Summary
La capacité hydraulique de la biomasse est une composante clé du bilan hydrique de la végétation, qui sert à amortir les contraintes à court et à long terme de la sécheresse. Nous présentons ici un protocole pour l’étalonnage et l’utilisation de l’humidité du sol capteurs capacitance pour surveiller la teneur en eau dans les tiges des grands arbres.
Abstract
Transport de l’eau et de stockage dans le continuum sol-plante-atmosphère est cruciale pour le cycle de l’eau terrestre et est devenu une zone de mise au point de grands travaux de recherche. Capacité de la biomasse joue un rôle essentiel dans la prévention des déficiences hydrauliques à la transpiration. Toutefois, les mesures de haute résolution temporelle des variations dynamiques de la capacité hydraulique des grands arbres sont rares. Nous présentons ici les procédures d’étalonnage et d’utiliser des capteurs de capacitance, généralement utilisée pour contrôler la teneur en eau du sol, afin de mesurer la teneur en eau volumétrique dans les arbres sur le terrain. Fréquence domain reflectometry style observations sont sensibles à la densité des médias à l’étude. Par conséquent, il est nécessaire effectuer l’étalonnage spécifique à l’espèce pour convertir les valeurs déclarées capteur de permittivité diélectrique en teneur en eau volumétrique. Calibrage est effectué sur une branche récolté ou les souches coupées en segments qui sont séchés ou réhydratées pour produire une gamme complète de teneurs en eau utilisé pour générer une régression ajustée avec les observations de la sonde. Capteurs insérés dans les segments de calibration ou installées dans les arbres après pré-perçage des trous à une tolérance ajusté en utilisant un modèle fabriqué pour assurer un alignement correct perceuse. Une attention particulière est veiller à ce que dents de capteur établir un bon contact avec les médias environnants, tout en leur permettant d’être inséré sans force excessive. L’eau volumétrique contenue dynamique observée par la méthodologie présentée aligner avec sap les mesures de débit enregistrés à l’aide de techniques de dissipation thermique et des données environnementales de forçages. Données de contenu de l’eau la biomasse peuvent être utilisées pour observer l’apparition de stress hydrique, de la sécheresse intervention et de rétablissement, et a le potentiel pour être appliquée à l’étalonnage et l’évaluation de nouveaux modèles de niveau hydrodynamique, ainsi qu’à la partition à distance senti produits de l’humidité en composants aériens et souterrains.
Introduction
L’eau stockée dans le matériel végétal joue un rôle essentiel dans la capacité des plantes à faire face à court et à long terme l’eau stress1,2. Plantes stockent l’eau dans les racines, tiges, et les feuilles à la fois intracellulaire et extracellulaire (p. ex., les vaisseaux du xylème) espaces 2,3,4. Cette eau a démontré de contribuer entre 10 et 50 % de l’eau pendant le jour était2,5,6,7,8. Par conséquent, plante capacité hydraulique est un élément clé de l’équilibre de l’eau terrestre, peut être utilisée comme un indicateur de stress hydrique, la réponse de la sécheresse et récupération1et est un facteur critique nécessaire pour corriger les décalages observés entre transpiration et sap débit9,10,11. Surveillance en temps réel de la teneur en eau la végétation également utilisable dans des applications agricoles afin de contraindre le verger et d’irrigation des cultures afin d’augmenter l’arrosage efficacité12,13. Toutefois, les mesures de continu, tige-l’eau in situ des espèces ligneuses7,14,15,16,17,18, 19 sont rares par rapport aux flux de sève mesures20. Ici, nous décrivons une procédure pour l’étalonnage des capteurs de la capacité de contrôler la teneur en eau volumétrique dans les tiges d’arbres5,21.
Des comportements hydrodynamiques et règlement d’utilisation de l’eau de végétation sont une partie intégrante du continuum sol-plante-atmosphère22,23 et sont donc des contrôles importants pour le flux de l’eau et du carbone entre les la biosphère et l’atmosphère de24,25. La dynamique de la teneur en eau de tige est influencée par des facteurs biotiques et abiotiques. Appauvrissement de la couche et recharge d’eau stockée à la tige sont affectés par les tendances à court et à long terme dans des conditions environnementales, en particulier, le déficit de pression de vapeur et eau contenu1,26du sol. Les propriétés physiques des bois27 (p. ex., densité, structure de navire) et la stratégie hydraulique émergente25 (par exemple, iso - ou anisohydric règlement stomatique) déterminent la capacité de la plante pour stocker et utiliser de l’eau 19 , 26 , 28et peut varier considérablement par espèces29,30. Des études antérieures ont démontré les différents rôles de capacitance tropicale16,27,31,32,33 et tempérées5,7 ,21 espèces et les deux angiospermes1,2,34 et gymnospermes6,11,17,19.
