Environment

木の幹の水分量を監視するための校正と静電容量センサーの使用

Published: December 27, 2017 doi: 10.3791/57062

Ashley M. Matheny¹, Steven R. Garrity², Gil Bohrer³

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

バイオマスの油圧容量は、短期および長期の干ばつのストレスに対するバッファーとして機能する植生水収支のキーコンポーネントです。ここで、大きな木の幹の水分をモニターする静電容量センサー紹介校正と土壌水分の使用のためのプロトコル。

Abstract

土壌-植物-大気圏の連続を通して水の輸送・陸域水循環に重要ですし、主要な研究分野となっています。バイオマスの静電容量は、蒸散する油圧障害の回避に不可欠な役割を果たしています。ただし、大きな木の油圧容量の動的な変化の高時間分解能測定はまれです。校正および通常使用フィールドの木の体積含水率を測定するため、土壌水分を監視したり、静電容量センサーの使用手順を紹介します。周波数ドメイン反射スタイル観測研究されているメディアの密度に敏感です。したがって、体積含水率誘電率のセンサーから報告された値から変換する種特異的なキャリブレーションを行うことが必要です。校正は、収穫された枝や茎は乾燥または水量センサー観測データと回帰を生成するために使用の完全な範囲を生成する再水和のセグメントにカットされます。センサーはキャリブレーションのセグメントに挿入または適切なドリルのアライメントを確保するため作製したテンプレートを使用して適切な公差の穴を事前ドリル加工後の木にインストールされています。特別なセンサーの歯部が無理なく挿入することを可能にしながら、周囲のメディアとの良好な接触を作るように注意します。説明されている方法で体積含水コンテンツダイナミクスは、放熱技術と強制環境のデータを使用して記録された sap 流量測定に合わせます。水ストレス、干ばつの応答および回復、発症を観察するバイオマス水コンテンツデータを使用でき、校正とリモートでのパーティション分割するだけでなく、新しい工場の流体力学モデルの評価に適用する可能性を感じています地上部および地下部の成分に水分製品。

Introduction

植物材料の保存水は、短期および長期の水ストレス¹^,²に対応する植物の能力の不可欠な役割を果たしています。植物は、根、茎、水を貯えるし、葉細胞内と細胞外の両方で (例えば導管) 空間²^,³^,⁴。この水は、10 と日周所要水²^,⁵^,⁶^,⁷^,⁸の 50% 間に貢献して示されています。そのため、工場油圧容量地上水バランスの重要なコンポーネントです、水ストレス、干ばつの応答および回復¹、インジケーターとして使用することができますの観測時間の差を補正するために必要な重要な要因は、蒸散と sap⁹^,¹⁰^,^{11 を}流れ。植生水コンテンツのリアルタイムモニタリングも使用できます農業アプリケーションで果樹園を制約し、散水効率¹²^,¹³を増加するために灌漑をトリミングを助けるため。ただし、樹種⁷^,¹⁴^,¹⁵^,¹⁶^,¹⁷^,¹⁸^{、連続、原幹水分含量の測定} ¹⁹ sap フラックス測定²⁰を基準にして珍しい。ここでは、私たちは木⁵^,²¹の樹幹内における体積含水率を監視する静電容量センサーのキャリブレーションの手順を概説します。

土壌-植物-大気圏の連続²²^,²³の不可欠なコンポーネントは、流体の挙動と植生による水利用調節間水と炭素フラックスの重要なコントロールであるため、生物圏と雰囲気²⁴^,²⁵。幹の水分動態生物的・非生物的要因によって影響を受けています。枯渇と幹保存水の涵養、環境条件、特に、飽の短期および長期の傾向によって影響を受けます、土壌水コンテンツ¹^,²⁶。木製²⁷ (例えば密度、血管構造) と創発的油圧戦略²⁵ (例えば、iso または anisohydric 気孔制御) の物理的性質保存し、水を使用する植物の能力を決定します。¹⁹^,²⁶^,²⁸日、種²⁹^,³⁰によって大きく異なります。以前の研究は、熱帯¹⁶^,²⁷^,³¹^,³²^,³³ , 温帯⁵^,^{7 容量のさまざまな役割を実証しています。} ^,²¹種と両方被子植物¹^,²^,³⁴と裸子植物⁶^,¹¹^,¹⁷^,¹⁹。

