Summary
El protocolo presentado utiliza el método de covarianza de remolino en lugares no típicos, aplicable a todo tipo de ecosistemas de dosel corto con área limitada, en un sitio de lanzamiento de viento actualmente reforestado en Polonia. Se describen los detalles de la medición de las reglas de configuración del sitio, los cálculos de flujo y el control de calidad, y el análisis de resultados finales.
Abstract
Este protocolo es un ejemplo de la utilización de la técnica de covarianza eddy (EC) para investigar los flujos de CO2 netos promediados espacial y temporalmente (producción de ecosistemas netos, NEP), en ecosistemas no típicos, en una zona de lanzamiento de viento actualmente reforestada en Polonia. Después de un evento de tornado, se creó un "corredor" relativamente estrecho dentro de los establos forestales supervivientes, lo que complica este tipo de experimentos. La aplicación de otras técnicas de medición, como el método de cámara, es aún más difícil en estas circunstancias, ya que especialmente al principio, los árboles caídos y en general una gran heterogeneidad del sitio proporcionan una plataforma difícil de realizar mediciones de flujo y luego para obtener los resultados obtenidos correctamente. En comparación con las mediciones estándar de las CE realizadas en bosques vírgenes, el caso de las zonas de lanzamiento de viento requiere una consideración especial cuando se trata de la ubicación del sitio y el análisis de datos con el fin de garantizar su representatividad. Por lo tanto, aquí presentamos un protocolo de mediciones de flujo CO2 continuas y en tiempo real en un sitio EC dinámicamente cambiante y no ideal, que incluye (1) ubicación del sitio y configuración de instrumentación, (2) computación de flujo, (3) filtrado de datos riguroso y control de calidad, y (4) llenado de huecos y flujos netos particionados en respiración y absorción de CO2. La principal ventaja de la metodología descrita es que proporciona una descripción detallada de la configuración experimental y el rendimiento de la medición desde cero, que se puede aplicar a otros ecosistemas espacialmente limitados. También se puede ver como una lista de recomendaciones sobre cómo lidiar con el funcionamiento no convencional del sitio, proporcionando una descripción para los no especialistas. Los valores de media hora verificada por calidad, llenado de huecos y media hora obtenidos, así como los flujos de absorción y respiración, se pueden agregar finalmente en totales diarios, mensuales, estacionales o anuales.
Introduction
Hoy en día, la técnica más utilizada en losestudios de intercambio de dióxido de carbono del ecosistema atmósfera-tierra (CO 2) es la técnica de covarianza (EC)1. El método de las CE se ha utilizado durante décadas, y ya se han publicado descripciones exhaustivas de las cuestiones relativas a todos los aspectos metodológicos, técnicos y prácticos2,3,4. En comparación con otras técnicas utilizadas para fines similares, el método CE permite obtener los flujos de CO2 netos promediados espacial y temporalmente a partir de mediciones automáticas de puntos que tienen en cuenta la contribución de todos los elementos en ecosistemas, en lugar de mediciones manuales laboriosas (por ejemplo, técnicas de cámara) o el requisito de tomar muchas muestras1.
Entre los ecosistemas terrestres, los bosques desempeñan el papel más importante en el ciclo C y muchas actividades científicas se han centrado en investigar su ciclo de CO2, el almacenamiento de carbono en la biomasa leñosa y sus relaciones mutuas con las condiciones climáticas cambiantes tanto la medición directa como el modelado5. Muchos sitios de la CE, incluyendo uno de los registros de flujo más largos6, se establecieron por encima de diferentes tipos de bosques7. Por lo general, la ubicación del sitio fue cuidadosamente elegida antes de que comenzaran las mediciones, con el objetivo de la zona más homogénea y más grande posible. Aunque, en los sitios forestales perturbados, como los lanzamientos de viento, el número de estaciones de medición de las CE sigue siendo insuficiente8,9,10. Una razón es las dificultades logísticas para medir la configuración del sitio y, sobre todo, un pequeño número de lugares que aparecen repentinamente. Con el fin de obtener los resultados más informativos en las zonas de lanzamiento de viento, es crucial comenzar tan pronto como sea posible después de un evento incidental de este tipo, que puede causar problemas adicionales. A diferencia de los sitios forestales vírgenes, las mediciones de las CE en los sitios de lanzamiento de viento son más difíciles y pueden desviarse de los procedimientos ya establecidos3. Dado que algunos fenómenos de viento extremo crean áreas espacialmente limitadas, es necesario una ubicación de estación de medición reflexiva y un procesamiento cuidadoso de los datos para obtener tantos valores de flujo fiables como sea posible. Se han producido dificultades similares en la aplicación del método CE (por ejemplo, estudios de fin realizados por encima de un lago largo pero estrecho) donde los flujos de CO2 medidos requerían un filtrado riguroso de datos11,12 para asegurar su representatividad espacial.
Por lo tanto, el protocolo presentado es un ejemplo del uso del método de las CE en lugares no típicos, diseñado no sólo para las zonas de lanzamiento de viento, sino para todos los demás tipos de vegetación corta con la superficie limitada (por ejemplo, tierras de cultivo situadas entre tipos de vegetación más altos). La mayor ventaja de la metodología propuesta es una descripción general de procedimientos complicados, que requieren conocimientos avanzados, desde la elección de la ubicación del sitio y la instrumentación establecida hasta el resultado final: un conjunto de datos completo de CO2 de alta calidad Flujos. La novedad técnica del protocolo de medición es el uso de una construcción de base única para la colocación del sistema EC (por ejemplo, trípode con una altura definida que es una "minitorre" con un mástil ajustable, accionado eléctricamente, lo que permite cambiar la altura final de sensores de acuerdo a las necesidades individuales).
