Summary
Det presenterade protokollet använder virvelkovariansmetoden på icke-typiska platser, som gäller för alla typer av kort-Canopy ekosystem med begränsat område, på en för närvarande återplanterade rotvälta plats i Polen. Närmare uppgifter om Mät platsens Inställningsregler, Flux-beräkningar och kvalitetskontroll samt slutresultat analys beskrivs.
Abstract
Detta protokoll är ett exempel på användning av virveln kovarians (EG) teknik för att undersöka rumsligt och temporally genomsnitt netto Co2 flöden (netto ekosystem produktion, NEP), i icke-typiska ekosystem, på en för närvarande återskogad rotvälta område i Polen. Efter en tornado-händelse skapades en relativt smal "korridor" inom bevarade skogsbestånd, vilket försvårar en sådan typ av experiment. Tillämpningen av andra mätmetoder, såsom kammar metoden, är ännu svårare under dessa omständigheter, eftersom särskilt i början, fallna träd och i allmänhet stora heterogenitet av området ger en utmanande plattform för att utföra flödesmätningar och sedan för att korrekt Uppskala erhållna resultat. I jämförelse med de standardiserade EG-mätningar som utförs i orörda skogar kräver fallet med vindkast områden särskild hänsyn när det gäller plats och dataanalys för att säkerställa deras representativitet. Därför presenterar vi här ett protokoll med realtids kontinuerliga CO2 Flux-mätningar på en dynamiskt föränderlig, icke-idealisk EC-sajt, som inkluderar (1) plats och instrumenteringsinställning, (2) Flux-beräkning, (3) rigorös data filtrering och kvalitetskontroll, och (4) gap fyllning och nettoflöden partitionering i CO2 respiration och absorption. Den största fördelen med den beskrivna metoden är att den ger en detaljerad beskrivning av experimentellt installations-och mätresultat från grunden, som kan appliceras på andra rumsligt begränsade ekosystem. Det kan också ses som en lista över rekommendationer om hur man handskas med okonventionella webbplats drift, vilket ger en beskrivning för icke-specialister. Erhållna kvalitetssäkrade, Gap fyllda, halvtimmes värden av net CO2, samt absorption och respiration flöden, kan slutligen aggregeras till dagliga, månatliga, säsongsbetonade eller årliga summor.
Introduction
Nuförtiden, den mest använda tekniken i atmosfären-land ekosystemet koldioxid (CO2) utbytesstudier är Eddy KOVARIANS (EC) teknik1. EG-metoden har använts i årtionden, och omfattande beskrivningar av frågor som rör alla metodologiska, tekniska och praktiska aspekter har redan publicerats2,3,4. Jämfört med andra tekniker som används för liknande ändamål tillåter EG-metoden att man erhåller de rumsligt och timligt genomsnittliga netto CO2 -flödena från automatiska punkt mätningar som beaktar bidraget från alla element i komplicerade ekosystem, i stället för mödosamma, manuella mätningar (t. ex. kammar tekniker) eller kravet på att ta många prover1.
Bland land ekosystem, skogar spelar den mest betydelsefulla roll i C cykling och många vetenskapliga aktiviteter har fokuserat på att undersöka deras CO2 cykel, kollagring i vedartad biomassa och deras ömsesidiga relationer med förändrade klimatförhållanden genom direkt mätning eller modellering5. Många EG-webbplatser, inklusive en av de längsta Flux-posterna6, sattes upp över olika typer av skogar7. Vanligtvis var platsen noga valt innan mätningarna började, med målet att det mest homogena och största området möjligt. Även om, i störda skogsområden, såsom windkast, antalet EG mätstationer är fortfarande otillräckliga8,9,10. En anledning är logistiska svårigheter att mäta platsinställning och, mest av allt, ett litet antal plötsligt visas platser. För att få de mest informativa resultaten på rotvälta områden, är det viktigt att starta så snart som möjligt efter en sådan händelse, vilket kan orsaka ytterligare problem. I motsats till orörda skogsområden, är EG-mätningar vid vindkast platser mer utmanande och kan avvika från redan etablerade förfaranden3. Eftersom vissa extrema vind fenomen skapar rumsligt begränsade områden finns det ett behov av en genomtänkt Mät Stations plats och noggrann databehandling för att härleda så mycket pålitliga Flux-värden som möjligt. Liknande svårigheter i EG-metodens tillämpning har inträffat (t. ex. studier utförda över en lång men smal sjö) där uppmätta CO2 -flöden krävde rigorösa data filtrering11,12 för att säkerställa deras rumslig representativitet.
Därför är det presenterade protokollet ett exempel på användningen av EG-metoden på icke-typiska platser, som inte bara är konstruerade för vindrutor, utan för alla andra typer av kort vegetation med det begränsade området (t. ex. odlingsmarker som ligger mellan högre vegetationstyper). Den största fördelen med den föreslagna metoden är en allmän beskrivning av komplicerade förfaranden, som kräver avancerade kunskaper, från platsen plats val och instrumentering upp till slutresultatet: en komplett datauppsättning av hög kvalitet CO2 Flöden. Den tekniska nyheten i Mät protokollet är användningen av en unik bas konstruktion för EG-systemet placering (t. ex. stativ med en definierad höjd som är en "mini-torn" med en justerbar, elektriskt manövrerade mast, vilket gör det möjligt att ändra den slutliga höjden av sensorer efter individuella behov).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. plats och instrumenteringsinställning
- Välj en Mät plats i relativt homogen och plan terräng för att uppfylla de grundläggande kraven i EG-metoden. Undvik platser med komplicerade landformer (fördjupningar, sluttningar) eller belägna nära aerodynamiska hinder (t. ex. överlevande träd står), som kan snedvrida luftflödet.