バイオマス含水率の改善の知識が植生水獲得のための戦略の理解を改善し、¹^、²、と一緒に沈殿物の政体^{35 が変化する種の脆弱性を使用して、} ^,³⁶。さらに戦略は、将来の気候変動のシナリオ³⁷^,³⁸の下で人口統計学パターンのシフトの予測を助ける植物の水の使用を理解します。モデルデータの融合技術³⁹、を通して茎水分通知およびスケーラブルなプラントレベルの流体力学をテストするこの手法を使用して得られたデータを使用ことができますモデル⁴⁰^,⁴¹^, ⁴²^,^,⁴³⁴⁴気孔コンダクタンスの計算を改善するために、それによって、蒸散および光合成の炭素吸収量のシミュレーション。これらの高度な流体力学モデルは不確実性およびより大きい土地の表面および地球システムモデル²⁵^,⁴⁵^,⁴⁶^{に組み込まれた場合のエラーの大幅な削減を提供可能性があります。} ⁴⁷^,⁴⁸。

³³^,⁴⁹, 電子 dendrometers²^,¹⁵^,⁵⁰, 電気抵抗をコアリングツリーを監視または茎水分を計算するために使用するメソッドに含めますsap 磁束センサー³²^,³³^,⁵³, ネットワーク, 重水素トレーサー¹⁹ガンマ放射減衰⁵² ⁵¹べき⁴⁹の幹と振幅¹¹と時間⁴^,¹²^,¹³領域リフレクトメトリ (TDR)。最近の努力は土壌体積含水コンテンツ⁵^,¹⁸^,²¹^,²⁷を測定に使用されてきた、静電容量センサーの実行可能性をテストしています。周波数領域リフレクトメトリ (FRD)-スタイル静電容量センサーは、低コストし、連続測定のフィールドのシナリオで、高時間分解能測定のための魅力的なツールを作るためのエネルギーの比較的少量の使用します。TDR スタイルセンサー FDR の自動化が容易容易に連続的な太陽時間データセットの収集と実質的なケーブルの長さ¹³を必要と TDR 測定で固有の課題の多くを排除します。その場で静電容量センサーの使用は反復掘削または枝を収穫する必要があるし、堅材種の精度向上を提供することがあります。樹種、導管などの細胞外スペースから主水の撤退や、弾力性の高い木材や樹皮の係数は、一般的に低弾性幹膨張^{人気デンドロメータ測定技術の候補ではないです。2}. 静電容量センサー推定誘電体積含水率に直接変換することができます。ただし、容量測定はセンサーを取り巻くメディアの密度に敏感です。したがって、センサーの出力を体積木水コンテンツ⁵^,²¹に変換種特異的なキャリブレーションを主張します。

種特異的な校正体積含水率木材の静電容量センサー出力に変換するためのプロトコルを提案します。また、成熟した木々の静電容量センサーのフィールド・インストールとメソッドの強み、弱みと仮定の議論についてもあります。これらの技術は、最大ツリー水貯蔵タンク⁸トランクの体積含水率を監視するために設計されていますが枝に沿って追加のセンサーのインストールツリー全体に簡単に展開できます。ダイナミックな植物水分測定は植生流体力学、生気象学、陸面モデルのフィールドに進めます。

