer de sapwood diepte groter dan L is, opmerkingen vertegenwoordigen alleen het spinthout, maar de sensor hoeft niet te worden getrimd.
  3. Indien nodig (zoals bepaald in stap 1.2.1 en 1.2.2), snijd de sensor geschikt voor de opgegeven toepassing. Knippen van de tanden van de sensor, klem van de sensor veilig aan een workbench en terwijl het dragen van geschikte beschermende voorzieningen, gebruiken een roterende machtshulpmiddel uitgerust met een schijf van staal snijden tot inkorting van elke tine tot precies dezelfde lengte.

2. oogsten en bereiden van hout monsters van alle soorten van belang voor het genereren van een soortspecifieke kalibratie

  1. Een stam, jonge stengel of grote tak ten minste 6 cm diameter verzameld uit de soort van belang. Grotere diameters zijn voorkeur om te maximaliseren van de hoeveelheid hout omkadering van de sensor en nauwst onderlinge aanpassing van de dichtheid van de stam voor veldmetingen. Verwijder alle bijgevoegde takken of bladeren, en korstmossen of los materiaal.
    Opmerking: Raadpleeg de sectie discussie voor verdere bespreking van onzekerheid als gevolg van verschillen in de branch en Steel dichtheid.
  2. Het segment van de stengel in 25 of meer cilindrische secties van ~ 15 cm lengte.
  3. Label elk segment en de gemiddelde diameter en de lengte van elk vastleggen. Onderlinge aanpassing van de segmenten en het volume als het volume van een cilinder.
  4. De segmenten in twee groepen voor differentiële rehydratie en drogen verdeelt. Plaats ongeveer 1/3 van de segmenten in een waterbad te hydrateren, en de andere 2/3 van de segmenten in een droogstoof bij 60 ° C tot het uitdrogen. Twee segmenten gescheiden voor directe meting: bij voorkeur een vanaf het midden van de lengte van de stengel, en één uit een einde.
    Opmerking: Doorgaans, segmenten drogen op 60 ° C zal worden volledig verdroogde na ~ 2 weken en volledig gerehydrateerd na ~ 3 dagen. Verwijderen van afzonderlijke segmenten uit de oven/waterbad en meet dagelijkse of tweemaal daags intervallen (zie stap 3.7). Om een verloop van metingen verspreid over het grootste bereik van mogelijke volumetrische water inhoud te produceren.