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Protocol
1. Ubicación del sitio y configuración de la instrumentación
- Elija una ubicación de sitio de medición en terrenos relativamente homogéneos y planos para cumplir con los requisitos básicos del método EC. Evite lugares con formas de tierra complicadas (depresiones, pendientes) o situados cerca de obstáculos aerodinámicos (por ejemplo, puestos de árboles supervivientes), que pueden distorsionar el flujo de aire.
- Compruebe la composición de las especies y la cubierta vegetal. Elija un lugar con las características más similares: edad y altura del tipo de vegetación principal.
- Si es posible, lleve a cabo algunas investigaciones adicionales sobre el suelo, que ayuden a elegir un área homogénea. Compare los tipos de suelo en algunos lugares (perfiles de suelo), el contenido de carbono y nitrógeno del suelo, así como las condiciones de humedad (por ejemplo, utilizando una rejilla regular para el muestreo del suelo). Evite lugares con características sobresalientes en comparación con los valores medios de la investigación del suelo.
- Antes de decidir dónde colocar los instrumentos, investigue las direcciones de viento predominantes (idealmente durante un año antes de la configuración del sitio) o analice los datos de la estación meteorológica más cercana. Si hay algunas restricciones con respecto a la extensión de la zona de interés, elija la ubicación que se encuentra dentro de los sectores eólicos predominantes (viento ascendente).
NOTA: En el caso del sitio de lanzamiento de viento polaco, debido a la forma de la trayectoria del tornado, se decidió colocar la torre en el medio de su dimensión de anchura (ca. 400-500 m) y tan lejos de la vecina plantación de pinos de pocos años como sea posible en la dirección este-oeste (ca. 200 m f f rom la torre a sus bordes), ya que la dirección del viento predominante era de noroeste a suroeste y de noreste a este (Figura1). - Decida qué sistema EC utilizar: ruta abierta o ruta cerrada (ruta cerrada - ruta cerrada con tubo de admisión corta) analizador de gas infrarrojo (o dos de ellos si es posible). Cada uno tiene ventajas y desventajas, pero en general, ambos son confiables para ser utilizados en un campo. Utilice un anemómetro sónico ortogonal tridimensional (3D). Para utilizar el método EC, se requieren mediciones de alta frecuencia a al menos 10 Hz en el caso de ambos instrumentos.
- Considere qué tipo de fuente de alimentación es la más factible para ser utilizada en el sitio (¿hay una línea de energía cerca, paneles solares u otro generador de energía?). Si no hay limitaciones, utilice el analizador de gas de trayecto cerrado (o cerrado).
NOTA: Un sistema de trayectoria abierta tiene un consumo de energía mucho menor, pero en entornos hostiles (clima muy frío, glaseado, lugares lluviosos) resultaría en una pérdida considerable de datos de alta calidad. - Siga las reglas para posicionar ambos instrumentos en relación entresí 13. Evite montar elementos innecesarios cerca del sistema EC, que puedan distorsionar el flujo de aire.
NOTA: En este experimento se utilizó un analizador de rutas cerrado (Tablade materiales)y un anemómetro sónico 3D (Tablade materiales).
- Considere qué tipo de fuente de alimentación es la más factible para ser utilizada en el sitio (¿hay una línea de energía cerca, paneles solares u otro generador de energía?). Si no hay limitaciones, utilice el analizador de gas de trayecto cerrado (o cerrado).
- Una vez elegida la ubicación, coloque un trípode con un poste vertical (u otro tipo de construcción de base) para montar el sistema EC en la parte superior. Establecer la altura de los instrumentos teniendo en cuenta dos requisitos básicos: rugiente de la superficie investigada (en simplificación de la altura de la vegetación existente) y el área de influencia (captura/huella - el área "vista" por el sistema de las CE)4.
NOTA: En el desarrollo dinámico de ecosistemas, como el sitio de lanzamiento de viento reforestado Tlen I, se requerirá el cambio en la colocación del instrumento con tiempo para cumplir con los requisitos del método de la CE. Como alternativa a una construcción de base para el sistema EC, aquí se propuso una infraestructura innovadora (es decir, "minitorre"): una construcción de aluminio ancla (1,5 m de altura de cercha rectangular (W x L) 1 m x 1,2 m) con un mástil (cercha triangular de 30 cm x 30 cm x 30 cm) en movimiento dentro de la estructura a lo largo de rieles de acero, alimentado por un motor eléctrico.- En primer lugar, monte ambos instrumentos del sistema EC en un poste metálico conectado centralmente al mástil. Recuerde colocar el anemómetro sónico en una posición perfectamente vertical. Incline ligeramente el analizador de gas para permitir que el agua de lluvia se escurra fácilmente.
- Elevar los instrumentos a una altura dos veces la altura del dosel de la superficie del suelo, y al menos 1,5 x 2,0 m por encima de la parte superior del dosel4. Asegúrese de que la construcción de la base se encuentra de una manera, lo que garantiza que el área investigada se extiende al menos 100 veces la altura de la colocación de un sensor en cada dirección14.
- Recuerde instalar la protección contra rayos para una construcción de metal.
NOTA: Para lograr la máxima salida de la medición CE en el sitio de lanzamiento de viento polaco (Tlen I), se hicieron algunos compromisos. Los instrumentos se colocaron a una altura de 3,3 m al comienzo del experimento.