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Protocol

1. 計装のツリーを選択します。

測定のための木を選択します。理想的には、一般的にラウンドの幹断面積と 1-2 回刃物の長さ、または辺材深さセンサー尖叉 (ここに示す特定の静電容量センサー用〜 5 cm) の長さより大きい間直径との健全木を選択します。ツリーのコアを使用して辺の深さを測定したり、多くの種の標準直径テープによって測定される直径²⁹^,⁵⁴, を幹に辺材領域を関連のアロメトリー式を通じて、辺材深さを計算できます。
注: ただし、静電容量センサーのいくつかの種類があります次の手順 1.2 測定精度に悪影響を与えることがなく適切な長さにトリミングすることができます。配線を含まない剛性測定歯部で唯一の静電容量センサーをトリミングまたはカットできます。独立した校正は、トリミングされたセンサーに必要です。したがって、ツリーを選択し、校正手順の前に適切な刃物の長さを決定します。
木の直径と辺材深さに基づくセンサーの歯部の適切な長さを決定します。
注意: 静電容量センサーは、センサーの歯、 Lの長さの水分情報を統合しますそれはしたがっている対象と彼らが提供する総合観測全体幹の代表Lと 2 L のの直径は、。.樹皮と篩部 (セクション 4.2 を参照) をインストールする前に測定領域から削除されますと、測定は影響しません。
1. Lが幹の直径よりも大きい (手順 1.3 参照) 歯部に茎の反対側を通って浸透しないように木のためのセンサーをトリミングします。
2. 木直径は 2Lより大きいが、辺材深さがLより小さいセンサーで、辺材と心材から信号を測定します。
  注: 含水率は、これら 2 つの組織の種類の異なる、このバイアス場合あります観察、樹幹全体を代表すると見なされます。このような場合、またはユーザーが辺材水変動観測は辺材 (アクティブな木部) の水含有量の変動を表すその辺材深さに歯を手入れするセンサーにのみ関心があるとだけ。辺材深さはLよりも大きい場合は、観測、辺材のみを表すが、センサーをトリミングする必要はありません。
(1.2.1、1.2.2 の手順で決定した) として必要な場合は、指定したアプリケーションに合わせてセンサーを切った。センサーの歯部をカット、台にしっかりとセンサーをクランプし、適切な保護具を着用しながら各刃物を正確に同じ長さにカットする型鋼切断ディスク搭載パワーロータリーツールを使用します。

2. 収穫し、種特異的な校正を生成する興味のすべての種の木材サンプルの準備

興味の種からトランク、少年の幹または大規模なブランチ、少なくとも 6 cm を収集します。大きい直径センサーの被覆材量を最大化するために好ましいし、トランク密度測定に最も近づけます。取り付けられているすべての枝や葉、苔癬や緩い材料を削除します。
注: 支店の違いによる不確実性のさらなる議論のための議論を参照してくださいし、茎の密度。
25 またはより円筒〜 15 cm の長さの部分に、幹を分割します。
各セグメントにラベルを付けるし、平均直径とそれぞれの長さを記録します。円柱の体積としてセグメントのボリュームを近似します。
セグメントを差分水分補給と乾燥の 2 つのグループに分けます。脱水に 60 ° C で 1/3、水分補給には水お風呂でセグメントのと他 2/3 乾燥炉内のセグメントを大体配置します。即時の測定の 2 つのセグメントを分ける: 端から 1 つと、茎の長さの中央からできれば 1 つ。
注: 通常、60 ° C で乾燥セグメント〜 2 週間後に完全に乾燥したし、する〜 3 日後完全に復元します。オーブン湯せんから個々のセグメントを削除し、(ステップ 3.7 参照) 毎日、または 1 日 2 回の間隔を測定します。測定可能な体積含水率の最大範囲にわたるのグラデーションをつくる。