Améliorer la connaissance de la teneur en eau de la biomasse améliorera la compréhension des stratégies de la végétation pour l’acquisition de l’eau et utiliser1,2, ainsi que la vulnérabilité des espèces aux changements prévus dans les régimes de précipitations35 ,,36. Comprendre davantage de consommation d’eau plante stratégies aidera à prévoir les changements démographiques sous climats futurs scénarios37,38. Par le biais de techniques de fusion de données du modèle39, teneur en eau tige données obtenues à l’aide de cette méthode peuvent être utilisées pour informer et tester évolutive, niveau hydrodynamique modèles40,41, 42,43,44 afin d’améliorer le calcul de la conductance stomatique et, partant, des simulations de transpiration et assimilation photosynthétique du carbone. Ces modèles hydrodynamiques avancés peuvent prévoir une réduction significative dans l’incertitude et l’erreur une fois incorporé plus grandes terres émergées et terre systèmes modèles25,45,46, 47,48.
Méthodes utilisées pour surveiller ou calculer la teneur en eau tige incluent arbre carottage33,49, dendromètres électronique2,15,50, résistance électrique 51, gamma rayonnement atténuation52, deutérium traceurs19réseaux de sève flux capteurs32,33,53, psychromètres49, la tige et amplitude11 et temps4,12,13 réflectométrie (TDR). Les efforts récents ont testé la viabilité des capteurs de capacité qui ont traditionnellement été utilisées pour mesurer le sol eau volumétrique contenu5,18,21,27. Réflectométrie de domaine de fréquence (FRD)-style capacitance capteurs sont de faible coût et utilisent des quantités relativement faibles de l’énergie pour les mesures en continu, ce qui les rend un outil attrayant pour les mesures haute résolution temporelle dans les scénarios de champ. La facilité d’automatisation des FDR sur capteurs TDR-style facilite la collecte des ensembles de données de sun-horaire continus et élimine un grand nombre des défis inhérents à la mesure de TDR nécessitant d’importantes longueurs de câble13. L’utilisation de capteurs de capacitance in situ élimine le besoin de carottage répétitif ou de la direction générale de la récolte et peut prévoir des meilleure précision des essences feuillues.Les espèces ligneuses qui retirent l’eau principalement des espaces extracellulaires, telles que les vaisseaux du xylème, ou ont des modules hauts de bois ou d’écorce d’élasticité, ne sont généralement pas de bons candidats pour les techniques de mesure de verniers populaire en raison de la faible tige élastique expansion 2. capteurs de capacitance estiment permittivité diélectrique, qui peut être directement convertie en teneur en eau volumétrique. Toutefois, les mesures de capacité sont sensibles à la densité des médias autour du capteur. C’est pourquoi, nous préconisons pour les étalonnages spécifiques à l’espèce qui convertissent la sortie des capteurs volumétriques bois-eau contenu5,21.
Nous présentons un protocole pour un étalonnage spécifique à l’espèce convertir la sortie capacité du capteur à teneur en eau volumétrique du bois. Instructions pour l’installation de capteurs de capacitance en arbres matures sur le terrain et une analyse des forces, des faiblesses et des hypothèses de la méthode sont également fournis. Ces techniques visent à contrôler la teneur en eau volumétrique dans le coffre, le plus grand arbre eau stockage réservoir8, mais peuvent être facilement étendues à l’arbre tout entier avec l’installation de capteurs supplémentaires le long des branches. Mesures de teneur en eau plante dynamique fera progresser les domaines de l’hydrodynamique de la végétation, biométéorologie et modélisation de la surface terrestre.
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Protocol
1. choisir un arbre pour l’Instrumentation
- Sélectionner les arbres pour la mesure. Idéalement, sélectionnez les arbres qui sont en bonne santés avec une coupe transversale de tige généralement rond et un diamètre entre 1 - 2 fois la longueur de la tige, ou aubier épaisseur supérieure à la longueur des dents capteur (~ 5 cm pour les capteurs spécifiques capacitance démontré ici). Mesurez la profondeur de l’aubier à l’aide de carottes, ou pour de nombreuses espèces, calculer la profondeur de l’aubier par des équations allométriques reliant la surface de l’aubier pour tige diamètre 29,54, tel que mesuré par une bande de diamètre standard.
Remarque : Cependant, certains types de capteurs à capacité peuvent être en mesure d’être coupé pour une durée appropriée après étape 1.2 sans affecter la précision des mesures. Capteurs de capacitance seul à dents de mesure rigide qui ne contiennent pas de câblage peuvent être élaguées ou coupées. Étalonnage séparé est nécessaire pour capteurs parés. Par conséquent, sélectionnez l’arborescence et déterminer la longueur de tige appropriée avant la procédure d’étalonnage. - Déterminer la durée appropriée des dents capteur basé sur le diamètre de l’arbre et de la profondeur de l’aubier.
