Summary
ويستخدم البروتوكول المعروض طريقة التباين المشترك الدوامة في مواقع غير نموذجية، تنطبق على جميع أنواع النظم الإيكولوجية ذات المظلة القصيرة ذات المساحة المحدودة، في موقع لإلقاء الرياح أعيد تشجيره حاليا في بولندا. يتم وصف تفاصيل قياس قواعد إعداد الموقع، وحسابات التدفق ومراقبة الجودة، وتحليل النتائج النهائية.
Abstract
وهذا البروتوكول مثال على استخدام تقنية التباين المشترك (EC) للتحقيق في متوسط تدفقات ثاني أكسيد الكربون الصافية من الناحيتين المكانية والزمنية (صافي إنتاج النظم الإيكولوجية، NEP)، في النظم الإيكولوجية غير النموذجية، في منطقة رمي الرياح المعاد تشجيرها حالياً في بولندا. بعد حدث اعصار، تم إنشاء "ممر" ضيق نسبيا داخل المدرجات الغابات الباقين على قيد الحياة، مما يعقد هذا النوع من التجارب. تطبيق تقنيات القياس الأخرى، مثل طريقة الغرفة، هو أكثر صعوبة في ظل هذه الظروف، لأنه خاصة في البداية، والأشجار التي سقطت وبشكل عام عدم تجانس كبير من الموقع توفر منصة صعبة لأداء قياسات التدفق ومن ثم إلى النتائج الراقية بشكل صحيح. وبالمقارنة مع القياسات القياسية التي أجريت في الغابات التي لم يمسها أحد، تتطلب حالة مناطق رمي الرياح اهتماما خاصا عندما يتعلق الأمر بموقع الموقع وتحليل البيانات من أجل ضمان تمثيلها. لذلك، نقدم هنا بروتوكول من القياسات في الوقت الحقيقي، وتدفقات CO2 المستمر في موقع EC متغير بشكل حيوي، غير مثالي، والذي يتضمن (1) موقع الموقع وإعداد الأجهزة، (2) حساب التدفق، (3) تصفية البيانات الصارمة و مراقبة الجودة، و (4) ملء الفجوة وصافي التدفقات تقسيم إلى ثاني أكسيد الكربون التنفس والامتصاص. والميزة الرئيسية للمنهجية الموصوفة هي أنها تقدم وصفا مفصلا لأداء الإعداد والقياس التجريبيين من الصفر، يمكن تطبيقه على النظم الإيكولوجية الأخرى المحدودة من الناحية المكانية. ويمكن أيضا أن ينظر إليها على أنها قائمة من التوصيات بشأن كيفية التعامل مع تشغيل المواقع غير التقليدية، وتوفير وصف لغير المتخصصين. يمكن تجميع القيم التي تم التحقق منها منحيث الجودة، وملء الفجوة، ونصف ساعة من صافي CO 2، فضلا عن تدفقات الامتصاص والتنفس، في نهاية المطاف في المجاميع اليومية أو الشهرية أو الموسمية أو السنوية.
Introduction
في الوقت الحاضر، والتقنية الأكثر شيوعا في الغلاف الجويالأرض النظام الإيكولوجي ثاني أكسيد الكربون (CO 2) دراسات التبادل هو الدوامة covariance (EC) تقنية1. وقد استخدمت طريقة الجماعة الأوروبية لعقود، وقد نشرت بالفعل وصف شامل للقضاياالمتعلقة بجميع الجوانب المنهجية والتقنية والعملية 2،3،4. وبالمقارنة مع التقنيات الأخرى المستخدمة لأغراض مماثلة، تسمح طريقة الجماعة الأوروبية بالحصول على التدفقات الصافية لثاني أكسيد الكربون 2 المتوسطة مكانياً وزمنياً من القياسات التلقائية والنقاط التي تنظر في مساهمة جميع العناصر في حالات معقدة النظم الإيكولوجية، بدلا من القياسات اليدوية شاقة (على سبيل المثال، تقنيات الغرفة) أو شرط أخذ العديد من العينات1.
ومن بين النظم الإيكولوجية للأراضي، تؤدي الغابات أهم دور في ركوب الدراجات في الجبال، وقد ركزت العديد من الأنشطة العلمية على دراسة دورة ثاني أكسيد الكربون، وتخزين الكربون في الكتلة الأحيائية الخشبية، وعلاقاتها المتبادلة مع الظروف المناخية المتغيرة عن طريق: كل من القياسالمباشر أو النمذجة 5. العديد من مواقع المفوضية الأوروبية،بما في ذلك واحدة من أطول سجلات تدفق 6، تم إعداد فوق أنواع مختلفة من الغابات7. عادة، تم اختيار موقع الموقع بعناية قبل بدء القياسات، بهدف أكثر المناطق تجانسا وأكبر هادى. على الرغم من أن، في مواقع الغابات المضطربة، مثلالرياح، وعدد محطات قياس EC لا تزال غير كافية 8،9،10. وأحد الأسباب هو الصعوبات اللوجستية في قياس إعداد الموقع، والأهم من ذلك كله، وجود عدد صغير من المواقع التي تظهر فجأة. من أجل الحصول على النتائج الأكثر إفادة في مناطق رمي الرياح، من الأهمية بمكان أن تبدأ في أقرب وقت ممكن بعد مثل هذا الحدث العرضي، والتي قد تسبب مشاكل إضافية. وعلى النقيض من المواقع الحرجية التي لم يمسها أحد، فإن قياسات الجماعة الأوروبية في مواقع رمي الرياح أكثر صعوبة ويمكن أن تحيد عن الإجراءات المعمول بها بالفعل3. وبما أن بعض ظواهر الرياح الشديدة تخلق مناطق محدودة من الناحية المكانية، فإن هناك حاجة إلى موقع محطة قياس مدروسة ومعالجة دقيقة للبيانات من أجل استخلاص أكبر قدر ممكن من قيم التدفق الموثوق بها. وقد حدثت صعوبات مماثلة في تطبيق طريقة الجماعة الأوروبية (على سبيل المثال، دراسات الانتهاء التي أجريت فوق بحيرة طويلة ولكنها ضيقة) حيث تتطلب تدفقات ثاني أكسيد الكربون المقاسة تصفية البيانات الصارمة11،12 من أجل ضمان التمثيل المكاني.
ومن ثم، فإن البروتوكول المعروض هو مثال على استخدام طريقة الجماعة الأوروبية في مواقع غير نموذجية، لا مصممة فقط لمناطق رمي الرياح، بل لجميع الأنواع الأخرى من النباتات القصيرة ذات المساحة المحدودة (مثل الأراضي الزراعية الواقعة بين أنواع النباتات الأطول). وتتمثل أكبر ميزة في المنهجية المقترحة في وصف عام للإجراءات المعقدة، التي تتطلب معرفة متقدمة، من اختيار الموقع والأجهزة التي تم إعدادها إلى النتيجة النهائية: مجموعة بيانات كاملة من ثاني أكسيد الكربون عالي الجودة2 تدفقات. الجدة التقنية لبروتوكول القياس هو استخدام بناء قاعدة فريدة من نوعها لوضع نظام المفوضية الأوروبية (على سبيل المثال، ترايبود مع ارتفاع محدد هو "برج صغير" مع الصاري قابل للتعديل، تعمل كهربائيا، مما يسمح بتغيير الارتفاع النهائي لل أجهزة الاستشعار وفقا للاحتياجات الفردية).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. موقع الموقع وإعداد الأجهزة
- اختيار موقع قياس في التضاريس متجانسة نسبيا ومسطحة لتلبية المتطلبات الأساسية لطريقة EC. تجنب الأماكن ذات الأشكال الأرضية المعقدة (المنخفضات والمنحدرات) أو الواقعة بالقرب من العقبات الأيرودينامية (على سبيل المثال، تقف الأشجار الباقية على قيد الحياة)، والتي يمكن أن تشوه تدفق الهواء.
