Summary
Il protocollo presentato utilizza il metodo della covarianza eddy in luoghi non tipici, applicabile a tutti i tipi di ecosistemi a baldacchino a corto raggio con area limitata, in un sito di lancio del vento attualmente riforestato in Polonia. Vengono descritti i dettagli relativi alla misurazione delle regole di configurazione del sito, dei calcoli del flusso e del controllo qualità e dell'analisi dei risultati finali.
Abstract
Questo protocollo è un esempio di utilizzo della tecnica della covarianza di eddy (EC) per studiare i flussi netti di CO2 (produzione nettica dell'ecosistema, NEP), in ecosistemi non tipici, su un'area di lancio del vento attualmente ribospolata in Polonia. Dopo un evento di tornado, è stato creato un "corridoio" relativamente stretto all'interno degli stand forestali sopravvissuti, il che complica questo tipo di esperimenti. L'applicazione di altre tecniche di misurazione, come il metodo della camera, è ancora più difficile in queste circostanze, perché soprattutto all'inizio, gli alberi caduti e in generale la grande eterogeneità del sito forniscono una piattaforma impegnativa da eseguire misurazioni del flusso e quindi aumentare correttamente i risultati ottenuti. Rispetto alle misurazioni standard della CE effettuate nelle foreste incontaminate, il caso delle aree di lancio del vento richiede una considerazione particolare quando si tratta della posizione del sito e dell'analisi dei dati al fine di garantire la loro rappresentatività. Pertanto, qui presentiamo un protocollo di misurazioni continue del flusso di CO2 in tempo reale in un sito CE in modo dinamico, non ideale, che include (1) la posizione del sito e la configurazione della strumentazione, (2) il calcolo del flusso, (3) il filtraggio rigoroso dei dati e controllo della qualità e (4) riempimento gap e partizionamento dei flussi di rete in risonanza e assorbimento della rete di CO 2. Il vantaggio principale della metodologia descritta è che fornisce una descrizione dettagliata dell'impostazione sperimentale e delle prestazioni di misurazione da zero, che può essere applicata ad altri ecosistemi spazialmente limitati. Può anche essere visto come un elenco di raccomandazioni su come gestire il funzionamento non convenzionale del sito, fornendo una descrizione per i non specialisti. I valori ottenuti in termini di qualità,di vuoto, di mezz'ora di CO 2 netta, nonché di flussi di assorbimento e respirazione, possono essere infine aggregati in totali giornalieri, mensili, stagionali o annuali.
Introduction
Al giorno d'oggi, la tecnica più comunemente utilizzatanegli studi di scambio di biossido di carbonio (CO 2) dell'ecosistema dell'atmosfera-territorio è la tecnica di covarianza esca (EC)1. Il metodo CE è stato utilizzato per decenni, e descrizioni complete delle questioni riguardanti tutti gli aspetti metodologici, tecnici e pratici sono già stati pubblicati2,3,4. Rispetto ad altre tecniche utilizzate per scopi analoghi, il metodo CE consente di ottenere i flussi netti di CO2 nella media spaziale e temporale da misurazioni automatiche e puntiche che considerano il contributo di tutti gli elementi in ecosistemi, invece di laboriose misurazioni manuali (ad esempio, tecniche da camera) o il requisito di prelevare molti campioni1.
Tra gli ecosistemi terrestri, le foreste svolgono il ruolo più significativo nel ciclo C e molte attività scientifiche si sono concentrate sullo studio del loro ciclo di CO2, sullo stoccaggio del carbonio nella biomassa legnosa e sulle loro relazioni reciproche con le mutevoli condizioni climatiche misurazione diretta o modellazione5. Molti siti della CE, tra cuiuno dei record di flusso più lunghi 6, sono stati istituiti sopra diversi tipi di foreste7. Di solito, la posizione del sito è stata accuratamente scelta prima dell'inizio delle misurazioni, con l'obiettivo dell'area più omogenea e più grande possibile. Anche se, nei siti forestali disturbati, come i getti di vento, il numero di stazioni di misurazione CE è ancora insufficiente8,9,10. Uno dei motivi è la difficoltà logistica nella misurazione della configurazione del sito e, soprattutto, un piccolo numero di posizioni improvvisamente che appaiono. Al fine di ottenere i risultati più informativi nelle aree di lancio del vento, è fondamentale iniziare il più presto possibile dopo un evento incidentale di questo tipo, che può causare ulteriori problemi. A differenza dei siti forestali incontaminati, le misurazioni CE nei siti di lancio del vento sono più impegnative e possono discostarsi dalle procedure già stabilite3. Poiché alcuni fenomeni eolici estremi creano aree spazialmente limitate, è necessaria un'attenta posizione della stazione di misurazione e un'attenta elaborazione dei dati al fine di ricavare il maggior numero possibile di valori di flusso affidabili. Difficoltà simili nell'applicazione di metodi CE (ad esempio, gli studi finish eseguiti al di sopra di un lago lungo ma stretto) in cui i flussi di CO2 misurati richiedevano un rigoroso filtraggio dei dati11,12 per assicurare la loro rappresentatività spaziale.
Di conseguenza, il protocollo presentato è un esempio dell'uso del metodo CE in luoghi non tipici, progettati non solo per le zone di lancio del vento, ma per tutti gli altri tipi di vegetazione corta con l'area limitata (ad esempio, terreni coltivati situati tra tipi di vegetazione più alti). Il più grande vantaggio della metodologia proposta è una descrizione generale di procedure complesse, che richiedono conoscenze avanzate, dalla scelta della posizione del sito e la strumentazione allestita fino al risultato finale: un set di dati completo di CO2 di alta qualità Flussi. La novità tecnica del protocollo di misurazione è l'uso di una costruzione di base unica per il posizionamento del sistema CE (ad esempio, treppiede con un'altezza definita che è una "mini torre" con un albero regolabile, azionato elettricamente, che consente di modificare l'altezza finale sensori in base alle esigenze individuali).