NOTE : Capteurs de Capacitance intègrent l’information de l’humidité sur toute la longueur des dents capteur, L. il est donc supposé que l’observation intégrée qu’ils fournissent est représentatif de la tige, le diamètre se situe entre L et 2 L de . L’écorce et le phloème n’affectera pas la mesure comme ils sont retirés de la zone de mesure avant l’installation (voir section 4.2).- Taillez les capteurs pour les arbres, où L est supérieur au diamètre de la tige, (voir étape 1.3) tel que les dents ne pénètrent pas par le biais de l’autre côté de la tige.
- Mesurer le signal combiné de l’aubier et le duramen avec le capteur d’arbres où le diamètre est supérieur à 2L, mais la profondeur de l’aubier est inférieure à L.
Remarque : Comme la teneur en eau diffère dans ces types de deux tissus, il peut-être entraîner un biais si l'on suppose que l’observation est représentatif de la tige entière. Dans ce cas, ou lorsque l’utilisateur est seulement intéressé par les fluctuations de l’eau aubier, le capteur dents doivent être coupés à la profondeur de l’aubier, tels que les observations représentera les fluctuations de contenu de l’eau de l’aubier (xylème actif) seulement. Lorsque la profondeur de l’aubier est plus grande que L, observations représentent seulement l’aubier, mais le capteur ne doit pas être coupé.
- Si nécessaire (tel que déterminé dans les étapes 1.2.1 et 1.2.2), coupe le capteur pour l’application spécifiée. Pour couper les pointes de sonde, fixer le capteur en toute sécurité sur un établi et, si vous portez un équipement de protection, utilisez un outil rotatif électrique équipé d’un disque à tronçonner acier pour couper chaque dent à exactement la même longueur.
2. récolter et préparer des échantillons de bois de toutes les espèces d’intérêt pour générer un étalonnage spécifique à l’espèce
- Recueillir un tronc, tige juvénile ou grosse branche au moins 6 cm de diamètre de l’espèce d’intérêt. Grands diamètres sont privilégiées afin de maximiser la quantité de bois enserrant le capteur et rapprochent plus étroitement la densité du tronc pour les mesures sur le terrain. Enlever les branches attachées toutes les feuilles et lichen ou un matériau meuble.
Remarque : Reportez-vous à la section Discussion pour poursuivre la discussion de l’incertitude en raison des différences dans la branche et la densité des tiges. - Segmenter la tige en sections de 25 ou plus cylindriques d’environ 15 cm de longueur.
- Identifier chaque segment et enregistrer le diamètre moyen et la longueur de chacun. Approximative de volume les résultats des secteurs comme le volume d’un cylindre.
- Les segments se divisent en deux groupes pour réhydratation différentielle et le séchage. Utilisez environ 1/3 des segments dans un bain d’eau pour se réhydrater et les autres 2/3 des segments dans une étuve à 60 ° C, mettre en attente. Séparez les deux segments pour mesure immédiate : de préférence celle du milieu de la longueur de la tige et celui de fin.
Remarque : En général, segments de séchage à 60 ° C seront entièrement desséchés après environ 2 semaines et complètement réhydratés après environ 3 jours. Supprimer les segments individuels du four/bain-marie et mesurer les intervalles quotidiennes ou biquotidienne (voir étape 3.7). Afin de produire un gradient de mesures couvrant la plus grande gamme de teneur en eau volumétrique possible.
3. créer une relation de calibrage entre la sortie du capteur et eau volumétrique contenu
- Connecter un capteur de capacité sur un périphérique d’enregistrement de données, suivant les instructions fournies par le fabricant et à un ordinateur pour la visualisation de l’affichage de capteur en temps réel. Définissez l’intervalle de temps pour la collecte de données à 30 s.
- À l’aide d’un gabarit de perçage premade solidement maintenu en place pour maintenir l’alignement et un foret légèrement inférieur au diamètre des dents de la sonde de capacité (3,57 mm pour le capteur utilisé dans cette expérience), percez deux séries verticales de trois trous avec les deuxième série située à environ 150 ° loin autour du segment de bois avec une séparation verticale de quelques centimètres pour s’assurer qu’il n’y a aucune possibilité de chevauchement entre les trous. Utilisez les segments bois mis de côté à l’étape 2.4 pour la première série de mesures.
- Peser le segment et noter le poids à 0,01 g près, au moment de la mesure. Cap aux extrémités des segments d’une pellicule de plastique pour empêcher le séchage supplémentaire.