- Para un mayor cálculo y análisis de flujo, mida algunas variables auxiliares al mismo tiempo, incluyendo al menos: aire (Ta) y temperatura del suelo (Ts), humedad relativa (RH) del aire, densidad de flujo de fotones fotosintético (PPFD), radiación solar entrante (Rg) y precipitación (P). Por lo general, en los sitios de las CE también se obtiene un gran número de otras variables.
- Coloque los sensores de radiación (PPFD y Rg) al sur. Utilice un poste horizontal para alejarlos del trípode. Compruebe el ángulo de visión de los sensores y ajuste la longitud del poste y la altura de montaje para asegurarse de que solo se ve la superficie investigada.
- Utilice sensores de temperatura y humedad del aire con protectores de radiación, montados a una altura similar a la del sistema EC.
- Instale los pluviómetros de vuelco-cucharón (al menos dos) en espacios relativamente abiertos, cerca de la torre EC, a 1 m sobre el nivel del suelo. Enterrar los sensores de temperatura del suelo a varias profundidades diferentes (tres o más dependiendo del tipo de suelo). Recuerde tener algunas repeticiones para cada profundidad. Coloque algunos sensores en el nivel más superficial posible.
2. Computación de flujo de CO2
- Utilice software libre disponible comercialmente (por ejemplo, EddyPro15) para el cálculo de flujo EC que incluye aplicaciones de corrección.
NOTA: Este software fue seleccionado debido a su complejidad, popularidad y facilidad de uso y se recomienda especialmente para los no expertos. - En primer lugar, cree un nuevo proyecto y, a continuación, en la pestaña de información del proyecto, especifique el formato de archivo de datos sin procesar y elija el archivo de metadatos. Si los datos sin procesar se obtuvieron como archivos ".ghg", el archivo de metadatos individual ya está incrustado y no se requiere ninguna otra acción. En otros casos, utilice la opción de archivo alternativo y escriba toda la información manualmente.
NOTA: El archivo de metadatos especifica el orden de las variables medidas, sus unidades y cierta información adicional necesaria para el cálculo del flujo. Si alguno de los detalles de configuración o las características del sitio cambian, recuerde cambiarlo en la sección de metadatos. - Vaya a la pestaña de información de flujo, elija el conjunto de datos y los directorios de salida, especifique el formato de nombre de archivo sin formato y compruebe la lista de elementos para el cálculo del flujo.
- Vaya a la pestaña Opciones de procesamiento y elija la configuración de procesamiento de datos sin procesar.
- Elija el método para la corrección de las mediciones de los anemómetros (método derotación), que permite contabilizar cualquier desalineación del anemómetro sónico con respecto al viento local aerodinámico15. Marque el primer enfoque de ajuste plano16 (sugerido para ubicaciones no ideales y heterogéneas).
- Elija el tipo 0-1-2 de la directiva de marcado17 (el enfoque que presenta los resultados de un procedimiento de comprobación de calidad).
- Seleccione el método de huella preferido (el área de la influencia en los flujos medidos) (por ejemplo, el enfoque Kljun18). Deje el resto de la configuración sin cambios (opciones predeterminadas).
NOTA: Aquí se puede elegir entre la lista de opciones relativas a las correcciones a aplicar, el método de cálculo de huellas de flujos o la estructura de los archivos de salida. Aunque se sugiere no cambiar las opciones estándar durante la ejecución preliminar del software de las CE seleccionado, excepto las que se enumeran aquí.
- En caso de cualquier problema/pregunta, utilice el botón de signo de interrogación (?) junto a la opción de interés para obtener más información. Recuerde que la información incorrecta o que falta en una pestaña impedirá el movimiento a otra.
- Haga clic en Ejecutar un modo avanzado para iniciar el cálculo de flujos al final. En caso de utilizar solo la configuración predeterminada, haga clic en Ejecutar un modo Express.
3. Filtrado y control de calidad de los flujos
- Evite la pérdida de datos mediante un plan de mantenimiento regular. De acuerdo con las capacidades individuales, limpie los sensores con la mayor frecuencia posible utilizando agua o detergente suave.
- Realizar la calibración de analizadores de gas al menos una vez cada 6 meses utilizando estándares de CO2 (0 ppm y al menos otra concentración, por ejemplo, 360 ppm). Un mínimo de 24 horas antes de cada calibración, cambie los agentes absorbentes de CO2 y H2O (sílice recubierta de hidróxido de sodio y perclorato de magnesio, respectivamente) que están presentes en dos botellas pequeñas dentro del cabezal del sensor.
NOTA: El procedimiento de calibración es relativamente fácil y bien descrito en el manual del analizador de gas. En el software dedicado a LI-7200 y LI-7500, hay una pestaña, que contiene todas las pautas paso a paso de todo el proceso. En caso de cualquier dificultad, los analizadores siempre se pueden enviar para una calibración de fábrica realizada por el productor, pero requiere el desmontaje del sensor y da lugar a largos huecos en el conjunto de datos de flujo. - Cree un archivo común (por ejemplo, .csv, .xlsx) que contenga todos los resultados del software de cálculo de flujo y las mediciones auxiliares. Asegúrese de que los promedios correspondientes de 30 minutos (flujos y variables meteorológicas) se miden exactamente al mismo tiempo.