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Protocol
1. Configurazione della posizione del sito e della strumentazione
- Scegliere una posizione del sito di misurazione in terreni relativamente omogenei e pianeggianti per soddisfare i requisiti di base del metodo CE. Evitare luoghi con forme terrestri complicate (depressioni, pendenze) o situati vicino a ostacoli aerodinamici (ad esempio, supporti per alberi sopravvissuti), che possono distorcere il flusso d'aria.
- Controllare la composizione delle specie e la copertura delle piante. Scegli un luogo con le caratteristiche più simili: età e altezza del tipo di vegetazione principale.
- Se possibile, condurre alcune indagini aggiuntive sul suolo, che aiutano a scegliere l'area omogenea. Confrontare i tipi di terreno in alcune posizioni (profili del suolo), contenuto di carbonio e azoto del suolo, nonché le condizioni di umidità (ad esempio, utilizzando una griglia regolare per il campionamento del suolo). Evitare luoghi con caratteristiche eccezionali rispetto ai valori medi dell'indagine sul suolo.
- Prima di decidere dove posizionare gli strumenti, studiare le direzioni del vento prevalenti (idealmente per un anno prima della configurazione del sito), o analizzare i dati dalla stazione meteorologica più vicina. Se ci sono alcune restrizioni per quanto riguarda l'estensione dell'area di interesse, scegliere la posizione che si trova all'interno dei settori eolici prevalenti (upwind).
NOTA: Nel caso del sito polacco di lancio del vento, a causa della forma del percorso di tornado, si è deciso di posizionare la torre al centro della sua dimensione di larghezza (ca. 400-500 m) e il più lontano possibile dalla vicina piantagione di pino di pochi anni nella direzione est-ovest (ca. 200 m rom la torre ai loro bordi), dal momento che la direzione prevalente del vento era da nord-ovest a sud-ovest e da nord-est a est (Figura 1). - Decidere quale sistema EC utilizzare: percorso aperto o percorso chiuso (percorso chiuso - percorso chiuso con tubo di assunzione breve) analizzatore di gas infrarosso (o due di loro, se possibile). Ognuno ha vantaggi e svantaggi, ma in generale, entrambi sono affidabili per essere utilizzati su un campo. Utilizzare un anemometro sonoro ortogonale tridimensionale (3D). Per utilizzare il metodo CE, sono necessarie misurazioni ad alta frequenza, almeno 10 Hz nel caso di entrambi gli strumenti.
- Considerare che tipo di alimentazione è il più fattibile per essere utilizzato presso il sito (c'è una linea elettrica nelle vicinanze, pannelli solari o altro generatore di energia?). Se non esistono limitazioni, utilizzare l'analizzatore di gas percorso chiuso (o racchiuso).
NOTA: Un sistema a percorso aperto ha un consumo energetico molto inferiore, ma in ambienti difficili (tempo molto freddo, ghiaccio, luoghi piovosi) si tradurrà in una notevole perdita di dati di alta qualità. - Seguire le regole per posizionare entrambi gli strumenti uno rispetto all'altro13. Evitare di montare elementi non necessari vicini al sistema CE, che può distorcere il flusso d'aria.
NOTA: in questo esperimento sono stati utilizzati un analizzatore di percorso chiuso (Tabella dei materiali) e un anemometro sonoro 3D ( Tabella deimateriali).
- Considerare che tipo di alimentazione è il più fattibile per essere utilizzato presso il sito (c'è una linea elettrica nelle vicinanze, pannelli solari o altro generatore di energia?). Se non esistono limitazioni, utilizzare l'analizzatore di gas percorso chiuso (o racchiuso).
- Una volta scelta la posizione, posizionare un treppiede con un palo verticale (o un altro tipo di costruzione di base) per montare il sistema CE in cima. Impostare l'altezza degli strumenti considerando due requisiti di base: la rugosità della superficie studiata (in semplificazione dell'altezza della vegetazione esistente) e l'area di influenza (fetch/impronta - l'area "vista" dal sistema CE)4.
NOTA: nello sviluppo dinamico degli ecosistemi, come il sito di lancio del vento riforestato Tlen I, il cambiamento nel posizionamento degli strumenti con il tempo sarà necessario per soddisfare i requisiti del metodo CE. In alternativa di una costruzione di base per il sistema CE, è stata proposta un'infrastruttura innovativa (cioè "mini-torre"): una costruzione in alluminio di ancoraggio (1,5 m di altezza travapo rettangolare (W x L) 1 m x 1,2 m) con un albero (triangolare capriata 30 cm x 30 cm x 30 cm) in movimento all'interno della struttura lungo rotaie in acciaio, alimentate da un motore elettrico.- In primo luogo, montare entrambi gli strumenti del sistema CE su un palo metallico attaccato centralmente all'albero. Ricordatevi di posizionare l'anemometro sonico in una posizione perfettamente verticale. Inclinare leggermente l'analizzatore di gas per consentire all'acqua piovana di fuoricorrere facilmente.
- Elevare gli strumenti ad un'altezza doppio rispetto all'altezza del baldacchino dalla superficie del suolo, e almeno 1,5,2,0 m sopra la parte superiore del baldacchino4. Assicurarsi che la costruzione di base si trovi in un modo, che assicura che l'area studiata si estende almeno 100 volte l'altezza di un posizionamento sensore in ogni direzione14.
- Ricordarsi di installare la protezione contro i fulmini per una costruzione in metallo.