- Immédiatement après la pesée, nettoyer les dents de la sonde de capacité avec un tampon imbibé d’alcool et insérez-le dans le segment de la tige complètement, telle qu’aucune partie des dents en acier n’est visible. Attendez que la mesure de la lecture à l’écran de sortie pour stabiliser (2 ou 3 min, généralement). Enregistrer les sorties de capteur de température, la conductivité électrique et la permittivité diélectrique (εb) toutes les 30 s pour calculer la moyenne des 10 mesures et de 5 min.
- Délicatement enlever le capteur du segment, nettoyer les dents avec un tampon imbibé d’alcool et attendez que les lectures de sortie remettre à zéro. Répétez la procédure de mesure de l’étape 3.3 à partir de la deuxième série de trous percés au préalable.
- Retirez le plastique à chaque extrémité et placer le segment de la tige dans l’étuve. Permettez-lui de dessécher complètement (généralement 2 semaines, ou jusqu'à ce que le poids s’est stabilisé pendant plusieurs jours).
- Répétez les étapes de 3,3 à 3,7 pour tous les segments. Supprimer les segments de l’étuve et mesurer plus souvent (deux fois par jour) dans les premiers jours de séchage, en raison du taux plus élevé de perte d’humidité initial qu’au cours des derniers jours (par jour). Sécher les surplus d’eau de la surface des segments retiré du bain d’eau à l’aide d’un essuie-tout avant la pesée et de mesure.
(1)Où Vw représente le volume d’eau (cm3) et Vde la tige est le volume de la tige de segment (cm3) calculé à l’étape 1.2.
- Calculer le volume d’eau dans chaque segment au moment de la mesure comme :
(2)
Où mw est l’eau de masse dans le segment de la tige (g) au moment de la mesure et ρw est la masse volumique de l’eau (1 g cm-3) - Calculer la masse d’eau dans chaque segment au moment de la mesure comme :
(3)
Où Mhumide est la masse du segment tige au moment de la mesure (g), et Msec est le poids final du segment (g).
(2)
(3)
Figure 1 : courbes d’étalonnage exemple. Courbes d’étalonnage obtenues pour Quercus rubra, Acer rubrum, Betula papyrifera, Populus grandidentataet Pinus strobus suivant les parties 1 et 2 du présent protocole. Équations et les coefficients de détermination sont fournis pour chacun dans le tableau 1. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
| m | b | R2 | |
| Paprifera b. | 0,048 | -0.098 | 0,967 |
| A. rubrum | 0,067 | -0.158 | 0,853 |
| Q. rubra (raccourci) | 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 |
Tableau 1 : équations de Calibration pour la conversion de Ε b à VWC pour cinq essences tempérées. Les coefficients ai ' et « b » est présenté pour une équation linéaire sous la forme standard : VWC = m * εb+ b.
4. installation de capteurs de capacité dans les arbres pour mesures sur le terrain
- Avant l’installation du capteur, noter le diamètre de la tige et la hauteur au-dessus de la surface du sol pour chaque emplacement du capteur. En général, pour surveiller la CAV dans le coffre, placer un capteur ~0.5 m au-dessus de la surface du sol et placer une seconde juste en dessous de la première division de ramification importante (~7.5 m au-dessus du sol, Figure 2).
Figure 2 : montage exemple domaine. Un schéma de l’emplacement des capteurs et l’orientation dans un arbre mature adjacente à une station d’enregistrement de données. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
- Enlever l’écorce jusqu'à le cambium et créer une surface plane où le capteur sera installé à l’aide d’une lame de tirage au sort. Veiller à ce que cette surface est grande et suffisamment plat pour que le capteur trouve contre la surface de l’arbre quand il est monté de manière qu’aucune partie des dents n’est exposée. Enlever l’écorce et le cambium pour s’assurer que les mesures comprennent uniquement l’eau contenu dans le xylème, tout en excluant l’eau contenue dans l’écorce ou phloème.
- Percer les trous pour les dents. Utilisez un foret légèrement inférieur au diamètre des dents pour bois doux, tout en utilisant un peu plus près à la taille réelle des dents pour bois plus dur (3,57 mm tel qu’utilisé dans le présent protocole). Pour les mesures de haute qualité, faire en sorte que les dents de capteur établissent un bon contact avec le bois. Puisqu’il y aura pas besoin d’enlever la sonde régulièrement, comme ce fut le cas au cours de la procédure d’étalonnage, on peut servir un foret légèrement plus petit que celle utilisée pour l’étalonnage.
- Nettoyer les dents de la sonde avec un tampon imbibé d’alcool pour enlever toute saleté ou la peau des huiles et insérer le capteur dans les trous préalablement percés. Si le capteur répond à trop forte résistance lors de l’insertion, doucement il sortir et re-percer les trous pour les élargir un peu. S’assurer que tous les trois andouillers sont bien insérés et le corps du capteur est assis contre le tronc d’arbre.
