Summary
Представленный протокол использует метод вихревого коварства в нетипичных местах, применимых ко всем типам экосистем с коротким навесом с ограниченной площадью, на лесовосстановленном участке в Польше. Описаны подробные сведения об измерении правил настройки сайта, расчетах потока и контроле качества, а также анализе конечных результатов.
Abstract
Этот протокол является примером использования метода вихревого ковариантного исследования (EC) для исследования пространственно и временно усредненных чистых потоков CO2 (чистое производство экосистем, НЭП) в нетипичных экосистемах, на территории, в настоящее время лесовосстановленной области в Польше. После торнадо в сохранившихся лесных стендах был создан относительно узкий «коридор», что усложняет подобные эксперименты. Применение других методов измерения, таких как метод камеры, является еще более трудным в этих обстоятельствах, потому что особенно в начале, поваленные деревья и в целом большая неоднородность сайта обеспечивают сложную платформу для выполнения измерения потока, а затем должным образом высококлассные полученные результаты. По сравнению со стандартными измерениями ЕС, проведенными в нетронутых лесах, случай ветровых зон требует особого внимания, когда речь идет о местоположении и анализе данных на объекте, с тем чтобы обеспечить их репрезентативность. Таким образом, здесь мы представляем протокол в режиме реального времени, непрерывный CO2 измерения потока на динамически меняющихся, неидеальный сайт ЕС, который включает в себя (1) расположение сайта и приборов установки, (2) flux вычислений, (3) строгий фильтрации данных и контроль качества, а также (4) заполнение пробелов и чистые потоки, разделивающиеся на дыхание и поглощение CO 2. Основным преимуществом описанной методологии является то, что она содержит подробное описание экспериментальной установки и измерительных показателей с нуля, которые могут быть применены к другим пространственно ограниченным экосистемам. Его также можно рассматривать как список рекомендаций о том, как бороться с нетрадиционной эксплуатацией сайта, предоставляя описание для неспециалистов. Полученные проверенные качество, заполненные пробелы, получасовые значения чистых CO2,а также абсорбционные и всасочные потоки, могут быть, наконец, агрегированы в ежедневные, ежемесячные, сезонные или годовые итоги.
Introduction
В настоящее время наиболее часто используемый метод в атмосфере-земля экосистемы двуокиси углерода (CO2) обмен исследований является eddy covariance (EC) техника1. Метод ЕК используется десятилетиями, а исчерпывающие описания вопросов, касающихся всехметодологических, технических и практических аспектов, уже опубликованы 2,3,4. По сравнению с другими методами, используемыми для аналогичных целей, метод ЕС позволяет получать пространственно и временно усредненные чистые потоки CO2 от автоматических, точечных измерений, которые учитывают вклад всех элементов в сложных экосистемы, вместо трудоемких, ручные измерения (например, камерные методы) или требование взятия многих образцов1.
Среди наземных экосистем леса играют наиболее значительную роль в цикле C, и многие научные мероприятия были сосредоточены на изучении их цикла CO 2, хранения углерода в древесной биомассе и их взаимоотношений с изменением климатических условий как прямое измерение, так и моделирование5. Многие сайты ЕС, в том числе один из самых длинных записей потока6, были созданы выше различных типов лесов7. Как правило, местоположение участка тщательно подбиралось до начала измерений с целью самой однородной и самой большой возможной области. Хотя, в нарушенных лесных участков, таких как ветропарки, количество ec измерительных станций по-прежнему недостаточно8,9,10. Одной из причин этого являются материально-технические трудности в измерении установки сайта и, прежде всего, небольшое число внезапно появляющихся мест. Для того, чтобы получить наиболее информативные результаты в районах ветра, очень важно, чтобы начать как можно скорее после такого случайного события, которое может вызвать дополнительные проблемы. В отличие от нетронутых лесных участков, измерения ЕС на участках ветромета являются более сложными и могут отклоняться от уже установленных процедур3. Поскольку некоторые экстремальные явления ветра создают пространственно ограниченные области, существует необходимость в продуманном местоположении станции измерения и тщательной обработке данных, чтобы получить как можно больше надежных значений потока, насколько это возможно. Аналогичные трудности в применении метода ЕС имели место (например, завершение исследований, выполненных над длинным, но узким озером), где измеренные потоки CO2 требовали строгой фильтрации данных11,12 для того, чтобы гарантировать их пространственной репрезентативности.
Таким образом, представленный протокол является примером использования метода ЕС в нетипичных местах, предназначенных не только для ветровых зон, но и для всех других видов короткой растительности с ограниченной площадью (например, пахотные угодья, расположенные между более высокими типами растительности). Самым большим преимуществом предлагаемой методологии является общее описание сложных процедур, требующих углубленных знаний, от выбора местоположения и приборов, установленных до окончательного результата: полный набор данных высококачественного CO2 Потоков. Технической новизной измерительного протокола является использование уникальной базовой конструкции для размещения системы ЕС (например, штатив с определенной высотой, которая является «мини-башней» с регулируемой, электрически управляемой мачты, что позволяет изменить конечную высоту датчиков в соответствии с индивидуальными потребностями).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Установка местоположения и приборов
- Выберите место расположения места измерения в относительно однородной и плоской местности, чтобы соответствовать основным требованиям метода EC. Избегайте мест со сложными формами земли (депрессии, склоны) или расположенных вблизи аэродинамических препятствий (например, сохранившихся деревьев), которые могут исказить поток воздуха.