NOTA: Para simplificar y acelerar el procedimiento de filtrado, utilice programas adicionales (por ejemplo, Matlab o software R libre), dependiendo de las habilidades de los usuarios, en lugar de trabajar en una hoja de cálculo. - Realice todos los pasos de filtrado que se describen a continuación (secciones 3.5-3.7) en los datos de este archivo. Utilice herramientas de filtrado en la hoja de cálculo (o la función "si" incrustada) o cree funciones de filtrado personalizadas utilizando otro software.
- Determinar las condiciones climáticas desfavorables y el mal funcionamiento del instrumento.
- Utilice los indicadores de rendimiento del instrumento para filtrar los datos sometidos a errores debidos a la contaminación del analizador de gas. Para un analizador de ruta cerrada, compruebe el valor de intensidad de señal promedio (ASS) dado en el archivo de salida del software de cálculo de los fluxes. A continuación, marque y deseche todos los flujos (co2_flux) medidos a continuación, por ejemplo, ASS - 70% (10% umbral más alto que sugerido en el manual del instrumento).
- Opcionalmente, establezca un rango constante para los fundentes, lo que permite la exclusión de valores atípicos (por ejemplo, de -15 a 15 ámol-m-2-1 en el sitio de Tlen I). Una de las posibles formas de eliminar los flujos fuera del rango normal es utilizar un límite de 2 a 3 desviaciones estándar del valor medio del flujo, calculado individualmente para cada temporada.
NOTA: Los autores no aconsejan encarecidamente el uso de un rango a priori como se hace en el caso del sitio de Tlen I por ningún especialista. El enfoque estadístico es mucho más fiable y objetivo. - Descartar los flujos medidos durante cualquier evento de lluvia (u otro tipo de precipitación); eliminar los fundentes cuando P á 0,1 mm.
- Tenga en cuenta las condiciones inapropiadas para la aplicación del método de covarianza de resvenedor.
- Utilice los resultados de la prueba de estado estacionario y la prueba de turbulencia bien desarrollada17,19 realizada durante el cálculo de flujos en el software (ver paso 2.4.2). Deseche los datos de flujo con mala calidad (valores de indicador CO 2: qc_co2_flux > 1) en el archivo de resultados común.
- Utilice el indicador de período nocturno (día- 0) que se indica en el archivo de salida para filtrar los valores de flujos CO2 medidos por la noche. Trazar todos los flujos de CO2 nocturnos contra los valores de velocidad de fricción correspondientes (u* medidos al mismo tiempo) y encontrar el valor u* en el que estos flujos dejaron de aumentar.
- Marque el valor obtenido como el umbral de velocidad de fricción (u*thr) que se utilizará como medida de condiciones de turbulencia insuficientes. Descartar todos los flujos de CO2 con los valores u* correspondientes < u*thr del conjunto de datos
NOTA: El método presentado para usted*thr determinación es el más simple, pero también el más subjetivo. Hay pocos métodos, más precisos, complicados y fiables para definir el umbral de velocidad de fricción21,22 que la simple inspección visual que se puede utilizar aquí. Además, hay que mencionar que en sitios muy heterogéneos que definen u*thr podría no ser fácil. En tales casos, deben tenerse en cuenta algunas otras medidas, que están bien descritas en la literatura3,4.
- Restricciones de representatividad espacial de flujo
- En primer lugar, trazar la rosa del viento, obtenida de mediciones o de la estación meteorológica más cercana, en el mapa de la zona investigada. Especifique qué sectores eólicos deben excluirse del análisis final (debido a la existencia de cualquier carga potencial o tipo de vegetación diferente al investigado). Utilice un método personalizado o utilice funciones listas de otro software matemático (por ejemplo, la función windRose en el software R).
- Según la estimación de las huellas integradas de viento cruzado elegidas durante el cálculo de los flujos (paso 2.4.3), decida qué característica de huella se utilizará para el análisis posterior (x_10%, x_30%, x_50%, x_70% o x _90% nivel). Para simplificar, cada valor de huella de 30 minutos proporciona información sobre cuál es la distancia (viento ascendente) hasta el borde del área, desde la cual la señal medida (flujo) se originó con un nivel de probabilidad determinado.
NOTA: Aquí los valores de huella que representan 70% (x_70%) probabilidad se eligió como el límite, ya que el nivel más alto posible del 90% en los sitios espacialmente limitados resulta en ir mucho más allá del área de investigación. - Elija los sectores de dirección del viento que sean más representativos del sitio de medición. Haga lo mismo con los valores de huella, teniendo en cuenta que la distancia más leñera (el valor de huella más alto) no puede exceder el área de interés (Figura1). Filtre los valores de flujo que no cumplan ambos requisitos.
NOTA: Dado que el sitio de lanzamiento de viento Tlen I se encontraba entre los puestos forestales que sobrevivieron al tornado, sólo dos sectores de la dirección del viento fueron aceptados como representativos: 30-90o y 210-300o. Por lo tanto, se excluyeron todos los flujos de CO2 originados en el área más allá de estos sectores. Además, la distancia a la carga más cercana (flujo de aire distorsionante) o diferente tipo de ecosistema (con diferentes dinámicas netas de intercambio CO 2) en cada dirección debe ser el límite máximo de huella, aunque, se recomienda disminuir este valor. En el céntrico sitio de Tlen I, la distancia a los bordes del bosque sobreviviente era de aproximadamente 200 a 250 m; por lo tanto, el umbral de huella elegido se estableció en 200 m como máximo y se aplicó por igual en cada dirección.