- تحقق من تكوين الأنواع والغطاء النباتي. اختيار مكان مع الخصائص الأكثر مماثلة: العمر وارتفاع نوع الغطاء النباتي الرئيسي.
- إذا كان ذلك ممكنا، وإجراء بعض التحقيقات التربة إضافية، والتي تساعد على اختيار منطقة متجانسة. مقارنة أنواع التربة في عدد قليل من المواقع (ملامح التربة)، ومحتوى التربة الكربون والنيتروجين، فضلا عن ظروف الرطوبة (على سبيل المثال، باستخدام الشبكة العادية لأخذ عينات التربة). تجنب الأماكن ذات الميزات البارزة بالمقارنة مع متوسط القيم من التحقيق التربة.
- قبل اتخاذ قرار بشأن مكان وضع الأدوات، قم بالتحقيق في اتجاهات الرياح السائدة (من الناحية المثالية لمدة سنة واحدة قبل إعداد الموقع)، أو تحليل البيانات من أقرب محطة للأرصاد الجوية. إذا كانت هناك بعض القيود فيما يتعلق بمدى منطقة الاهتمام، اختر الموقع الذي يقع ضمن قطاعات الرياح السائدة (الرياح العاتية).
ملاحظة: في حالة موقع رمي الرياح البولندي، بسبب شكل مسار الأعاصير، تقرر وضع البرج في منتصف بعد عرضه (حوالي 400-500 م) وبعيداً عن مزرعة الصنوبر المجاورة التي يبلغ عمرها بضع سنوات قدر الإمكان في الاتجاه الشرقي الغربي (حوالي 200 متر و) روم البرج إلى حوافها)، منذ اتجاه الرياح السائدة كان من الشمال الغربي إلى الجنوبالغربي ومن الشمال الشرقي إلى الشرق (الشكل 1). - تحديد نظام EC الذي سيتم استخدامه: المسار المفتوح أو المسار المغلق (المسار المغلق = المسار المغلق مع أنبوب المدخول القصير) محلل غاز الأشعة تحت الحمراء (أو اثنين منهم إذا كان ذلك ممكناً). كل له مزايا وعيوب ولكن بشكل عام، وكلاهما موثوق بها لاستخدامها في حقل. استخدام ثلاثي الأبعاد (3D) مقياس شدة الريح الصوتية المتعامدة. ولاستخدام طريقة الجماعة الأوروبية، يلزم إجراء قياسات عالية التردد - 10 هرتز على الأقل في حالة كلا الصكين.
- النظر في أي نوع من إمدادات الطاقة هو الأكثر جدوى لاستخدامها في الموقع (هل هناك خط الطاقة في مكان قريب، والألواح الشمسية أو غيرها من مولدات الطاقة؟). في حالة عدم وجود قيود، استخدم محلل غاز المسار المغلق (أو المرفق).
ملاحظة: نظام المسار المفتوح لديه استهلاك الطاقة أقل بكثير، ولكن في البيئات القاسية (الطقس البارد جدا، والجليد، ومواقع الأمطار) من شأنه أن يؤدي إلى فقدان كبير من البيانات عالية الجودة. - اتبع القواعد لوضع كلا الصكين بالنسبة لبعضها البعض13. تجنب تركيب أي عناصر غير ضرورية قريبة من نظام EC، والتي يمكن أن تشوه تدفق الهواء.
ملاحظة: تم استخدام محللمسار مغلق (جدول المواد) ومقياس شدة الريح الصوتي ثلاثي الدُعد (جدولالمواد)في هذه التجربة.
- النظر في أي نوع من إمدادات الطاقة هو الأكثر جدوى لاستخدامها في الموقع (هل هناك خط الطاقة في مكان قريب، والألواح الشمسية أو غيرها من مولدات الطاقة؟). في حالة عدم وجود قيود، استخدم محلل غاز المسار المغلق (أو المرفق).
- بمجرد اختيار الموقع، ضع ترايبود مع عمود عمودي (أو نوع آخر من البناء الأساسي) لتركيب نظام EC على القمة. تعيين ارتفاع الأدوات مع التفكير في شرطين أساسيين: الخشونة السطحية التحقيق (في تبسيط ارتفاع الغطاء النباتي القائم) ومنطقة التأثير (جلب / بصمة - المنطقة "ينظر" من قبل نظام الجماعة الأوروبية)4.
ملاحظة: في النظم الإيكولوجية النامية بشكل حيوي، مثل موقع رمي الرياح المعاد تشجيره تلن الأول، سيلزم التغيير في وضع الأداة مع مرور الوقت للوفاء بمتطلبات طريقة الجماعة الأوروبية. وكبديل لبناء قاعدة لنظام الجماعة الأوروبية، اقتُرحت هنا بنية تحتية مبتكرة (أي "برج صغير") من الألومنيوم: بناء من الألومنيوم الراسي (دعامات مستطيلة بارتفاع 1.5 م (W x L) 1 م × 1.2 م) مع سارية (دعامات ثلاثية 30 سم × 30 سم × 30 سم) تتحرك داخل الهيكل على طول القضبان الفولاذية، مدعوم من محرك كهربائي.- أولا، جبل كل من الصكوك من نظام المفوضية الأوروبية على عمود معدني تعلق مركزيا على الصاري. تذكر أن تضع مقياس شدة الريح الصوتية في موقف عمودي تماما. إمالة محلل الغاز قليلا للسماح لمياه الأمطار لتشغيل قبالة بسهولة.
- رفع الآلات إلى ارتفاع ضعف ارتفاع المظلة من سطح التربة، وما لا يقل عن 1.5−2.0 متر فوق الجزء العلوي من المظلة4. تأكد من أن بناء قاعدة يقع بطريقة، مما يضمن أن المنطقة التي تم التحقيق فيها يمتد ما لا يقل عن 100 مرة من ارتفاع وضع جهاز استشعار في كل اتجاه14.
- تذكر لتثبيت الحماية من البرق لبناء المعادن.
ملاحظة: لتحقيق الناتج الأقصى من قياس EC في موقع رمي الرياح البولندية (Tlen I)، تم إجراء بعض التنازلات. وضعت الأدوات في الإرتفاع من 3.3 [م] في البداية من التجربة.
- لمزيد من الحساب وتحليل التدفق، وقياس بعض المتغيرات المساعدة في نفس الوقت، بما في ذلك على الأقل: الهواء (تا) والتربة (TS) درجة الحرارة، والرطوبة النسبية (RH) من الهواء، وكثافة تدفق الفوتون اتوّق ضوئياً (PPFD)، والإشعاع الشمسي الوارد (Rg) و هطول الأمطار (P). عادة، في مواقع المفوضية الأوروبية يتم أيضا الحصول على عدد كبير من المتغيرات الأخرى.
- وضع أجهزة استشعار الإشعاع (PPFD وRg) إلى الجنوب. استخدام القطب الأفقي لنقلها بعيدا عن ترايبود. تحقق من زاوية عرض أجهزة الاستشعار وضبط طول القطب وارتفاع تصاعد للتأكد من أن ينظر فقط سطح التحقيق.
- استخدام أجهزة استشعار درجة حرارة الهواء والرطوبة مع الدروع الإشعاعية، التي شنت على ارتفاع مماثل لنظام EC.
- تثبيت مقاييس المطر دلو البقشيش (اثنين على الأقل) في مساحات مفتوحة نسبيا، بالقرب من برج EC، 1 متر فوق مستوى سطح الأرض. دفن أجهزة استشعار درجة حرارة التربة في عدة أعماق مختلفة (ثلاثة أو أكثر اعتمادا على نوع التربة). تذكر أن يكون بعض التكرار لكل عمق. وضع بعض أجهزة الاستشعار في المستوى الضحلة الممكنة.
2- حساب تدفق ثاني أكسيد الكربون
- استخدام البرمجيات الحرة المتاحة تجاريا (على سبيل المثال، EddyPro15)لحساب تدفق EC التي تشمل تطبيقات التصحيح.