3. Maak een kalibratie relatie tussen Sensor Output en volumetrische Water inhoud

  1. Sluit een sensor van de capaciteit op een apparaat van de gegevensregistratie, na de instructies van de fabrikant, en een computer voor real-time sensor uitlezing visualisatie. Stelt het tijdsinterval voor het verzamelen van gegevens tot en met 30 s.
  2. Veilig op zijn plaats te handhaven uitlijning en een boor iets kleiner dan de diameter van de tanden van de sensor van de capaciteit (3,57 mm voor de sensor gebruikt in dit experiment), twee verticale sets van drie gaten met boren met behulp van een vooraf gemaakte boormal gehouden de tweede set gelegen ongeveer 150 ° weg rond het hout segment met een verticale scheiding van een paar centimeter om ervoor te zorgen dat er geen eventuele overlap tussen de gaten. Gebruik de hout segmenten die in stap 2.4 gereserveerd voor de eerste set van metingen.
  3. Weeg het segment en het record van het gewicht op 0,01 g nauwkeurig af op het moment van de meting. Dop de uiteinden van de segmenten met plasticfolie om te voorkomen dat aanvullende drogen.
  4. Onmiddellijk na het gewicht, de tanden van de sensor van de capaciteit met een alcohol doekje schoon en plaatst u deze in het segment van de stengel volledig, zodanig dat geen enkel deel van de stalen tanden zich zichtbaar. Wachten voor de meting lezen op het scherm van de uitvoer te stabiliseren (2 of 3 min, over het algemeen). Opnemen van de uitgangen van de sensor van de temperatuur, elektrische geleidbaarheid en diëlektrische permittiviteit (εb) elke 30 s voor 5 min en bereken het gemiddelde van de 10 metingen.
  5. Zachtjes de sensor verwijderen uit het segment, de tanden met een alcohol doekje schoon, en wacht tot de uitgang lezingen terug te keren naar nul. Herhaal de meting procedure vanaf stap 3.3 verder in de tweede set van vooraf geboorde gaten.
  6. Kunststof uit de uiteinden verwijderen en plaatsen van de stam-segment in de droogstoof. Laat het volledig droog (over het algemeen 2 weken, of totdat het gewicht gestabiliseerd voor meerdere dagen).
  7. Herhaal stap 3.3 via 3.7 voor alle segmenten. Segmenten verwijderen uit de droogstoof en vaker meten (tweemaal dagelijks) binnen de eerste paar dagen drogen, als gevolg van het hogere tarief van vochtverlies van het eerste dan tijdens de laatste paar dagen (dagelijks). Droge overtollig water van het oppervlak van segmenten verwijderd uit het waterbad met behulp van een papieren handdoek voor weging en meting.
Meten van één gerehydrateerd stam segment per dag, totdat alle gerehydrateerd segmenten zijn gemeten.
  • Na volledige opdroging opnemen de droge eindgewicht van alle segmenten van de stam.
  • Bereken het volumetrische watergehalte (VWC, cm3water /cm3hout) van elk segment van de stengel ten tijde van de meting, met de volgende formule:
    Equation 1(1)
    Waar Vw is de hoeveelheid water (cm-3), en Vstammen is het volume van de stam-segment (cm3) berekend in stap 1.2.
    1. Bereken de hoeveelheid water in elk segment ten tijde van de meting:
      Equation 2(2)
      Waar is mw de massa water in het segment van de stengel (g) op het moment van de meting, en ρw de dichtheid van water (1 g cm-3)
    2. Bereken de massa water in elk segment ten tijde van de meting:
      Equation 3(3)
      Waarbij natte M = de massa van het segment van de stengel ten tijde van de meting (g) en Mdroog is het eindgewicht van het segment (g).
  • Met behulp van een statistische analyse softwarepakket, maken een best-fit lineaire regressie tussen waargenomen sensor-diëlektrische permittiviteit en de VWC (Figuur 1, tabel 1).

    • Figure 1
    Afbeelding 1: voorbeeld kalibratiekrommen. Kalibratiekrommen gegenereerd voor Quercus rubra, Acer rubrum Betula papyrifera, Populus grandidentataen Pinus strobus na delen 1 en 2 van dit protocol. Vergelijkingen en de coëfficiënten van de bepaling worden geleverd voor elk in tabel 1. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

    m b R-2
    B. paprifera 0.048 -0.098 0.967
    A. rubrum 0.067 -0.158 0.853
    Q. rubra (ingekort) 0.120 0,041 0.636
    Q. rubra 0.058 -0.109 0.718
    P. grandidentata 0.023 -0.028 0.887
    P. strobus 0,030 -0.072 0.900

    Tabel 1: kalibratie vergelijkingen voor de omzetting van Ε b om te VWC voor vijf gematigde boomsoorten. Coëfficiënten ben ' en 'b' worden gepresenteerd voor een lineaire vergelijking in de standaard vorm: VWC = m * εb+ b.

    4. installeren precisiecapaciteit sensoren in bomen voor veldmetingen

    1. Opnemen vóór de installatie van de sensor, de diameter van de stam en de hoogte boven het grondoppervlak voor elke sensor-locatie. Meestal, als u wilt controleren VWC in de kofferbak, plaats van een sensor ~0.5 m boven het grondoppervlak, en plaats een net onder de eerste grote vertakkende split (~7.5 m boven het wegdek, Figuur 2).

    Figure 2
    Figuur 2: voorbeeld veld experiment setup. Een schematisch diagram van de locaties van de sensor en de afdrukstand in een volwassen boom grenzend aan een station van de gegevensregistratie. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