NOTA: Per ottenere la massima produzione dalla misurazione CE nel sito polacco di lancio del vento (Tlen I), sono stati fatti alcuni compromessi. Gli strumenti sono stati posizionati all'altezza di 3,3 m all'inizio dell'esperimento.
- Per ulteriori analisi di calcolo e flusso, misurare alcune variabili ausiliarie allo stesso tempo, tra cui almeno: temperatura dell'aria (Ta) e del suolo (Ts), umidità relativa (RH) dell'aria, densità fotonica del flusso foton (PPFD), radiazioni solari in entrata (Rg) e precipitazioni (P). Di solito, nei siti CE si ottiene anche un gran numero di altre variabili.
- Posizionare i sensori di radiazione (PPFD e Rg) a sud. Utilizzare un palo orizzontale per allontanarli dal treppiede. Controllare l'angolo di visualizzazione dei sensori e regolare la lunghezza del palo e l'altezza di montaggio per assicurarsi che venga visualizzata solo la superficie inattratta.
- Utilizzare sensori di temperatura dell'aria e umidità con scudi di radiazione, montati ad un'altezza simile a quella del sistema CE.
- Installare gli indicatori di pioggia ribaltabili (almeno due) in spazi relativamente aperti, vicino alla torre CE, a 1 m dal livello del suolo. Seppellire i sensori di temperatura del suolo a diverse profondità (tre o più a seconda del tipo di terreno). Ricordati di avere alcune ripetizioni per ogni profondità. Posizionare alcuni sensori al livello più superficiale possibile.
2. Calcolo del flusso di CO2
- Utilizzare software libero disponibile in commercio (ad esempio, EddyPro15) per il calcolo del flusso EC che include le applicazioni di correzione.
NOTA: Questo software è stato selezionato per la sua complessità, popolarità e user-friendliness ed è raccomandato soprattutto per i non esperti. - In primo luogo, creare un nuovo progetto e quindi nella scheda informazioni progetto, specificare il formato di file di dati non elaborati e scegliere il file di metadati. Se i dati non elaborati sono stati ottenuti come file ".ghg", il singolo file di metadati è già incorporato e non sono necessarie ulteriori azioni. In altri casi, utilizzare l'opzione di file alternativo e digitare tutte le informazioni manualmente.
NOTA: il file di metadati specifica l'ordine delle variabili misurate, le relative unità e alcune informazioni aggiuntive necessarie per il calcolo del flusso. Se i dettagli di installazione o le caratteristiche del sito cambiano, ricordarsi di modificarlo nella sezione dei metadati. - Vai alla scheda informazioni sul flusso, scegli il set di dati e le directory di output, specifica il formato del nome file non elaborato e controlla l'elenco degli elementi per il calcolo del flusso.
- Vai alla scheda Opzioni di elaborazione e scegli le impostazioni di elaborazione dei dati non elaborati.
- Scegliere il metodo per la correzione delle misure degli anemometri ( metododirotazione ), che consente di tenere conto di qualsiasi disallineamento dell'anemetro sonoro rispetto alla snella vento locale15. Selezionare il primo approccio di adattamento planare16 (suggerito per posizioni non ideali ed eterogenee).
- Scegliere il tipo 0-1-2 di politica di segnalazione17 (l'approccio che presenta i risultati di una procedura di controllo di qualità).
- Selezionare il metodo di impronta preferito (l'area dell'influenza sui flussi misurati) (ad esempio, l'approccio Kljun18). Lasciare invariate tutte le altre impostazioni (opzioni predefinite).
NOTA: Qui si può scegliere dall'elenco delle opzioni per quanto riguarda le correzioni da applicare, fluxes metodo di calcolo footprint o la struttura dei file di output. Anche se, si consiglia di non modificare le opzioni standard durante l'esecuzione preliminare del software CE selezionato, ad eccezione di quelle elencate qui.
- In caso di problemi/domande, utilizzare il pulsante punto interrogativo (?) accanto all'opzione di interesse per saperne di più. Ricorda che le informazioni errate o mancanti in una scheda impediranno il movimento a un'altra.
- Fare clic su Esegui una modalità avanzata per avviare il calcolo dei flussi alla fine. Se si utilizzano solo le impostazioni predefinite, fare clic su Esegui modalità rapida.
3. Filtraggio e controllo di qualità dei flussi
- Evitare la perdita di dati utilizzando un piano di manutenzione regolare. Secondo le capacità individuali, pulire i sensori il più frequentemente possibile utilizzando acqua o detergente delicato.
- Eseguire la calibrazione degli analizzatori di gas almeno una volta ogni 6 mesi utilizzando gli standard di CO2 (0 ppm e almeno un'altra concentrazione, ad esempio 360 ppm). Un minimo di 24 h prima di ogni calibrazione, cambiare gli agenti assorbenti CO2 e H2O (sodio idrossido rivestito di silice e perclorato di magnesio, rispettivamente) che sono presenti in due piccole bottiglie all'interno della testa del sensore.
NOTA: La procedura di calibrazione è relativamente semplice e ben descritta nel manuale dell'analizzatore di gas. Nel software dedicato a LI-7200 e LI-7500, c'è una scheda, che contiene tutte le linee guida passo-passo dell'intero processo. In caso di difficoltà, gli analizzatori possono sempre essere inviati per una calibrazione di fabbrica eseguita dal produttore, ma richiede lo sriduzione del sensore e si traduce in lunghe lacune nel set di dati di flusso. - Creare un file comune (ad esempio, .csv, .xlsx) che contenga tutti i risultati del software di calcolo del flusso e delle misurazioni ausiliarie. Assicurarsi che le medie di 30 min corrispondenti (flussi e variabili meteorologiche) siano misurate esattamente nello stesso momento.