ملاحظة: تم اختيار هذا البرنامج بسبب تعقيده وشعبيته وسهولة استخدامه ويوصى به خاصة لغير الخبراء. - أولاً، قم بإنشاء مشروع جديد ثم في علامة التبويب معلومات المشروع، حدد تنسيق ملف البيانات الأولية واختر ملف بيانات التعريف. إذا تم الحصول على البيانات الأولية كملفات ".ghg"، يتم بالفعل تضمين ملف بيانات التعريف الفردية، ولا يلزم اتخاذ أي إجراء آخر. في حالات أخرى، استخدم خيار ملف بديل واكتب كافة المعلومات يدوياً.
ملاحظة: يحدد ملف بيانات التعريف ترتيب المتغيرات المقاسة ووحداتها وبعض المعلومات الإضافية المطلوبة لحساب التدفق. إذا تغير أي من تفاصيل الإعداد أو خصائص الموقع، تذكر تغييره في قسم بيانات التعريف. - انتقل إلى علامة التبويب معلومات التدفق، واختر مجموعة البيانات ودلائل الإخراج، وحدد تنسيق اسم الملف الخام، وتحقق من قائمة العناصر لحساب التدفق.
- انتقل إلى علامة التبويب خيارات المعالجة واختر إعدادات معالجة البيانات الأولية.
- اختيار طريقة لتصحيح قياسات مقياس الأنإيمومترات (طريقةالدوران)، والذي يسمح المحاسبة عن أي اختلال في مقياس شدة الريح الصوتية فيما يتعلق الرياح المحلية تبسيط15. وضع علامة على النهج 16 اللوح الأول (المقترحة للمواقع غير المثالية وغير المتجانسة).
- اختر نوع 0-1-2 من نهج وضع علامة17 (النهج الذي يعرض نتائج إجراء فحص الجودة).
- حدد طريقة البصمة المفضلة (منطقة التأثير على التدفقات المقاسة) (على سبيل المثال، نهج Kljun18). اترك كافة الإعدادات الأخرى دون تغيير (الخيارات الافتراضية).
ملاحظة: هنا يمكن للمرء أن يختار من قائمة الخيارات المتعلقة التصحيحات التي سيتم تطبيقها، طريقة حساب بصمة التدفقات أو بنية ملفات الإخراج. على الرغم من أنه يقترح عدم تغيير الخيارات القياسية أثناء التشغيل الأولي لبرنامج EC المحدد، باستثناء تلك المذكورة هنا.
- في حالة وجود أي مشاكل/أسئلة، استخدم الزر علامة الاستفهام (؟) بجوار خيار الاهتمام لمعرفة المزيد. تذكر أن المعلومات غير الصحيحة أو المفقودة في علامة تبويب واحدة سوف تمنع الانتقال إلى آخر.
- انقر فوق تشغيل وضع متقدم لبدء حساب التدفقات في النهاية. في حالة استخدام الإعدادات الافتراضية فقط، انقر فوق تشغيل وضع Express.
3. تصفية ومراقبة الجودة من التدفقات
- تجنب فقدان البيانات باستخدام خطة صيانة منتظمة. وفقا للقدرات الفردية، وأجهزة الاستشعار نظيفة في كثير من الأحيان ممكن باستخدام الماء أو المنظفات خفيفة.
- إجراء معايرة محللات الغاز مرة واحدة على الأقل كل 6 أشهر باستخدام معايير ثاني أكسيد الكربون (0 جزء في المليون وتركيز واحد على الأقل آخر، على سبيل المثال، 360 جزء في المليون). ما لا يقل عن 24 ساعة قبل كل معايرة، وتغيير CO2 و H2O وكلاء امتصاص (هيدروكسيد الصوديوم المغلفة السيليكا وبيركلورات المغنيسيوم، على التوالي) التي توجد في زجاجتين صغيرتين داخل رئيس الاستشعار.
ملاحظة: إجراء المعايرة سهل نسبيا ً ويوصف بشكل جيد في دليل محلل الغاز. في البرنامج المخصص لLI-7200 و LI-7500، هناك علامة تبويب، والتي تحتوي على جميع المبادئ التوجيهية خطوة بخطوة للعملية برمتها. في حالة وجود أي صعوبات، يمكن دائما إرسال محللات لمعايرة المصنع التي يقوم بها المنتج، ولكن ذلك يتطلب إزالة أجهزة الاستشعار ويؤدي إلى فجوات طويلة في مجموعة بيانات التدفق. - إنشاء ملف شائع (على سبيل المثال، .csv، .xlsx) يحتوي على كافة النتائج من برنامج حساب التدفق والقياسات المساعدة. تأكد من قياس المتوسطات المقابلة البالغة 30 دقيقة (التدفقات ومتغيرات الأرصاد الجوية) في نفس الوقت بالضبط.
ملاحظة: لتبسيط وتسريع إجراء التصفية، استخدم برامج إضافية (على سبيل المثال، Matlab أو برنامج R مجاني)، اعتماداً على مهارات المستخدمين، بدلاً من العمل في جدول بيانات. - تنفيذ كافة خطوات التصفية الموضحة أدناه (المقاطع 3.5 إلى 3.7) على البيانات من هذا الملف. استخدم أدوات التصفية إما في جدول البيانات (أو الدالة المضمنة "if") أو قم بإنشاء وظائف تصفية مخصصة باستخدام برامج أخرى.
- تحديد الظروف الجوية غير المواتية وأعطال الأجهزة.
- استخدم مؤشرات أداء الأداة لتصفية البيانات التي تتعرض للأخطاء بسبب التلوث بمحلل الغاز. للحصول على محلل المسار المغلق، تحقق من متوسط قيمة قوة الإشارة (ASS) الواردة في ملف الإخراج من برنامج حساب التدفقات. ثم، وضع علامة وتجاهل جميع التدفقات(co2_flux)تقاس أدناه، على سبيل المثال، ASS = 70٪ (عتبة أعلى بنسبة 10٪ مما هو مقترح في دليل الصك).
- اختياريا، تعيين نطاق ثابت للتدفقات، والذي يسمح استبعاد outliers (على سبيل المثال، من -15 إلى 15 μmol∙m-2∙s-1 في موقع Tlen I). إحدى الطرق الممكنة لإزالة التدفقات خارج النطاق الطبيعي هي استخدام حد 2-3 انحرافات قياسية من متوسط قيمة التدفق، محسوبة بشكل فردي لكل موسم.
ملاحظة: لا ينصح المؤلفون بشدة باستخدام نطاق مسبق كما هو الحال في موقع Tlen I من قبل غير متخصص. والنهج الإحصائي أكثر موثوقية وموضوعية. - التدفقات المهملة التي تقاس أثناء أي أحداث من أحداث الأمطار (أو أي نوع آخر من هطول الأمطار)؛ حذف التدفقات عند P ≥ 0.1 مم.
- حساب الظروف غير الملائمة لتطبيق طريقة التباين المشترك الدوامة.
- استخدام نتائج اختبار الحالة الثابتة واختبار الاضطرابات المتقدمة17،19 التي أجريت خلال حساب التدفقات في البرنامج (انظر الخطوة 2.4.2). تجاهل بيانات التدفق ذات الجودة الفقراء (قيم علامة CO 2: qc_co2_flux > 1) في ملف النتائج الشائعة.
- استخدم مؤشر فترة الليل (النهار = 0) الوارد في ملف الإخراج لتصفية قيم تدفقات ثاني أكسيد الكربون التي تقاس في الليل. رسم جميع التدفقات ليلا CO2 ضد قيم سرعة الاحتكاك المقابلة (ش* تقاس في نفس الوقت) والعثور على قيمة ش* التي توقفت هذه التدفقات زيادة.