- Проверьте видовой состав и покрытие растений. Выберите место с наиболее схожими характеристиками: возраст и высота основного типа растительности.
- По возможности проведите дополнительные исследования почвы, которые помогают выбрать однородную область. Сравните типы почв в нескольких местах (профили почвы), содержание углерода и азота в почве, а также условия влажности (например, используя регулярную сетку для отбора проб почвы). Избегайте мест с выдающимися характеристиками по сравнению со средними значениями, полученными в ходе исследования почвы.
- Прежде чем решить, где разместить приборы, исследуйте преобладающие направления ветра (в идеале за год до установки участка), или проанализируйте данные с ближайшей метеорологической станции. Если существуют некоторые ограничения в отношении масштабов области, представляющей интерес, выберите место, которое находится в пределах преобладающих ветровых секторов (вверх).
ПРИМЕЧАНИЕ: В случае польского участка ветромета, в связи с формой траектории торнадо, было решено разместить башню в середине ее ширины (около 400-500 м) и как можно дальше от соседней, несколько-летней сосновой плантации, насколько это возможно в восточно-западном направлении (около 200 м f rom башни к их краям), в виду того что превалируя направление ветра было от северо-запада к зюйз-западу и от северо-востока к востоку(рисунок 1). - Решите, какую систему ЕС использовать: открытый путь или закрытый путь (закрытый путь - закрытый путь с короткой входним трубоукладчиком) инфракрасный анализатор газа (или два из них, если это возможно). Каждый из них имеет преимущества и недостатки, но в целом, оба являются надежными для использования на поле. Используйте трехмерный (3D) ортогонаальный звуковой анемометр. Для использования метода EC требуется высокочастотные измерения - не менее 10 Гц в случае обоих инструментов.
- Рассмотрим, какой источник питания является наиболее возможным для использования на сайте (есть ли линия электропередачи поблизости, солнечные панели или другой генератор энергии?). Если нет ограничений, используйте анализатор газа замкнутого пути (или закрытый) путь.
ПРИМЕЧАНИЕ: Система открытых путей имеет гораздо более низкое энергопотребление, но в суровых условиях (очень холодная погода, обледенение, дождливые места) это приведет к значительной потере высококачественных данных. - Следуйте правилам, чтобы позиционировать оба инструмента по отношению друг к другу13. Избегайте установки ненужных элементов вблизи системы ЕС, которые могут исказить поток воздуха.
ПРИМЕЧАНИЕ: Закрытый анализатор путей (Таблица материалов) и 3D звуковой анемометр (Таблица материалов) были использованы в этом эксперименте.
- Рассмотрим, какой источник питания является наиболее возможным для использования на сайте (есть ли линия электропередачи поблизости, солнечные панели или другой генератор энергии?). Если нет ограничений, используйте анализатор газа замкнутого пути (или закрытый) путь.
- Как только место выбрано, поместите штатив с вертикальным полюсом (или другим видом базовой конструкции), чтобы смонтировать систему EC сверху. Установите высоту приборов с учетом двух основных требований: исследованная шероховатость поверхности (в упрощении высоты существующей растительности) и область влияния (fetch/footprint - область, "видимая" системой ЕС)4.
ПРИМЕЧАНИЕ: При динамично развивающихся экосистемах, таких как лесовосстановление ветромета tlen I, изменение размещения инструментов со временем будет необходимо для удовлетворения требований метода ЕС. В качестве альтернативы базовой конструкции для системы ЕС здесь была предложена инновационная инфраструктура (т.е. "мини-башня": якорная алюминиевая конструкция (1,5 м прямоугольной фермы (W x L) 1 м х 1,2 м) с мачтой (треугольная ферма 30 см х 30 см). внутри конструкции вдоль стальных рельсов, питание от электродвигателя.- Во-первых, смонтировать оба инструмента системы EC на металлическом столбе, прикрепленном централизованно к мачте. Не забудьте поместить звуковой анемометр в совершенно вертикальное положение. Наклоните анализатор газа слегка, чтобы дождевая вода легко убежала.
- Поднимите приборы на высоту в два раза высоту навеса с поверхности почвы, и по крайней мере 1,5-2,0 м над верхней частью навеса4. Убедитесь, что базовое сооружение расположено таким образом, что гарантирует, что исследуемая область простирается по крайней мере в 100 раз высоту размещения датчика в каждом направлении14.
- Не забудьте установить молниезащиту для металлической конструкции.
ПРИМЕЧАНИЕ: Для достижения максимального выхода из измерения ЕС в польском сайте ветромета (Tlen I), некоторые компромиссы были сделаны. В начале эксперимента приборы были размещены на высоте 3,3 м.