- Kontrollera artsammansättning och växttäcke. Välj en plats med de mest likartade egenskaper: ålder och höjd av den huvudsakliga vegetations typen.
- Om möjligt, genomföra några ytterligare jord undersökningar, som hjälper till att välja homogena område. Jämför jordtyper på några platser (jord profiler), markens kol-och kvävehalt samt fuktförhållanden (t. ex. med hjälp av vanligt rutnät för jord provtagning). Undvik platser med enastående egenskaper jämfört med medelvärdena från jord undersökningen.
- Innan du bestämmer var du ska placera instrumenten, Undersök rådande vindriktning (helst för ett år innan platsinstallationen), eller analysera data från närmaste meteorologiska Station. Om det finns vissa restriktioner när det gäller omfattningen av området av intresse, Välj den plats som är inom rådande vindkrafts sektorer (vindrutan).
Anmärkning: när det gäller polska rotvälta plats, på grund av formen av Tornado Path, beslutades det att placera tornet i mitten av dess bredd dimension (ca. 400 − 500 m) och så långt från angränsande, få-åriga tall plantage som möjligt i öst-väst riktning (ca. 200 m f Rom tornet till sina kanter), eftersom den rådande vindriktningen var från nordväst till sydväst och från nordost till öster (figur 1). - Bestäm vilket EG-system som ska användas: öppen bana eller sluten bana (sluten bana = sluten bana med kort insugningsrör) infraröd Gasanalysator (eller två av dem om möjligt). Var och en har fördelar och nackdelar men i allmänhet, båda är tillförlitliga att användas på ett fält. Använd en tredimensionell (3D) ortogonala Sonic anemometer. För att använda EG-metoden krävs mätningar med hög frekvens — minst 10 Hz för båda instrumenten.
- Fundera på vilken typ av strömförsörjning är det mest genomförbara att användas på platsen (finns det en kraftledning i närheten, solpaneler eller andra kraft Generator?). Om det inte finns några begränsningar, Använd den stängda sökvägen (eller slutna) Path Gas Analyzer.
Obs: en öppen vägsystem har mycket lägre strömförbrukning, men i tuffa miljöer (mycket kallt väder, isbildning, regniga platser) det skulle resultera i betydande förlust av högkvalitativa data. - Följ reglerna för att placera båda instrumenten i förhållande till varandra13. Undvik att montera onödiga element i närheten av EG-systemet, vilket kan snedvrida luftflödet.
Anmärkning: en bifogad Path Analyzer (tabell över material) och en 3D Sonic Vinddataanläggning (tabell över material) användes i detta experiment.
- Fundera på vilken typ av strömförsörjning är det mest genomförbara att användas på platsen (finns det en kraftledning i närheten, solpaneler eller andra kraft Generator?). Om det inte finns några begränsningar, Använd den stängda sökvägen (eller slutna) Path Gas Analyzer.
- När platsen är vald, placera ett stativ med en vertikal stolpe (eller en annan typ av bas konstruktion) för att montera EC-systemet ovanpå. Ställ in höjden på instrumenten med hänsyn till två grundläggande krav: undersökt ytjämnhet (för att förenkla höjden på den befintliga vegetationen) och påverknings området (Fetch/footprint ― det område som "ses" av EG-systemet)4.
Notera: att dynamiskt utveckla ekosystem, såsom återplanterade rotvälta plats tlen jag, förändringen i instrument placering med tiden kommer att krävas för att uppfylla EG-metodens krav. Som ett alternativ till en bas konstruktion för EG-systemet, en innovativ infrastruktur (dvs "mini-torn") föreslogs här: ett ankare aluminium konstruktion (1,5-m-hög rektangulär fackverks (W x L) 1 m x 1,2 m) med en mast (trekantiga fackverket 30 cm x 30 cm x 30 cm) flyttar inuti strukturen längs stålskenor, som drivs av en elmotor.- Först montera båda instrumenten i EG-systemet på en metallstolpe fäst centralt i masten. Kom ihåg att placera Sonic Vinddataanläggning i ett perfekt vertikalt läge. Luta gas analysatorn något så att regnvatten kan lossas lätt.
- Höj instrumenten till en höjd två gånger takhöjden från jordytan, och minst 1,5 − 2,0 m ovanför toppen av trädkronorna4. Se till att basen konstruktionen är placerad på ett sätt, vilket säkerställer att det undersökta området sträcker sig minst 100 gånger höjden av en sensorplacering i vardera riktningen14.
- Kom ihåg att installera åskskydd för en metall konstruktion.
Anmärkning: för att uppnå maximal effekt från EG-mätningen på den polska vindkast platsen (tlen I) gjordes vissa kompromisser. Instrumentera placerades på höjden av 3,3 m på början av experiment.