- وضع علامة على القيمة التي تم الحصول عليها كعتبة سرعة الاحتكاك (u*thr)لاستخدامها كمقياس لظروف الاضطراب غير الكافية. تجاهل جميع تدفقات ثاني أكسيد الكربون مع القيم المقابلة u* < u* thr من مجموعة البيانات
ملاحظة: الطريقة المقدمة لك* thr تحديد هو أبسط ولكن أيضا الأكثر ذاتية. هناك عدد قليل، أكثر دقة، طرق معقدة وموثوق بها لتحديد عتبة سرعة الاحتكاك21،22 من التفتيش البصري البسيط الذي يمكن استخدامه هنا. أيضا، لا بد من الإشارة إلى أنه في مواقع غير متجانسة جدا تحديد ش* thr قد لا يكون من السهل. يجب النظر في بعض التدابير الأخرى في مثل هذه الحالات، والتي يتم وصفها بشكل جيد في الأدب3و4.
- قيود التمثيل المكاني للتدفق
- أولا، رسم الرياح ارتفع، التي تم الحصول عليها من القياسات أو من أقرب محطة للأرصاد الجوية، على خريطة المنطقة التي تم التحقيق فيها. تحديد قطاعات الرياح التي ينبغي استبعادها من التحليل النهائي (بسبب وجود أي عبء محتمل أو نوع نباتي مختلف عن التحقيق). استخدام طريقة مخصصة أو استخدام وظائف جاهزة من برامج رياضية أخرى (على سبيل المثال، وظيفة windRose في برنامج R).
- وفقا لتقدير البصمة المتكاملة للرياح المتقاطعة التي تم اختيارها أثناء حساب التدفقات (الخطوة 2.4.3)، حدد خصائص البصمة التي سيتم استخدامها لمزيد من التحليل(x_10٪، x_30٪، x_50٪، x_70٪ أو x مستوى _90%). وللتبسيط، توفر كل قيمة بصمة تبلغ 30 دقيقة معلومات عن المسافة (الرياح العاتية) إلى حافة المنطقة، التي نشأت منها الإشارة المقاسة (التدفق) مع مستوى احتمال معين.
ملاحظة: هنا تم اختيار قيم البصمة التي تمثل 70٪(x_70٪) احتمال كالحد الأقصى، حيث أن أعلى مستوى ممكن 90٪ في المواقع محدودة مكانيا يؤدي إلى الذهاب إلى أبعد من مجال التحقيق. - اختر قطاعات اتجاه الرياح التي تمثل موقع القياس بشكل أكبر. أن تفعل الشيء نفسه مع قيم البصمة، مع الأخذ في الاعتبار أن المسافة الأبعد (أعلى قيمة البصمة) لا يمكن أن تتجاوز منطقة الاهتمام (الشكل1). تصفية قيم التدفق التي لا تفي بكلا المتطلبات.
ملاحظة: بما أن موقع Tlen I الذي وقع بين منصات الغابة التي نجت من الإعصار، تم قبول قطاعين فقط من اتجاه الرياح كممثل: 30-90 درجة و210-300 درجة. وهكذا، استُبعدت جميع تدفقات ثاني أكسيد الكربون التي نشأت من المنطقة الواقعة خارج هذه القطاعات. وعلاوة على ذلك، ينبغي أن تكون المسافة إلى أقرب عبء (تشوه تدفق الهواء) أو نوع مختلف من النظم الإيكولوجية (مع ديناميات تبادل ثاني أكسيد الكربون الصافية المختلفة) في كل اتجاه هي الحد الأقصى للبصمة، وإن كان من المستحسن تخفيض هذه القيمة. وفي موقع تلن الأول الذي يقع في موقع مركزي، كانت المسافة إلى حواف الغابة الباقية على قيد الحياة هي حوالي 200-250 م؛ لذلك، تم تعيين عتبة البصمة المختارة إلى 200 متر على الأكثر وتطبيقها بالتساوي في كل اتجاه.
4. سد الفجوة وصافي تدفق تقسيم إلى ثاني أكسيد الكربون التنفس والامتصاص
- اختيار طريقة ملء فجوة تدفق ثاني أكسيد الكربون وتقسيمها إلى امتصاص (تدفقات الإنتاج الأولي الإجمالية للثاني أكسيد الكربون) والتنفس (تدفق التنفس في النظام الإيكولوجي [Reco]من عدة نُهُج شائعة الاستخدام، التي تشمل ثلاث مجموعات أساسية: نهج قائم على العمليات23،24،الأساليب الإحصائية25،26،واستخدام الشبكات العصبية27،28.
ملاحظة: بما أن المجموعتين الأوليين من الأساليب (النهج القائمة على العمليات والنُهُج الإحصائية) تُستخدمان على نطاق واسع في أوساط الأوساط العلمية، ويُوصَّر وصفها ومناقشتها بشكل جيد في المؤلفات وفي حالة هذه الأخيرة، يوصى باستخدامها في شبكة عالمية من التدفقات مواقع القياسات (FLUXNET) ومشروع النظام المتكامل لمراقبة الكربون (ICOS) (المبادرات الدولية التي تهدف إلى رصد الغازات النزرة، وجمع بيانات الجماعة الأوروبية وإنشاء بروتوكولات المعالجة المشتركة)، وأوصى استخدام كليهما هنا في بدايه. - وكمثال على النهج القائم على العمليات، اتبع الإجراء المتبع من شبكة البحوث الكندية Fluxnet (FCRN)23,24).
- حدد صافي تدفقات ثاني أكسيد الكربون (NEP) التي يتم قياسها خلال الفترات الليلية وكذلك جميع قيم التدفق من خارج موسم النمو. ويفترض أن تكون هذه التدفقات الإيكولوجية R تماما.
ملاحظة: للتمييز بين الليل وفترة النهار، يمكن أيضاً استخدام قيمة عتبة PPFD (على سبيل المثال، PPFD < 120 μmol∙m -2∙s-1 كمؤشر ليلي29). وعلاوة على ذلك، ولتقدير متى تبدأ فترة الغطاء النباتي وتنتهي، استخدمت طريقة حرارية بسيطة هنا: عندما كان متوسط الهواء اليومي (على ارتفاع 2 م) ودرجة حرارة التربة (على عمق 2 سم) أكبر من 0 درجة مئوية، لوحظت بداية موسم الغطاء النباتي وانتهت عندما ب انخفضت درجات الحرارة إلى أقل من 0 درجة مئوية مرة أخرى. في حالة الأنواع النباتية المختلفة، ينبغي استخدام عتبة درجة حرارة مختلفة فيما يتعلق بفسيولوجيا النباتات. بداية النشاط الضوئي يختلف عن الأشجار الصنوبرية ونفضي، والمحاصيل والأعشاب، والتي تأتي من حقيقة، أن الأنواع النباتية المختلفة تتفاعل بشكل مختلف لدرجة حرارة الهواء. - باستخدام درجة الحرارة (T) من التربة والهواء أو مزيج من الاثنين، وتحديد العلاقة بين درجة الحرارة وR الإيكولوجية. استخدام أي برنامج يسمح بتركيب الوظائف غير الخطية للبيانات (على سبيل المثال، برنامج Matlab). في المقام الأول، اختر أفضل نموذج انحدار مناسب (استخدم على سبيل المثال، معيار معلومات Akaike (AIC) لاتخاذ قرار بشأن الوظيفة التي تناسب أفضل للبيانات)؛ على الرغم من أن من الناحية العملية، واحدة من الوظائف الأكثر شيوعا هو نموذج لويد تايلور30:
حيث Reco هو قيمة تدفق
التنفس النظام الإيكولوجي، هو معدل التنفس في درجة حرارة مرجعية، Tالمرجع هو درجة الحرارة المرجعية، T هو الهواء المقاس أو درجة حرارة التربة، T0 هي درجة الحرارة التي هي عتبة للنشاط البيولوجي لبدء (المعلمة المقدرة للنموذج)، وE 0 هو المعلمة التي تصف طاقة التنشيط.