- Для дальнейшего анализа вычислений и потока измерьте некоторые вспомогательные переменные одновременно, в том числе, по крайней мере: температура воздуха (Ta) и почвы (Ts), относительная влажность (RH) воздуха, плотность фотосинтетического фотонного потока (PPFD), входящие солнечные излучения (Rg) и осадков (P). Как правило, на сайтах ЕС также получается большое количество других переменных.
- Поместите датчики излучения (PPFD и Rg) на юг. Используйте горизонтальный полюс, чтобы переместить их от штатива. Проверьте угол обзора датчиков и отрегулируйте длину полюса и высоту крепления, чтобы убедиться, что видна только исследуемая поверхность.
- Используйте датчики температуры воздуха и влажности с радиационными щитами, установленными на той же высоте, что и система EC.
- Установите опрокидывающиеся датчики дождя (по крайней мере два) на относительно открытых пространствах, рядом с башней ЕС, на 1 м над уровнем земли. Закопать датчики температуры почвы на нескольких различных глубинах (три или более в зависимости от типа почвы). Помните, чтобы иметь некоторые повторения для каждой глубины. Поместите некоторые датчики на самом мелком уровне.
2. Вычисление потока CO2
- Используйте коммерчески доступные свободные программы (например, EddyPro15) для вычислений потока еС, включающие приложения коррекции.
ПРИМЕЧАНИЕ: Это программное обеспечение было выбрано из-за его сложности, популярности и дружелюбия пользователей и рекомендуется специально для не-экспертов. - Сначала создайте новый проект, а затем во вкладке «Информация о проекте», укажите формат файла исходного файла данных и выберите файл метаданных. Если необработанные данные были получены в виде файлов ".ghg", отдельный файл метаданных уже встроен, и никаких дальнейших действий не требуется. В других случаях используйте альтернативный вариант файла и введите всю информацию вручную.
ПРИМЕЧАНИЕ: Файл метаданных определяет порядок измеренных переменных, их единиц и некоторую дополнительную информацию, необходимую для вычислений потока. Если какая-либо из деталей настройки или характеристики сайта изменится, не забудьте изменить ее в разделе метаданных. - Перейдите на вкладку info flux, выберите набор данных и каталоги вывода, укажите формат необработанного имени файла и проверьте список элементов для вычислений потока.
- Перейдите к вкладке параметры обработки и выберите необработанные настройки обработки данных.
- Выберите метод коррекции измерений анемометров (методвращения), который позволяет учитывать любое несоответствие звукового анемометра по отношению к локальной линии ветра15. Тик первый планарный подход16 (предлагается для неидеальных, неоднородных мест).
- Выберите 0-1-2 тип политики маркировки17 (подход, который представляет результаты процедуры проверки качества).
- Выберите предпочтительный метод следова (область влияния на измеренные потоки) (например, подход Kljun18). Оставьте все остальные настройки без изменений (параметры по умолчанию).
ПРИМЕЧАНИЕ: Здесь можно выбрать из списка вариантов, касающихся исправлений, которые будут применяться, метод расчета следов потока или структура выходных файлов. Хотя, предлагается не менять стандартные параметры во время предварительного запуска выбранного программного обеспечения ЕС, за исключением перечисленных здесь.
- В случае каких-либо проблем / вопросов, используйте кнопку вопросительный знак (?) рядом с опцией интереса, чтобы узнать больше. Помните, что неверная или недостающая информация в одной вкладке предотвратит движение к другой.
- Нажмите Выполнить Расширенный режим, чтобы начать вычисления потока в конце. В случае использования только настроек по умолчанию нажмите «Выполнить экспресс-режим».
3. Фильтрация и контроль качества потока
- Избегайте потери данных, используя регулярный план обслуживания. В соответствии с индивидуальными возможностями, чистые датчики как можно чаще с помощью воды или мягкого моющего средства.
- Проводить калибровку газоанализаторов не реже одного раза в 6 месяцев с использованием стандартов CO2 (0 промилле и по крайней мере еще одна концентрация, например, 360 промилле). Минимум 24 ч перед каждой калибровкой изменяйте поглощающие вещества CO2 и H2O (гидроксид натрия с кремнием и перхлорат магния, соответственно), которые присутствуют в двух небольших бутылках внутри сенсорной головки.
ПРИМЕЧАНИЕ: Процедура калибровки относительно проста и хорошо описана в руководстве по анализу газа. В программном обеспечении, посвященном LI-7200 и LI-7500, есть вкладка, которая содержит все пошаговые рекомендации всего процесса. В случае каких-либо трудностей, анализаторы всегда могут быть отправлены на заводскую калибровку, выполненную производителем, но это требует демонтации датчика и приводит к длительным заметам в наборе данных потока. - Создайте общий файл (например, .csv, .xlsx), который содержит все результаты программного обеспечения расчета потока и вспомогательных измерений. Убедитесь, что соответствующие 30-минутные средние значения (флюсы и метеорологические переменные) измеряются в одно и то же время.
ПРИМЕЧАНИЕ: Чтобы упростить и ускорить процедуру фильтрации, используйте дополнительные программы (например, Matlab или бесплатное программное обеспечение R), в зависимости от навыков пользователей, а не работать в электронной таблице. - Выполните все этапы фильтрации, описанные ниже (разделы 3.5-3.7) на данных из этого файла. Используйте либо инструменты фильтрации в электронной таблице (или встроенные функции "если") или создавайте пользовательские функции фильтрации с использованием другого программного обеспечения.