    1. Verwijder de schors aan de cambium en maken van een plat oppervlak waar de sensor zal worden geïnstalleerd met behulp van een mes trekken. Ervoor zorgen dat dit oppervlak is breed en plat genoeg dat de sensor flush tegen het oppervlak van de boom zit wordt tijdens de installatie zodanig zijn dat geen enkel deel van de tanden wordt blootgesteld. Verwijder de schors en de cambium om ervoor te zorgen dat metingen alleen watergehalte in de xylem, terwijl het watergehalte in de schors of het floëem exclusief.
    2. Boor de gaten voor de tanden. Gebruik een boor iets kleiner dan de diameter van de tanden voor zachtere hout, tijdens het gebruik van een beetje dichter naar de ware grootte van de tanden voor harder hout (3,57 mm zoals gebruikt in dit protocol). Voor hoge kwaliteit metingen, ervoor zorgen dat de sensor tanden goed contact met het hout. Aangezien er niet een noodzaak om te verwijderen van de sensor regelmatig, zijn zal zoals het geval tijdens de kalibratieprocedure was, een boor iets kleiner mogen worden gebruikt dan die wordt gebruikt voor de kalibratie.
    3. Reinigen van de sensor tanden met een alcohol doekje te verwijderen van alle vuil of huid oliën en voeg de sensor in de vooraf geboorde gaten. Als de sensor voldoet aan teveel weerstand bij inbrengen, zachtjes terug het en opnieuw de boorgaten om ze enigszins te verbreden. Controleer dat alle drie tanden volledig geplaatst zijn en het lichaam van de sensor flush tegen de boomstam zit.
    4. Gebruik een silicium gebaseerde sealant voor het afdichten van de sensor tegen de boomstam te helpen van stroom uit het invoeren van de gaten te houden en om te voorkomen dat besmetting van pest.
    5. Dekking van de sensor met reflecterende isolatie om te voorkomen dat externe verwarming.
    6. Na de fabrieksspecificaties, verbinden met alle sensoren een 12 V stroombron en een compatibel datalogger. Gebruik gegevens collectie intervallen van 5 min voor sensoren ingezet in het veld, maar gebruik langere intervallen aan het besparen van energie op sites waar macht beperkt, bijvoorbeeld, zonne-energie/accu is beheerd sites.

    5. verwerken van de Raw-gegevens naar een stam-Water opslag met behulp van de ijkcurve

    1. Met behulp van de vergelijking van de kalibratiekromme gegenereerd in stap 2.9, omzetten in de sensor output VWC voor alle opmerkingen. VWC is over het algemeen uitgedrukt als cm3 /cm3 of als een percentage. Het percentage VWC zullen daarom variëren tussen 0 en 100%.
    2. Integreren van het totale volume van belang (cm3) tussen de twee metingen hoogten (bijvoorbeeld in Figuur 2: 0.5 m en 7.5 m) door uitgaande van stam diameterovergangen lineair met de hoogte.
    Voor bomen waar de waarneming de hele stam vertegenwoordigt (d.w.z., bomen voor diameters tussen L en 2Lmet ongewijzigde sensoren, of dunner bomen waar de sensor was bijgesneden tot de diameter van de stam, zie punt 2.2), gebruik van de vergelijking 4:
    Equation 4(4)
    waar H het hoogteverschil (verticale afstand) tussen de sensoren is (zoalsin afbeelding 2: 700 cm) en r1 en r2 zijn de stralen van de stam (cm) op de onderste en bovenste sensoren locaties, respectievelijk.
    Voor bomen waar sensoren geven een schatting van het spinthout water alleen (Zie sensor lengte bepaling, punt 1.2) inhoud eq. 5 gebruiken:
    Equation 5(5)
    waar s1 en s2 de sapwood diepte (cm) op de onder- en bovenkant sensoren locaties, respectievelijk zijn.
  • Berekenen van het volume van de stam- of sapwood - water door te vermenigvuldigen met het totale volume van het belang van de boom gemiddelde VWC opgeslagen.

    • Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

    Representative Results

    In deze sectie presenteren wij ijkgegevens voor vijf gemeenschappelijke boomsoorten van de Oost-bos, gevolgd door een gedetailleerde analyse van veldmetingen van stam-wateropslag in drie Acer rubrum personen tijdens het groeiseizoen van 2016. Kalibratiekrommen werden gegenereerd voor Acer rubrum Betula papyrifera, Pinus strobus, Populus grandidentata, en Quercus rubra (Figuur 1). Hellingen van de curven verschilden met maar liefst 97,7% voor P. grandidentata en A. rubrum (tabel 1) waaruit de noodzaak tot het uitvoeren van soortspecifieke kalibratie blijkt het verkrijgen van nauwkeurige metingen van de VWC . Volumetrische watergehalte werd gecontroleerd, aan de voet van de boom stam 0.5 m boven het grondoppervlak en aan de voet van de levende kroon, 7,5 m boven het grondoppervlak (Figuur 2). Dagverloop uitputting en aanvulling van VWC werden waargenomen op beide locaties, met VWC op het punt van de hoogste meting toont grotere dagverloop variabiliteit dan de lagere locatie (Figuur 3). VWC op de locatie van de hoogste meting varieerden van 0,55 tot 0.88 cm3/cm3, terwijl VWC op de lagere meting locatie van 0.72 tot 0.95 cm3/cm3 varieerden. Tijdens de transpiratie, is water verloren uit bladeren en meest snel uitgeput uit distale takken. Hieruit volgt dus dat VWC aan de voet van de live gemeten kroon moet lager zijn dan aan de voet van de kofferbak wanneer opslag is actief wordt ingetrokken. Metingen op beide locaties bleek dezelfde algemene trends tijdens het groeiseizoen (Figuur 3).

    Om te beoordelen van de waargenomen dagverloop dynamiek van de veranderende stam waterinhoud, berekend we de tijd mutatietempo van stam-gemiddelde totale watergehalte, ΔStorage (g/s), (Figuur 4). ΔStorage was in vergelijking met sap flux verzamelde gegevens tegelijkertijd in dezelfde boom met behulp van Granier-stijl warmtedissipatie sensoren55. Negatieve waarden in de ΔStorage vermelden de afname van de kofferbak wateropslag. Wijzigingen in opslag begon optreden kort na zonsopgang (6:00 am), terwijl sap flux tussen een uur en een half en twee uur achtergebleven (~ 8:00). In het algemeen, worden lag-keer tussen sap flux en transpiratie geraamd op iets meer dan een uur-9. De vertragende uitputting van de opslag tussen de middag en 4:00 pm kan worden toegeschreven aan de stomatal sluiting mid-dag, die ook verantwoordelijk voor de asymmetrische vorm van de curve van de flux sap gedurende de middag56,-57 is. De congruentie in resultaten verkregen met behulp van gevestigde sap flux technieken en onze opslag meetprocedure tonen de mogelijkheid van precisiecapaciteit sensoren om snelle dynamiek van veranderingen in de stengel waterberging in volwassen bomen vangen.

    Drie verschillende oudere Acer rubrum (diameter op borsthoogte, DBH: 29.1 cm, 28.3 cm, 22.7 cm) in een forest onderzoek site in het noorden van Michigan werden gevolgd tijdens het groeiseizoen van 2016. Terwijl het totaal stam wateropslag is afhankelijk van het volume van de romp (figuur 5A), alle drie personen tentoongesteld patronen van doorbelaste bedragen en aanvulling overeenstemming met seizoensgebonden trends in sap flux (figuur 5B) en beschikbaar bodemvocht binnen de top 1 m diepte (figuur 5C). Stam-opgeslagen water, sap flux en bodemvocht waren allemaal op hun laagste tijdens de eind-van-zomer interstorm langere, dag van het jaar (DOY) 200-225. Op dit moment, sap flux en stam werden watergehalte aanzienlijk verminderd in alle gecontroleerde personen. Wij de droogte hersteltijd in reactie op de waargenomen daling in de bodem vochtgehalte van 10% tot 5,6% geschat om ongeveer 10 dagen voor A. rubrum, gebaseerd op de tijd die nodig is voor de stam-wateropslag rebound te pre droogte niveaus.

    Figure 3
    Figuur 3: voorbeeld van de resultaten van een veld experiment monitoring stammen watergehalte in 0,5 en 7,5 m hoogten in de Acer rubrum (DBH = 29.1 cm). Vochtgehalte op 7,5 m boven de grond bleef in het algemeen lager vochtgehalte op 0,5 m. dagverloop schommelingen in vochtgehalte op 7,5 m groter dan die dichter op grondniveau opgenomen waren. Stijgingen van de stam watergehalte op beide hoogte overeenkwam met dagen na neerslaan (afgebeeld in paars), met een grote afname van de stengel watergehalte DOY 210 à 225 van 2016 wanneer weinig tot geen neerslag is opgetreden. Ontbrekende gegevens zijn het resultaat van tijdelijke stroomonderbreking. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