ملاحظة: في حالة إجراء FCRN، يتم تعيين بعض هذه المتغيرات مسبقاً: Tref و E0، والتي في حالة موقع Tlen I رمي الرياح كانت تساوي 283.25 K و 309 K، على التوالي. وتشير بعض الدراسات إلى استخدام درجة حرارة التربة التي تقاس في عمق الضحلة للعلاقة R eco vs. T 25، والتي بالنسبة للنباتات قصيرة يبدو أن الخيار الأفضل ، لأن جزءا كبيرا من الانبعاثات يأتي من التنفس المتهي من التربة والجذور. على عكس الغابات الشاهقة، فإن التنفس الذاتي من أوراق الشجر والفروع وبولي، مدفوعا ً بدرجة حرارة الهواء، لا يلعب دوراً رئيسياً (إذا كان موجوداً). - باستخدام وظيفة الانحدار R eco vs T التي تم الحصول عليها، قم بملء الفجوات في التدفقات NEP في فصل الليل وغير المتنامي وحساب قيمة الدالة للتدفقات المفقودة باستخدام قياسات درجة الحرارة المقابلة. لاحظ أنه في هذه الحالات Reco = NEP و GPP = 0. نفس الوظيفة مع درجات الحرارة أثناء النهار سوف تعطي التدفقات البيئية R النهار لكل قيمة نصف ساعة.
- حساب قيم GPP وفقا للمعادلة: GPP = NEP + Reco لكل تدفق NEP متاح خلال النهار في موسم النمو أو تعيين إلى الصفر خلال الليل والموسم غير المتنامي. ثم، العثور على العلاقة بين التدفقات PPFD وGPP. استخدم أي برنامج يسمح بتركيب الوظائف غير الخطية للبيانات. ثانية, هناك واحدة على نحو واسع يستعمل معادلة أن يحقّق هذا علاقة- [هبربولا] مستطيلة من [ميشليس-منتن], هنا في يعدّل شكل26:
حيث GPP هو متوسط 30 دقيقة متوسط القيمة الإجمالية لتدفق الإنتاج الأولي، α هو غلة الكم النظام الإيكولوجي،ويختار GPP هو معدل تدفق GPP في PPFD الأمثل (2000 μmol∙m-2∙s-1).
ملاحظة: استخدم الدالة التي تم الحصول عليها لنمذجة قيم GPP لقياس قيم تدفقات NEP في النهار والمتنامي. - في نهاية الإجراء بأكمله، استخدم التدفقات الإيكولوجية GPP وR على غرار لحساب قيم تدفقات NEP المفقودة على النحو التالي: NEP = GPP - Reco.
ملاحظة: يمكن ملء بعض الفجوات الصغيرة (عدد قليل من التدفقات المفقودة) بدالة انحدار خطي بسيط أو نهج متوسط متحرك أو أساليب إحصائية أخرى قبل إدخال النماذج. ويجب سد الثغرات في المتغيرات المساعدة (درجة الحرارة، والإشعاع الشمسي) قبل دخول النماذج. وبالتالي، فإن القياس المضروب لنفس المتغيرات أو المتغيرات البديلة مفيد، مما يساعد على تجنب الثغرات الكبيرة في مجموعات البيانات.
- حدد صافي تدفقات ثاني أكسيد الكربون (NEP) التي يتم قياسها خلال الفترات الليلية وكذلك جميع قيم التدفق من خارج موسم النمو. ويفترض أن تكون هذه التدفقات الإيكولوجية R تماما.
- لملء الثغرات ليس فقط في CO2 ولكن أيضا قيم تدفق EC الأخرى (الحرارة معقولة والكامنة)، وكذلك في عناصر الأرصاد الجوية الهامة، واستخدام أداة ReddyProc25 على الانترنت (متاح أيضا كحزمة برامج R).
ملاحظة: على النقيض من الطريقة السابقة، يتم تعبئة التدفقات NEP المفقودة أولاً ثم يتم تقسيم كل تدفق صافي نصف ساعة إلى GPP و Reco. نوع النموذج المستخدم لتقسيم التدفقات البيئية R هو نفسه كما هو الحال في التقنية السابقة.- لاستخدام أداة على الإنترنت، قم بإعداد البيانات وفقًا للقواعد المتعلقة بشكلها وترتيبها. وتشمل البيانات المطلوبة متوسطات 30 دقيقة من صافي ثاني أكسيد الكربون2 (NEP)، والحرارة الكامنة (LE) وتدفقات الحرارة المعقولة (H)، والعجز في بخار الماء (VPD) وقيم سرعة الاحتكاك المحسوبة باستخدام قياسات EC، فضلا عن التربة أو درجة حرارة الهواء (Tالهواء أو Tالتربة)، والإشعاع الشمسي الواردة (Rز)والرطوبة النسبية للهواء (RH).
- انتقل إلى صفحة المعالجة وملء جميع المعلومات المطلوبة فيما يتعلق بموقع القياس (الاسم والإحداثيات والارتفاع والمنطقة الزمنية).
- حدد ما إذا كان سيتم تقدير عتبة u* بالإضافة إلى ذلك مع هذا البرنامج (راجع الخطوتين 3.6.2 و 3.6.3)، أي طريقة لاستخدام والفترة الزمنية التي: السنة بأكملها أو بشكل منفصل لكل موسم.
- حدد طريقة واحدة أو كلا الطريقتين لتقسيم التدفقات الصافية (ليلا-25 أو النهار القائم31) وتشغيل عملية الحساب.
- مقارنة النتائج التي تم الحصول عليها من حيث كل من أداء الأسلوب في ملء فجوة تدفق NEP والتقسيم عن طريق خلق ثغرات اصطناعية في NEP، والتحقق من مدى دقة أنها كانت على غرار.
- حساب المجاميع اليومية والشهرية والسنوية لجميع التدفقات المملوءة بفجوة ثاني أكسيد الكربون بما في ذلك NEP وGPP وR eco، والتي يمكن على أساسها تتبع التغيرات في أداء النظام الإيكولوجي. استخدم الدالة الخاصة بالمستخدمين لتجميع هذه التدفقات بشكل منفصل في مجال الوقت المختار وتلخيص كافة القيم.
ملاحظة: في موقع Tlen I رمي الرياح، المجاميع السنوية، فضلا عن التدفقات الشهرية المسموح بها لتحليل ليس فقط صافي ديناميات تبادل ثاني أكسيد الكربون ولكن أيضا آليات الانتعاش بعد الاضطرابات من الغابة المدارة.
التنفس النظام الإيكولوجي، هو معدل التنفس في درجة حرارة مرجعية، Tالمرجع هو درجة الحرارة المرجعية، T هو الهواء المقاس أو درجة حرارة التربة، T0 هي درجة الحرارة التي هي عتبة للنشاط البيولوجي لبدء (المعلمة المقدرة للنموذج)، وE 0 هو المعلمة التي تصف طاقة التنشيط.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
ومن الخطوات الحاسمة في تصفية التدفقات ومراقبة الجودة في مواقع الجماعة الأوروبية غير المثالية تقييم التمثيل المكاني للتدفقات المقاسة. وأبسط طريقة لإجراء هذا التحليل، بالنظر إلى أن الحسابات قد أجريت باستخدام برامج حاسوبية تجارية تطبق على نطاق واسع، هي أن تشمل قياسات من المنطقة المرغوبة فقط، على أساس تقديرات اتجاه الرياح والبصمة (انظر الفرع 3-7). وهكذا، فإن مؤامرة الرياح، مع اتجاه الرياح المختارة وأقصى قدر من الامتداد المقبول من تدفق البصمة، ملحوظ كمضلعات مظللة، على خلفية صورة الأقمار الصناعية من موقع تولين الأول، ويظهر هنا كتمثيل مرئي لنتائج التحليل ( الشكل1).
ومن حيث المبدأ، تقاس سرعة الرياح وتركيز الغاز النزر بنظام التباين المشترك الدوامة، التي تستخدم بعد ذلك لحساب صافي تدفقات تبادل ثاني أكسيد الكربون (NEP). يجب أن تكون قيم التدفق الخام بعد معالجتها من أجل استبعاد الأخطاء والبيانات منخفضة الجودة. ويبين الشكل 2 نتائج إجراء التصفية على سبيل المثال لمدة سنة واحدة من قياسات تدفقات NEP من موقع Tlen I لرمي الرياح.