3. センサー出力と体積含水関係校正を作成コンテンツ

リアルタイムのセンサー読み出しの可視化のためコンピューターの製造元によって提供される指示に従ってデータロギングデバイスに静電容量センサーを接続します。データ収集の間隔を 30 に設定 s。
ドリルで 3 つの穴の 2 つ縦に並んだセットを配置、およびドリルビットを静電容量センサー (この実験で使用されているセンサーの 3.57 mm) の歯部の直径よりわずかに小さい維持する場所にて安全に掘削あらかじめ作られたテンプレートを使用して、2 番目のセットでは、穴の間の潜在的な重複がないことを確認する少数のセンチメートルの垂直分離と木製のセグメントの周り約 150 ° に位置します。測定の最初のセットのステップの 2.4 で脇木製セグメントを使用します。
セグメントとレコードを最も近い 0.01 g 重量の測定時の重量を量る。追加の乾燥を防ぐためにプラスチック製のラップとセグメントの両端をキャップします。
直後に重さがあって、アルコール綿棒と静電容量センサーの歯をきれいに挿入し、それ茎部分完全にような鋼鉄尖叉の部分が表示されていません。安定させるために出力画面での読書測定を待つ (2 または 3 分、一般に)。すべての 30 の温度、電気伝導度、誘電率 (ε_b) とセンサーの出力を記録 5 分と 10 の測定値の平均を計算します。
優しくセグメントからセンサーを削除、アルコール綿棒で歯をきれいし、ゼロに戻ります出力の測定値を待ちます。ステップ 3.3 以降事前ドリルされた穴の 2 番目のセットから測定手順を繰り返します。
端からプラスチックを取り出し、乾燥炉の茎部分を置きます。完全に脱水することができます (通常 2 週間または数日間体重が安定するまで)。
すべてのセグメントの 3.3 3.7 を介しての手順を繰り返します。乾燥炉からセグメントを削除しより頻繁に測定 (毎日二度) よりも (毎日) 最後の数日間の初期水分の損失の速度が高いため、乾燥の最初の数日以内。計量と測定前にペーパータオルを使用して水の風呂から削除するセグメントの表面から余分な水分を乾燥させます。

補給のすべてのセグメントが測定されているまで、一日あたり 1 つの補給茎部分を測定します。

完全乾燥後に、幹のすべてのセグメントの最終的な乾燥重量を記録します。

次の数式を使用して、測定の時に茎部分の体積含水率 (VWC、cm³_水/cm³_木材) を計算します。
Equation 1

(1)
V_wはV_茎や水 (cm³) の量は、ステップ 1.2 で計算された茎部分 (³cm) のボリュームです。

時として測定の各セグメントの水の量を計算します。
(2)
水 (1 g cm^-3) の密度であるm_wが計測、およびρ_wの時に茎部分 (g) で大量の水を
時として測定の各セグメント内の水の質量を計算します。
(3)
M_ウェットは茎部分の質量 (g) の測定時、 M_乾燥セグメント (g) の最終的な重量であります。

誘電率のセンサーの観測とVWC (図 1、表 1) 間の最適線形回帰統計解析ソフトウェアパッケージを使用して作成.

図 1: 例検。検コナラヤマモモエイサーの赤体ダケカンバ第、ポプラ、オオバギンドロ、ストローブマツパート 1 と 2 のこのプロトコルを次に生成されます。方程式と決定係数は、表 1にそれぞれの提供しています。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

	m	b	R²
B. paprifera	0.048	-0.098	0.967
A. 赤体	0.067 倍	-0.158	0.853
Q. ヤマモモ(短縮)	0.120	0.041	0.636
Q. ヤマモモ	0.058	-0.109	0.718
P.、オオバギンドロ	0.023	-0.028	0.887
P. ストローブマツ	0.030	-0.072	0.900

表 1: 校正式の変換Ε_bにVWC温帯樹種の。係数だ ' と 'b' が標準形で線形方程式の提示: VWC = m * ε_b+ b。

4. フィールド測定のための木の静電容量センサーをインストールします。

センサーのインストールの前に茎径と各センサーの位置の地表上の高さを記録します。通常、トランクにVWCを監視、センサー ~0.5 m 地面の表面上に配置し、(図 2地上 ~7.5 m) の最初の主要な分岐分割のすぐ下 2 つを配置します。

図 2: 例のフィールドテストを設定します。センサーの場所とデータ・ログ駅に隣接する成熟した木の向きの模式図。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