- Определите неблагоприятные погодные условия и неисправности приборов.
- Используйте показатели производительности прибора для фильтрации данных, подвергаемых ошибкам из-за загрязнения газоанализатором. Для анализатора замкнутого пути проверьте среднее значение силы сигнала (ASS), приведенное в выходном файле из программного обеспечения расчета потока. Затем отметьте и отбросьте все потоки(co2'flux),измеренные ниже, например, ASS 70% (10% выше порога, чем предлагается в руководстве прибора).
- Дополнительно установите постоянный диапазон для флюсов, что позволяет исключить выбросы (например, от -15 до 15 моль-2-1 на сайте Tlen I). Одним из возможных способов удаления потоков за пределами нормального диапазона является использование лимита стандартных отклонений в 2,3 от среднего значения потока, рассчитанного индивидуально для каждого сезона.
ПРИМЕЧАНИЕ: Авторы настоятельно не советуют использовать априори диапазон, как это делается в случае Tlen I сайт неспециалист. Статистический подход является гораздо более надежным и объективным. - Отбрасывается потоки, измеряемые во время любых дождевых событий (или других видов осадков); удалять флюсы, когда P 0,1 мм.
- Учет неподходящих условий для применения метода эдди ковариантного применения.
- Используйте результаты теста на устойчивое состояние и хорошо развитого теста турбулентности17,19, выполненного во время вычислений потока в программном обеспечении (см. шаг 2.4.2). Откажитесь от данных о потоках с низким качеством (значения флага CO 2: qc'co2-flux (1) в общем файле результатов.
- Используйте индикатор ночного периода (дневной no 0), приведенный в выходном файле, чтобы отфильтровать значения потока CO2, измеренные ночью. Участок все ночные CO2 потоки против соответствующих значений скорости трения (uq измеряется в то же время) и найти значение uq, при котором эти потоки перестали увеличиваться.
- Отметьте полученное значение в качестве порога скорости трения (uqthr),который будет использоваться в качестве меры недостаточной турбулентности. Откажитесь от всех потоков CO2 с соответствующими значениями uq
ПРИМЕЧАНИЕ: Представленный метод для васопределение thr является самым простым, но и самым субъективным. Есть несколько, более точные, сложные и надежные методы, чтобы определить порог скорости трения21,22, чем простой визуальный осмотр, который может быть использован здесь. Кроме того, следует отметить, что на очень неоднородных сайтов, определяющих usthr не может быть легким. Некоторые другие меры должны быть рассмотрены в таких случаях, которые хорошо описаны в литературе3,4.
- Ограничения пространственной репрезентативности потока
- Во-первых, участок ветром поднялся, полученный из измерений или с ближайшей метеорологической станции, на карте исследуемого района. Укажите, какие ветровые отрасли следует исключить из окончательного анализа (в связи с наличием какого-либо потенциального бремени или иного типа растительности, чем исследовано). Используйте пользовательский метод или используйте готовые функции из другого математического программного обеспечения (например, функция windRose в программном обеспечении R).
- По оценке кроссвинд интегрированных следов, выбранных во время вычислений потока (шаг 2.4.3), решить, какой след характеристика будет использоваться для дальнейшего анализа(x'10%, x'30%, x'50%, x'70% или x Уровень 90%). Для упрощения, каждое значение следа 30 мин предоставляет информацию о том, что расстояние (вверх) до края области, из которого измеряется сигнал (поток) возникла с заданным уровнем вероятности.
ПРИМЕЧАНИЕ: Здесь значения следа представляя 70%(x'70%) вероятность была выбрана как предел, в виду того что самый высокий возможный уровень 90% в spatially лимитированных местах приводит к в идти наилучшим образом за зоной исследования. - Выберите сектора направления ветра, которые являются наиболее репрезентативными для измерительного участка. Сделайте то же самое со значениями следа, имея в виду, что самое дальнее расстояние (самое высокое значение следа) не может превышать область интереса(рисунок1). Отфильтровать значения потока, которые не отвечают обоим требованиям.
ПРИМЕЧАНИЕ: Так как ветер Tlen I сайт был расположен между лесными стендами, которые пережили торнадо, только два сектора направления ветра были приняты в качестве представителя: 30-90 "и 210-300" Таким образом, все потоки CO 2, исходящие из района за пределами этих секторов, были исключены. Кроме того, расстояние до ближайшего бремени (искажение воздушного потока) или другой тип экосистемы (с разной чистой динамикой обмена CO2) в каждом направлении должно быть максимальным пределом следа, хотя рекомендуется уменьшить это значение. На расположенном в центре Тлен-И месте расстояние до уцелевших краев леса составляло около 200–250 м; таким образом, выбранный порог следа был установлен на 200 м максимум и применяется в равной степени в каждом направлении.
