Summary
Le protocole présenté utilise la méthode de covariance des remous à des endroits non typiques, applicable à tous les types d'écosystèmes à canopée courte avec une superficie limitée, sur un site de lancer seau à vent actuellement reboisé en Pologne. Les détails de la mesure des règles d'configuration du site, des calculs de flux et du contrôle de la qualité, ainsi que l'analyse finale des résultats, sont décrits.
Abstract
Ce protocole est un exemple d'utilisation de la technique de covariance de remous (CE) pour étudier les flux nets de CO2 (production nette d'écosystème, NEP) dans des écosystèmes non typiques, sur une zone de jet de vent actuellement reboisée en Pologne. Après une tornade, un « corridor » relativement étroit a été créé dans les peuplements forestiers survivants, ce qui complique ce genre d'expériences. L'application d'autres techniques de mesure, telles que la méthode de chambre, est encore plus difficile dans ces circonstances, parce que surtout au début, les arbres tombés et en général une grande hétérogénéité du site fournissent une plate-forme difficile à effectuer mesures de flux, puis à bien haut de gamme obtenu des résultats. En comparaison avec les mesures communautaires standard effectuées dans les forêts intactes, le cas des zones de jet de vent nécessite une attention particulière en ce qui concerne l'emplacement du site et l'analyse des données afin d'assurer leur représentativité. Par conséquent, nous présentons ici un protocole de mesures continues en temps réel du flux CO2 sur un site Ce qui change dynamiquement et non l'idéal, qui comprend (1) l'emplacement du site et la configuration de l'instrumentation, (2) le calcul des flux, (3) le filtrage rigoureux des données et contrôle de la qualité, et (4) le remplissage des lacunes et les flux nets se divisent en respiration et absorption du CO 2. Le principal avantage de la méthodologie décrite est qu'elle fournit une description détaillée de la configuration expérimentale et de la performance de mesure à partir de zéro, qui peut être appliquée à d'autres écosystèmes spatialement limités. Il peut également être considéré comme une liste de recommandations sur la façon de traiter le fonctionnement non conventionnel du site, fournissant une description pour les non-spécialistes. Les valeurs obtenues de CO 2, vérifiéesde qualité, remplies d'écarts et d'une demi-heure, ainsi que les flux d'absorption et de respiration, peuvent enfin être agrégées en totaux quotidiens, mensuels, saisonniers ou annuels.
Introduction
Aujourd'hui, la technique la plus couramment utilisée dans les études d'échange de dioxyde de carbone de l'écosystème atmosphère-terre (CO2) est la technique de covariance des remous (CE)1. La méthode CE est utilisée depuis des décennies, et des descriptions complètes des questions concernant tous les aspects méthodologiques, techniques et pratiques ont déjà été publiées2,3,4. Par rapport à d'autres techniques utilisées à des fins similaires, la méthode CE permet d'obtenir les flux nets de CO2 à moyen spatial et temporel à partir de mesures automatiques ponctuelles qui tiennent compte de la contribution de tous les éléments dans des les écosystèmes, au lieu de mesures manuelles laborieuses (p. ex., techniques de chambre) ou l'exigence de prélever de nombreux échantillons1.
Parmi les écosystèmes terrestres, les forêts jouent le rôle le plus important dans le cyclisme C et de nombreuses activités scientifiques se sont concentrées sur l'étude de leur cycle de CO 2, le stockage du carbone dans la biomasse ligneuse et leurs relations mutuelles avec les conditions climatiques changeantes en à la fois la mesure directe ou la modélisation5. De nombreux sites communautaires, y compris l'un des plus longs enregistrements de flux6, ont été mis en place au-dessus de différents types de forêts7. Habituellement, l'emplacement du site a été soigneusement choisi avant le début des mesures, avec l'objectif de la zone la plus homogène et la plus grande possible. Bien que, dans les sites forestiers perturbés, tels que les jets de vent, le nombre de stations de mesure CE sont encore insuffisants8,9,10. L'une des raisons est les difficultés logistiques dans la mesure de l'aménagement du site et, surtout, un petit nombre d'emplacements apparaissant soudainement. Afin d'obtenir les résultats les plus informatifs dans les zones de lancer du vent, il est crucial de commencer dès que possible après un tel événement accidentel, ce qui peut causer des problèmes supplémentaires. Contrairement aux sites forestiers intacts, les mesures des CE sur les sites de lancers du vent sont plus difficiles et peuvent s'écarter des procédures déjà établies3. Étant donné que certains phénomènes de vent extrême créent des zones spatialement limitées, il est nécessaire d'avoir une position réfléchie de la station de mesure et un traitement minutieux des données afin de tirer autant de valeurs de flux fiables que possible. Des difficultés similaires dans l'application de la méthode EC se sont produites (p. ex., études de finition effectuées au-dessus d'un lac long mais étroit) où les flux de CO2 mesurés nécessitaient un filtrage rigoureux des données11,12 afin d'assurer leur représentativité spatiale.