NOTA: per semplificare e velocizzare la procedura di filtraggio, utilizzare programmi aggiuntivi (ad esempio, Matlab o software R gratuito), a seconda delle competenze degli utenti, anziché lavorare in un foglio di calcolo. - Eseguire tutti i passaggi di filtro descritti di seguito (sezioni 3.5-3.7) sui dati di questo file. Utilizzare uno degli strumenti di filtraggio nel foglio di calcolo (o nella funzione "if") incorporata o creare funzioni di filtro personalizzate utilizzando altro software.
- Determinare le condizioni meteorologiche sfavorevoli e i malfunzionamenti dello strumento.
- Utilizzare gli indicatori di prestazioni dello strumento per filtrare i dati sottoposti a errori dovuti alla contaminazione dell'analizzatore di gas. Per un analizzatore di percorsi chiusi, controllare il valore medio della potenza del segnale (ASS) indicato nel file di output dal software di calcolo dei fluxes. Quindi, contrassegnare e scartare tutti i flussi (co2_flux) misurati di seguito, ad esempio ASS - 70% (10% di soglia superiore a quello suggerito nel manuale dello strumento).
- Facoltativamente, impostare un intervallo costante per i flussi, che consente l'esclusione di outlier (ad esempio, da -15 a 15 mol -m-2s-1 sul sito Tlen I). Uno dei modi possibili per rimuovere i flussi al di fuori dell'intervallo normale consiste nell'utilizzare un limite di 2/3 deviazioni standard dal valore medio del flusso, calcolato singolarmente per ogni stagione.
NOTA: Gli autori non consigliano vivamente utilizzando una gamma priori come fatto nel caso di Tlen I sito da non specialisti. L'approccio statistico è molto più affidabile e obiettivo. - Eliminare i flussi misurati durante qualsiasi evento piovoso (o altro tipo di precipitazione); eliminare i flussi quando P è 0,1 mm.
- Tenere conto delle condizioni inadeguate per l'applicazione del metodo di covarianza di eddy.
- Utilizzare i risultati del test sullo stato costante e del test di turbolenza ben sviluppato17,19 eseguito durante il calcolo dei flussi nel software (vedere il passaggio 2.4.2). Eliminare i dati di flusso con scarsa qualità (valori di flag CO 2: qc_co2_flux > 1) nel file dei risultati comuni.
- Utilizzare l'indicatore del periodo di notte (giorno diurno - 0) indicato nel file di output per filtrare i valori dei flussi di CO2 misurati durante la notte. Tracciare tutta la notte dei flussi di CO2 rispetto ai corrispondenti valori di velocità di attrito (u- misurati allo stesso tempo) e trovare il valore u- a cui questi flussi hanno smesso di aumentare.
- Contrassegnare il valore ottenuto come soglia della velocità di attrito (u-thr) da utilizzare come misura di condizioni di turbolenza insufficienti. Eliminare dal set di dati tutti i flussi di CO2 2 con i corrispondenti valori u .thr
NOTA: Il metodo presentato per voila determinazione è la più semplice, ma anche la più soggettiva. Ci sono pochi, più precisi, complicati e affidabili metodi per definire la soglia di velocità di attrito21,22 rispetto alla semplice ispezione visiva che può essere utilizzata qui. Inoltre, va ricordato che in siti molto eterogenei che definiscono u-thr potrebbe non essere facile. Alcune altre misure devono essere prese in considerazione in questi casi, che sono ben descritte nella letteratura3,4.
- Vincoli di rappresentatività spaziale del flusso
- In primo luogo, tracciare il vento rosa, ottenuto da misurazioni o dalla stazione meteorologica più vicina, sulla mappa dell'area indagata. Specificare quali settori eolici devono essere esclusi dall'analisi finale (a causa dell'esistenza di eventuali oneri potenziali o di un tipo di vegetazione di tipo superiore a quello studiato). Utilizzare un metodo personalizzato o utilizzare funzioni pronte da altri software matematici (ad esempio, funzione windRose nel software R).
- Secondo la stima delle impronte integrate crosswind scelte durante il calcolo dei flussi (passaggio 2.4.3), decidere quale caratteristica dell'impronta verrà utilizzata per un'ulteriore analisi (x_10%, x_30%, x_50%, x_70% o x livello _90%. Per semplificare, ogni valore di impronta di 30 min fornisce informazioni su qual è la distanza (sopravento) al bordo dell'area, da cui il segnale misurato (flusso) ha avuto origine con un determinato livello di probabilità.
NOTA: Qui è stato scelto il limite dei valori di footprint che rappresentano il 70% (x_70%), poiché il livello più alto possibile del 90% nei siti spazialmente limitati si traduce in un andamento ben superiore all'area di indagine. - Scegli i settori di direzione del vento che sono più rappresentativi del sito di misurazione. Fate lo stesso con i valori dell'impronta, tenendo presente che la distanza più lontana (il valore di ingombro più alto) non può superare l'area di interesse (Figura 1). Filtrare i valori di flusso che non soddisfano entrambi i requisiti.
NOTA: Dal momento che il sito di Tlen I, situato tra gli stand forestali sopravvissuti al tornado, solo due settori di direzione del vento sono stati accettati come rappresentativi: 30-90 e 210-300. Pertanto, tutti i flussi diCO 2 provenienti dall'area al di là di questi settori sono stati esclusi. Inoltre, la distanza dall'onere più vicino (flusso d'aria distorto) o da un diverso tipo di ecosistema (con diverse dinamiche nette di scambio di CO 2) in ogni direzione dovrebbe essere il limite massimo di ingombro, anche se, si consiglia di diminuire questo valore. Nel sito di Tlen I, situato in posizione centrale, la distanza dai bordi della foresta sopravvissuta era di circa 200-250 m; pertanto, la soglia di ingombro scelta è stata impostata al massimo su 200 m e applicata equamente in ogni direzione.