    Figure 4
    Figuur 4: voorbeeld resultaten van een experiment van de veld vergelijken de tijdspanne in water beweging zoals gemeten door de stroom van het sap en de mate van verandering van het watergehalte van de stengel. SAP stroom werd gelijktijdig gevolgd met stam watergehalte in een volgende van de Acer rubrum de methodologie in Matheny, et al. uiteengezet 29 het gemiddelde dagverloop sap debiet (blauw) en de tijdsafgeleide van stam wateropslag (ΔStorage, oranje) als berekende volgende Matheny, et al.. 5 worden voor 5 dagen wanneer bodemvocht was niet-beperking (DOY 245-250, 2016) weergegeven. Gearceerde gebieden vertegenwoordigen de standaarddeviatie in de 5-dagen-venster. ΔStorage begint te dalen kort na zonsopgang (6:00), terwijl sap flux begint toe te nemen ongeveer 2 uur later (8:00). Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

    Figure 5
    Figuur 5: Voorbeeld resultaten van een experiment van de veld stam waterberging in drie Acer rubrum toezicht in de loop van 110 dagen. Stam wateropslag werd gecontroleerd in de stammen van drie Acer rubrum van verschillende kofferbak maten in de loop van het groeiseizoen 2016 (A). Seizoensgebonden trends in stam wateropslag overeenkwam met trends gezien in sap flux gecontroleerd in 15 Acer rubrum in hetzelfde forest volgens de procedures van Matheny, et al.. 29 (B).Schaduwrijke plek komt overeen met de standaardafwijking tussen individuele bomen, terwijl de vaste lijn de gemiddelde dagelijkse geïntegreerde sap flux geeft. Beide stammen waterberging en sap flux van Acer rubrum volgde de patronen van het bodem vochtgehalte (SWC), als geïntegreerde boven 1 m diepte van de bodem en neerslag (C). Ontbrekende gegevens zijn het resultaat van tijdelijke stroomonderbreking. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

    Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

    Discussion

    Seizoens- en dagverloop patronen in stam watergehalte waargenomen via precisiecapaciteit sensoren met trends in gelijktijdige sap flux uitlijnen en milieu dwingen metingen (Figuur 3, Figuur 4, , Figuur 5). Reservoirs van stam wateropslag zijn verarmd diurnally wanneer het tempo van de transpiratie overtreft het tempo van opladen door woody weefsels en seizoensinvloeden bodemvocht beperkt wortel-water beschikbaarheid5. Deze interne capaciteit biedt een waardevolle buffer tegen hydraulische beperkingen met betrekking tot stomatal geleidingsvermogen en is verantwoordelijk voor de tijdspanne tussen het begin van transpiratie en sap flux9. In dit onderzoek nageleefd wij een maximale dagelijkse wateronttrekking uit opslag variërend tussen 23,3 en 49,9 L (14,6 en 22,3%) van de totale beschikbare stammen watergehalte. De relatief snelle toename van de stengel vochtgehalte na regenval gebeurtenissen in deze studie waargenomen was overeenstemming over alle gecontroleerde esdoorns en eerder5heeft aangetoond. Dit soort gedrag mag suggereren cavitatie bijvullen of snelle toename in watergehalte in andere omliggende weefsels21. Er is behoefte aan een nader onderzoek te verbinden van deze metingen met observaties van cavitatie navullen21,-58. Het gebruik van capaciteit sensoren kunt u gemakkelijker controleren dit essentiële aspect van de vegetatie waterbalans continu en in situ in veld omgevingen. Deze methodiek werd ontwikkeld met behulp van de GS-3 ruw grond vochtigheid sensor. Deze sensoren zijn voorzien van drie starre roestvrijstalen tanden (3.26 mm diameter, lengte 5,5 cm). Terwijl de methode aangepast voor gebruik met andere sensoren capaciteit worden kan, is het afhankelijk van de aanwezigheid van stijve meting tanden.