Par conséquent, le protocole présenté est un exemple de l'utilisation de la méthode DES Ce à des endroits non typiques, conçu non seulement pour les zones de lancer du vent, mais pour tous les autres types de végétation courte avec la superficie limitée (par exemple, les terres cultivées situées entre les types de végétation plus grandes). Le plus grand avantage de la méthodologie proposée est une description générale des procédures compliquées, nécessitant des connaissances avancées, du choix de l'emplacement du site et de l'instrumentation mise en place jusqu'au résultat final : un ensemble complet de données complètes de CO2 de haute qualité Flux. La nouveauté technique du protocole de mesure est l'utilisation d'une construction de base unique pour le placement du système CE (p. ex., trépied à hauteur définie qui est une « mini-tour » avec un mât réglable à commande électrique, permettant de changer la hauteur finale de capteurs en fonction des besoins individuels).
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Protocol
1. Emplacement du site et configuration de l'instrumentation
- Choisissez un emplacement de mesure en terrain relativement homogène et plat pour répondre aux exigences de base de la méthode CE. Évitez les endroits où les reliefs sont complexes (dépressions, pentes) ou situés près d'obstacles aérodynamiques (p. ex., les peuplements d'arbres survivants), qui peuvent fausser le flux d'air.
- Vérifier la composition des espèces et la couverture végétale. Choisissez un endroit avec les caractéristiques les plus similaires: l'âge et la hauteur du type de végétation principale.
- Si possible, effectuez d'autres études de sol, qui aident à choisir la zone homogène. Comparez les types de sol à quelques endroits (profils du sol), la teneur en carbone et en azote du sol ainsi que les conditions d'humidité (p. ex., en utilisant un réseau régulier pour l'échantillonnage du sol). Évitez les endroits avec des caractéristiques exceptionnelles par rapport aux valeurs moyennes de l'étude du sol.
- Avant de décider où placer les instruments, étudiez les directions de vent en vigueur (idéalement pendant un an avant la configuration du site) ou analysez les données de la station météorologique la plus proche. S'il y a des restrictions quant à l'étendue de la zone d'intérêt, choisissez l'emplacement qui se trouve dans les secteurs éoliens dominants (vent arrière).
REMARQUE : Dans le cas du site polonais de lancer du vent, en raison de la forme de la trajectoire de tornade, il a été décidé de placer la tour au milieu de sa dimension de largeur (environ 400 à 500 m) et aussi loin que possible de la plantation de pins voisine, vieille de quelques années dans la direction est-ouest (environ 200 m f f) et aussi loin que possible de la plantation de pins voisine, vieille de quelques années dans la direction est-ouest (environ 200 m f f la tour jusqu'à leurs bords), puisque la direction du vent dominant était du nord-ouest au sud-ouest et du nord-est à l'est (figure1). - Décidez du système EC à utiliser : chemin ouvert ou chemin fermé (chemin fermé - chemin fermé avec tube d'entrée court) analyseur de gaz infrarouge (ou deux d'entre eux si possible). Chacun a des avantages et des inconvénients, mais en général, les deux sont fiables pour être utilisés sur un terrain. Utilisez un anémomètre sonore orthogonal tridimensionnel (3D). Pour utiliser la méthode CE, des mesures à haute fréquence sont nécessaires, soit au moins 10 Hz dans le cas des deux instruments.
- Considérez quel type d'alimentation électrique est le plus faisable à utiliser sur le site (y at-il une ligne électrique à proximité, panneaux solaires ou autre générateur d'énergie?). S'il n'y a pas de limites, utilisez l'analyseur de gaz de chemin fermé (ou fermé).