4. Relleno de huecos y división del flujo neto en respiración y absorción de CO2
- Elija el método para el llenado de flujo co2 controlado por calidad y la división en absorción (flujos brutos de producción primaria [GPP]) y respiración (respiración del ecosistema [Reco] flujos) a partir de varios enfoques de uso común, que incluyen tres grupos básicos: enfoque basado en procesos23,24, métodos estadísticos25,26, y el uso de redes neuronales27,28.
NOTA: Dado que los dos primeros grupos de métodos (enfoques estadísticos y basados en procesos) son ampliamente utilizados entre la comunidad científica, bien descritos y discutidos en la literatura y en el caso de estos últimos, se recomienda ser utilizado en una red global de sitios de medición (FLUXNET) y el proyecto del Sistema Integrado de Observación de Carbono (ICOS) (iniciativas internacionales destinadas a la monitorización de gases de rastreo, la recopilación de datos de las CE y la creación de protocolos comunes de procesamiento), el uso de ambos se recomendó aquí en el Principio. - Como ejemplo del enfoque basado en procesos, siga el procedimiento de la Red de Investigación de Fluxnet Canada (FCRN)23,24).
- Seleccione los flujos netos de CO2 (NEP) medidos durante los períodos nocturnos, así como todos los valores de flujo del exterior de la temporada de cultivo. Se supone que son flujos eco totalmente R.
NOTA: Para diferenciar entre la noche y el período diurno, también se puede utilizar el valor de umbral PPFD (por ejemplo, PPFD < 120 ámol-m-2-1 como indicador nocturno29). Por otra parte, para estimar cuándo comienza y termina el período de vegetación, se utilizó un método térmico simple aquí: cuando el aire diario promedio (a 2 m de altura) y la temperatura del suelo (a 2 cm de profundidad) eran superiores a 0 oC, se observó el comienzo de la temporada de vegetación y terminó cuando b ot temperaturas cayeron por debajo de 0 oC de nuevo. En el caso de diferentes especies de vegetación, se debe utilizar un umbral de temperatura diferente con respecto a la fisiología de las plantas. La aparición de la actividad fotosintética es diferente para los árboles de coníferas y caducifolios, cultivos y pastos, que proviene del hecho de que las diferentes especies de vegetación reaccionan de manera diferente a la temperatura del aire. - Utilizando la temperatura (T) del suelo, el aire o la combinación de los dos, determinar la relación entre la temperatura y Reco. Utilice cualquier software que permita ajustar funciones no lineales a los datos (por ejemplo, el software Matlab). En principio, elija el modelo de regresión de mejor ajuste (utilice, por ejemplo, el criterio de información de Akaike (AIC) para decidir la función que mejor se adapte a los datos); aunque en la práctica, una de las funciones más utilizadas es un modelo Lloyd-Taylor30:
donde Reco es el valor
del flujo de respiración del ecosistema, es la tasa de respiración en una temperatura de referencia, Tref es la temperatura de referencia, T es la temperatura medida del aire o del suelo, T0 es la temperatura que es un umbral para que la actividad biológica inicie (parámetro estimado del modelo), y E0 es el parámetro que describe la energía de activación.
NOTA: En el caso del procedimiento FCRN, algunas de estas variables se establecen de antemano: Tref y E0, que en el caso del sitio de lanzamiento de viento de Tlen I eran iguales a 283,25 K y 309 K, respectivamente. Algunos estudios sugieren el uso de la temperatura del suelo medida a la profundidad más superficial para la relación Reco vs T 25, que para una vegetación corta parecía ser la mejor opción, ya que gran parte de la emisión proviene de la respiración heterogénica del suelo y las raíces. A diferencia de los bosques altos, la respiración autotrófica del follaje, las ramas y los bolos, impulsados por la temperatura del aire, no juega un papel importante (si está presente). - Usando la función de regresión Reco vs T obtenida, llene los huecos en los flujos NEP de temporada nocturna y no de crecimiento y calcule el valor de la función para los flujos que faltan utilizando las mediciones de temperatura correspondientes. Tenga en cuenta que, en estos casos, Reco - NEP, y GPP - 0. La misma función con las temperaturas diurnas dará flujos eco R diurnos para cada valor de media hora.
- Calcule los valores de GPP de acuerdo con la ecuación: GPP - NEP + Reco para cada flujo NEP disponible durante el día en la temporada de crecimiento o establecido en cero durante la noche y la temporada de no crecimiento. A continuación, busque la relación entre los flujos PPFD y GPP. Utilice cualquier software que permita ajustar funciones no lineales a los datos. Una vez más, hay una ecuación ampliamente utilizada para lograr tal relación- hipérbola rectangular de Michaelis-Menten, aquí en una forma modificada26:
donde GPP es el valor de flujo de producción primaria bruto de 30 minutos, es el rendimiento cuántico del ecosistema, y laopción GPP es la tasa de flujo de GPP a un PPFD óptimo (2000 m-2-1 ).
NOTA: Utilice la función obtenida para modelar los valores de GPP para valores de flujos NEP medidos durante el día y la temporada de crecimiento. - Al final de todo el procedimiento, utilice flujos eco modelados GPP y R para calcular los valores de flujos NEP faltantes de la siguiente manera: NEP - GPP - Reco.
NOTA: Algunos pequeños huecos (algunos flujos que faltan) se pueden llenar con una función de regresión lineal simple, un enfoque medio móvil u otros métodos estadísticos antes de entrar en los modelos. Los huecos en las variables auxiliares (temperatura, radiación solar) deben llenarse antes de entrar en los modelos. Por lo tanto, la medición multiplicada de las mismas variables o subrogadas es útil, lo que ayuda a evitar grandes brechas en los conjuntos de datos.