وتجدر الإشارة إلى أن الإجراء المقترح للتحقق من جودة التدفق وضمانه أدى إلى فقدان كبير للبيانات، إلى حد أكبر بكثير مما هو عليه في المواقع النموذجية للجماعة الأوروبية. وكان الانخفاض في تدفقات الطاقة النووية المقبولة، مقارنة بالمرحلة السابقة، مماثلاً في الفرعين 3-6 و3-7، في حين تم التخلص من أصغر عدد من نقاط البيانات بسبب الظروف الجوية غير المواتية وأعطال الأجهزة (الفرع 3-5). وقد أسفر الجزء الأخير من بروتوكول ضمان الجودة (قطاعا البصمة واتجاه الرياح المختاران) عن تغطية نهائية للبيانات لا تتجاوز 1/3 من جميع تدفقات الطاقة المتجددة الخام التي تقيسها الجماعة الأوروبية. بشكل عام، الخطوة 3.7 هي الجزء الأكثر أهمية من إجراء التصفية هنا، مؤكدا أن التدفقات التي تم الحصول عليها تمثل تبادل الغاز في المنطقة التي تم التحقيق فيها.
ويمكن في نهاية المطاف استخدام تدفقات NEP عالية الجودة لاستخلاص المجاميع اليومية أو الشهرية أو الموسمية أو السنوية. ومع ذلك، يجب سد الفجوة قبل كل إجراء. في الشكل 3، تظهر العلاقة بين تدفقات NEP ، والفجوة التي تم سدها باستخدام نهجين مختلفين: العملية المستندة إلى (FCRN) والطريقة الإحصائية (REddyProc).
يشير الانحدار الخطي البسيط المقدم إلى أن كلا الأسلوبين قابلان للمقارنة بشكل عام (تراجع هام إحصائيًا مع r2=0.89) وبالتالي يمكن استخدامه لملء فجوة التدفقات NEP، مما يعطي نتائج مماثلة بشكل مرضٍ (الانحدار خط المنحدر يساوي 0.90، مما يشير فقط 10٪ الفرق بين التدفقات ملء الفجوة في المتوسط). مع صافي قيم تدفق ثاني أكسيد الكربون فقط، لا يمكن أن يقال شيء عن الآثار الفردية للامتصاص (GPP) وعمليات التنفس (Reco). ولذلك، جنبا إلى جنب مع سد الفجوة، تم تحقيق ما يسمى إجراء تقسيم تدفق كذلك، باستخدام نفس الطريقتين. وترد المجاميع اليومية للتدفقات الإيكولوجية R في الشكل 4 كأمثلة على أداء طريقة مختلفة في تقسيم التدفقات الصافية لثاني أكسيد الكربون 2.
نتائج حساب التدفق البيئي R مع طريقتين مختلفتين، على الرغم من أن نفس النموذج من Reco vs T قد استخدم في كلتا الحالتين، هي أمثلة على مصدر محتمل للاستنتاجات الخاطئة فيما يتعلق بمساهمة التنفس إلى التدفقات NEP عموما أو بالتالي معدلات الامتصاص (التدفقات GPP). ومع ذلك، لا يمكن الإشارة بوضوح إلى الطريقة التي تعطي نتائج أكثر موثوقية دون تحليل إضافي بهذه الطريقة. ما يمكن القيام به، في رأينا، هو إما رسم التدفقات الليلية المقاسة ضد التدفقات الإيكولوجية R على غرار للنظر في الاختلافات، أو لمقارنة القيم المقدرة مع تدفقات التنفس تقاس مباشرة مع تقنية أخرى (على سبيل المثال، غرف). وقد تأتي الاختلافات في التدفقات الإيكولوجية النموذجية لـ R بين النهج المعروضة من حقيقة أن بعض البارامترات تُحدَّد في طريقة ما على أنها ثابتة، بينما تُقدَّر في الطريقة الأخرى. حتى تلك، التي لا تتغير في كلتا الحالتين (كدرجة حرارة مرجعية - Tref)، لم تكن هي نفسها في المثال المحدد (في FCRN Tref= 283.25 K، بينما في REddyProc Tref= 288.15 K). وقد تم ذلك عن قصد لجعل المستعملين المحتملين يدركون أنه حتى هذه التغييرات الطفيفة قد تؤدي إلى اختلافات كبيرة. والمسألة الأخرى هي أن النهج الإحصائي غير قادر على سد الثغرات الكبيرة بنجاح، وهو ما قد يكون سببا ً للقلق في حالة عرض موقع الجماعة الأوروبية غير المثالي، حيث لم يكن هناك سوى نصف تدفق اتّساع يُرك بعد إجراء التصفية والتحقق من الجودة. ونحن لا نحاول توفير "حل أفضل" لهذا التحليل، بل نعرض خيارات. ولا بد من إجراء تحقيق أكثر شمولا في هذه القضية.
الشكل 1: ارتفعت الرياح مؤامرة على خلفية منطقة موقع تلن الأول. تمثل المضلعات المظللة الزرقاء اتجاه الرياح المختار والمضلعات المظللة الحمراء داخلها تظهر قطاعات دائرة يبلغ نصف قطرها 200 متر (أقصى فترة مقبولة من تدفق التدفقات). الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 2: متوسط تدفقات الـ NEP البالغة 30 دقيقة في كل خطوة من خطوات تصفية البيانات (الموصوفة في البروتوكول)، على خلفية قيم تدفقات التدفقات الخام غير المجهزة. يتم إعطاء العدد النسبي لنقاط البيانات المتبقية بعد كل مرحلة في الجزء العلوي من كل قطعة. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 3: العلاقة بين تدفقات NEP، والفجوة المليئة بطريقة قائمة على العملية (FCRN) ونهج إحصائي (REddyProc أداة على الانترنت)، تقاس في موقع Tlen I رمي الرياح. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 4: مجاميع التدفقات اليومية للبيئة الإيكولوجية (Reco)التي يتم الحصول عليها من إجراء التقسيم، والتي يتم تنفيذها باستخدام طريقة قائمة على العمليات (FCRN) ونهج إحصائي (أداة REddyProc على الإنترنت) في موقع Tlen I لرمي الرياح. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
يعرض هذا البروتوكول طريقة التباين المشترك الدوامة (EC) لاستخدامها في المواقع غير المثالية (هنا موقع رمي الرياح المعاد تشجيره): موقع الموقع وقياس إعداد البنية التحتية، صافي ثاني أكسيد الكربون التدفقات الحسابية وما بعد المعالجة، فضلا عن بعض القضايا المتعلقة سد الفجوة والتدفقات تقسيم الإجراءات.
على الرغم من أن تقنية الجماعة الأوروبية تستخدم عادة في العديد من مواقع القياس في جميع أنحاء العالم، فإن معظمها نظم إيكولوجية غير مضطربة، حيث يمكن أن يتم التصميم ومعالجة البيانات التالية وفقاً للحلول القياسية (مثل بروتوكولات شبكة FLUXNET أو ICOS) ). وعلى الرغم من أنه ينبغي تخطيط هذه التجارب وتنفيذها بحذر خاص في مناطق صعبة ومحدودة من الناحية المكانية في كثير من الأحيان مثل مواقع رمي الرياح. وبالإضافة إلى ذلك، فإن القياسات في النظم الإيكولوجية المتنامية دينامياً ستتطلب، على المدى الطويل، تغييراً في ارتفاع نظام الجماعة الأوروبية في المستقبل، إلى جانب نمو الغطاء النباتي الجديد وتنميته. ولذلك، نوصي باستخدام بناء قاعدة فريدة من نوعها، وهو مبتكرة "برج صغير" مع الصاري التي تعمل كهربائيا، قابلة للتمديد. يسمح هذا الحل التقني بتلبية أحد المتطلبات الأساسية للطريقة نفسها: وضع نظام الجماعة الأوروبية في طبقة حدودية مختلطة، دون الحاجة إلى إعادة البناء أو إزالة الأدوات، مما قد يؤدي إلى مزيد من فقدان البيانات في المنضب بالفعل Dataset. وعلاوة على ذلك، فإن الصاري الكهربائي تتحرك بسهولة أيضا يجعل صيانة أجهزة الاستشعار في الموقع أسهل بكثير (على سبيل المثال، عندما يحتاج المرء لتنظيف المسار البصري للمحلل، يمكن جلب نظام EC كله وصولا الى المطلوب، وارتفاع مريحة). ومع ذلك، تجدر الإشارة إلى أن زيادة ارتفاع موضع الصك ستكون لها عواقب في توسيع نطاق منطقة التأثير (بصمة التدفق)، مما سيؤدي كذلك إلى استبعاد المزيد من البيانات بسبب عدم كفاية بصمة التدفق. وفي أسوأ الحالات، من المحتمل ألا تكون التدفقات المقاسة ممثلة للمنطقة التي تم التحقيق فيها أو حتى أن متطلبات طريقة الجماعة الأوروبية لن تُلب بعد الآن.