形成層に樹皮を削除し、センサーがなる平らな面を作成描画ブレードを使用してインストールします。この表面は広く、フラット十分、センサーが木の表面に対してフラッシュを歯部の一部が公開されるようなこと、それがインストールされているときに座っていることを確認します。樹皮と測定は、樹皮や篩部の水分量を排除しながら、木部に水コンテンツのみを含めることを確保するためのひこばえを削除します。
歯部に穴をあけます。堅い木 (3.57 mm このプロトコルで使用される) の歯部の実際のサイズに近いビットを使用しながら柔らかい木材、歯部の直径よりわずかに小さいドリルビットを使用してください。、高品質な計測センサーの歯部が木材との良好な接触を作ることを確認します。少し小さいドリルビットを使用して以来、校正手順の中には、場合センサーを定期的に削除する必要はなくなります、ここ校正に使用するものよりも。
任意の汚れや肌のオイルを削除するには、アルコール綿棒でセンサーの歯をきれいにし、センサーを事前ドリルされた穴に挿入します。センサーが挿入時にあまりにも多くの抵抗を満たしている場合慎重にそれを戻すし、再それらを若干拡大するために穴をドリルします。すべての 3 つの歯部が完全に挿入センサーの体が木の幹に対してフラッシュを座っていることを確認します。
茎の穴を入力してからの流れを維持することと、害虫の侵入を防ぐために木の幹に対してセンサーのシールにシリコン系シーリング材を使用します。
反射断熱材外部加熱を避けるために、センサーをカバーしてください。
以下のメーカーの仕様では、すべてのセンサーを 12 V 電源と互換性のあるデータロガーに接続します。使用データコレクション間隔 5 分のセンサーは、フィールドで展開しますが、使用電力の制限、例えば、太陽電池/バッテリーサイトで電源を節約するために間隔を長く運営サイト。

5. 検量線を使用して幹水ストレージに Raw データを処理します。

2.9 の手順で生成された較正曲線の方程式を使用すると、すべてのオブザベーションについてVWCにセンサーの出力を変換します。VWC cm³ /cm³または割合として表すが一般的。割合VWCしたがって 0 と 100% の範囲です。
2 つの測定の高さと利益が (cm³) の容量を統合 (例えば図 2に: 0.5 m、7.5 m) 高さと線形茎直径変化を仮定することにより。

木の観察が全体の幹を表します (すなわち、 Lと 2L、そのままセンサーを使用して直径の木やセンサーが幹の直径にトリミングされた薄い木 2.2 節」を参照)、4 の式を使用します。
Equation 4

(4)
Hがセンサーの高低差 (垂直距離) (例えば図2: 700 cm)、 r₁ r₂幹 (cm) の半径で下部と上部のセンサーの場所それぞれ。
センサーが辺材水だけの見積もりを提供する木のコンテンツ (センサー長さ測定、セクション 1.2 を参照) 式 5 を使用します。
Equation 5

(5)
s₁とs₂が辺材深さ (cm) 下部と上部のセンサーの位置には、それぞれ。

幹・辺材の体積を計算ツリーの平均VWC利息の合計量を乗算することによって水を格納します。

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Representative Results

このセクションで我々は 2016年成長シーズン中に 3 つのエイサーの赤体個人幹水の貯蔵庫の実測の詳細な分析に続いて、共通 5 の東林木種の校正データを提示します。検量線は、アメリカハナノキ、ダケカンバ第、ストローブマツ、ポプラ、オオバギンドロ、 コナラのヤマモモ(図 1) に生成されました。カーブの斜面は、 VWCの正確な測定を取得するp.、オオバギンドロ種特異的なキャリブレーションを実行する必要を示す (表 1) A. 赤体の 97.7% によって異なった。体積含水率は、木の幹、地上 0.5 m の基部とライブクラウン、7.5 m (図 2) 地上の基地で監視されました。昼行性の枯渇とVWCの補充は、 VWC低い位置 (図 3) より大きいの日周変動を示す測定時点での両方の場所で観察されました。VWC 0.88 cm³/cm³0.55 から〜〜 0.95 cm³/cm³0.72 VWC低い測定位置、測定場所で。蒸散、中に水を葉から失われた、遠位の枝から最もすぐに枯渇します。したがって、それに続くVWCがライブの基地で測定したストレージが積極的に引き落とされたときクラウンは幹の基部よりも低くする必要があります。両方の場所での測定は、(図 3) の成長の季節の間に同じ一般的な傾向を示した。