- Utiliser un scellant à base de silicone pour sceller le capteur contre le tronc d’arbre pour aider les garder à flot d’entrer dans les trous et pour prévenir les infestations de ravageurs.
- Couvrir le capteur avec isolant réfléchissant pour éviter un échauffement externe.
- Suivant le fabricant, connectez tous les capteurs à une source de courant de 12 V et un enregistreur de données compatible. Intervalles de collecte de données utilisation de 5 min pour capteurs déploiement sur le terrain, mais utilisation des intervalles plus longs pour économiser l’électricité dans les sites où le pouvoir est limiter, par exemple, solaire/batterie exploité sites.
5. traiter les données brutes pour stockage de tige-l’eau à l’aide de la courbe d’étalonnage
- À l’aide de l’équation de la courbe d’étalonnage générée à l’étape 2,9, convertir la sortie du capteur en CAV pour toutes les observations. VWC est généralement exprimée en cm 3/cm3 ou en pourcentage. Le pour cent VWC variera donc entre 0 et 100 %.
- Intégrer le volume total d’intérêt (cm3) entre les hauteurs de deux mesures (par exemple, dans la Figure 2: 0,5 m et 7,5 m) en supposant que les changements de diamètre de tige linéairement avec la hauteur.
(4)où H est la différence de hauteur (distance verticale) entre les capteurs (par exemple, dans la Figure 2: 700 cm) et r1 et r2 sont les rayons de la tige (cm) au fond et emplacements des capteurs haut de la page, respectivement.
Pour les arbres où les capteurs fournissent une estimation seulement de l’eau de l’aubier, le contenu (voir Détermination de longueur de capteur, section 1.2) utiliser EQ. 5 :
(5)où s1 et s2 sont les profondeurs de l’aubier (cm) aux emplacements des capteurs bas et en haut, respectivement.
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Representative Results
Dans cette section, nous présentons des données d’étalonnage pour cinq espèces d’arbres forestiers est commune, suivies d’une analyse détaillée des mesures sur le terrain de stockage de tige-eau chez trois individus Acer rubrum pendant la saison de croissance de 2016. Courbes d’étalonnage ont été générés pour Acer rubrum, Betula papyrifera, Pinus strobus, Populus grandidentata et Quercus rubra (Figure 1). Pentes des courbes diffèrent par autant de 97,7 % pour P. grandidentata et a. rubrum (tableau 1), ce qui démontre la nécessité d’effectuer l’étalonnage spécifique à l’espèce obtenir des mesures précises de CAV . Teneur en eau volumétrique a été suivie à la base de la tige de 0,5 m au-dessus de la surface du sol et à la base de la cime vivante, 7,5 m au-dessus de la surface du sol (Figure 2). Épuisement diurne et reconstitution du CAV ont été observés dans les deux emplacements, avec CAV au point haut de la page mesure montrant la plus grande variabilité diurne que l’emplacement inférieur (Figure 3). VWC à l’emplacement de mesure supérieure varie entre 0,55 et 0,88 cm3/cm3, CAV à l’emplacement de mesure inférieure entre 0,72 et 0,95 cm3/cm3. Lors de la transpiration, l’eau est perdu des feuilles et appauvri plus rapidement des branches distales. Par conséquent, il s’ensuit que VWC mesurée à la base du live Couronne devrait être inférieur à la base du tronc lorsque le stockage est activement retirée. Les mesures sur les deux sites montrent les mêmes tendances générales au cours de la saison de croissance (Figure 3).
Pour évaluer la dynamique observée diurne de l’évolution des souches teneur en eau, nous avons calculé la vitesse de changement de teneur en eau totale tige moyenne, ΔStorage (g/s), (Figure 4). ΔStorage a été comparée pour sap flux données recueillies en même temps dans la même arborescence à l’aide de capteurs Granier-style dissipation thermique55. Dans ΔStorage, les valeurs négatives indiquent le taux de réduction dans le stockage de l’eau de tronc. Modifications dans le stockage a commencé à se produire peu après l’aube (06:00), tandis que le flux de sève à la traîne entre une heure et demie et deux heures (~ 8:00 am). En général, temps de latence entre le flux de sève et transpiration sont estimées à un peu plus d’une heure à9. Le ralentissement de l’appauvrissement de stockage entre midi et 16:00 peut être attribuée à la fermeture des stomates en milieu de journée, qui est également responsable de la forme asymétrique de la courbe de flux de sève tout au long de l’après-midi de56,57. La congruence dans les résultats obtenus en utilisant des techniques de flux de sève bien établie et notre procédure de mesure de stockage démontrent la capacité des capteurs de la capacité de capturer dynamique rapide des changements dans le stockage de l’eau de tige dans les arbres matures.