    Soortspecifieke kalibratie maakt de conversie van gemeten diëlektrische permittiviteit naar volumetrische watergehalte voor boomsoorten met verschillende houten dichtheden (Figuur 1). Er zijn echter diverse inherente veronderstellingen in de gepresenteerde kalibratieprocedure. Meest opmerkelijk is de veronderstelling dat het hout dichtheid van de tak of stam segmenten die zijn gebruikt voor de kalibratie ongeveer gelijk aan de dichtheid van het hout op de locatie van de installatie in het veld is. Terwijl de tak en stam dichtheden hebben aangetoond dat in goed akkoord voor sommige soorten59, dit is niet altijd het geval60, als gevolg van verschillen in xylem vaartuig taper en rangschikking. Een andere belangrijke overweging tijdens de kalibratie is de hoeveelheid hout rondom de tanden van de sensor. Sommige FDR-stijl sensoren vereist een aanzienlijke diepte van media verankering (≥5 cm) aan alle kanten om te voorkomen dat de opneming van ander materiaal (d.w.z., lucht) in lezingen. De overeenkomst tussen lab berekend VWC en εb door te helpen bij het minimaliseren van de impact van zowel de verschillen van de dichtheid en de verankering diepten kan aanzienlijk worden verbeterd door het gebruik van grotere diameter segmenten voor kalibratie.

    Radiale en ze verschillen in sap stroom zijn goed gedocumenteerde61,62,,63,,64,,65,66. Hieruit volgt dat verschillen in hout watergehalte zouden ook variëren met locatie en diepte. In een studie met behulp van x-ray berekend tomografie, Fromm, Sautter, et al.. 67 aangetoond dat dit inderdaad het geval. Het werk van Fromm, et al.. 67 blijkt ook aanzienlijke dichtheid en VWC verschillen tussen begin - en latewood in de ring poreuze soorten, Q. robur. Uitdagingen als gevolg van ze verschillen in de flow en de geleiding kunnen worden overwonnen door het gebruik van extra sensoren; dichtheid van de radiale en temporele variaties presenteren echter meer moeite. De huidige methode wordt ervan uitgegaan dat de dichtheid constant in zowel de tijd en de ruimte is. Voor langere termijn meting campagnes, kunnen veranderingen in dichtheid en stromingspatronen wegens verwonding effecten68 ook zijn bezorgdheid. Enkele verschillen in vochtgehalte met radiale diepte kunnen door wijziging van de lengte van de tanden van de sensor worden aangesproken. De stijl van de sensor van de capaciteit gebruikt in dit werk maakt gebruik van 5,5 cm lang solide roestvrij stalen tanden die zonder schade aan de sensor-functie kunnen worden gesneden. Het is belangrijk dat alle tanden worden teruggebracht tot precies dezelfde lengte en een nieuwe ijking worden uitgevoerd met behulp van de gewijzigde sensor (Zie Figuur 1 en tabel 1, Q. rubra ingekort). Met behulp van sensoren met tanden ingekort tot 2 cm, Matheny, et al.. 5 aangetoond verschillende dynamiek tussen ondiepe actief geleidende sapwood en bulk sapwood in Q.rubra. Hoewel deze methode biedt een middel om te onderzoeken watergehalte in ondiepe diepte (0 < tine lengte gesneden < 5,5 cm), het ontbreekt de mogelijkheid om het onderscheid maken tussen specifieke diepten (Ik. e. VWC tussen 2 en 4 cm) of op een diepte groter is dan de lengte van de eerste sensor.

    De meest voorkomende problemen met deze methode zich voordoen tijdens de installatie, en vaak het resultaat van de onder-geboord of uitgelijnd gaten. Het is noodzakelijk om goed contact tussen de sensor en het hout, maar de aanwending van buitensporig geweld tijdens de installatie kan de sensor te breken. In het geval dat de vooraf geboorde gaten of de sensor tanden zelf uit uitlijning zijn, flexure aan het lichaam van de sensor kan ook leiden tot instrument mislukking. De nauwe pasvorm vereist om te handhaven voldoende contact met het hout maakt ook verwijderen van de boom of het monster segment moeilijk, en de extra zorg is nodig tijdens de kalibratieprocedure wanneer sensoren moeten worden verwijderd en na elke meting hergebruikt. Gezien het vermogen van de huid oliën te beïnvloeden van lezingen, is het redelijk te veronderstellen dat het gebruik van vet of een ander smeermiddel om de installatie en verwijdering ook afbreuk aan sensor output doen zou. Tijdens het uitvoeren van veld is de meest waarschijnlijke oorzaak van het instrument niet macht of mededeling verlies als gevolg van beschadiging van de kabel. Grote pieken in de VWC zijn waargenomen, waarschijnlijk als gevolg van stam stroom doordringing van de sensor als de silicon afdichting rond de sensor is beschadigd of onvolledig. Deze spikes moeten worden gefilterd uit de gegevens tijdens de nabewerking.