幹水コンテンツの変更の観察された日周ダイナミクスを評価するには、ΔStorage (g/s)、(図 4) 幹平均総水分量の変化の時間率を計算しました。ΔStorage は、グランアーニコラスタイル放熱センサー⁵⁵を使用して同じツリーで同時に収集されたフラックスデータを sap に比較しました。ΔStorage の負の値は、トランク水・ストレージは削減率を示します。ストレージの変更が sap フラックスは 1 時間半と 2 時間の間に遅れながら、直後の夜明け (6:00)、発生し始めた (~ 8:00)。一般的には、sap のフラックスと蒸散との間の遅延時間が時間⁹よりわずかにもっと推定します。正午と 16:00 の間にストレージの減速の枯渇は、午後⁵⁶^,⁵⁷を通じて sap フラックス曲線の非対称形状のため責任がある昼気孔閉鎖に帰することができます。確立された sap フラックス技術と当社のストレージの測定手順を使用して得られた結果の合同は、成熟した木々の幹貯水の変化の高速ダイナミクスをキャプチャする静電容量センサーの能力を発揮します。

3 つの異なる成熟アメリカハナノキ(胸高直径直径: 29.1 cm、28.3 cm、22.7 cm) 2016年成長シーズン中に監視されたミシガン州北部の森林研究サイトで。すべての 3 人が充電と sap の季節的な傾向と一致して補充のパターンを展示総幹水貯蔵はトランク (図 5 a) のボリュームによって異なりますが、フラックス (図 5 b)、利用可能な土壌水分内上面 1 m 深度 (図 5)。幹保存水、sap フラックスと土壌水分は夏の終わりの延長 interstorm 期間、日年 (DOY) 200-225 中すべてでは最下位だったこの時に sap フラックスおよび茎水分は、監視対象のすべての個人で大きく改善されました。A. 赤体干ばつ前のレベルに回復する幹水貯蔵のために必要な時間に基づいて、約 10 日に 5.6% に 10% から土壌水分量の観測された減少に応答干ばつ回復時間を推定した.

図 3: フィールド実験監視から結果幹 0.5、エイサーの赤体で 7.5 m で水量の例 (胸高直径 29.1 cm を =).地上 7.5 m で水量は一般的に 0.5 m ・ 7.5 m で水分の日内変動が大きかった地上レベルに近い記録で含水率より低く残った。両方の高さで幹の水分量の増加は、降水 (紫色で示されている)、茎水分 DOY 210 と 2016 年の沈殿物はほとんどが発生したときの 225 の間で大規模な減少を次の日に対応しました。不足しているデータは、一時的な停電の結果です。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

図 4: 樹液流と体積含水率の変化率によって測定される水のフラックスのタイムラグを比較するフィールド実験結果の例です。樹液流だった方法論概説 Matheny、らでエイサーの赤体以下で幹水コンテンツを同時に監視²⁹平均日周樹液流量 (青) と計算される次 Matheny、らとして幹水ストレージ (ΔStorage ・オレンジ) の時間微分⁵土壌水分は非限定的 (DOY 245-250, 2016) 5 日間表示されます。影の部分は、5 日間のウィンドウで標準偏差を表します。ΔStorage は、sap フラックスは約 2 h 後 (8:00) を増加し始める夜明け (6:00)、直後に落ちるを開始します。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

図 5:110 日間にわたって 3 つエイサーの赤体幹水の貯蔵庫を監視フィールド実験結果の例。2016年生育期(A)のコースを通して異なるトランクサイズの 3 つのエイサーの赤体の幹で幹貯水が監視されました。15エイサーの赤体Mathenyらの手順に従って同じフォレスト内で監視 sap フラックスの傾向に対応した幹貯水で季節的な傾向²⁹(B)。影付きの領域は、個々の木の実線は、平均毎日統合 sap フラックス間の標準偏差に対応します。両方の茎の水の貯蔵庫とエイサーの赤体から sap フラックス後土壌水分 (SWC) 土壌の深さと降水(C)の 1 m 上に統合のパターン。不足しているデータは、一時的な停電の結果です。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