4. Заполнение разрыва и раздел атокорса в co2 дыхания и поглощения
- Выберите метод для заполнения и раздела пробелов в потоке CO 2, проверенного на поглощение (брутто первичные производственные потоки) и дыхания (экосистемное дыхание,Reco- fluxes) из нескольких широко используемых подходов, которые включают в себя три основные группы: технологический подход23,24, статистические методы25,26, и использование нейронных сетей27,28.
ПРИМЕЧАНИЕ: Поскольку первые две группы методов (процесс-основанные и статистические подходы) широко используются среди научного сообщества, хорошо описаны и обсуждены в литературе, а в случае последнего, рекомендуется использовать в глобальной сети потока измерения сайтов (FLUXNET) и проекта Комплексной системы наблюдения углерода (ICOS) (международные инициативы, направленные на мониторинг следов газов, сбор данных ЕС и создание общих протоколов обработки), использование обоих было рекомендовано здесь, на Начале. - В качестве примера подхода, основанного на процессе, следуйте процедуре, основанной на исследовательской сети Fluxnet Canada (FCRN23,24).
- Выберите чистые потоки CO2 (NEP), измеренные в ночные периоды, а также все значения потока за пределами вегетационного периода. Предполагается, что они полностью Rэко потоки.
ПРИМЕЧАНИЕ: Для различки между ночным и дневным периодом можно также использовать пороговое значение PPFD (например, PPFD lt; 120 моль-2-1 в ночном индикаторе29). Кроме того, для оценки того, когда начинается и заканчивается период вегетации, здесь использовался простой тепловой метод: когда среднесуточная температура воздуха (на высоте 2 м) и температура почвы (на глубине 2 см) превышали 0 градусов по Цельсию, было отмечено начало вегетационного сезона и закончилось, когда b Температура oo снова опустилась ниже 0 градусов по Цельсию. В случае различных видов растительности, различные температурные пороги должны быть использованы в отношении физиологии растений. Начало фотосинтетической активности отличается для хвойных и лиственных деревьев, сельскохозяйственных культур и трав, что происходит от того, что различные виды растительности по-разному реагируют на температуру воздуха. - Используя температуру (T) почвы, воздуха или комбинацию этих двух, определите связь между температурой и Reco. Используйте любое программное обеспечение, позволяющее приспосабливать нелинейные функции к данным (например, программное обеспечение Matlab). В принципе, выберите наиболее подходящий модель регрессии (использовать, например, информационный критерий Akaike (AIC) для принятия решения о функции, которая наилучшим образом соответствует данным); хотя на практике одной из наиболее часто используемых функций является модель Lloyd-Taylor30:
где Reco значение потока дыхания
экосистемы, скорость дыхания в температуре справки, Tref будет температурой справки, T измеренная температура воздуха или почвы, T0 это температура, которая является порогом для биологической активности, чтобы инициировать (оценочный параметр модели), и E0 является параметром, описывающим энергию активации.
ПРИМЕЧАНИЕ: В случае процедуры FCRN, некоторые из этих переменных установлены заранее: Tref и E0, которые в случае Tlen I windthrow сайт был равен 283,25 K и 309 K, соответственно. Некоторые исследования показывают, что использование температуры почвы измеряется на мельчайшей глубине для Rэко против T отношения25, который для короткой растительности, казалось, лучший выбор, так как большая часть выбросов происходит от гетерогенное дыхание из почвы и корней. В отличие от высоких лесов, автотрофическое дыхание листвы, ветвей и болев, движимых температурой воздуха, не играет важной роли (если присутствует). - Используя полученную функцию регрессии Reco vs T, заполните пробелы в ночном и неветливом сезоне neP-потока и вычислите значение функции для отсутствующих потоков с помощью соответствующих измерений температуры. Обратите внимание, что в этих случаях Rэко и НЭП, и GPP 0. Та же функция с дневной температурой даст дневные Rэко потоки для каждого получасового значения.
- Рассчитайте значения GPP в соответствии с уравнением: GPP и NEP и Reco для каждого доступного потока НЭПа в дневное время в вегетационном периоде или установите до нуля в ночное время и невегетационный сезон. Затем найдите взаимосвязь между потоками PPFD и GPP. Используйте любое программное обеспечение, позволяющее приспосабливать нелинейные функции к данным. Опять же, есть один широко используемый уравнение для достижения таких отношений прямоугольной гиперболы Михаэлис-Ментен, здесь, в измененной форме26:
где GPP является 30-мин усреднее валового первичного производства потока значение, является экосистема квантовой урожайности, и GPPвыбрать является gPP скорость потока на оптимальной PPFD (2000 мольм -2s-1).
ПРИМЕЧАНИЕ: Используйте полученную функцию для моделирования значений GPP для измеренных дневных значений вегетаций. - В конце всей процедуры, используйте моделируемые GPP и Rэко потоки для расчета отсутствующих значений потоков NeP следующим образом: NEP и GPP - Rэко.
ПРИМЕЧАНИЕ: Некоторые небольшие пробелы (несколько недостающих потоков) могут быть заполнены простой линейной функцией регрессии, движущимся средним подходом или другими статистическими методами перед входом в модели. Пробелы в вспомогательных переменных (температура, солнечное излучение) должны быть заполнены перед входом в модели. Таким образом, умноженные измерения одних и тех же или суррогатных переменных полезны, помогая избежать больших пробелов в наборах данных.