- För vidare beräkning och Flux-analys, Mät vissa hjälpvariabler samtidigt, inklusive åtminstone: luft (ta) och jord (TS) temperatur, relativ luftfuktighet (RH) i luften, fotosyntetisk fotonflussdensitet (PPFD), inkommande solstrålning (RG) och nederbörd (P). Vanligtvis, på EC webbplatser ett stort antal andra variabler erhålls också.
- Placera strålnings sensorer (PPFD och rg) i söder. Använd en horisontell stolpe för att flytta dem bort från stativet. Kontrollera sensorernas vyvinkel och justera längden på stolpen och monteringshöjden för att säkerställa att endast den undersökta ytan syns.
- Använd lufttemperatur-och luftfuktighets sensorer med strålskydd, monterade på samma höjd som EG-systemet.
- Installera tippskopa regnmätare (minst två) i relativt öppna utrymmen, nära EG-tornet, 1 m över marknivån. Begrava jord temperatursensorer på flera olika djup (tre eller fler beroende på jordart). Kom ihåg att ha några repetitioner för varje djup. Placera några sensorer på den smalaste möjliga nivån.
2. beräkning av CO2 Flux
- Använd kommersiellt tillgänglig, fri programvara (t. ex. EddyPro15) för EC Flux-beräkning som innehåller korrigeringsprogram.
Obs: denna programvara valdes på grund av dess komplexitet, popularitet och användarvänlighet och rekommenderas särskilt för icke-experter. - Skapa först ett nytt projekt och ange sedan filformatet RAW-data i fliken Projektinformation och Välj metadatafil. Om rådata erhölls som ". GHG"-filer, är den individuella metadatafilen redan inbäddad och ingen ytterligare åtgärd krävs. I andra fall kan du använda alternativet alternativ fil och skriva all information manuellt.
Anmärkning: metadatafilen anger ordningen för uppmätta variabler, deras enheter och ytterligare information som behövs för Flux-beräkning. Om någon av inställnings detaljerna eller webbplatsens egenskaper ändras, kom ihåg att ändra den i avsnittet metadata. - Gå till fliken Flux info , Välj datauppsättning och utdata kataloger, ange RAW-filnamn format och kontrollera listan över objekt för Flux beräkning.
- Gå till fliken bearbetnings alternativ och välj Inställningar för RAW-databearbetning.
- Välj metoden för korrigering av anemometerns mätningar (rotations metod), som gör det möjligt att redogöra för eventuell feljustering av Sonic Vinddataanläggning med avseende på den lokala vinden Streamline15. Kryssa för den första planar Fit Approach16 (föreslås för icke-ideala, heterogena platser).
- Välj 0-1-2 typ av Flaggnings princip17 (den metod som visar resultaten av ett kvalitetskontroll förfarande).
- Välj önskad metod för fotavtryck (arean av påverkan på uppmätta flöden) (t. ex. Kljun18 -metoden). Lämna alla andra inställningar oförändrade (standardalternativ).
Obs: här kan man välja från listan över alternativ om korrigeringar som skall tillämpas, flöden fotavtryck beräkningsmetod eller strukturen av utdatafiler. Även om det föreslås att inte ändra standardalternativ under den preliminära körningen av den valda EC-programvara, med undantag för de som anges här.
- I händelse av problem/frågor, Använd knappen frågetecken (?) bredvid alternativet av intresse för att ta reda på mer. Kom ihåg att felaktig eller saknad information i en flik kommer att förhindra förflyttning till en annan.
- Klicka på kör ett avancerat läge för att starta flöden beräkning i slutet. Om du bara använder standardinställningarna klickar du på kör ett Express läge.
3. filtrering och kvalitetskontroll av flöden
- Undvik dataförlust med hjälp av en regelbunden underhållsplan. Enligt individuell kapacitet, rengör sensorer så ofta som möjligt med hjälp av vatten eller milt rengöringsmedel.
- Utför kalibrering av gasanalysatorer minst en gång var 6: e månad med hjälp av CO2 -standarderna (0 ppm och minst en annan koncentration, t. ex. 360 ppm). Minst 24 h före varje kalibrering, Byt CO2 och h2O absorberande medel (natriumhydroxidbelagd kiseldioxid respektive magnesiumperklorat) som finns i två små flaskor inuti sensorhuvudet.
Obs: Kalibreringsproceduren är relativt enkel och väl beskriven i gas analysatorns manual. I programvaran tillägnad LI-7200 och LI-7500, det finns en flik, som innehåller alla steg-för-steg riktlinjer för hela processen. Vid eventuella svårigheter, kan analysatorer alltid skickas för en fabrikskalibrering utförd av producenten, men det kräver sensor avmontering och resulterar i långa luckor i Flux-datasetet. - Skapa en gemensam fil (t. ex.. csv,. xlsx) som innehåller alla resultat från Flux-beräkningsprogramvaran och hjälp mätningarna. Se till att motsvarande 30-min medelvärden (Fluxes och meteorologiska variabler) mäts vid exakt samma tidpunkt.
Obs: för att förenkla och påskynda filtrerings proceduren, Använd ytterligare program (t. ex. MATLAB eller Free R programvara), beroende på användarnas färdigheter, snarare än att arbeta i ett kalkylark. - Utför alla filtrerings steg som beskrivs nedan (avsnitten 3.5-3.7) på data från den här filen. Använd antingen filtreringsverktyg i kalkylbladet (eller inbäddad "om"-funktionen) eller skapa anpassade filtreringsfunktioner som utnyttjar annan programvara.