وموقع الموقع في منطقة متجانسة ومسطحة نسبيا، على النحو المبين في البروتوكول، هو الخيار الأكثر رغبة. وفي ظل هذه الظروف، تُهمل عموماً مسائل التأُهم. غير أنه إذا كانت منطقة الاهتمام تقع على أرض جبلية، فيجب أخذها في الاعتبار في تحليل التدفق المقاس، الذي ينطوي على معرفة أكثر تقدما يمكن اكتسابها.
البرنامج المقترح (EddyPro) لحساب التدفق من البيانات الخام عالية التردد، هو أداة مجانية ومعقدة وسهلة الاستخدام، مصممة لحساب تدفق EC. جميع المعادلات والتصحيحات المضمنة لها الخلفية العلمية والإشارات المقابلة إلى الأساليب المستخدمة تعطى15. وعلاوة على ذلك، يتم تعديله وتطويره باستمرار من قبل المتخصصين والعلماء من أجل تنفيذ أحدث حالة من المعرفة.
وبمجرد حساب تدفقات ثاني أكسيد الكربون المتوسطة زمنياً، يلزم معالجتها بعناية من أجل ضمان جودتها العالية وتمثيلها. أحد مصادر الأخطاء البروسية هي الاضطرابات في تشغيل الأدوات: هطول الأمطار، وحبوب اللقاح، والأوساخ، وترسب الجليد على نافذة محلل الغاز (محلل المسار المفتوح) أو داخل أنبوب المدخول (محللات مغلقة ومغلقة المسار)، والتي تؤثر على CO2 قياسات التدفقات. مثل هذه الأحداث يمكن أيضا تعطيل قياس سرعة الرياح إلى حد ما (مقياس شدة الريح الصوتية). وهكذا، في هذا البروتوكول، عرضت المراحل اللاحقة من تصفية تدفقات NEP، التي تكون فيها الخطوة الأخيرة ذات أهمية قصوى للمواقع غير المثالية والمحدودة من الناحية المكانية. على الرغم من أن عدد نقاط البيانات، بعد حساب قطاعاتاتجاه الرياح التمثيلية والبصمة، كان صغيرا جدا (الشكل 2)، يجب أن نتذكر أنه من الأهمية بمكان عدم إدراج إشارات "كاذبة"، قادمة من مناطق مختلفة من تلك التي نحن مهتمون بها. وعلى النقيض من الخطوتين الأوليين، فإن إجراء تصفية التدفق المذكور أعلاه (أساسا ً قيود اتجاه الرياح) لا يُستخدم عادة في مواقع الغابات في الجماعة الأوروبية، لأن موقع الموقع الذي لا يزعجه يُختار عادة بطريقة ضمان أفضل منطقة تمثيلية الممكن. ومن ناحية أخرى، تظهر مواقع رمي الرياح نتيجة لظواهر لا يمكن التنبؤ بها؛ ولذلك، يتعين تقديم بعض الحلول التوفيقية من أجل إجراء قياسات الجماعة الأوروبية في هذه المجالات ذات القيمة العلمية. على عكس هذه الدراسة، يمكن أن يكون لحدود البصمة المقترحة قيم مختلفة في اتجاهات الرياح المختلفة. ومن الجدير بالذكر أيضا أن هناك أنواعأخرى من تقديرات تمثيل التدفق من تلك المعروضة هنا (على سبيل المثال، 2D بصمة علم المناخ النهج32، وهو حر في استخدام على الانترنت ويعطي نتائج أكثر تعقيدا). وفي مثل هذه المواقع المعقدة، يمكن أن يكون هذا النهج أكثر فائدة في تحديد المجال الذي يتسم بأكبر تأثير على التدفقات المقاسة. غير أنه من أجل تبسيط المعالجة اللاحقة للتدفقات، المحسوبة باستخدام البرامجيات التجارية المختارة، تقرر استخدام المعلومات الواردة في ملفات نواتجها فقط.
أضعف نقطة في البروتوكول هو ملء الفجوة وتدفق وصف التقسيم. وقد تم تطوير الطريقتين المقترحتين بشكل فردي من قبل أخصائيين آخرين قبل تنفيذها هنا فقط كتقنيات مقترحة. ما هو أكثر من ذلك، يتطلب الأسلوب FCRN مساهمة أكثر بكثير من المستخدم نظراً لوجود أداة جاهزة لتنفيذ هذا الإجراء. ويتطلب التحليل المقارن للفجوة المقابلة المملوءة (NEP) والتدفقات المقسمة (GPP وR eco)،التي ربما كانت ذات أهمية أكبر بين المستخدمين المحتملين، إجراء تحقيق أكثر شمولاً لكي يكون قابلاً للتطبيق بالكامل ( الشكل 3 والشكل 4).
ولا يزال هناك مجال للتحسين فيما يتعلق بكل من التفاصيل التقنية لقياسات الجماعة الأوروبية ومعالجة البيانات المعروضة في هذا البروتوكول. أحد الاحتمالات المحتملة هو دمج طريقة معالجة وإحصائية لملء فجوة البيانات وتقسيمها (على سبيل المثال، طريقة ReddyProc لملء الفجوة ومن ثم FCRN لتقسيم التدفقات)، وفقا للاحتياجات الفردية، أو ببساطة استخدام العصبية نهج الشبكات.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
ويود المؤلفون أن يذكروا أن البروتوكول المقدم هو في معظمه تبسيط لمسائل معروفة ووصفها على نطاق واسع فيما يتعلق بقياسات الجماعة الأوروبية. وترد جميع الإشارات الكافية عند الاقتضاء. وكان هدفنا الرئيسي هو تعزيز استخدام هذه الطريقة، فضلا عن لدينا جديدة وفريدة من نوعها قابل للتعديل، والصاري تعمل كهربائيا لقياسات الجماعة الأوروبية، بين غير المتخصصين مع نهج خطوة بخطوة. ونأمل أن يجعل من الأسهل إدراك وتصور أنه مهما كانت المتطلبات الصارمة التي يتعين الوفاء بها، يمكن تطبيق تقنية الجماعة الأوروبية بصورة مرضية أيضا في النظم الإيكولوجية غير النموذجية والمحدودة مكانيا. ومع المؤلفات الواسعة بالفعل المتعلقة بنظرية الجماعة الأوروبية ومنهجيتها، يمكن أن يكون البروتوكول المقدم أيضاً تشجيعاً على زيادة اكتساب المعارف بشأن هذا الموضوع.