REMARQUE : Un système de voie ouverte a une consommation d'énergie beaucoup plus faible, mais dans les environnements difficiles (temps très froid, givrage, endroits pluvieux), cela entraînerait une perte considérable de données de haute qualité. - Suivez les règles pour positionner les deux instruments par rapport à l'autre13. Évitez de monter des éléments inutiles à proximité du système CE, qui peuvent fausser le flux d'air.
REMARQUE : Un analyseur de chemin fermé (Table of Materials) et un anémomètre sonore 3D ( Table ofMaterials) ont été utilisés dans cette expérience.
- Considérez quel type d'alimentation électrique est le plus faisable à utiliser sur le site (y at-il une ligne électrique à proximité, panneaux solaires ou autre générateur d'énergie?). S'il n'y a pas de limites, utilisez l'analyseur de gaz de chemin fermé (ou fermé).
- Une fois l'emplacement choisi, placez un trépied avec un poteau vertical (ou un autre type de construction de base) pour monter le système Ce sur le dessus. Définir la hauteur des instruments en tenant compte de deux exigences de base : la rugosité de surface étudiée (dans la simplification de la hauteur de la végétation existante) et la zone d'influence (aller chercher/empreinte - la zone "vue" par le système CE)4.
REMARQUE : Dans les écosystèmes en développement dynamique, comme le site de lancers de vent reboisés Tlen I, le changement dans le placement des instruments avec le temps sera nécessaire pour répondre aux exigences de la méthode EC. Comme alternative à une construction de base pour le système CE, une infrastructure innovante (c.-à-d. « mini-tour ») a été proposée ici : une construction en aluminium d'ancrage (1,5 m de haut en treillis rectangulaire (W x L) 1 m x 1,2 m) avec un mât (triangulaire 30 cm x 30 cm x 30 cm) en mouvement à l'intérieur de la structure le long des rails d'acier, alimenté par un moteur électrique.- Tout d'abord, monter les deux instruments du système Ce sur un poteau métallique fixé au centre du mât. N'oubliez pas de placer l'anémomètre sonore à une position parfaitement verticale. Inclinez légèrement l'analyseur de gaz pour permettre à l'eau de pluie de s'épartir facilement.
- Élever les instruments à une hauteur deux fois plus élevée que la surface du sol et au moins 1,5 à 2,0 m au-dessus du sommet de la canopée4. Assurez-vous que la construction de la base est située d'une manière, ce qui garantit que la zone étudiée s'étend au moins 100 fois la hauteur d'un placement de capteur dans chaque direction14.
- N'oubliez pas d'installer une protection contre la foudre pour une construction métallique.
REMARQUE : Pour obtenir une sortie maximale de la mesure de la CE sur le site polonais de lance-vent (Tlen I), certains compromis ont été faits. Les instruments ont été placés à la hauteur de 3,3 m au début de l'expérience.
- Pour une analyse plus poussée du calcul et du flux, mesurez certaines variables auxiliaires en même temps, y compris au moins : température de l'air (Ta) et du sol (Ts), humidité relative (RH) de l'air, densité de flux de photons photosynthétiques (PPFD), rayonnement solaire entrant (Rg) et précipitations (P). Habituellement, sur les sites eC, un grand nombre d'autres variables sont également obtenues.
- Placez les capteurs de rayonnement (PPFD et Rg) au sud. Utilisez un poteau horizontal pour les éloigner du trépied. Vérifiez l'angle de vue des capteurs et ajustez la longueur du poteau et la hauteur de montage pour vous assurer que seule la surface étudiée est visible.
- Utilisez des capteurs de température de l'air et d'humidité avec des boucliers de rayonnement, montés à une hauteur similaire à celle du système CE.
- Installer des pluviomètres à bascule (au moins deux) dans des espaces relativement ouverts, près de la tour EC, à 1 m au-dessus du niveau du sol. Enfouir les capteurs de température du sol à plusieurs profondeurs différentes (trois ou plus selon le type de sol). N'oubliez pas d'avoir quelques répétitions pour chaque profondeur. Placez certains capteurs au niveau le plus bas possible.
2. CO2 calcul de flux
- Utilisez des logiciels libres disponibles dans le commerce (p. ex., EddyPro15) pour le calcul des flux EC qui inclut les applications de correction.