- Ogynnsamma väderförhållanden och instrumentets funktionsfel.
- Använd instrumentets resultatindikatorer för att filtrera ut data som utsätts för fel på grund av Gasanalysator förorening. För en sluten-Path Analyzer, kontrollera den genomsnittliga signalstyrka (ASS) värde som anges i utdatafilen från Fluxes beräkning programvara. Sedan, markera och kassera alla flöden (co2_flux) mätt nedan, t. ex., ASS = 70% (10% högre tröskel än vad som föreslås i instrumentets manual).
- Alternativt, ställa in ett konstant intervall för Fluxes, som tillåter uteslutning av extremvärden (t. ex. från-15 till 15 μmol ∙ m-2∙ s-1 på tlen I plats). Ett av de möjliga sätten att ta bort flussmedel utanför det normala området är att använda en gräns på 2 − 3 standardavvikelser från medelvärdet av Flux-värdet, beräknat individuellt för varje säsong.
Obs: författarna rekommenderar inte starkt att använda en a priori intervall som gjort i fallet med tlen i webbplats av icke-specialist. Det statistiska tillvägagångssättet är mycket mer tillförlitligt och objektivt. - Kassera flusmedel mätta vid regn händelser (eller annan typ av nederbörd). ta bort flöden när P ≥ 0,1 mm.
- Redogöra för olämpliga villkor för virvelkovariansmetodens tillämpning.
- Använd resultaten av steady-state-testet och det väl utvecklade turbulenstest17,19 utförs under flöden beräkning i programvaran (se steg 2.4.2). Kassera Flux-data med dålig kvalitet (CO2 -flaggvärden: qc_co2_flux > 1) i den gemensamma resultatfilen.
- Använd natten period indikatorn (dagtid = 0) anges i utdatafilen för att filtrera ut Co2 flöden värden mäts på natten. Plot all natten Co2 flöden mot motsvarande friktion hastighet värden (u* mätt på samma gång) och hitta u* värde där dessa flöden slutade öka.
- Markera det erhållna värdet som tröskelvärdet för friktions hastighet (u* THR) som ska användas som ett mått på otillräckliga turbulenta förhållanden. Kassera alla CO2 -flöden med motsvarande u* -värden < u* THR från datauppsättningen
Notera: den presenterade metoden för dig* THR beslutsamhet är den enklaste men också den mest subjektiva. Det finns få, mer precisa, komplicerade och pålitliga metoder för att definiera friktions hastighets tröskeln21,22 än den enkla okulärbesiktning som kan användas här. Dessutom måste det nämnas att vid mycket heterogena platser definiera u* THR kanske inte är lätt. Några andra åtgärder måste övervägas i sådana fall, som är väl beskrivna i litteraturen3,4.
- Flöde rumsliga representativitet begränsningar
- Först, rita vinden ros, erhålls från mätningar eller från närmaste meteorologiska Station, på kartan över undersökta området. Ange vilka vindkrafts sektorer som bör undantas från den slutliga analysen (på grund av att det finns en potentiell börda eller annan vegetations typ än vad som utreds). Använd en anpassad metod eller utnyttja färdiga funktioner från andra matematiska program (t. ex., windRose funktion i R programvara).
- Enligt uppskattningen av sidvind integrerade fotavtryck väljs under flöden beräkning (steg 2.4.3), bestämma vilken fotavtryck karakteristiska kommer att användas för ytterligare analys (x_10%, x_30%, x_50%, x_70% eller x _ 90% nivå). För att förenkla, ger varje 30-minuters footprint värde information om vad som är avståndet (motvind) till kanten av området, från vilken den uppmätta signalen (Flux) har sitt ursprung med en given sannolikhets nivå.
ANMÄRKNINGAR: här är fotavtryck värden som representerar 70% (x_70%) sannolikhet valdes som gräns, eftersom högsta möjliga 90% nivå i rumsligt begränsade platser resulterar i att gå långt bortom utredningsområdet. - Välj vindriktningen sektorer som är mest representativa för mätplatsen. Gör samma med värdena för fotavtryck, med tanke på att det mest avlägsna avståndet (det högsta fotavtryck svärdet) inte får överstiga det intressanta området (figur 1). Filtrera ut Flux-värden som inte uppfyller båda kraven.
Notera: sedan rotvälta tlen i platsen var lokaliserat mellan skog stativen som fortlevde tromben, endast två sektorer av lindar riktningen accepterades som representativt: 30 − 90 ° och 210 − 300 °. Således, alla CO2 flöden härstammar från området utanför dessa sektorer uteslöts. Dessutom bör avståndet till den närmaste bördan (störande luftflöde) eller annan typ av ekosystem (med olika net CO2 Exchange Dynamics) i varje riktning vara maximal footprint gräns, men det rekommenderas att minska detta värde. På den centralt belägna tlen I platsen var avståndet till den överlevande skogens kanter ca. 200 − 250 m; det valda tröskelvärdet för footprint var därför inställt på 200 m som mest och tillämpas lika i varje riktning.