Acknowledgments
وقد تم دعم هذا البحث بتمويل من المديرية العامة للغابات الحكومية، وارسو، بولندا (مشروع جامعة الدول العربية، رقم OR-2717/27/11). ونود أن نعرب عن امتناننا لفريق البحوث بأكمله من قسم الأرصاد الجوية، جامعة بوزنان لعلوم الحياة، بولندا، الذي شارك في تنفيذ هذا البروتوكول ولمساعدتهم أثناء إنشاء نسخته البصرية.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Adjustable mast with metal rails and electric engine (24 V) | maszty.net | - | Alternative basic construction. To be designed and made by professionals |
| EddyPro | LI-COR, Inc. | ver. 6.2.0. | Free commercial software for fluxes calculation. Available on a website: https://www.licor.com/env/products/eddy_covariance/software.html, on request |
| Enclosed-path infrared gas analyzer | LI-COR, Inc. | LI-7200 | One of two instruments of the eddy covariance system (EC) used for CO2 fluxes measurements. Other types of fast analyzers (>10Hz sampling frequency) can be used |
| REddyProc | - | - | Free software for EC fluxes gap filling and partitioning. Available on Max Planck Institute for Biogeochmistry: https://www.bgc-jena.mpg.de/bgi/index.php/Services/REddyProcWeb. Both online tool and R package are provided. |
| Short aluminum tower base with concrete foundation | maszty.net | - | Alternative basic construction (pioneering solution). To be designed and made by professionals |
| Sonic anemometer | Gill Instruments | Gill Windmaster | One of two instruments of the eddy covariance system (EC) used for wind speed measurements. Other types of three-dimensional sonic anemometers can be used |
| Stainless-steel tripod | Campbel Scientific, Inc. | CM110 10 ft | The basic construction for eddy covariance (EC) system. Can be constructed by yourself- materials to be found in a hardware store |
| Sunshine sensor | Delta-T Devices Ltd. | BF5 | One of the exemplary instruments for photosynthetic photon flux density measurements (PPFD). To be bought from several commercial companies. Remember to place it above the canopy, far from reflective surfaces. |
| Thermistors | Campbel Scientific, Inc. | T107 | One of the exemplary instruments for soil temperature measurements. To be bought from several commercial companies. It is advisable to have a profile of soil temperature |
| Thermohygrometer | Vaisala Oyj | HMP155 | One of the exemplary instruments for air temperature and humidity measurements. To be bought from several commercial companies. Remember to place it inside radiation shield at similar height as the EC system. |
References
- Baldocchi, D. Measuring fluxes of trace gases and energy between ecosystems and the atmosphere - the state and future of the eddy covariance method. Global Change Biology. 20, 3600-3609 (2014).
- Aubinet, M., et al. Estimates of the annual net carbon and water exchange of European forests: the EUROFLUX methodology. Advances in Ecological Research. 30, 113-174 (2000).
- Aubinet, M., Vesala, T., Papale, D. A practical guide to measurements and Data Analysis. , Springer. Dordrecht, Heidelberg, London, New York. (2012).
- Burba, G. Eddy Covariance Method for: Scientific, Industrial, Agricultural, and Regulatory Applications. A Field Book on Measuring Ecosystem Gas Exchange and Areal Emission Rates. , LI-COR Bioscienses. Lincoln, Nebraska. (2013).
- Pan, Y., et al. A Large and Persistent Carbon Sink in the World’s Forests. Science. 333, 988-993 (2011).
- Wofsy, S. C., et al. Net exchange of CO2 in a midlatitude forest. Science. 260 (5112), 1314-1317 (1993).
- Luyssaert, S., et al. CO2 balance of boreal, temperate, and tropical forests derived from a global database. Global Change Biology. 13, 2509-2537 (2007).
- Knohl, A., et al. Carbon dioxide exchange of a Russian boreal forest after disturbance by wind throw. Global Change Biology. 8, 231-246 (2002).
- Lindauer, M., et al. Net ecosystem exchange over a non-cleared wind-throw-disturbed upland spruce forest-Measurements and simulations. Agricultural and Forest Meteorology. 197, 219-234 (2014).
- Schulze, E. D., et al. Productivity of forests in the Eurosiberian boreal region and their potential to act as a carbon sink - a synthesis. Global Change Biology. 5, 703-722 (1999).
- Mammarella, I., et al. Carbon dioxide and energy fluxes over a small boreal lake in Southern Finland. Journal of Geophysical Research-Biogeosciences. 120, 1296-1314 (2015).
- Vesala, T., et al. Eddy covariance measurements of carbon exchange and latent and sensible heat fluxes over a boreal lake for a full open water period. Journal of Geophysical Research-Biogeosciences. 111, 1-12 (2006).
- Burba, G., Anderson, D. A brief practical guide to Eddy Covariance Flux Measurements. Principles and workflow examples for scientific and industrial applications. , LI-COR Biosciences. Lincoln, Nebraska. (2010).
- Businger, J. Evaluation of the accuracy with which dry deposition could be measured with current micrometeorological techniques. Journal of Applied Meteorology and Climatology. 25, 1100-1124 (1986).
- Eddy Pro Software Instruction Manual. , LI-COR Biosciences. Lincoln, Nebraska. Available from: https://www.licor.com/documents/1ium2zmwm6hl36yz9bu4 (2017).
- Wilczak, J. M., Oncley, S. P., Stage, S. A. Sonic anemometer tilt correction algorithms. Boundary-Layer Meteorology. 99, 127-150 (2001).
- Foken, T., et al. Post-field quality control. Handbook of Micrometeorology: A Guide for Surface Flux Measurements. Lee, X. , Kluwer Academic. Dordrecht. (2004).
- Kljun, N., Rotach, M. W., Schmid, H. P. A three-dimensional backward Lagrangian footprint model for a wide range of boundary-layer stratifications. Boundary Layer Meteorology. 103, 205-226 (2002).
- Foken, T., Wichura, B. Tools for quality assessment of surface-based flux measurements. Agricultural and Forest Meteorology. 78, 83-105 (1996).
- Mauder, M., Foken, T. Impact of post-field data processing on eddy covariance flux estimates and energy balance closure. Meteorologische Zeitschrift. 15, 597-609 (2006).
- Gu, L., et al. Objective threshold determination for nighttime eddy flux filtering. Agricultural and Forest Meteorology. 128 (3-4), 179-197 (2005).
- Papale, D., et al. Towards a standardized processing of Net Ecosystem Exchange measured with eddy covariance technique: algorithms and uncertainty estimation. Biogeosciences. 3 (4), 571-583 (2006).
- Barr, A. G., et al. Interannual variability in the leaf area index of a boreal aspen-hazelnut forest in relation to net ecosystem production. Agricultural and Forest Meteorology. 126, 237-255 (2004).
- Krishnan, P., Black, T. A., Jassal, R. S., Chen, B., Nesic, Z. Interannual variability of the carbon balance of three different-aged Douglas-fir stands in the Pacific Northwest. Journal of Geophysical Research. 114, 1-18 (2009).
- Reichstein, M., et al. On the separation of net ecosystem exchange into assimilation and ecosystem respiration: Review and improved algorithm. Global Change Biology. 11, 1424-1439 (2005).
- Falge, E., et al. Gap filling strategies for defensible annual sums of net ecosystem exchange. Agricultural and Forest Meteorology. 107, 43-69 (2001).
- Ooba, M., Hirano, T., Mogami, J. I., Hirata, R., Fujinuma, Y. Comparisons of gap-filling methods for carbon flux dataset: A combination of a genetic algorithm and an artificial neural network. Ecological Modelling. 198, 473-486 (2006).
- Papale, D., Valentini, R. A new assessment of European forests carbon exchanges by eddy fluxes and artificial neural network spatialization. Global Change Biology. 9, 525-535 (2003).
- Baldocchi, D. D., Vogel, C. A., Hall, B. Seasonal variation of carbon dioxide exchange rates above and below a boreal jack pine forest. Agricultural and Forest Meteorology. 83, 147-170 (1997).
- Lloyd, J., Taylor, J. On the Temperature Dependence of Soil Respiration. Functional Ecology. 8, 315-323 (1994).
- Lasslop, G., et al. Separation of net ecosystem exchange into assimilation and respiration using a light response curve approach: critical issues and global evaluation. Global Change Biology. 16, 187-208 (2010).
- Kljun, N., Calanca, P., Rotach, M. W., Schmid, H. P. A simple two-dimensional parameterisation for Flux Footprint Prediction (FFP). Geoscientific Model Development. 8, 3695-3713 (2015).