REMARQUE: Ce logiciel a été sélectionné en raison de sa complexité, sa popularité et la convivialité et est recommandé en particulier pour les non-experts. - Tout d'abord, créez un nouveau projet, puis dans l'onglet info du projet, spécifiez le format de fichier de données brutes et choisissez le fichier de métadonnées. Si des données brutes ont été obtenues sous forme de fichiers " .ges ", le fichier de métadonnées individuels est déjà intégré, et aucune autre mesure n'est nécessaire. Dans d'autres cas, utilisez une option de fichier alternative et tapez toutes les informations manuellement.
REMARQUE : Le fichier de métadonnées spécifie l'ordre des variables mesurées, leurs unités et certaines informations supplémentaires nécessaires pour le calcul des flux. Si l'un des détails de configuration ou des caractéristiques du site change, n'oubliez pas de les modifier dans la section métadonnées. - Accédez à l'onglet d'information sur les flux, choisissez le jeu de données et les répertoires de sortie, spécifiez le format de nom de fichier brut et vérifiez la liste des éléments pour le calcul des flux.
- Passez à l'onglet options de traitement et choisissez des paramètres de traitement de données brutes.
- Choisissez la méthode pour la correction des mesures des anémomètres (méthodederotation), ce qui permet de tenir compte de tout mauvais alignement de l'anémomètre sonore par rapport à la rationalisation du vent local15. Cochez la première approche planaire16 (suggérée pour des endroits non idéaux et hétérogènes).
- Choisissez le type 0-1-2 de la politique de signalisation17 (l'approche qui présente les résultats d'une procédure de contrôle de la qualité).
- Sélectionnez la méthode d'empreinte préférée (la zone d'influence sur les flux mesurés) (p. ex., l'approche Kljun18). Laissez tous les autres paramètre inchangés (options par défaut).
REMARQUE: Ici, on peut choisir parmi la liste des options concernant les corrections à appliquer, flux epass méthode de calcul de l'empreinte ou la structure des fichiers de sortie. Bien que, il est suggéré de ne pas modifier les options standard au cours de l'exécution préliminaire du logiciel EC sélectionné, à l'exception de ceux énumérés ici.
- En cas de problèmes/questions, utilisez le bouton point d'interrogation (?) à côté de l'option d'intérêt pour en savoir plus. N'oubliez pas que les informations incorrectes ou manquantes dans un onglet empêcheront le mouvement vers un autre.
- Cliquez sur Exécuter un mode avancé pour démarrer le calcul des flux à la fin. En cas d'utilisation uniquement des paramètres par défaut cliquez sur Exécuter un mode Express.
3. Filtrage et contrôle de la qualité des flux
- Évitez la perte de données en utilisant un plan de maintenance régulier. Selon les capacités individuelles, des capteurs propres aussi fréquemment que possible à l'aide d'eau ou de détergent doux.
- Effectuer l'étalonnage des analyseurs de gaz au moins une fois tous les 6 mois en utilisant les normes CO2 (0 ppm et au moins une autre concentration, par exemple, 360 ppm). Un minimum de 24 h avant chaque étalonnage, changer les agents absorbants de CO2 et H2O (silice enrobé d'hydroxyde de sodium et perchlorate de magnésium, respectivement) qui sont présents dans deux petites bouteilles à l'intérieur de la tête du capteur.
REMARQUE : La procédure d'étalonnage est relativement facile et bien décrite dans le manuel d'analyseur de gaz. Dans le logiciel dédié à LI-7200 et LI-7500, il ya un onglet, qui contient toutes les lignes directrices étape par étape de l'ensemble du processus. En cas de difficultés, les analyseurs peuvent toujours être envoyés pour un étalonnage d'usine effectué par le producteur, mais il nécessite le démontage du capteur et entraîne de longues lacunes dans l'ensemble de données de flux. - Créez un fichier commun (p. ex. .csv, .xlsx) qui contient tous les résultats du logiciel de calcul des flux et des mesures auxiliaires. Assurez-vous que les moyennes correspondantes de 30 min (flux et variables météorologiques) sont mesurées exactement en même temps.
REMARQUE : Pour simplifier et accélérer la procédure de filtrage, utilisez des programmes supplémentaires (p. ex., Matlab ou logiciel R gratuit), en fonction des compétences des utilisateurs, plutôt que de travailler dans une feuille de calcul. - Effectuez toutes les étapes de filtrage décrites ci-dessous (sections 3.5-3.7) sur les données de ce fichier. Utilisez soit des outils de filtrage dans la feuille de calcul (ou intégré "si" fonction) ou créer des fonctions de filtrage personnalisé en utilisant d'autres logiciels.