4. gap fyllning och netto flödes partitionering i CO2 respiration och absorption
- Välj metoden för kvalitetskontroll av CO2 flöde gap fyllning och partitionering i absorption (brutto primärproduktion [GPP] Fluxes) och respiration (ekosystem respiration [REco] Fluxes) från flera vanliga metoder, som omfattar tre grundläggande grupper: processbaserad metod23,24, statistiska metoder25,26, och användning av neurala nätverk27,28.
Anmärkning: eftersom de två första grupperna av metoder (processbaserade och statistiska metoder) används i stor utsträckning bland det vetenskapliga samfundet, väl beskrivna och diskuteras i litteraturen och i fallet med den senare, rekommenderas att användas i ett globalt nätverk av Flux mätplatser (FLUXNET) och integrerat kol observations system (ICOS) (internationella initiativ som syftar till övervakning av spårgaser, insamling av EG-data och gemensamma bearbetnings protokoll), var användningen av båda rekommenderade här på Början. - Som ett exempel på den processbaserade metoden, Följ proceduren från FLUXNET Canada Research Network (FCRN23,24).
- Välj net Co2 flöden (NEP) mätt under natten perioder samt alla Flux värden från utanför växtsäsongen. Dessa antas vara helt REco -flöden.
Anmärkning: för att skilja mellan nattetid och dagtid, kan ppfd tröskel värde också användas (t. ex., ppfd < 120 μmol ∙ m-2∙ s-1 som en natten indikator29). För att uppskatta när vegetationsperioden börjar och slutar, användes dessutom en enkel termisk metod: när den genomsnittliga dygns luften (vid 2 m höjd) och marktemperaturen (vid 2 cm djup) var större än 0 ° c noterades och avslutades vegetations säsongens början, när b andra temperaturer sjönk under 0 ° c igen. Vid olika vegetations arter bör en annan temperatur tröskel användas när det gäller växternas fysiologi. Uppkomsten av fotosyntetisk aktivitet är olika för barr-och lövträd, grödor och gräs, som kommer från det faktum, att olika vegetations arter reagerar olika på lufttemperaturen. - Med hjälp av temperaturen (T) av jord, luft eller kombinationen av de två, bestämma förhållandet mellan temperatur och REco. Använda någon programvara som gör det möjligt att montera icke-linjära funktioner till data (t. ex. MATLAB programvara). I princip väljer du regressionsmodellen Best Fit (Använd t. ex. Akaike information kriterium (AIC) för att bestämma vilken funktion som passar bäst för data); även i praktiken är en av de mest använda funktionerna en Lloyd-Taylor30 modell:
där REco är ekosystemet respiration Flux-värdet
, är andningsfrekvensen i en referenstemperatur, tRef är referenstemperaturen, t är den uppmätta luft-eller marktemperaturen, t0 är den temperatur som är ett tröskelvärde för biologisk aktivitet att initiera (uppskattad parameter av modellen), och E0 är den parameter som beskriver aktiveringsenergin.
Anmärkning: när det gäller fcrn förfarande, vissa av dessa variabler är fastställda i förväg: TRef och E0, som i händelse av tlen jag rotvälta plats var lika med 283,25 k och 309 k, respektive. Vissa studier tyder på användning av jordtemperaturen mätt vid det grundliga djupet för REco vs. T -förhållandet25, som för en kort vegetation verkade vara det bästa valet, eftersom en stor del av utsläppen kommer från den heterogena andningen från jorden och rötter. Till skillnad från i tallskogen, den autotrofiska respiration av lövverk, grenar och Boles, driven av lufttemperatur, spelar inte en viktig roll (om närvarande). - Med hjälp av den erhållna REco vs T regression funktion, fylla luckorna i natten och icke växande säsong NEP flöden och beräkna funktionen värde för saknade flöden med motsvarande temperatur mätningar. Observera att i dessa fall REco = NEP, och GPP = 0. Samma funktion med dagtid temperaturer kommer att ge dagtid REco flöden för varje halvtimmes värde.
- Beräkna GPP värden enligt ekvationen: GPP = NEP + REco för varje tillgänglig NEP Flux under dagtid i odlingssäsongen eller satt till noll under natten och den icke-vegetationsperioden. Då, finna släktskapen emellan PPFD och GPP Fluxes. Använd någon programvara som gör det möjligt att montera icke-linjära funktioner till data. Återigen finns det en allmänt använd ekvation för att uppnå ett sådant förhållande-rektangulära hyperbel av Michaelis-menten, här i en modifierad form26:
där GPP är den genomsnittliga bruttoproduktionen för 30 minuter, α är ekosystemet Quantum Yield, och GPPopt är GPP Flux-hastighet vid en optimal ppfd (2000 μmol ∙ m-2∙ s-1).
Obs: Använd den erhållna funktionen för att modellera GPP värden för uppmätta dagtid, odlingssäsongen NEP flöden värden. - I slutet av hela förfarandet, använda modellerade GPP och REco flöden för att beräkna saknade NEP flöden värden enligt följande: NEP = GPP- REco.