- Seleccione los flujos netos de CO2 (NEP) medidos durante los períodos nocturnos, así como todos los valores de flujo del exterior de la temporada de cultivo. Se supone que son flujos eco totalmente R.
- Para llenar los huecos no sólo en el CO2 sino también en otros valores de flujo CE (calor sensible y latente), así como en los elementos meteorológicos importantes, utilice la herramienta en línea ReddyProc25 (disponible también como paquete de software R).
NOTA: A diferencia del método anterior, primero se llenan los flujos NEP que faltan y, a continuación, cada flujo neto de media hora se divide en GPP y Reco. El tipo de modelo utilizado para la partición de flujos eco R es el mismo que en la técnica anterior.- Para utilizar una herramienta en línea, preparar los datos de acuerdo con las normas relativas a su formato y orden. Los datos necesarios incluyen promedios de 30 minutos de CO2 neto (NEP), calor latente (LE) y flujos de calor sensible (H), déficit de vapor de agua (VPD) y valores de velocidad de fricción calculados mediante mediciones CE, así como la temperatura del suelo o del aire (aire T o sueloT), radiación solar entrante (Rg) y humedad relativa del aire (RH).
- Vaya a la página Procesamiento y rellene toda la información necesaria sobre el sitio de medición (nombre, coordenadas, altitud, zona horaria).
- Decida si desea estimar el umbral u* adicionalmente con este software (véanse los pasos 3.6.2 y 3.6.3), qué método utilizar y para qué período de tiempo: todo el año o por separado para cada temporada.
- Seleccione uno o ambos métodos para la partición de flujosnetos (noche-25 o 31 basado en el día) y ejecute el proceso de cálculo.
- Compare los resultados obtenidos en términos de rendimiento de ambos métodos en el llenado y partición de huecos de flujo NEP mediante la creación de brechas artificiales en NEP, y compruebe con qué precisión se modelaron.
- Calcule los totales diarios, mensuales y anuales de todos los flujos de CO2 llenos de brecha, incluidos NEP, GPP y Reco,sobre la base de los cuales se pueden rastrear los cambios en el funcionamiento del ecosistema. Utilice la propia función de los usuarios para agregar estos flujos por separado en el dominio de tiempo elegido y resumir todos los valores.
NOTA: En el sitio de lanzamiento de viento de Tlen I, los totales anuales, así como los flujos mensuales permitieron analizar no sólo la dinámica neta de CO2, sino también los mecanismos de recuperación post-perturbación del bosque gestionado.
del flujo de respiración del ecosistema, es la tasa de respiración en una temperatura de referencia, Tref es la temperatura de referencia, T es la temperatura medida del aire o del suelo, T0 es la temperatura que es un umbral para que la actividad biológica inicie (parámetro estimado del modelo), y E0 es el parámetro que describe la energía de activación.
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Representative Results
Uno de los pasos cruciales en el filtrado de flujo y el control de calidad en sitios EC no ideales es la evaluación de la representatividad espacial de los flujos medidos. La forma más sencilla de realizar este análisis, dado el hecho de que los cálculos se realizaron utilizando software comercial y ampliamente aplicado, es incluir mediciones de la zona deseada únicamente, sobre la base de la dirección del viento y las estimaciones de huella (ver sección 3.7). Así, la gráfica de rosa de viento, con una dirección de viento elegida y una extensión máxima aceptable de la huella de los flujos, marcada como polígonos sombreados, en el fondo de la imagen del satélite desde el sitio de Tlen I, se muestra aquí como una representación visual del resultado del análisis ( Figura 1).
En principio, la velocidad del viento y la concentración de gases traza se miden mediante el sistema de covarianza de remolinos, que luego se utilizan para calcular los flujos de intercambio neto de CO2 (NEP). Los valores de flujo sin procesar deben ser post-procesados para excluir errores y datos de baja calidad. La Figura 2 muestra los resultados de un procedimiento de filtrado en el ejemplo de un año de mediciones de flujos NEP del sitio de lanzamiento de viento de Tlen I.
Cabe señalar que el procedimiento propuesto de control y garantía de la calidad del flujo dio lugar a una pérdida sustancial de datos, en una medida mucho mayor que en los sitios típicos de las CE. La reducción a los flujos aceptables del PMI, en relación con la etapa anterior, fue similar en las secciones 3.6 y 3.7, mientras que el menor número de puntos de datos se descartó debido a las condiciones climáticas desfavorables y a las averías del instrumento (sección 3.5). La última parte del protocolo de garantía de calidad (sectores elegidos de huella y dirección eólica) produjo una cobertura final de datos de sólo 1/3 de todos los flujos NEP crudos medidos por la CE. En general, el paso 3.7 es la parte más crucial del procedimiento de filtrado aquí, asegurando que los flujos obtenidos representan el intercambio de gas de la zona investigada.
Los flujos NEP de alta calidad se pueden utilizar finalmente para obtener totales diarios, mensuales, estacionales o anuales. Sin embargo, deben llenarse de huecos antes de cada acción. En la Figura 3, se muestra la relación entre los flujos NEP, el hueco lleno utilizando dos enfoques diferentes: basado en procesos (FCRN) y método estadístico (REddyProc).