- Déterminer les conditions météorologiques défavorables et les dysfonctionnements des instruments.
- Utilisez les indicateurs de performance de l'instrument pour filtrer les données soumises à des erreurs dues à la contamination par l'analyseur de gaz. Pour un analyseur de trajectoire fermée, vérifiez la valeur moyenne de la force du signal (ASS) donnée dans le fichier de sortie à partir du logiciel de calcul des flux. Ensuite, marquez et jetez tous les flux(co2-flux)mesurés ci-dessous, par exemple, ASS 70% (seuil 10% plus élevé que suggéré dans le manuel de l'instrument).
- En option, définir une plage constante pour les flux, ce qui permet l'exclusion des valeurs aberrantes (par exemple, de -15 à 15 'mol'm -2-1 sur le site Tlen I). L'un des moyens possibles d'éliminer les flux en dehors de la plage normale est d'utiliser une limite de 2 à 3 écarts types par rapport à la valeur moyenne du flux, calculée individuellement pour chaque saison.
REMARQUE: Les auteurs ne conseillent pas fortement d'utiliser une gamme a priori comme cela a été fait dans le cas du site Tlen I par non-spécialiste. L'approche statistique est beaucoup plus fiable et objective. - Jeter les flux mesurés lors de tout événement pluvieux (ou tout autre type de précipitation); supprimer les flux lorsque P 0,1 mm.
- Compte tenu des conditions inappropriées pour l'application de la méthode de covariance de remous.
- Utilisez les résultats du test à l'état stable et du test de turbulence bien développé17,19 effectué pendant le calcul des flux dans le logiciel (voir l'étape 2.4.2). Jetez les données de flux de mauvaise qualité (valeurs du drapeau CO2 : qc-co2-flux 'gt; 1) dans le fichier de résultats commun.
- Utilisez l'indicateur de période de nuit (jour 0) donné dans le fichier de sortie pour filtrer les valeurs des flux de CO2 mesurées la nuit. Tracez tous les flux de CO2 nocturnes par rapport aux valeurs de vitesse de frottement correspondantes (u- mesurés en même temps) et trouvez la valeur uà laquelle ces flux ont cessé d'augmenter.
- Marquez la valeur obtenue comme seuil de vitesse de frottement (uthr) à utiliser pour mesurer les conditions de turbulence insuffisantes. Jetez tous les flux de CO2 avec u correspondants'il y a des valeurs et u'thr de l'ensemble de données
REMARQUE: La méthode présentée pour vous la déterminationde thr est la plus simple mais aussi la plus subjective. Il existe peu de méthodes, plus précises, plus compliquées et fiables pour définir le seuil de vitesse de frottement21,22 que la simple inspection visuelle qui peut être utilisée ici. En outre, il faut mentionner que dans les sites très hétérogènes définissant u'thr pourrait ne pas être facile. D'autres mesures doivent être envisagées dans de tels cas, qui sont bien décrites dans la littérature3,4.
- Contraintes de représentativité spatiale flux
- Tout d'abord, tracer le vent s'est levé, obtenu à partir de mesures ou de la station météorologique la plus proche, sur la carte de la zone étudiée. Préciser quels secteurs éoliens devraient être exclus de l'analyse finale (en raison de l'existence d'un fardeau potentiel ou d'un type de végétation différent de celui étudié). Utilisez une méthode personnalisée ou utilisez des fonctions prêtes à partir d'autres logiciels mathématiques (p. ex., fonction windRose dans le logiciel R).
- Selon l'estimation des empreintes de pas de travers intégrées choisies lors du calcul des flux (étape 2.4.3), décider quelle caractéristique d'empreinte sera utilisée pour une analyse plus approfondie (x 10%, x -30%, x -50%, x-70% ou x niveau de 90 %). Pour simplifier, chaque valeur d'empreinte de 30 minutes fournit des informations sur la distance (au vent) jusqu'au bord de la zone, à partir de laquelle le signal mesuré (flux) provient d'un niveau de probabilité donné.