- Выберите чистые потоки CO2 (NEP), измеренные в ночные периоды, а также все значения потока за пределами вегетационного периода. Предполагается, что они полностью Rэко потоки.
- Для заполнения пробелов не только в СО 2, но и в других значениях потока ЕС (разумное и скрытое тепло), а также в важных метеорологических элементах, используйте онлайн-инструмент ReddyProc25 (доступен также в качестве пакета программного обеспечения R).
ПРИМЕЧАНИЕ: В отличие от предыдущего метода, сначала отсутствующие потоки НЭПа заполняются, а затем каждый полчаса чистого потока разделится на GPP и Reco. Тип модели, используемой для раздела R эко-потока, такой же, как и в предыдущем методе.- Чтобы воспользоваться онлайн-инструментом, подготовьте данные в соответствии с правилами, касающимися их формата и порядка. Необходимые данные включают 30-минутные средние значения чистого CO2 (NEP), скрытое тепло (LE) и разумные колебания тепла (H), дефицит водяного пара (VPD) и значения скорости трения, рассчитанные с использованием измерений EC, а также температуру почвы или воздуха (Tвоздуха или Tпочвы), входящих солнечных лучей (Rg) и относительная влажность воздуха (RH).
- Перейдите на страницу Обработки и заполните всю необходимую информацию о месте измерения (имя, координаты, высота, часовой пояс).
- Решите, следует ли дополнительно оценить порог uq с помощью этого программного обеспечения (см. шаги 3.6.2 и 3.6.3), какой метод использовать и в течение какого периода времени: весь год или отдельно для каждого сезона.
- Выберите один или оба метода для раздела чистых потоков (ночь-25 или дневной 31) и запустите процесс вычислений.
- Сравните полученные результаты с точки зрения как производительности метода в заполнении и разделении пробелов потока NeP, создавая искусственные пробелы в НЭП, и проверьте, насколько точно они были смоделированы.
- Рассчитайте ежедневные, ежемесячные и годовые итоги всех заполненных разрывов CO2 потоки, включая НЭП, GPP и Reco, на основе которых можно проследить изменения функционирования экосистемы. Используйте собственную функцию пользователей, чтобы агрегировать эти потоки отдельно в выбранный домен времени и суммировать все значения.
ПРИМЕЧАНИЕ: На сайте Tlen I windthrow, годовые итоги, а также ежемесячные потоки позволили проанализировать не только чистую динамику обмена CO 2, но и механизмы восстановления после нарушения управляемого леса.
экосистемы, скорость дыхания в температуре справки, Tref будет температурой справки, T измеренная температура воздуха или почвы, T0 это температура, которая является порогом для биологической активности, чтобы инициировать (оценочный параметр модели), и E0 является параметром, описывающим энергию активации.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Одним из важнейших шагов в области фильтрации потока и контроля качества на неидеальных участках ЕС является оценка пространственной репрезентативности измеренных потоков. Самый простой способ проведения такого анализа, учитывая тот факт, что расчеты проводились с использованием коммерческого, широко применяемого программного обеспечения, заключается в том, чтобы включать измерения только из желаемой области, исходя из направления ветра и оценки следа (см. раздел 3.7). Таким образом, участок ветровой розы, с выбранным направлением ветра и максимальным приемлемым расширением следа флюсов, отмеченных как затененные полигоны, на фоне спутниковой картинки с сайта Tlen I, показан здесь как визуальное представление результатов анализа ( Рисунок 1).
В принципе, скорость ветра и концентрация следного газа измеряются системой вихревого ковариантного измерения, которая затем используется для вычисления чистых потоков обмена CO2 (NEP). Значения сырого потока должны затем после обработки, чтобы исключить ошибки и низкокачественные данные. На рисунке 2 показаны результаты процедуры фильтрации на примере одного года измерений нэпа с места ветромета Tlen I.
Следует отметить, что предлагаемая процедура проверки и обеспечения качества потока привела к существенной потере данных в гораздо большей степени, чем на типичных объектах ЕС. Снижение допустимых колебаний НЭПа по сравнению с предыдущим этапом было аналогичным в разделах 3.6 и 3.7, в то время как наименьшее число точек данных было отброшено из-за неблагоприятных погодных условий и неисправностей приборов (раздел 3.5). Последняя часть протокола обеспечения качества (выбранный след и направление ветра секторов) дали окончательный охват данных только 1/3 всех сырых потоков НЭПа измеряется ЕС. В целом, шаг 3.7 является наиболее важной частью процедуры фильтрации здесь, гарантируя, что полученные потоки представляют собой газообмен исследуемой области.
Высококачественные потоки НЭПов могут наконец использоваться для получения ежедневных, ежемесячных, сезонных или годовых итогов. Тем не менее, они должны быть пробел ы заполнить перед каждым действием. На рисунке 3показана взаимосвязь между потоками НЭП, заполненной разрывом с использованием двух различных подходов: основанного на процессах (FCRN) и статистического метода (REddyProc).