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Discussion

茎水分センサー同時 sap フラックスの動向に合わせて容量を介して観測・環境測定 (図 3, , 図 4図 5) を強制の季節および日変化パターン。日周蒸散のペースを上回る率の木質組織を通じて涵養と季節土壌水分制限ルート水可用性⁵幹貯水のタンクが枯渇しています。この内部キャパシタンスは気孔伝導度への油圧の制限に対して貴重なバッファーを提供します、蒸散の発症と sap フラックス⁹間のタイムラグを担当。本研究で我々は 23.3 と 49.9 L 間に及ぶストレージから最大毎日取水を観察 (14.6 と 22.3%) ご利用合計の水分を幹します。幹の水分含量の比較的高速な増加この研究で観測された降雨後すべて監視されているカエデの間で一貫していたし、以前⁵で示されています。この動作の種類は、キャビテーション詰替または他の周囲の組織²¹内の水分量の急激な増加に提案するかもしれない。²¹^,⁵⁸を補充キャビテーションの観察を用いるこれらの測定を接続するさらなる研究の必要性があります。静電容量センサーの使用容易に植生水収支継続的とその場にフィールド環境でのこの重要な側面を監視します。この方法論は、GS 3 耐久性の高い土壌水分センサーを使用して開発されました。これらのセンサーは、3 の硬質ステンレス製本 (3.26 mm 直径、長さ 5.5 cm) を備えています。メソッドは、他の静電容量センサーで使用するために合わせることができる、剛性測定歯部の存在に依存です。

種特異的な校正は、測定した誘電率の異なる木材密度 (図 1) と樹種の体積含水率への変換を許可します。ただし、提示された校正手順に固有いくつかの仮定があります。最も注目すべきは校正用枝や幹のセグメントの木材の密度はフィールドに設置場所での木材の密度とほぼ同等であると仮定します。支店中、茎密度は、いくつかの種の⁵⁹のよく一致する示されている、これは常にケース⁶⁰、木部容器テーパーと配置の違いではないです。校正中に別の重要な考慮事項は、センサーの歯部を囲む木の量です。FDR スタイルセンサー測定値の他の材料 (すなわち空気) を含めることを避けるためにすべての側面にメディア埋込み (≥5 cm) の実質的な深さが必要です。校正用セグメントの直径は大きくの使用が大幅に改善計算ラボVWCと ε_b密度の違いおよび埋込み深さの影響を最小限に抑えるために支援することで合意。

樹液流の半径方向と円周方向の違いは、よくとり上げられる⁶¹^,⁶²^,⁶³^,⁶⁴^,⁶⁵^,⁶⁶です。その場所と深さによって異なる同様に木材の含水率の違い。X 線を用いた研究で計算された断層レントゲン写真撮影、フロム、ザウター、ら⁶⁷は、これは確かにケースであることを示した。フロムは、らの作品⁶⁷は重大な密度と初期のVWCの違いも明らかと環状多孔質種、 Q. ロバーの晩。追加のセンサーを使用するフローと伝導円周方向の違いにより課題を克服できます。しかし、放射状および時間の密度の変化はより多くの難しさを提示します。現在の方法論では、時間と空間の密度が一定であることを前提としています。長期的な測定キャンペーン密度と効果⁶⁸が負傷したため流動様式の変化が懸念される場合もあります。放射状の深さと含水率に若干の違いは、センサーの歯部の長さへの変更により対処できること。静電容量センサーを使った作品のスタイルでは、センサーの機能を損なうことがなくカットすることができます 5.5 cm 長く硬いステンレスの歯を採用しています。すべての歯は、正確に同じ長さにカットして新たなキャリブレーションを実行することが重要だ変更されたセンサーを用いた (図 1および表 1、 Q. ヤマモモ短縮を参照)。2 cm、Matheny、らに短縮歯部でセンサーを使用⁵は、浅い積極的に導電性の辺材とQ.rubraで一括辺材のさまざまな力学を示した。この方法は、浅い深さでの水の内容を検証するための手段 (0 < 刃物の長さをカット < 5.5 cm)、それはの特定の深さを区別する能力を欠いている (私。e。VWC 2 ~ 4 cm) または初期センサー長さより大きい深さで。