4. Riempimento gap e partizionamento della rete in risonanza e assorbimento della rete di CO2
- Scegliere il metodo per il riempimento e il partizionamento del colore di coeT2 a controllo di qualità in assorbimento (flussi di produzione primaria lorda [GPP]) e di respirazione (respirazione dell'ecosistema [Reco] da diversi approcci di uso comune, che comprendono tre gruppi di base: approccio basato sui processi23,24, metodi statistici25,26e l'uso di reti neurali27,28.
NOTA: Poiché i primi due gruppi di metodi (approcci basati su processi e statistici) sono ampiamente utilizzati tra la comunità scientifica, ben descritta e discussa nella letteratura e nel caso di quest'ultima, si raccomanda di essere utilizzata in una rete globale di (FLUXNET) e il progetto ICOS (Integrated Carbon Observation System) (iniziative internazionali volte al monitoraggio dei gas traccia, alla raccolta di dati CE e alla creazione di protocolli di elaborazione comuni), l'uso di entrambi è stato inizio. - Come esempio dell'approccio basato sui processi, seguire la procedura descritta dalla Fluxnet Canada Research Network (FCRN23 del 23 o,24 Mi lasa' di).
- Selezionare i flussi NETti di CO2 (NEP) misurati durante i periodi notturni e tutti i valori di flusso al di fuori della stagione di crescita. Si presume che questi siano flussi completamente R eco.
NOTA: per distinguere tra il periodo notturno e quello diurno, è possibile utilizzare anche il valore della soglia PPFD (ad esempio, PPFD < 120 - m-2s-1 come indicatore di notte29). Inoltre, per stimare quando inizia e finisce il periodo vegetativo, è stato osservato un semplice metodo termico: quando l'aria media giornaliera (a 2 m di altezza) e la temperatura del suolo (a 2 cm di profondità) erano superiori a 0 gradi centigradi, l'inizio della stagione della vegetazione è stato notato e terminato quando b le temperature sono scese di nuovo al di sotto di 0 gradi centigradi. In caso di diverse specie di vegetazione, è necessario utilizzare una diversa soglia di temperatura per quanto riguarda la fisiologia delle piante. L'inizio dell'attività fotosintetica è diverso per gli alberi di conifere e decidue, le colture e le erbe, che deriva dal fatto che diverse specie di vegetazione reagiscono in modo diverso alla temperatura dell'aria. - Utilizzando la temperatura (T) del suolo, dell'aria o la combinazione dei due, determinare la relazione tra temperatura e Reco. Utilizzare qualsiasi software che consenta di adattare funzioni non lineari ai dati (ad esempio, il software Matlab). In Principal scegliere il modello di regressione di adattamento migliore (utilizzare ad esempio, Akaike information criterion (AIC) per decidere la funzione che si adatta meglio ai dati); anche se in pratica, una delle funzioni più comunemente utilizzate è un modello Lloyd-Taylor30:
dove Reco è il valore
del flusso respiratorio dell'ecosistema, è la frequenza respiratoria in una temperatura di riferimento, Tref è la temperatura di riferimento, T è l'aria misurata o la temperatura del suolo, T0 è la temperatura che è una soglia per l'avvio dell'attività biologica (parametro stimato del modello) ed E0 è il parametro che descrive l'energia di attivazione.
NOTA: Nel caso della procedura FCRN, alcune di queste variabili sono impostate in anticipo: Tref ed E0, che nel caso di Tlen I windthrow sito erano uguali a 283.25 K e 309 K, rispettivamente. Alcuni studi suggeriscono l'uso della temperatura del suolo misurata alla profondità più bassa per il rapporto Reco vs T 25, che per una vegetazione corta sembrava essere la scelta migliore, poiché gran parte delle emissioni provengono da la respirazione eterogenica dal suolo e dalle radici. A differenza della foresta alta, la respirazione autotrofica di fogliame, rami e boli, guidata dalla temperatura dell'aria, non svolge un ruolo importante (se presente). - Utilizzando la funzione di regressione Reco vs T ottenuta, colmare le lacune nei flussi NEP della stagione notturna e non in crescita e calcolare il valore della funzione per i flussi mancanti utilizzando le misurazioni della temperatura corrispondenti. Si noti che in questi casi Reco e NEP e GPP 0. La stessa funzione con temperature diurne darà diurni flussi R eco per ogni valore di mezz'ora.
- Calcolare i valori GPP in base all'equazione: GPP - NEP - Reco per ogni flusso NEP disponibile durante il giorno nella stagione di crescita o impostato a zero durante la notte e la stagione non in crescita. Quindi, trovare la relazione tra flussi PPFD e GPP. Utilizzare qualsiasi software che consenta di adattare funzioni non lineari ai dati. Ancora una volta, c'è un'equazione ampiamente utilizzata per raggiungere tale relazione- iperbole rettangolare di Michaelis-Menten, qui in una forma modificata26:
dove GPP è il valore medio di 30 min del flusso di produzione primaria lordo, la , è la resa quantica dell'ecosistema, e l'opt GPP è il tasso di flusso GPP ad un PPFD ottimale (2000 m-2s-1).
NOTA: Utilizzare la funzione ottenuta per modellare i valori GPP per i valori misurati di giorno, con valori di fluxNE NEP della stagione crescente. - Alla fine dell'intera procedura, utilizzare i flussi GPP e Reco modellati per calcolare i valori dei flussi NEP mancanti come segue: NEP - GPP - Reco.
NOTA: Alcuni piccoli spazi (alcuni flussi mancanti) possono essere riempiti con una semplice funzione di regressione lineare, un approccio medio in movimento o altri metodi statistici prima di entrare nei modelli. Le lacune nelle variabili acillari (temperatura, radiazione solare) devono essere colmate prima di entrare nei modelli. Pertanto, la misurazione moltiplicata delle stesse variabili o surrogate sono utili, contribuendo a evitare grandi lacune nei set di dati.