Trois différents mature Acer rubrum (diamètre à hauteur de poitrine, DHP : 29,1 cm, 28,3 cm, 22,7 cm) dans un site de recherche de forêt au nord du Michigan ont été mesurées au cours de la saison de croissance de 2016. Tandis que le stockage de l’eau totale dépend du volume du tronc (Figure 5 a), tous trois individus présentaient des modes de recharge et de reconstitution conforme aux tendances saisonnières dans sap flux (Figure 5 b) et l’humidité du sol disponible dans le haut de la page 1 m de profondeur (Figure 5). Tige-stocké de l’eau, les flux de sève et l’humidité du sol étaient à leur plus bas niveau au cours de la période prolongée d’interstorm de fin de l’été, jour de l’année (OJD) 200-225. En ce moment, les flux de sève et les souches, teneur en eau ont été sensiblement réduits chez tous les individus contrôlés. Nous avons estimé le temps de récupération de la sécheresse en réponse à la baisse observée en teneur en eau du sol de 10 % à 5,6 % à environ 10 jours pour a. rubrum, basé sur le temps requis pour le stockage de tige-eau rebondir à des niveaux d’avant la sécheresse.
Figure 3 : exemple de résultats d’une expérience de terrain suivi tige de teneur en eau à 0,5 et 7,5 m de hauteurs chez Acer rubrum (DBH = 29,1 cm). Teneur en eau à 7,5 m au-dessus du sol est restée généralement inférieure à la teneur en eau à 0,5 m. fluctuations diurnes en teneur en eau à 7,5 m ont été supérieures à celles enregistrées de plus près au niveau du sol. Tige de teneur en eau à deux hauteurs correspondit aux jours suivant les précipitations (montrée en violet), avec une chute importante teneur en eau tige entre DOY 210 et 225 de 2016 où peu ou pas de précipitations a eu lieu. Données manquantes sont le résultat d’une panne de courant temporaire. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 4 : exemple résulte d’une expérience sur le terrain en comparant le décalage dans le flux de l’eau telle que mesurée par les flux de sève et le taux de variation de la teneur en eau tige. Flux de sève a été suivie simultanément avec tige de teneur en eau dans un Acer rubrum qui suit la méthodologie décrite dans Matheny, et al. 29 le débit diurne moyenne (bleu) et le dérivé de temps de stockage de l’eau de tige (ΔStorage, orange) comme calculé suivant Matheny, et al. 5 apparaissent pendant 5 jours, lorsque l’humidité du sol était non limitatifs (OJD 245-250, 2016). Les zones ombrées représentent l’écart-type dans la fenêtre de 5 jours. ΔStorage commence à diminuer peu après l’aube (06:00), alors que les flux de la sève commence à augmenter environ 2 h plus tard (08:00). S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 5 : Exemple résulte d’une expérience de terrain, surveillance des souches stockage de l’eau dans trois Acer rubrum au cours de 110 jours. Stockage de l’eau des souches a été suivie dans les troncs de trois Acer rubrum de tailles différentes tronc tout au long de la saison 2016 (A). Tendances saisonnières de stockage de l’eau de tige correspondent aux tendances observées dans le flux de sève surveillée dans 15 Acer rubrum dans la même forêt suivant les procédures de Matheny, et al. 29 (B).Zone ombrée correspond à l’écart entre les arbres individuels, tandis que la ligne continue représente le flux quotidien moyen d’intégré sap. Tous deux proviennent de stockage de l’eau et des flux de sève de Acer rubrum suivi les patrons de la teneur en eau du sol (CFC), tel qu’intégré sur le dessus de 1 m de profondeur dans le sol et des précipitations (C). Données manquantes sont le résultat d’une panne de courant temporaire. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
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Discussion
Tendances saisonnières et diurnes tige de teneur en eau observée par l’intermédiaire de capteurs s’aligner sur les tendances dans le flux de sève simultanées de capacitance et environnemental obligeant les mensurations (Figure 3, Figure 4, , Figure 5). Réservoirs de stockage de l’eau de tige sont épuisées pendant le jour quand le rythme de transpiration dépasse le taux de recharge à travers les tissus ligneux, et selon les saisons lorsque l’humidité du sol limite de disponibilité de racine-eau5. Cette capacité interne fournit un précieux tampon contre hydrauliques limites à la conductance stomatique et est responsable de l’intervalle entre l’apparition de la transpiration et les flux de sève9. Dans cette étude, nous avons observé un prélèvement d’eau quotidienne maximale de stockage variant entre 23,3 et 49,9 L (14,6 et 22,3 %) du total disponible de la tige teneur en eau. L’augmentation relativement rapide de tige de teneur en eau après que des pluies observées dans cette étude était cohérente à travers tous les érables surveillés et a été montrée précédemment5. Ce type de comportement peut suggérer recharge de cavitation ou une augmentation rapide de la teneur en eau en autres de tissus environnants21. Il est nécessaire de poursuivre les recherches connecter ces mesures avec les observations de cavitation remplissage21,58. L’utilisation de capteurs de capacitance facilite la surveillance de cet aspect essentiel de l’équilibre de l’eau de végétation en permanence et in situ dans les environnements de domaine. Cette méthode a été développée à l’aide de la sonde d’humidité de sol durcis GS-3. Ces capteurs disposent de trois tiges d’inox rigides (3,26 mm de diamètre, 5,5 cm de longueur). Alors que la méthode peut être adaptée pour être utilisé avec d’autres capteurs de capacitance, c’est dépendante de la présence de tiges rigides de mesure.