Obs: vissa små luckor (några saknade flöden) kan fyllas med en enkel linjär regression funktion, en glidande medelvärde metod eller andra statistiska metoder innan de går in i modellerna. Luckorna i accessoriska variabler (temperatur, solstrålning) måste fyllas innan modellerna matas in. Således är multiplicerad mätning av samma eller surrogat variabler användbara, vilket bidrar till att undvika stora luckor i datauppsättningar.
- Välj net Co2 flöden (NEP) mätt under natten perioder samt alla Flux värden från utanför växtsäsongen. Dessa antas vara helt REco -flöden.
- För att fylla luckorna inte bara i CO2 utan även andra EG-Flux-värden (förnuftig och latent värme), samt i de viktiga meteorologiska elementen, Använd ReddyProc25 online-verktyget (finns även som ett R programpaket).
Anmärkning: i motsats till den tidigare metoden, första saknade NEP flöden fylls och sedan varje halvtimme netto Flux är uppdelad i GPP och REco. Den typ av modell som används för REco flöden partitionering är densamma som i den tidigare tekniken.- För att använda ett online-verktyg, förbereda data enligt reglerna om deras format och ordning. De uppgifter som behövs inkluderar 30-min medelvärden av net CO2 (NEP), latent värme (Le) och förnuftig värme (H) flöden, vattenånga underskott (VPD) och friktions hastigheter värden beräknade med hjälp av EG-mätningar, samt jord eller lufttemperatur (Tluft ( T. ex. jord), inkommande solstrålning (Rg) och relativ luftfuktighet (RH).
- Gå till bearbetnings sidan och fyll i all nödvändig information om mätplatsen (namn, koordinater, höjd, tidszon).
- Bestäm om du vill uppskatta u* Threshold dessutom med denna programvara (se steg 3.6.2 och 3.6.3), vilken metod att använda och för vilken tidsperiod: hela året eller separat för varje säsong.
- Välj en eller båda metoderna för nettoflöden partitionering (Nighttime-25 eller dagtid-baserade31) och kör beräkningsprocessen.
- Jämför erhållna resultat i form av både metod föreställningar i NEP Flux-fyllning och partitionering genom att skapa konstgjorda luckor i NEP, och kontrollera hur exakt de modellerades.
- Beräkna dagliga, månatliga och årliga totaler för alla gap fyllda CO2 -flöden inklusive NEP, GPP och REco, på grundval av vilka förändringarna i ekosystemet fungerar kan spåras. Använd användarnas egen funktion för att aggregera dessa flöden separat i den valda tidsdomänen och summera alla värden.
Obs: vid tlen jag rotvälta plats, årliga totaler, liksom månatliga flöden får analysera inte bara net Co2 Exchange dynamik utan även efter störning återhämtning mekanismer i den förvaltade skogen.
, är andningsfrekvensen i en referenstemperatur, tRef är referenstemperaturen, t är den uppmätta luft-eller marktemperaturen, t0 är den temperatur som är ett tröskelvärde för biologisk aktivitet att initiera (uppskattad parameter av modellen), och E0 är den parameter som beskriver aktiveringsenergin.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
En av de avgörande stegen i Flux-filtrering och kvalitetskontroll vid icke-ideala EG-platser är bedömningen av de uppmätta flussmedelens rumsliga representativitet. Det enklaste sättet att utföra en sådan analys, med tanke på att beräkningarna gjordes med hjälp av kommersiell, allmänt tillämpad programvara, är att inkludera mätningar från önskat område endast, på grundval av vindriktning och footprint uppskattningar (se avsnitt 3,7). Sålunda, vinden Rosen tomt, med en vald vindriktning och maximal acceptabel sträcka av flöden fotavtryck, markerade som skuggade polygoner, på bakgrunden av satellitbilden från tlen jag plats, visas här som en visuell representation av analysresultatet ( Figur 1).
I princip mäts vindhastighet och spårgaskoncentration av virvelkovarianssystemet, som sedan används för att beräkna net Co2 Exchange flöden (NEP). Rå Flux-värden måste sedan efterbearbetas för att utesluta fel och data av låg kvalitet. Figur 2 visar resultaten av en filtrering förfarande på exempel på ett år NEP flöden mätningar från tlen jag rotvälta plats.
Det bör noteras att det föreslagna förfarandet för kvalitetskontroll av Flux och försäkran resulterade i betydande dataförluster, i mycket större utsträckning än i typiska EG-områden. Minskningen till godtagbara NEP-flöden i förhållande till föregående etapp var likartad i avsnitten 3,6 och 3,7, medan det minsta antalet datapunkter förkastades på grund av ogynnsamma väderförhållanden och funktionsstörningar i instrumentet (avsnitt 3,5). Den sista delen av kvalitetssäkrings protokollet (valda fotavtryck och vindriktning sektorer) gav en slutlig datatäckning av endast 1/3 av alla rå NEP flöden mätt med EG. I allmänhet steg 3,7 är den mest avgörande delen av filtreringsprocessen här, försäkrar att erhållna flöden representerar gasutbytet av det undersökta området.
Högkvalitativa NEP-flöden kan slutligen användas för att härleda dagliga, månatliga, säsongsbetonade eller årliga totaler. De måste dock vara tomrum fyllda före varje åtgärd. I figur 3visas sambandet mellan NEP-flöden, Gap fyllt med två olika tillvägagångssätt: processbaserad (FCRN) och statistisk metod (REddyProc).