Представленный простой линейный регрессии предполагает, что в целом оба метода сопоставимы (статистически значимая регрессия с r2No0.89) и, таким образом, может быть использована для заполнения разрыва нЭП, давая удовлетворительно схожие результаты (регрессия линия склона равна 0,90, которые предлагают только 10% разница между разрывом заполнены потоки в среднем). С только чистыми значениями потока CO 2, ничего нельзя сказать об индивидуальных воздействиях поглощения (GPP) и дыхания (Reco)процессов. Поэтому наряду с заполнением пробелов была реализована и так называемая процедура расставания потока, используюметоды однии и те же два метода. Ежедневные итоги R эко потоки представлены на рисунке 4 в качестве примеров двух различных показателей метода в чистом CO2 fluxes раздела.
Результаты расчетаR эко-потока с двумя различными методами, хотя одна и та же модель Reco против T была использована в обоих случаях, являются примерами потенциального источника ошибочных выводов относительно вклада дыхания к общим потокам НЭПа или, следовательно, коэффициентам поглощения (потоки GPP). Однако нельзя четко узнать, какой метод дает более надежные результаты без дополнительного анализа таким образом. Что можно сделать, на наш взгляд, это либо построение измеренных ночных флюсов против смоделированных R эко-флюсов, чтобы посмотреть на различия, или сравнить оценочные значения с потоками дыхания непосредственно измеряется с другими методами (например, камер). Различия в смоделированных R эко потоках между представленными подходами могут быть обусловлены тем, что в одном методе некоторые параметры устанавливаются как постоянные, а в другом они оцениваются. Даже те, которые не меняются в обоих случаях (в качестве эталонной температуры - Tref),не были одинаковыми в данном примере (в FCRN Tref283.25 K, в то время как в REddyProc Tref288.15 K). Это было сделано специально для того, чтобы потенциальные пользователи поняли, что даже такие незначительные изменения могут привести к значительным расхождениям. Другая проблема заключается в том, что статистический подход не в состоянии успешно заполнить большие пробелы, что в случае представленного неидеального сайта ЕС, где после фильтрации и процедуры проверки качества осталось лишь 1/3 измеренных потоков, что может быть причиной для беспокойства. Мы не пытаемся обеспечить "лучшее решение" с этим анализом, а скорее представить варианты. В этом случае необходимо провести более тщательное расследование.
Рисунок 1: Ветер розовый участок на фоне Tlen I области сайта. Синие затененные полигоны представляют выбранное направление ветра, а красные затененные полигоны внутри них показывают сектора круга с радиусом 200 м (максимально приемлемое расширение потока следа). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 2: Курс 30-мин усредненного потока НЭПа на каждом этапе фильтрации данных (описанный в Протоколе) на фоне необработанных, сырых значений потоков НЭПа. Относительное количество точек данных, остающихся после каждого этапа, дается в верхней части каждого участка. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 3: Взаимосвязь между потоками НЭП, пробел, заполненный методом на основе процесса (FCRN) и статистическим подходом (онлайн-инструмент REddyProc), измеренным на сайте Tlen I windthrow. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 4: Ежедневное дыхание экосистемы (R eco) итоговые потоки, полученные в результате процедуры раздела, выполняемой с помощью метода на основе процесса (FCRN) и статистического подхода (онлайн-инструмент REddyProc) на сайте Tlen I windthrow. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Этот протокол представляет вихревый covariance (EC) метод, который будет использоваться на неидеальных сайтах (здесь лесовосстановление ветроустановки сайта): расположение сайта и измерения инфраструктуры установки, чистый CO2 fluxes вычислений и пост-обработки, а также некоторые вопросы, касающиеся заполнения пробелов и флюсов процедур ы раздела.
Несмотря на то, что метод ИКА широко используется на многих измерительных объектах по всему миру, большинство из них являются ненарушенными экосистемами, где проектирование и следующая обработка данных могут быть выполнены в соответствии со стандартными решениями (например, протоколы FLUXNET или ICOS network ). Хотя в таких требовательных и зачастую пространственных районах, как места ветромета, такие эксперименты следует планировать и проводить с особой осторожностью. Кроме того, в долгосрочной перспективе измерения на динамично растущих экосистемах потребуют изменения высоты системы ЕС в будущем наряду с новым ростом и развитием растительности. Поэтому мы рекомендуем использовать уникальную базовую конструкцию, которая представляет собой инновационную «мини-башню» с электроуправляемой, расширяемой мачты. Это техническое решение позволяет выполнить одно из основных требований самого метода: размещение системы ЕС в смешанном пограничном слое без необходимости реконструкции или демонтажа инструментов, что может привести к дальнейшим потерям данных в и без того истощенных Набора данных. Кроме того, легко движущаяся электрическая мачта также значительно упрощает обслуживание датчиков на участке (например, когда нужно очистить оптический путь анализатора, вся система EC может быть доведена до желаемой, удобной высоты). Тем не менее, следует отметить, что увеличение высоты размещения инструмента будет иметь последствия в расширении области влияния (флюсслед), что приведет к дальнейшему исключению большего числа данных из-за недостаточного потока следа. В худшем случае измеренные потоки, вероятно, больше не будут репрезентативными для исследуемой области, иначе даже требования еС по методу больше не будут удовлетворены.