REMARQUE : Ici, les valeurs d'empreinte représentant 70 %(x-70%) de probabilité ont été choisies comme limite, puisque le niveau le plus élevé possible de 90 % dans les sites limités dans l'espace entraîne un dépassement bien supérieur à la zone d'investigation. - Choisissez des secteurs de direction éolienne qui sont les plus représentatifs du site de mesure. Faites de même avec les valeurs d'empreinte, en gardant à l'esprit que la distance la plus éloignée (la valeur d'empreinte la plus élevée) ne peut pas dépasser la zone d'intérêt (figure 1). Filtrer les valeurs de flux qui ne répondent pas aux deux exigences.
REMARQUE : Étant donné que le site du lance-vent Tlen I était situé entre les peuplements forestiers qui ont survécu à la tornade, seuls deux secteurs de direction du vent ont été acceptés comme représentatifs : 30-90 et 210 à 300 degrés. Ainsi, tous les flux de CO2 provenant de la zone au-delà de ces secteurs ont été exclus. En outre, la distance par rapport au fardeau le plus proche (déformant le flux d'air) ou à un type d'écosystème différent (avec une dynamique d'échange nette différente de CO 2) dans chaque direction devrait être la limite d'empreinte maximale, bien qu'il soit recommandé de diminuer cette valeur. Au site central de Tlen I, la distance entre les bords de la forêt survivante était d'environ 200 à 250 m; par conséquent, le seuil d'empreinte choisi a été fixé à 200 m au plus et appliqué également dans chaque direction.
4. Remplissage d'écart et flux net partitionnant dans la respiration et l'absorption de CO2
- Choisissez la méthode de remplissage et de partitionnement des écarts de flux CO2 vérifiés en qualité de l'absorption (flux de production primaire brute [GPP]) et de la respiration (respiration de l'écosystème [Reco] flux) à partir de plusieurs approches couramment utilisées, qui comprennent trois groupes de base: l'approche basée sur les processus23,24, méthodes statistiques25,26, et l'utilisation de réseaux neuronaux27,28.
REMARQUE : Étant donné que les deux premiers groupes de méthodes (approches basées sur les processus et statistiques) sont largement utilisés par la communauté scientifique, bien décrits et discutés dans la littérature et dans le cas de ces derniers, recommandés pour être utilisés dans un réseau mondial de flux (FLUXNET) et le projet du Système intégré d'observation du carbone (ICOS) (initiatives internationales visant la surveillance des gaz traces, la collecte de données ce-à-ci et la création de protocoles de traitement communs), l'utilisation des deux a été recommandée ici à la début. - À titre d'exemple de l'approche axée sur les processus, suivez la procédure du Réseau de recherche Fluxnet Canada (FCRN)23 Ans, états-unis,24 Ans, états-unis).
- Sélectionnez les flux nets de CO2 (NEP) mesurés pendant les périodes nocturnes ainsi que toutes les valeurs de flux provenant de l'extérieur de la saison de croissance. Ceux-ci sont supposés être entièrement Rflux écologiques.
REMARQUE : Pour faire la différence entre la période de nuit et la période de jour, la valeur seuil du PPFD peut également être utilisée (p. ex., PPFD et lt; 120 'mol'm -2's-1 comme indicateur de nuit29). De plus, pour estimer le début et la fin de la période de végétation, une méthode thermique simple a été utilisée ici : lorsque l'air quotidien moyen (à 2 m de hauteur) et la température du sol (à 2 cm de profondeur) étaient supérieurs à 0 oC, le début de la saison de végétation a été noté et s'est terminé lorsque b oth températures sont tombées en dessous de 0 oC à nouveau. Dans le cas de différentes espèces végétales, un seuil de température différent devrait être utilisé en ce qui concerne la physiologie des plantes. Le commencement de l'activité photosynthétique est différent pour les conifères et les feuillus, les cultures et les graminées, qui vient du fait que différentes espèces de végétation réagissent différemment à la température de l'air. - En utilisant la température (T) du sol, de l'air ou la combinaison des deux, déterminer la relation entre la température et Réco. Utilisez n'importe quel logiciel qui permet d'adapter des fonctions non linéaires aux données (p. ex., logiciel Matlab). En principe, choisissez le modèle de régression le mieux adapté (par exemple, critère d'information Akaike (AIC) pour décider de la fonction qui correspond le mieux aux données); bien que dans la pratique, l'une des fonctions les plus couramment utilisées est un modèle Lloyd-Taylor30:
où Reco est la
valeur de flux de respiration de l'écosystème, est le taux de respiration dans une température de référence, Tref est la température de référence, T est la température mesurée de l'air ou du sol, T0 est la température qui est un seuil pour l'activité biologique à initier (paramètre estimé du modèle), et E0 est le paramètre décrivant l'énergie d'activation.