Den presenterade enkla linjära regression tyder på att i allmänhet båda teknikerna är jämförbara (statistiskt signifikant regression med r2= 0,89) och därmed kan användas för NEP flöden gap fyllning, vilket ger tillfredsställande liknande resultat (regression Linjelutning lika 0,90, som tyder på endast 10% skillnad mellan gap fyllda flöden i genomsnitt). Med endast net CO2 Flux värden, ingenting kan sägas om enskilda effekter av absorption (GPP) och respiration (REco) processer. Därför, tillsammans med gap fyllning, så kallade Flux partitionering förfarande realiserades också, med hjälp av samma två metoder. Dagliga totaler för REco -flöden presenteras i figur 4 som exempel på två olika metod föreställningar i net Co2 flöden partitionering.
Resultaten av rEco Flux-beräkning med två olika metoder, även om samma modell av rEco vs T användes i båda fallen, är exempel på en potentiell källa till felaktiga slutsatser om ett bidrag från andningen till de sammanlagda NEP flöden eller därmed absorberingen klassar (GPP-flöden). Det kan dock inte tydligt anges vilken metod som ger mer tillförlitliga resultat utan ytterligare analys på detta sätt. Vad kan göras, enligt vår mening, är antingen plottning mätt nattliga flöden mot modellerade REco flöden att titta över skillnaderna, eller att jämföra uppskattade värden med respiration flöden direkt mäts med annan teknik (t. ex. kammare). Skillnaderna i modellerade Reko flöden mellan presenterade metoder kan komma från det faktum, att i en metod vissa parametrar är inställda som konstant, medan det i den andra de uppskattas. Även de, som inte ändrar i båda fall (som en hänvisa till temperatur- T-Ref), var inte samma i givet exempel (i fcrn t-Ref= 283,25 k, stunder i reddyproc tRef= 288,15 k). Det gjordes med avsikt att göra potentiella användare inser att även sådana smärre förändringar kan resultera i betydande avvikelser. Den andra frågan är att en statistisk strategi inte kan fylla stora luckor framgångsrikt, vilket i fallet med presenterade icke-ideala EG-området, där det fanns endast 1/3 av uppmätta flöden kvar efter filtrering och kvalitetskontroll förfarande, kan vara en anledning till oro. Vi försöker inte att ge en "bättre lösning" med denna analys, utan snarare presentera alternativ. En mer grundlig utredning måste göras i detta fall.
Figur 1: Wind Rose Plot på bakgrunden av tlen i området. De blå skuggade polygoner representerar den valda vindriktning och röda skuggade polygoner inom dem visar sektorer av en cirkel med en radie på 200 m (maximal acceptabel sträcka av flöden fotavtryck). Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2: kursen på 30 minuter i genomsnitt NEP flöden vid varje steg av data filtrering (beskrivs i protokollet), på bakgrunden av obearbetade, rå NEP flöden värden. Det relativa antalet datapunkter som återstår efter varje etapp anges högst upp på varje observationsområde. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3: förhållandet mellan NEP flöden, Gap fylld med en processbaserad metod (fcrn) och en statistisk metod (reddyproc online Tool), mätt vid tlen jag rotvälta plats. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4: dagligt ekosystem respiration (REco) flöden totalt erhålls från partitionering förfarande, utförs med en processbaserad metod (fcrn) och en statistisk metod (reddyproc online Tool) på tlen jag rotvälta webbplats. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Detta protokoll presenterar Eddy kovarians (EG) metod som skall användas vid icke-ideala platser (här en återplanterade rotvälta plats): plats och mäta infrastruktur setup, net Co2 flöden beräkning och efter behandling, liksom vissa frågor om Gap fyllning och flöden partitionering förfaranden.
Även om EG-tekniken ofta används på många mätplatser runt om i världen är de flesta av dem icke-störda ekosystem, där utformningen och följande databehandling kan göras enligt standardlösningar (t. ex. FLUXNET eller ICOS nätverksprotokoll ). Även i sådana krävande och ofta rumsligt begränsade områden som vindkast platser, bör sådana experiment planeras och utföras med särskild försiktighet. Dessutom, på lång sikt, mätningar på dynamiskt växande ekosystem skulle kräva en förändring i EG-systemets höjd i framtiden, tillsammans med ny vegetation tillväxt och utveckling. Därför rekommenderar vi att du använder en unik bas konstruktion, som är en innovativ "mini-torn" med en elektriskt manövrerad, utdragbar mast. Denna tekniska lösning gör det möjligt att uppfylla ett av de grundläggande kraven i själva metoden: EG-systemet placering i ett blandat gränsskikt, utan behov av återuppbyggnad eller instrument avmontering, vilket kan resultera i ytterligare dataförluster i redan utarmade Datamängd. Dessutom gör den lätt rörliga elektriska masten också sensorernas underhåll på platsen mycket enklare (t. ex. när man behöver rengöra den optiska vägen av analysatorn, hela EG-systemet kan föras ner till önskad, bekväm höjd). Det måste dock noteras att en höjning av instrumentets placering kommer att få konsekvenser i förlängningen av ett påverkans område (Flux footprint), vilket ytterligare kommer att resultera i att mer data utesluts på grund av otillräcklig flödes påverkan. I värsta fall skulle de uppmätta flödena antagligen inte längre vara representativa för det undersökta området, eller så skulle inte ens EG-metodens krav uppfyllas längre.