この方法で最も一般的な問題のインストール中に発生して、頻繁の下で掘削またはずれて穴の結果。センサーと木との間の良好な接触を確保する必要があるがインストール中に過度の力の使用を破るセンサーができます。という事前ドリルされた穴、またはセンサーの歯自体はずれて、センサー本体に曲げも装置の故障にします。センサーを削除し、各測定後に再利用する必要がある場合、木材との十分な接触ができますツリーまたは困難なサンプルのセグメント、余分なケアからの除去を維持するために必要な近いフィットは、校正手順の中に必要です。測定値に影響を与える皮膚の油の能力を考えると、それはグリースまたはインストールや取り外しを容易に別の潤滑剤の使用も同様にセンサー出力に影響を与えるだろうと仮定するが妥当。フィールド操作中に装置の故障の原因の多くは、ケーブルへの損傷により電力や通信の損失です。VWCの大きなスパイクが出てきた可能性が高いセンサー周りのシリコンシールが破損している場合は、センサーを貫通樹幹流から結果または不完全です。これらのスパイクは、ポスト処理中に、データから抽出する必要があります。

周波数ドメイン反射型静電容量センサーは、従来の方法論よりも高い時間分解能で大きな木の幹の測定する体積含水率を有効にします。この手法は、可用性と少なくとも弾性拡張と収縮によって監視を生成する可能性のある低弾性と硬木の木の特に幹水容量の使用に重要な洞察力を提供することも電子 microdentrometers²。VWC測定も sap フラックス測定として広く使われている方法で、放熱技術⁶⁹などに示されている参照の最大温度に依存する収集の精度を向上させるのに使えます幹VWCの変化に敏感。センサーの低コスト、低電力の性質、枝に提示された方法論の拡張が容易より根が簡単にツリー全体の水収支を評価します。水分と水フローデータの組み合わせ sap フラックスによる監視植生油圧機能に高度な洞察力を提供します。

ここでは提示アプローチすべての樹種におらず、汎化、したがって刃物長さ半分のよりも太い径の範囲内の任意のツリーの水貯蔵を測定するために使用されるが、ないので厚い歯部が短すぎて内ダイナミクスを表すことができます。辺材。提示されたアプローチの低コスト、運用要件は、高い種の多様性の場合でもフォレスト全体プロット内の大規模で有意義なサンプルサイズを取得するために多くの木をインストルメント化することが可能。森林水文学と呼ばれ、監視する林の水収支を必要とする研究、植物の蒸散と水の可用性、応答の研究と植物の応答の研究を含む、高潜在的なアプリケーションが含まれて水ストレスによる干ばつや潜在的な死亡率この方法によって得られたデータは、プラントレベルの流体力学モデルのキャリブレーションに使用できます。幹の体積含水率の観察はまたリモートセンシング、地上植物が水貯蔵は今除去されるかもしれないノイズ項から土壌水分のレーダー測定の検証のため一意のリソースを提供します。この手法は、農業プランテーションで木の効果的な水の状態を監視し、灌漑の動的最適化を容易にするためにも使用できます。

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Disclosures

スティーブン・ r ・ギャリティが GS3 耐久性の高い土壌水分センサーを生成するメーターグループ株式会社の従業員は、この記事で使用です。

Acknowledgments

米国エネルギー省科学局、オフィスの生物学的および環境調査、地上生態系科学プログラム賞号によって提供されたこの研究のための資金・デ・ SC0007041、ローレンス・バークレー国立研究所による磁束コアサイト契約号 7096915 下 Ameriflux 管理プログラム、国立科学財団の水文科学 1521238 を付与します。意見、所見、結論や推奨この素材で表現、これらの者を資金提供機関の見解を必ずしも反映しています。

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