Étalonnage spécifique à l’espèce permet la conversion de permittivité diélectrique mesurée à teneur en eau volumétrique des essences avec différentes densités de bois (Figure 1). Cependant, il y a plusieurs hypothèses inhérentes à la procédure d’étalonnage présenté. Le plus remarquable est l’hypothèse que la densité du bois des branche ou tige segments utilisés pour l’étalonnage est à peu près équivalente à la densité du bois à l’emplacement d’installation sur le terrain. Tout en succursale et la densité des tiges a été démontrée en bon accord pour certaines espèces59, ce n’est pas toujours le cas60, en raison des différences dans le xylème navire conique et arrangement. Une autre considération importante lors de l’étalonnage est la quantité de bois entourant les dents du capteur. Certains capteurs FDR-style nécessitent une profondeur substantielle d’encastrement de médias (≥5 cm) sur tous les côtés pour éviter l’inclusion d’autres matières (p. ex., air) dans les lectures. L’utilisation de plus grands segments de diamètre pour l’étalonnage peut-être améliorer considérablement l’accord entre le laboratoire calculé VWC et εb en aidant à minimiser l’impact des différences de densité et profondeur d’enfoncement.
Radiales et circonférentielles des différences dans le flux de sève sont bien documentées61,62,63,64,65,66. Il s’ensuit que différences de teneur en eau bois varierait de même en position et leur profondeur. Dans une étude à l’aide de rayons x une tomodensitométrie, Fromm, Sautter, et al. 67 a démontré que c’est effectivement le cas. Les travaux de Fromm, et al. 67 en témoignent aussi importante densité et VWC différences entre début - et final chez les espèces poreuse de l’anneau, Q. robur. Défis en raison de différences circonférentielles en flux et la conductivité peuvent être surmontées par l’utilisation de capteurs supplémentaires ; Cependant, des variations de densité radiale et temporelle présentent plus de difficultés. La méthodologie actuelle suppose que la densité est constante dans le temps et l’espace. Pour des campagnes de mesures à plus long terme, des changements dans la densité et des modèles d’écoulement en raison de la blessure effets68 peut-être aussi préoccupant. Certaines différences de teneur en eau avec profondeur radiale peuvent être adressées par une modification de la longueur des dents capteur. Le style de capteur de capacité utilisée dans ce travail emploie 5,5 cm longue et massive en acier inoxydable dents qui peuvent être coupées sans nuire à la fonction de capteur. Il est important que tous les andouillers couper exactement la même longueur et un nouvel étalonnage être effectuée en utilisant le capteur mis à jour le (voir Figure 1 et tableau 1, Q. rubra raccourcie). À l’aide de capteurs à dents raccourcie à 2 cm, Matheny, et al. 5 avaient des dynamiques différentes entre aubier activement conductrice peu profonde et en vrac aubier de Q.rubra. Bien que cette méthode fournit un moyen d’examiner la teneur en eau dans les faibles profondeurs (0 < tine longueur de coupe < 5,5 cm), il n’a pas la capacité de distinguer entre les profondeurs spécifiques (je. e. VWC entre 2 et 4 cm) ou à des profondeurs supérieures à la longueur initiale de capteur.