    Frequentie-domein reflectometrie-stijl precisiecapaciteit sensoren inschakelen volumetrische waterinhoud te meten in de stengels van grote bomen op hogere temporele resolutie dan meest vorige methoden.Deze techniek kunnen ook belangrijke inzichten in de beschikbaarheid en het gebruik van stam-water capaciteit vooral voor hardhout bomen met lage elastische moduli die de minste kans zijn voor het genereren van de elastische uitbreidingen en contracties gecontroleerd door elektronische microdentrometers2. VWC metingen kunnen ook worden gebruikt ter verbetering van de nauwkeurigheid van sap flux metingen als verzameld door gebruikte methoden, zoals de warmtedissipatie techniek69, die afhankelijk zijn van een referentie-maximumtemperatuur die heeft aangetoond gevoelig voor veranderingen in stengel VWC. De aard van de low-cost, low power van de sensoren vergemakkelijkt de expansie van de voorgestelde methodologie aan takken en wortels, meer gemakkelijk evalueren de waterbalans van geheel-boom. De combinatie van waterinhoud en water stroom gegevens, biedt zoals gecontroleerd door sap flux, geavanceerde inzicht in vegetatie hydraulische functies.

    De aanpak die we hier presenteren is generaliseerbaar naar alle boomsoorten, en daarom zou kunnen worden gebruikt voor het meten van de enigen boom wateropslag, binnen een bereik van diameters dikker dan de helft een tine van lengte, maar niet zo dik dat de tanden te kort zijn om te vormen van de dynamiek binnen spinthout. De lage eisen van de kosten en de werking van de gepresenteerde benadering maken het mogelijk te veel bomen om te verkrijgen van een grote en zinvolle steekproefgrootte binnen een hele bos perceel, zelfs in gevallen van hoge soortenrijkdom instrument. Mogelijke toepassingen zijn onder andere bos hydrologie en Milieukunde, inclusief de studies vereisen de begroting water van een bos staan bekend en gecontroleerd worden, studies van plant transpiratie en reactie tot water beschikbaarheid en studies van plant reactie op droogte en potentieel sterfte als gevolg van waterstress. Gegevens die zijn verkregen via deze methode kan worden gebruikt voor de kalibratie van de hydrodynamische modellen plant-niveau. Opmerkingen van het watergehalte van de volumetrische stam bieden ook een unieke bron voor validatie van radar metingen van bodemvocht van teledetectie, voor welke bovengrondse vegetatie wateropslag is een ruis term die kan nu worden uitgeschakeld. Deze techniek kan ook worden gebruikt in de landbouw plantages te controleren van de status doeltreffend water van bomen en de dynamische optimalisatie van irrigatie regelingen vergemakkelijken.

    Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

    Disclosures

    Steven R. Garrity is een medewerker van METER Group Inc die de GS3 Ruggedized grond vochtigheid Sensor produceert gebruikt in dit artikel.

    Acknowledgments

    Financiering voor deze studie werd verzorgd door US Department of Energy van Office of Science, Office van biologische en milieuonderzoek, terrestrische ecosysteem wetenschappen programma Award nr. DE-SC0007041, Ameriflux Management programma onder Flux Core Site overeenkomst No. 7096915 door Lawrence Berkeley National Laboratory en de National Science Foundation hydrologische Science verlenen 1521238. Eventuele adviezen, bevindingen, en conclusies of aanbevelingen uitgedrukt in dit materiaal zijn die van de auteurs en weerspiegelen niet noodzakelijk de standpunten van de financieringsinstanties.

    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

    Milieuwetenschappen kwestie 130 stam watergehalte biomassa wateropslag frequentie domein reflectometrie Milieukunde sap van flux vegetatie capaciteit
    De kalibratie en het gebruik van capaciteit sensoren volgen vochtgehalte van de stam van bomen
    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