Местонахождение участка в относительно однородной и плоской местности, как описано в Протоколе, является наиболее желательным вариантом. В таких условиях вопросы адвакции, как правило, игнорируются. Однако, если область интереса расположена на холмистой местности, она должна быть принята во внимание в измеренном анализе потока, который подразумевает более продвинутые знания, которые будут получены.
Предлагаемое программное обеспечение (EddyPro) для расчета потока из необработанных высокочастотных данных является бесплатным, сложным и удобным инструментом, предназначенным для вычислений потока еС. Все встроенные уравнения и исправления имеют научную подготовку и соответствующие ссылки на используемые методы даны15. Более того, он постоянно корректируется и разрабатывается специалистами-учеными для реализации самого современного состояния знаний.
После того, как временно усредненные потоки CO2 вычисляются, они должны быть тщательно обработаны для того, чтобы обеспечить их высокое качество и репрезентативность. Одним из прозаических источников ошибок являются нарушения в работе приборов: осадки, пыльца, грязь, осаждение льда на окне газоанализатора (анализатор открытой траектории) или внутри входной трубки (закрытые и закрытые анализаторы), которые влияют на CO2 измерения флюсов. Такие события могут также нарушить измерение скорости ветра в некоторой степени (звуковой анемометр). Таким образом, в этом протоколе были представлены последующие этапы фильтрации потоков НЭПа, в которых последний шаг имеет наибольшее значение для неидеальных, пространственно ограниченных участков. Несмотря на то, что количество точек данных, после учета репрезентативных секторов направления ветра и следа, было очень небольшим(рисунок2), следует помнить, что важно не включать "ложные" сигналы, поступающие из разных областей, чем те, которые мы мы заинтересованы в. В отличие от первых двух шагов, вышеупомянутая процедура фильтрации потока (главным образом ограничения направления ветра) обычно не используется в лесных участках ЕС, так как ненарушенное местоположение участка обычно выбирается таким образом, чтобы обеспечить наилучший представительный район Возможно. С другой стороны, в результате непредсказуемых явлений появляются места, вылетевизные вветер; поэтому для проведения измерений ЕС в этих научно ценных областях необходимо пойти на некоторые компромиссы. В отличие от этого исследования, предлагаемые ограничения следа могут иметь различные значения в разных направлениях ветра. Стоит также отметить, что существуют и другие виды флюсрея репрезентативности оценки, чем представленные здесь (например, 2D след климатологии подход32, который является бесплатным для использования в Интернете и дает более сложные результаты). В таких сложных участках этот подход может быть еще более полезным при определении области наибольшего влияния на измеренные потоки. Однако для упрощения постобработки потоков, рассчитанных с использованием выбранного коммерческого программного обеспечения, было принято решение использовать только информацию, приведенную в его выходных файлах.
Самым слабым местом протокола является описание заполнения пробелов и перегородки. Два предложенных метода были разработаны индивидуально другими специалистами и раньше и внедрялись здесь только в качестве предлагаемых методов. Более того, метод FCRN требует гораздо большего вклада от пользователя, так как нет готового инструмента для выполнения этой процедуры. Сравнительный анализ соответствующего заполненного пробела (NEP) и разделенных потоков (GPP и Reco),которые могли бы представлять больший интерес среди потенциальных пользователей, требует более тщательного изучения, с тем чтобы быть полностью применимыми ( Рисунок 3 и рисунок 4).
По-прежнему имеются возможности для совершенствования как технических деталей измерений ЕС, так и обработки данных, представленных в этом протоколе. Одной из потенциальных возможностей является слияние обработанного и статистического метода заполнения и раздела пробелов в данных (например, метод ReddyProc для заполнения пробелов, а затем FCRN для раздела флюксов), в соответствии с индивидуальными потребностями, или просто использование нейронных подход ы сетей.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторы хотели бы отметить, что представленный протокол в основном является упрощением хорошо известных и широко описанных вопросов, касающихся измерений ЕС. При необходимости были приведены все достаточные ссылки. Нашей главной целью было содействие использованию этого метода, а также нашей новой и уникальной регулируемой, электрически управляемой мачты для измерений ЕС, среди неспециалистов с поэтапным подходом. Мы надеемся, что это облегчает понимание и воображаемую, что, как бы ни были соблюдены строгие требования, метод ЕС может быть удовлетворительно применен также в нетипичных, пространственно ограниченных экосистемах. С уже широкой литературой, касающейся теории и методологии ЕС, представленный протокол потенциально может также быть стимулом для дальнейшего приобретения знаний по этому вопросу.
Acknowledgments
Это исследование было поддержано финансированием со стороны Главного управления государственных лесов Варшавы, Польша (проект LAS, No OR-2717/27/11). Мы хотели бы выразить нашу благодарность всей исследовательской группе из кафедры метеорологии Познанского университета наук о жизни, Польша, участвующих в реализации этого протокола и их помощь в создании его визуальной версии.
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).