La regresión lineal simple presentada sugiere que en general ambas técnicas son comparables (regresión estadísticamente significativa con r2x 0,89) y, por lo tanto, se pueden utilizar para el llenado de la brecha de flujos del NEP, dando resultados satisfactoriamente similares (la regresión pendiente de línea igual a 0,90, lo que sugiere sólo 10% de diferencia entre los flujos rellenos de hueco en promedio). Con sólo valores netos de flujo de CO 2, no se puede decir nada sobre los impactos individuales de los procesos de absorción (GPP) y respiración (Reco). Por lo tanto, junto con el llenado de huecos, el llamado procedimiento de partición de flujo se realizó también, mediante el uso de los mismos dos métodos. Los totales diarios de flujos Eco R se presentan en la Figura 4 como ejemplos de dos rendimientos de método diferentes en la partición neta de flujos CO2.
Los resultados del cálculo del flujo eco R con dos métodos diferentes, aunque se utilizó el mismo modelo de Reco vs T en ambos casos, son ejemplos de una fuente potencial de conclusiones erróneas sobre una contribución de la respiración a los flujos NEP globales o, en consecuencia, a las tasas de absorción (flujos DeC). Sin embargo, no se puede indicar claramente qué método da resultados más fiables sin un análisis adicional de esta manera. Lo que se puede hacer, en nuestra opinión, es trazar flujos nocturnos medidos contra flujos eco R modelados para examinar las diferencias, o comparar los valores estimados con los flujos de respiración medidos directamente con otras técnicas (por ejemplo, cámaras). Las diferencias en los flujos reecos modelados entre los enfoques presentados pueden provenir del hecho de que en un método algunos parámetros se establecen como constantes, mientras que en el otro se estiman. Incluso los que no cambian en ambos casos (como temperatura de referencia - Tref),no eran los mismos en el ejemplo dado (en FCRN Trefa 283.25 K, mientras que en REddyProc Trefa 288.15 K). Se hizo a propósito para hacer que los usuarios potenciales se den cuenta de que incluso tales cambios leves pueden resultar en discrepancias significativas. La otra cuestión es que un enfoque estadístico no es capaz de llenar grandes lagunas con éxito, lo que en el caso de un sitio de las CE no ideal presentado, donde sólo quedaban 1/3 de flujos medidos después del filtrado y el procedimiento de control de calidad, podría ser motivo de preocupación. No intentamos proporcionar una "mejor solución" con este análisis, sino opciones actuales. En este caso es necesario realizar una investigación más exhaustiva.
Figura 1: Gráfica de rosa de viento en el fondo del área del sitio de Tlen I. Los polígonos sombreados azules representan la dirección del viento elegida y los polígonos sombreados en rojo dentro de ellos muestran sectores de un círculo con un radio de 200 m (extensión máxima aceptable de huella de flujos). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2: El curso de flujos NEP promediados de 30 minutos en cada paso del filtrado de datos (descrito en el Protocolo), en el fondo de los valores de flujos NEP sin procesar y sin procesar. El número relativo de puntos de datos restantes después de cada etapa se indica en la parte superior de cada trazado. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3: La relación entre los flujos NEP, el hueco lleno de un método basado en procesos (FCRN) y un enfoque estadístico (herramienta en línea REddyProc), medido en el sitio de lanzamiento de viento de Tlen I. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4: La respiración del ecosistema diario (Reco) funden totales obtenidos a partir del procedimiento de particionamiento, realizados con un método basado en procesos (FCRN) y un enfoque estadístico (herramienta en línea REddyProc) en el sitio de lanzamiento de viento de Tlen I. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
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Discussion
Este protocolo presenta el método de covarianza eddy (EC) que se utilizará en sitios no ideales (aquí un sitio de lanzamiento de viento reforestado): ubicación del sitio y configuración de la infraestructura de medición, cálculo y postprocesamiento de flujos de CO2 netos, así como algunos problemas relacionados con procedimientos de llenado de huecos y tabiques de flujos.
A pesar de que la técnica DE la CE se utiliza comúnmente en muchos sitios de medición en todo el mundo, la mayoría de ellos son ecosistemas no perturbados, donde el diseño y el siguiente procesamiento de datos se pueden hacer de acuerdo con las soluciones estándar (por ejemplo, protocolos de red FLUXNET o ICOS ). Aunque, en áreas tan exigentes y a menudo espacialmente limitadas como los sitios de lanzamiento de viento, tales experimentos deben planificarse y realizarse con especial precaución. Además, a largo plazo, las mediciones en ecosistemas en crecimiento dinámico requerirían un cambio en la altura del sistema de las CE en el futuro, junto con el nuevo crecimiento y desarrollo de la vegetación. Por lo tanto, recomendamos el uso de una construcción base única, que es una innovadora "minitorre" con un mástil extensible operado eléctricamente. Esta solución técnica permite cumplir uno de los requisitos básicos del propio método: la colocación del sistema de las CE en una capa límite mixta, sin necesidad de reconstrucción o desmontaje de instrumentos, lo que puede dar lugar a nuevas pérdidas de datos en el agotamiento ya Dataset. Además, el mástil eléctrico que se mueve fácilmente también hace que el mantenimiento de los sensores en el sitio sea mucho más fácil (por ejemplo, cuando se necesita limpiar la trayectoria óptica del analizador, todo el sistema EC se puede reducir a la altura deseada y conveniente). No obstante, debe tenerse en cuenta que el aumento de la altura de la colocación del instrumento tendrá consecuencias en la extensión de un área de influencia (huella de flujo), lo que dará lugar a que se excluyan más datos debido a una huella de flujo insuficiente. En el peor de los casos, los flujos medidos probablemente ya no serían representativos para la zona investigada o incluso los requisitos del método de las CE ya no se cumplirían.