- Selezionare i flussi NETti di CO2 (NEP) misurati durante i periodi notturni e tutti i valori di flusso al di fuori della stagione di crescita. Si presume che questi siano flussi completamente R eco.
- Per colmare le lacune non solo nella CO2 ma anche in altri valori di flusso EC (calore sensibile e latente), nonché negli importanti elementi meteorologici, utilizzare lo strumento online ReddyProc25 (disponibile anche come pacchetto software R).
NOTA: A differenza del metodo precedente, i primi flussi NEP mancanti vengono riempiti e quindi ogni flusso netto di mezz'ora viene partizionato in GPP e Reco. Il tipo di modello utilizzato per il partizionamento dei flussi Reco è lo stesso della tecnica precedente.- Per utilizzare uno strumento online, preparare i dati in base alle regole relative al loro formato e ordine. I dati necessari comprendono medie di 30 minuti di CO2 netto (NEP), calore latente (LE) e calore sensibile (H) flussi, deficit di vapore acqueo (VPD) e valori di velocità di attrito calcolati utilizzando le misurazioni CE, nonché la temperatura del suolo o dell'aria (ariaT o suoloT), la radiazione solare in entrata (Rg) e l'umidità relativa dell'aria (RH).
- Vai alla pagina Elaborazione e inserisci tutte le informazioni necessarie relative al sito di misurazione (nome, coordinate, altitudine, fuso orario).
- Decidere se stimare la soglia u- in aggiunta con questo software (vedere i passaggi 3.6.2 e 3.6.3), quale metodo utilizzare e per quale periodo di tempo: l'intero anno o separatamente per ogni stagione.
- Selezionare uno o entrambi i metodi per il partizionamento dei flussi netti (nighttime-25 o day-based31)ed eseguire il processo di calcolo.
- Confronta i risultati ottenuti in termini di entrambe le prestazioni del metodo nel riempimento e partizionamento del gap di flusso NEP creando lacune artificiali in NEP e verifica quanto precisamente siano stati modellati.
- Calcolare i totali giornalieri, mensili e annuali di tutti i flussi di CO2 riempiti di vario tra cui NEP, GPP e Reco, sulla base dei quali è possibile tracciare i cambiamenti del funzionamento dell'ecosistema. Utilizzare la funzione degli utenti per aggregare questi flussi separatamente nel dominio temporale scelto e sommare tutti i valori.
NOTA: Nel sito di lancio del vento di Tlen I, i totali annuali, così come i flussi mensili hanno permesso di analizzare non solo le dinamiche nette di scambio di CO2, ma anche i meccanismi di recupero post-disturbo della foresta gestita.
del flusso respiratorio dell'ecosistema, è la frequenza respiratoria in una temperatura di riferimento, Tref è la temperatura di riferimento, T è l'aria misurata o la temperatura del suolo, T0 è la temperatura che è una soglia per l'avvio dell'attività biologica (parametro stimato del modello) ed E0 è il parametro che descrive l'energia di attivazione.
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Representative Results
Uno dei passi cruciali nel filtraggio del flusso e nel controllo della qualità in siti comunitari non ideali è la valutazione della rappresentatività spaziale dei flussi misurati. Il modo più semplice per eseguire tale analisi, dato che i calcoli sono stati effettuati utilizzando software commerciale ampiamente applicato, consiste nell'includere le misurazioni solo dall'area desiderata, sulla base della direzione del vento e delle stime dell'impronta (cfr. sezione 3.7). Così, la trama rosa vento, con una direzione del vento scelta e massima accettabile estensione dell'impronta flussi, contrassegnati come poligoni ombreggiati, sullo sfondo dell'immagine satellitare dal sito Tlen I, è mostrato qui come una rappresentazione visiva del risultato dell'analisi ( Figura 1).
In linea di principio, la velocità del vento e la concentrazione di gas traccia sono misurate dal sistema di covarianza eddy, che vengono poi utilizzati per calcolare i flussi netti di scambio di CO2 (NEP). I valori di flusso grezzi devono quindi essere post-elaborati per escludere errori e dati di bassa qualità. Figura 2 mostra i risultati di una procedura di filtraggio sull'esempio di un anno di misure di flussi NEP dal sito Windthrow Tlen I.
Va notato che la procedura proposta di controllo e garanzia della qualità del flusso ha comportato una notevole perdita di dati, in misura molto maggiore rispetto ai tipici siti della CE. La riduzione ai flussi NEP accettabili, rispetto alla fase precedente, è stata simile nelle sezioni 3.6 e 3.7, mentre il minor numero di punti dati è stato scartato a causa di condizioni meteorologiche sfavorevoli e malfunzionamenti dello strumento (sezione 3.5). L'ultima parte del protocollo di garanzia della qualità (settori dell'impronta scelta e della direzione del vento) ha prodotto una copertura finale dei dati solo 1/3 di tutti i flussi NEP grezzi misurati dalla CE. In generale, il passaggio 3.7 è la parte più importante della procedura di filtraggio, assicurando che i flussi ottenuti rappresentino lo scambio di gas dell'area indagata.
I flussi NEP di alta qualità possono essere finalmente utilizzati per ricavare totali giornalieri, mensili, stagionali o annuali. Tuttavia, devono essere colmate lacune prima di ogni azione. Nella Figura 3, viene illustrata la relazione tra flussi NEP, riempita utilizzando due approcci diversi: basato su processo (FCRN) e metodo statistico (REddyProc).