REMARQUE: Dans le cas de la procédure FCRN, certaines de ces variables sont définies à l'avance: Tref et E0, qui, dans le cas de Tlen I site de lancer du vent étaient égaux à 283,25 K et 309 K, respectivement. Certaines études suggèrent l'utilisation de la température du sol mesurée à la profondeur la plus faible pour la r-eco vs T relation25, qui pour une végétation courte semblait être le meilleur choix, car une grande partie de l'émission provient de la respiration hétérogène du sol et des racines. Contrairement à la forêt haute, la respiration autotrophique du feuillage, des branches et des boulons, entraînée par la température de l'air, ne joue pas un rôle majeur (si présent). - En utilisant la fonction de régression Reco vs T obtenue, comblez les lacunes dans les flux NEP de saison nocturne et non-croissance et calculez la valeur de la fonction pour les flux manquants à l'aide de mesures de température correspondantes. Notez que dans ces cas Réco - NEP, et GPP 0. La même fonction avec les températures diurnes donnera des flux écologiques R diurnes pour chaque demi-heure de valeur.
- Calculez les valeurs du PPM selon l'équation : GPP et NEP et Reco pour chaque flux NEP disponible pendant la journée pendant la saison de croissance ou réglés à zéro pendant la nuit et la saison non-croissance. Ensuite, trouvez la relation entre les flux PPFD et GPP. Utilisez n'importe quel logiciel qui permet d'adapter des fonctions non linéaires aux données. Encore une fois, il ya une équation largement utilisée pour atteindre une telle relation-hyperbole rectangulaire de Michaelis-Menten, ici sous une forme modifiée26:
où le PPM est la valeur moyenne moyenne de flux de production primaire de 30 min, est le rendement quantique de l'écosystème, et l'opt pour le PPM est le taux de flux du PPM à un PPFD optimal (2000 'mol 'm-2's-1).
REMARQUE : Utilisez la fonction obtenue pour modéliser les valeurs du PPM pour les valeurs de flux NEP de jour mesurées et de plus en plus. - À la fin de l'ensemble de la procédure, utilisez des flux gPP et R éco modélisés pour calculer les valeurs de flux NEP manquantes comme suit : NEP - GPP - R eco.
REMARQUE : Certaines petites lacunes (quelques flux manquants) peuvent être comblées par une simple fonction de régression linéaire, une approche moyenne mobile ou d'autres méthodes statistiques avant d'entrer dans les modèles. Les lacunes dans les variables auxiliaires (température, rayonnement solaire) doivent être comblées avant d'entrer dans les modèles. Ainsi, la mesure multipliée des mêmes variables ou des variables de substitution sont utiles, aidant à éviter de grandes lacunes dans les jeux de données.
- Sélectionnez les flux nets de CO2 (NEP) mesurés pendant les périodes nocturnes ainsi que toutes les valeurs de flux provenant de l'extérieur de la saison de croissance. Ceux-ci sont supposés être entièrement Rflux écologiques.
- Pour combler les lacunes non seulement dans le CO2 mais aussi dans d'autres valeurs de flux EC (chaleur sensible et latente), ainsi que dans les éléments météorologiques importants, utilisez l'outil en ligne ReddyProc25 (disponible également sous forme de logiciel R).
REMARQUE: Contrairement à la méthode précédente, d'abord les flux NEP manquants sont remplis, puis chaque flux net d'une demi-heure est divisé en GPP et Reco. Le type de modèle utilisé pour le partitionnement des flux R eco est le même que dans la technique précédente.- Pour utiliser un outil en ligne, préparez les données selon les règles concernant leur format et leur commande. Les données nécessaires comprennent des moyennes de 30 min de CO2 net (NEP), de chaleur latente (LE) et de flux de chaleur sensible (H), de déficit de vapeur d'eau (VPD) et de vitesse de frottement calculées à l'aide de mesures EC, ainsi que de la température du sol ou de l'air (Air T ou solT), rayonnement solaire entrant (Rg) et humidité relative de l'air (RH).
- Rendez-vous sur la page Traitement et remplissez toutes les informations nécessaires concernant le site de mesure (nom, coordonnées, altitude, fuseau horaire).