Les difficultés courantes avec cette méthodologie surviennent pendant l’installation et sont souvent le résultat de trous percés sous ou mal alignées. Il est nécessaire d’assurer un bon contact entre la sonde et le bois, mais l’emploi de force excessive lors de l’installation peut provoquer le capteur à briser. Dans le cas où les trous ou les dents de capteur eux-mêmes sont hors de l’alignement, la flexion au corps du capteur peut également entraîner panne de l’instrument. Au cours de la procédure d’étalonnage, l’ajustement étroit nécessaire pour maintenir un contact suffisant avec le bois rend également la suppression de l’arbre ou échantillon segment difficile et Redoublez de prudence est nécessaire lorsque les capteurs doivent être enlevés et réutilisés après chaque mesure. Compte tenu de la capacité des huiles pour la peau pour influencer les lectures, il est raisonnable de supposer que l’utilisation de la graisse ou un autre lubrifiant pour faciliter la pose et la dépose n’affecterait également de sortie du capteur. Au cours de l’opération sur le terrain, la cause la plus probable de l’échec de l’instrument est perte de puissance ou de communication en raison de l’endommagement des câbles. Grands épis en CAV ont été observées, probablement résultant de l’écoulement de tige pénétrer le capteur si le joint en silicone autour du capteur est endommagé ou incomplet. Ces pointes doivent être filtrées à partir des données lors du post traitement.
Capteurs de fréquence domain reflectometry style capacitance permettent de teneur en eau volumétrique à mesurer dans les tiges des grands arbres à résolution temporelle supérieure à celle des méthodologies plus précédents.Cette technique peut également fournir des aperçus importants de disponibilité et d’utilisation de la capacité des souches-eau en particulier pour les arbres feuillus à faible élasticité qui sont les moins susceptibles de générer des extensions élastiques et surveillées par des contractions microdentrometers électronique2. VWC mesures peuvent également être utilisées pour améliorer la précision des mesures de flux de sève comme recueillies par largement utilisé des méthodes, telles que la technique de dissipation thermique69, qui s’appuient sur une température maximale de référence a été démontrée pour être sensibles aux variations de souches CAV. La nature de faible coût, faible puissance des capteurs facilite l’expansion de la méthodologie présentée aux branches et racines, plus facilement évaluer l’équilibre hydrique de l’arbre entier. La combinaison de la teneur en eau et les données de flux de l’eau, sous la supervision de flux de sève, donne un aperçu avancé des fonctions hydrauliques de la végétation.
L’approche que nous présentons ici est généralisable à n’importe quelle espèce d’arbre et par conséquent pourrait être utilisé pour mesurer le stockage de l’eau de n’importe quel arbre, dans une plage de diamètres plus épais que la moitié d’une longueur de tine, mais pas si épais que les dents sont trop courtes pour représenter la dynamique au sein de aubier. Les faibles exigences de coût et le fonctionnement de l’approche présentée rendent possible instrumenter les nombreux arbres afin d’obtenir un échantillon important et significatif dans une parcelle de forêt entière, même dans le cas de la diversité des espèces élevées. Les applications potentielles incluent hydrologie forestière et écohydrologie, y compris des études nécessitant de l’arrosage d’un peuplement forestier à être connu et surveillé, études de transpiration de la plante et aux ressources en eau et de la réponse des plantes à la sécheresse et le potentiel de mortalité due au stress hydrique. Les données obtenues par l’intermédiaire de cette méthodologie peuvent être utilisées pour l’étalonnage des modèles hydrodynamiques de niveau. Observations de la teneur en eau volumétrique tige fournissent également une ressource unique pour la validation des mesures radar de l’humidité du sol par télédétection, pour laquelle la végétation au-dessus du sol, ballon d’eau est un terme de bruit qui peut maintenant être éliminé. Cette technique peut également servir dans les plantations agricoles pour surveiller l’état de l’eau efficace d’arbres et de faciliter l’optimisation dynamique des réseaux d’irrigation.
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Disclosures
Steven R. Garrity est un employé de compteur Group Inc. qui produit la sonde d’humidité du sol Ruggedized GS3 utilisés dans cet Article.
Acknowledgments
Cette étude a été financée par le U.S. Department of Energy Office of Science, Office of Biological and Environmental Research, écosystème terrestre Sciences programme prix no DE-SC0007041, programme de gestion Ameriflux sous Flux Core Site accord n° 7096915 par le Lawrence Berkeley National Laboratory et les sciences hydrologiques de National Science Foundation grant 1521238. Les avis, les conclusions et les conclusions ou les recommandations exprimées dans ce matériel sont celles des auteurs et ne reflètent pas nécessairement les vues des organismes subventionnaires.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Ruggedized Soil Moisture Sensor | METER Group Inc. | GS-3 | Capacitance sensors |
| 1/8" drill bit | Any | N/A | |
| 9/64" drill bit | Any | N/A | |
| Drying oven | Any | N/A | |
| Chainsaw | Any | N/A | |
| Electric drill | Any | N/A | |
| Bucket for water bath | Any | N/A | |
| Alcohol swabs | Any | N/A | |
| Draw knife | Any | N/A | |
| Data logger | Any | N/A | |
| Silicon sealant | Any | N/A |
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