La regressione lineare semplice presentata suggerisce che in generale entrambe le tecniche sono comparabili (regressione statisticamente significativa con r2s 0,89) e quindi può essere utilizzata per il riempimento del gap dei flussi NEP, dando risultati soddisfacenti simili (la regressione pendenza della linea uguale a 0,90, che suggeriscono solo il 10% di differenza tra i flussi riempiti di gap in media). Con solo i valori netti di flusso di CO 2, non si può dire nulla sui singoli impatti dei processi di assorbimento (GPP) e respirazione (Reco). Pertanto, insieme al riempimento del gap, è stata realizzata anche la cosiddetta procedura di partizionamento del flusso, utilizzando gli stessi due metodi. I totali giornalieri dei flussi eco R sono presentati nella Figura 4 come esempi di due diverse prestazioni del metodo nel partizionamento dei flussi netti di CO2.
I risultati del calcolo del flusso ecologico R con due metodi diversi, anche se lo stesso modello di Reco vs T è stato utilizzato in entrambi i casi, sono esempi di una potenziale fonte di conclusioni errate per quanto riguarda un contributo di respirazione ai flussi NEP complessivi o di conseguenza ai tassi di assorbimento (flussi GPP). Tuttavia, non è possibile indicare chiaramente quale metodo fornisca risultati più affidabili senza ulteriori analisi in questo modo. A nostro avviso, ciò che si può fare è tracciare flussi notturni misurati rispetto ai flussi Eco R modellati per esaminare le differenze, o confrontare i valori stimati con i flussi respiratori direttamente misurati con altre tecniche (ad esempio, camere). Le differenze nei flussi eco R modellati tra gli approcci presentati possono derivare dal fatto che in un metodo alcuni parametri sono impostati come costanti, mentre nell'altro sono stimati. Anche quelli, che non cambiano in entrambi i casi (come temperatura di riferimento - Tref), non erano gli stessi in un dato esempio (in FCRN Tref: 283,25 K, mentre in REddyProc Tref- 288.15 K). E 'stato fatto apposta per rendere i potenziali utenti si rendono conto che anche tali lievi cambiamenti possono provocare discrepanze significative. L'altro problema è che un approccio statistico non è in grado di colmare con successo grandi lacune, il che nel caso di un sito comunitario non ideale, dove ne è rimasto solo 1/3 dei flussi misurati dopo il filtraggio e la procedura di controllo della qualità, potrebbe essere motivo di preoccupazione. Non cerchiamo di fornire una "soluzione migliore" con questa analisi, ma piuttosto opzioni attuali. In questo caso è necessario fare un'indagine più approfondita.
Figura 1: Trama di rosa dal vento sullo sfondo dell'area del sito di Tlen I. I poligoni ombreggiati blu rappresentano la direzione del vento scelta e i poligoni rossi ombreggiati al loro interno mostrano i settori di un cerchio con un raggio di 200 m (estensione massima accettabile dell'impronta dei flussi). Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2: Il corso di 30 min flussi NEP medi in ogni fase del filtraggio dei dati (descritto nel protocollo), sullo sfondo di valori neP grezzi non elaborati. Il numero relativo di punti dati rimanenti dopo ogni fase è indicato nella parte superiore di ogni grafico. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3: La relazione tra i flussi NEP, riempita con un metodo basato sul processo (FCRN) e un approccio statistico (strumento online REddyProc), misurato nel sito di Tlen I windthrow. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 4: I flussi giornalieri di respirazione dell'ecosistema (Reco) sono stati ottenuti dalla procedura di partizionamento, eseguiti con un metodo basato sul processo (FCRN) e un approccio statistico (strumento online REddyProc) nel sito di lancio del vento di Tlen I. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
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Discussion
Questo protocollo presenta il metodo eddy covariance (EC) da utilizzare in siti non ideali (qui un sito di lancio di vento ristrutturato): posizione del sito e misurazione dell'installazione dell'infrastruttura, calcolo e post-elaborazione dei flussi di CO2 netti, nonché alcuni problemi relativi gap filling e le procedure di partizionamento dei flussi.
Anche se la tecnica CE è comunemente utilizzata in molti siti di misurazione in tutto il mondo, la maggior parte di essi sono ecosistemi non disturbati, in cui la progettazione e la seguente elaborazione dei dati possono essere eseguite secondo soluzioni standard (ad esempio, protocolli di rete FLUXNET o ICOS ). Anche se, in aree così impegnative e spesso spazialmente limitate come i siti di lancio del vento, tali esperimenti dovrebbero essere pianificati ed eseguiti con particolare cautela. Inoltre, a lungo termine, le misurazioni in ecosistemi in crescita dinamica richiederebbero un cambiamento dell'altezza del sistema CE in futuro, insieme alla crescita e allo sviluppo della nuova vegetazione. Pertanto, si consiglia di utilizzare una costruzione di base unica, che è un innovativo "mini-torre" con un albero estensibile azionato elettricamente. Questa soluzione tecnica consente di soddisfare uno dei requisiti di base del metodo stesso: il posizionamento del sistema CE in uno strato limite misto, senza la necessità di ricostruzione o di sgomazione di strumenti, che può comportare ulteriori perdite di dati in già esauriti Dataset. Inoltre, l'albero elettrico facilmente in movimento rende molto più facile la manutenzione dei sensori sul sito (ad esempio, quando è necessario pulire il percorso ottico dell'analizzatore, l'intero sistema CE può essere portato a un'altezza desiderata e conveniente). Tuttavia, va notato, che l'aumento dell'altezza del posizionamento dello strumento avrà conseguenze nell'estensione di un'area di influenza (impronta di flusso), che si tradurrà ulteriormente in un maggior numero di dati esclusi a causa di un ingombro di flusso insufficiente. Nel peggiore dei casi, i flussi misurati probabilmente non sarebbero più rappresentativi per l'area indagata o anche i requisiti del metodo CE non sarebbero più soddisfatti.