La ubicación del sitio en un terreno relativamente homogéneo y plano, como se describe en el Protocolo, es la opción más deseada. En tales condiciones, las cuestiones de advección generalmente se descuidan. Sin embargo, si el área de interés se encuentra en un terreno montañoso, debe tenerse en cuenta en el análisis de flujo medido, lo que implica un conocimiento más avanzado que se debe obtener.
El software sugerido (EddyPro) para el cálculo de flujo a partir de los datos sin procesar y de alta frecuencia, es una herramienta gratuita, compleja y fácil de usar, diseñada para el cálculo del flujo EC. Todas las ecuaciones y correcciones incrustadas tienen el trasfondo científico y las referencias correspondientes a los métodos utilizados se dan15. Además, es constantemente ajustado y desarrollado por especialistas-científicos con el fin de implementar el estado más actual del conocimiento.
Una vez que se calculan los flujos de CO2 promediados temporalmente, deben procesarse cuidadosamente para garantizar su alta calidad y representatividad. Una de las fuentes prosaicas de errores son las perturbaciones en el funcionamiento de los instrumentos: precipitación, polen, suciedad, deposición de hielo en la ventana del analizador de gas (analizador de trayectoria abierta) o tubo de admisión interior (analizadores cerrados y cerrados), que afectan al CO2 mediciones de flujos. Estos eventos también pueden interrumpir la medición de la velocidad del viento hasta cierto punto (anemómetro sónico). Así, en este protocolo, se presentaron las etapas posteriores del filtrado de flujos NEP, en las que el último paso es de mayor importancia para los sitios no ideales, espacialmente limitados. A pesar de que el número de puntos de datos,después de contabilizar los sectores representativos de dirección del viento y la huella, era muy pequeño (Figura 2), hay que recordar que es crucial no incluir señales "falsas", provenientes de áreas diferentes a las que están interesados en. A diferencia de los dos primeros pasos, el procedimiento de filtrado de flujo antes mencionado (principalmente restricciones de dirección del viento) no se utiliza comúnmente en los sitios forestales de las CE, ya que la ubicación del sitio no perturbado se suele elegir de una manera para garantizar el área mejor representativa Posible. Los sitios de lanzamiento de viento, por otro lado, aparecen como resultado de fenómenos impredecibles; por lo tanto, es de que se den algunos compromisos para llevar a cabo mediciones de las CE en estas esferas científicamente valiosas. A diferencia de este estudio, los límites de huella propuestos pueden tener diferentes valores en diferentes direcciones del viento. También vale la pena mencionar que hay otros tipos de estimaciones de representatividad de flujo que el que se presenta aquí (por ejemplo, enfoque de climatología de huella 2D32,que es libre de usar en línea y da resultados más complejos). En sitios tan complicados, este enfoque puede ser aún más útil para especificar el área de la mayor influencia en los flujos medidos. Sin embargo, para simplificar el post-procesamiento de flujos, calculado utilizando el software comercial elegido, se decidió utilizar sólo la información dada en sus archivos de salida.
El punto más débil del protocolo es la descripción de llenado de huecos y partición de flujo. Los dos métodos sugeridos fueron desarrollados individualmente por otros especialistas antes y sólo se implementaron aquí como técnicas propuestas. Además, el método FCRN requiere mucha más contribución del usuario, ya que no hay ninguna herramienta lista para realizar este procedimiento. El análisis comparativo de los correspondientes flujos de llanto de carencias (NEP) y de flujos particionados (GPP y Reco),que podrían haber sido de mayor interés entre los usuarios potenciales, requieren una investigación más exhaustiva para ser plenamente aplicables ( Figura 3 y Figura 4).
Todavía hay un margen de mejora tanto en lo que respecta a los detalles técnicos de las mediciones de las CE como del procesamiento de datos presentados en este protocolo. Una posibilidad potencial es la fusión del método estadístico y basado en procesados para el llenado y particionamiento de brechas de datos (por ejemplo, el método ReddyProc para el llenado de huecos y luego FCRN para la partición de fundentes), de acuerdo con las necesidades individuales, o simplemente el uso de redes se acercan.
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Disclosures
A los autores les gustaría mencionar que el protocolo presentado es principalmente una simplificación de una sindicación bien conocida y ampliamente descrita en relación con las mediciones de las CE. Todas las referencias suficientes se dieron cuando fue necesario. Nuestro principal objetivo era promover el uso de este método, así como nuestro nuevo y único mástil ajustable y operado eléctricamente para mediciones de la CE, entre los no especialistas con un enfoque paso a paso. Esperamos, que sea más fácil darse cuenta e imaginar que, por estrictos que sean los requisitos, la técnica de la CE puede aplicarse satisfactoriamente también en ecosistemas no típicos y limitados espacialmente. Con una bibliografía ya amplia sobre la teoría y la metodología de las CE, el protocolo presentado puede ser potencialmente también un estímulo para una mayor adquisición de conocimientos sobre este tema.
Acknowledgments
Esta investigación fue apoyada por la financiación de la Dirección General de los Bosques Estatales, Varsovia, Polonia (proyecto LAS, No OR-2717/27/11). Nos gustaría expresar nuestro agradecimiento a todo el grupo de investigación del Departamento de Meteorología de la Universidad de Ciencias de la Vida de Poznan, Polonia, involucrado en esta implementación del protocolo y su ayuda durante la creación de su versión visual.
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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