Plats i en relativt homogen och platt terräng, som beskrivs i protokollet, är det mest önskade alternativet. Under sådana förhållanden är termen frågor i allmänhet försummade. Men om området av intresse ligger på en kuperad terräng, måste det beaktas i den uppmätta Flux-analysen, vilket innebär mer avancerade kunskaper att vinna.
Den föreslagna programvaran (EddyPro) för Flux-beräkning från RAW, högfrekvent data, är ett fritt, komplext och användarvänligt verktyg, utformat för EG Flux beräkning. Alla inbäddade ekvationer och rättelser har den vetenskapliga bakgrunden och motsvarande hänvisningar till de metoder som används ges15. Dessutom är det ständigt anpassas och utvecklas av specialister-forskare för att genomföra den mest aktuella kunskapsläget.
När temporally genomsnitt CO2 flöden beräknas, de måste noggrant bearbetas för att säkerställa deras höga kvalitet och representativitet. En av de prosaiska källorna till fel är störningar i instrumentens funktion: nederbörd, pollen, smuts, isdeposition på gasanalysatorn (Open-Path Analyzer) eller insidan insugningsröret (slutna-och sluten-Path analysatorer), som påverkar CO2 flöden mätningar. Sådana händelser kan också störa Vindhastighets mätningen i viss utsträckning (Sonic anemometer). Sålunda, i detta protokoll, följande stadier av NEP flöden filtrering presenterades, där det sista steget är av största betydelse för icke-ideala, rumsligt begränsad platser. Även om antalet datapunkter, efter redovisning av representativa vindriktningen sektorer och fotavtryck, var mycket liten (figur 2), måste man komma ihåg att det är viktigt att inte inkludera "falska" signaler, som kommer från olika områden än de vi är intresserade av. I motsats till de två första stegen är det ovan nämnda Flux-filtreringsförfarandet (huvudsakligen vindriktning begränsningar) inte vanligt förekommande i EG-skogsområden, eftersom den ostörda platsen vanligtvis väljs på ett sätt som garanterar bästa representativa område Möjligt. Vindkast platser, å andra sidan, visas som ett resultat av oförutsägbara fenomen; Därför måste vissa kompromisser göras för att genomföra EG-mätningar på dessa vetenskapligt värdefulla områden. Till skillnad från i denna studie, föreslagna footprint gränser kan ha olika värden i olika vind riktningar. Det är också värt att nämna att det finns andra typer av Flux representativitet uppskattningar än den som presenteras här (t. ex., 2D fotavtryck klimatologi Approach32, som är gratis att använda online och ger mer komplexa resultat). I sådana komplicerade områden, kan detta tillvägagångssätt vara ännu mer användbart för att specificera det område som störst inflytande på de uppmätta flödena. Men för att förenkla efter bearbetning av Fluxes, beräknat med vald kommersiell programvara, beslutades att använda endast information som ges i dess utdatafiler.
Den svagaste punkten i protokollet är den gap fyllning och Flux partitionering beskrivning. De två föreslagna metoderna utvecklades individuellt av andra specialister innan och genomfördes endast här som föreslagen teknik. Dessutom kräver FCRN-metoden mycket mer bidrag från användaren eftersom det inte finns något färdigt verktyg för att utföra den här proceduren. Den jämförande analysen av motsvarande gap fyllda (NEP) och partitionerade flöden (GPP och REco), som kan ha varit av större intresse bland potentiella användare, kräver en mer grundlig utredning för att kunna tillämpas fullt ut ( Figur 3 och figur 4).
Det finns fortfarande ett utrymme för förbättringar när det gäller både de tekniska detaljerna för EG-mätningar och databehandling som presenteras i detta protokoll. En potentiell möjlighet är fusion av bearbetade-baserade och statistiska metoden för data gap fyllning och partitionering (t. ex., reddyproc metod för gap fyllning och sedan fcrn för flöden partitionering), enligt individuella behov, eller helt enkelt användning av neurala nätverk.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna vill nämna, att presenterade protokollet är främst en förenkling av en välkänd och allmänt beskrivna frågor om EG-mätningar. Alla tillräckliga referenser gavs vid behov. Vårt främsta mål var att främja användningen av denna metod, liksom vår nya och unika justerbara, elektriskt manövrerade mast för EG-mätningar, bland icke-specialister med en stegvis strategi. Vi hoppas att det gör det lättare att inse och föreställa sig att stränga krav måste uppfyllas, EG-tekniken kan tillämpas på ett tillfredsställande sätt även i icke-typiska, rumsligt begränsade ekosystem. Med redan bred litteratur om EG-teori och metodik, presenterade protokoll kan potentiellt också vara en uppmuntran till ytterligare kunskapsförvärv i denna fråga.
Acknowledgments
Denna forskning stöddes av finansiering från generaldirektoratet för statliga skogar, Warszawa, Polen (projekt LAS, no eller-2717/27/11). Vi vill uttrycka vår tacksamhet till hela forskargruppen från Meteorologiska institutionen, Poznan University of Life Sciences, Polen, som deltar i detta protokoll genomförande och deras hjälp under skapandet av dess visuella version.
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).