La posizione del sito in un terreno relativamente omogeneo e pianeggiante, come descritto nel Protocollo, è l'opzione più desiderata. In tali condizioni, i problemi di advection sono generalmente trascurati. Tuttavia, se l'area di interesse si trova su un terreno collinare, deve essere presa in considerazione nell'analisi del flusso misurato, che implica conoscenze più avanzate da acquisire.
Il software suggerito (EddyPro) per il calcolo del flusso dai dati grezzi ad alta frequenza, è uno strumento gratuito, complesso e user-friendly, progettato per il calcolo del flusso EC. Tutte le equazioni e correzioni incorporate hanno lo sfondo scientifico e i riferimenti corrispondenti ai metodi utilizzati sono dati15. Inoltre, è costantemente regolato e sviluppato da specialisti-scienziati al fine di implementare lo stato più attuale delle conoscenze.
Una volta calcolati i flussi di CO2 mediamente mediati, essi devono essere elaborati con attenzione per assicurarne l'elevata qualità e la rappresentatività. Una delle fonti prosaiche di errori sono i disturbi nel funzionamento degli strumenti: precipitazioni, polline, sporcizia, deposizione di ghiaccio sulla finestra dell'analizzatore di gas (analizzatore a percorso aperto) o tubo di assunzione all'interno (analizzatore di percorso chiuso e chiuso), che influenzano CO2 misura dei flussi. Tali eventi possono anche interrompere la misurazione della velocità del vento in una certa misura (anemometro sonico). Così, in questo protocollo, sono state presentate le fasi successive del filtraggio dei flussi NEP, in cui l'ultimo passo è della più grande importanza per i siti non ideali e spazialmente limitati. Anche se il numero di punti dati, dopo aver tenuto conto dei settori rappresentativi di direzione del vento e dell'impronta, era molto ridotto (Figura2), va ricordato che è fondamentale non includere segnali "falsi", provenienti da aree diverse da quelle che sono interessati. A differenza dei primi due passaggi, la procedura di filtraggio del flusso di cui sopra (principalmente i vincoli di direzione del vento) non è comunemente utilizzata nei siti forestali della CE, poiché la posizione indisturbata del sito è di solito scelta in modo da garantire la migliore area rappresentativa possibile. I siti di lancio del vento, d'altra parte, appaiono come conseguenza di fenomeni imprevedibili; Pertanto, è necessario raggiungere alcuni compromessi per effettuare misurazioni CE in questi settori scientificamente validi. A differenza di questo studio, i limiti di impronta proposti possono avere valori diversi in diverse direzioni del vento. Vale anche la pena ricordare che ci sono altri tipi di stime di rappresentatività del flusso rispetto a quello qui presentato (ad esempio, approccio climatologia dell'impronta 2D32, che è libero di usare online e dà risultati più complessi). In siti così complicati, questo approccio può essere ancora più utile per specificare l'area di maggiore influenza sui flussi misurati. Tuttavia, per semplificare la post-elaborazione dei flussi, calcolata utilizzando un software commerciale scelto, si è deciso di utilizzare solo le informazioni fornite nei suoi file di output.
Il punto più debole del protocollo è il riempimento del gap e la descrizione del partizionamento del flusso. I due metodi suggeriti sono stati sviluppati individualmente da altri specialisti prima e implementati solo qui come tecniche proposte. Inoltre, il metodo FCRN richiede molto più contributo da parte dell'utente poiché non esiste uno strumento pronto per eseguire questa procedura. L'analisi comparativa dei corrispondenti flussi di gap (NEP) e suddivisi (GPP ed Reco),che avrebbero potuto essere di maggiore interesse tra i potenziali utenti, richiede un'indagine più approfondita per essere pienamente applicabile ( Figura 3 e Figura 4).
Vi è ancora un margine di miglioramento sia per quanto riguarda i dettagli tecnici delle misurazioni CE che il trattamento dei dati presentati in questo protocollo. Una potenziale possibilità è la fusione di metodo statistico e basato sull'elaborazione per il riempimento e il partizionamento delle lacune dei dati (ad esempio, il metodo ReddyProc per il riempimento delle lacune e quindi il fatto fcRN per il partizionamento dei flussi), in base alle esigenze individuali, o semplicemente all'uso di reti.
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Disclosures
Gli autori desiderano ricordare, che il protocollo presentato è per lo più una semplificazione di un problema ben noto e ampiamente descritto per quanto riguarda le misurazioni CE. Tutti i riferimenti sufficienti sono stati forniti quando necessario. Il nostro obiettivo principale era quello di promuovere l'uso di questo metodo, così come il nostro nuovo e unico albero regolabile e azionato elettricamente per le misurazioni CE, tra i non specialisti con un approccio passo-passo. Speriamo che sia più facile realizzare e immaginare che, tuttavia, per quanto requisiti rigorosi debbano essere soddisfatti, la tecnica comunitaria possa essere applicata in modo soddisfacente anche in ecosistemi non tipici e spazialmente limitati. Con la già ampia letteratura sulla teoria e la metodologia della CE, il protocollo presentato può potenzialmente essere anche un incoraggiamento a un'ulteriore acquisizione di conoscenze su questo argomento.
Acknowledgments
Questa ricerca è stata sostenuta da finanziamenti della Direzione generale delle foreste di Stato, Varsavia, Polonia (progetto LAS, No OR-2717/27/11). Vorremmo esprimere la nostra gratitudine all'intero gruppo di ricerca del Dipartimento di Meteorologia, dell'Università di Scienze della Vita di Poznan, Polonia, coinvolto in questa implementazione del protocollo e il loro aiuto durante la creazione della sua versione visiva.
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
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