- Décidez s'il faut estimer le seuil u -seuil en plus avec ce logiciel (voir les étapes 3.6.2 et 3.6.3), quelle méthode utiliser et pour quelle période de temps: toute l'année ou séparément pour chaque saison.
- Sélectionnez une ou les deux méthodes de partitionnement des fluxnets (nuit-25 ou 31) et exécutez le processus de calcul.
- Comparez les résultats obtenus en termes de performances des deux méthodes dans le remplissage et le cloisonnement des écarts de flux NEP en créant des lacunes artificielles dans NEP, et vérifiez avec quelle précision elles ont été modélisées.
- Calculer les totaux quotidiens, mensuels et annuels de tous les flux de CO2 comblés, y compris le NEP, le PPM et la Reco, sur la base desquels les changements de fonctionnement de l'écosystème peuvent être retracés. Utilisez la fonction des utilisateurs pour agréger ces flux séparément dans le domaine de temps choisi et résumer toutes les valeurs.
REMARQUE : Sur le site de lancers de vent de Tlen I, les totaux annuels, ainsi que les flux mensuels autorisés à analyser non seulement la dynamique nette d'échange de CO 2, mais aussi les mécanismes de récupération post-perturbation de la forêt gérée.
valeur de flux de respiration de l'écosystème, est le taux de respiration dans une température de référence, Tref est la température de référence, T est la température mesurée de l'air ou du sol, T0 est la température qui est un seuil pour l'activité biologique à initier (paramètre estimé du modèle), et E0 est le paramètre décrivant l'énergie d'activation.
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Representative Results
L'une des étapes cruciales du filtrage des flux et du contrôle de la qualité sur les sites EC non idéaux est l'évaluation de la représentativité spatiale des flux mesurés. La façon la plus simple d'effectuer une telle analyse, étant donné que les calculs ont été effectués à l'aide de logiciels commerciaux largement appliqués, est d'inclure des mesures à partir de la zone désirée seulement, sur la base de la direction du vent et des estimations de l'empreinte (voir la section 3.7). Ainsi, la parcelle de vent rose, avec une direction choisie du vent et l'extension maximale acceptable de l'empreinte des flux, marqué comme polygones ombragés, sur le fond de l'image satellite du site Tlen I, est montré ici comme une représentation visuelle du résultat de l'analyse ( Figure 1).
En principe, la vitesse du vent et la concentration de gaz de trace sont mesurées par le système de covariance de remous, qui sont ensuite utilisés pour calculer les flux nets d'échange de CO2 (NEP). Les valeurs brutes de flux doivent ensuite être post-traitées afin d'exclure les erreurs et les données de mauvaise qualité. La figure 2 montre les résultats d'une procédure de filtrage sur l'exemple d'une année de mesures de flux NEP à partir du site de lancer du vent Delen I.
Il convient de noter que la procédure proposée de vérification et d'assurance de la qualité des flux a entraîné une perte substantielle de données, dans une bien plus grande mesure que dans les sites eC typiques. La réduction des flux DEP acceptables, par rapport à l'étape précédente, était similaire dans les sections 3.6 et 3.7, tandis que le plus petit nombre de points de données a été écarté en raison de conditions météorologiques défavorables et de mauvais fonctionnement des instruments (section 3.5). La dernière partie du protocole d'assurance de la qualité (secteurs d'empreinte et de direction du vent choisi) a donné une couverture finale des données de seulement 1/3 de tous les flux NEP bruts mesurés par EC. En général, l'étape 3.7 est la partie la plus cruciale de la procédure de filtrage ici, en assurant que les flux obtenus représentent l'échange de gaz de la zone étudiée.
Les flux NEP de haute qualité peuvent enfin être utilisés pour dériver des totaux quotidiens, mensuels, saisonniers ou annuels. Cependant, ils doivent être comblés avant chaque action. Dans la figure 3, la relation entre les flux NEP, comblée à l'aide de deux approches différentes : la méthode basée sur les processus (FCRN) et la méthode statistique (REddyProc), est montrée.
La régression linéaire simple présentée suggère qu'en général les deux techniques sont comparables (régression statistiquement significative avec r2-0,89) et peuvent donc être employées pour le remplissage d'écart de flux de NEP, donnant des résultats sensiblement semblables (la régression pente de ligne égale 0,90, ce qui suggère seulement 10% de différence entre les flux remplis d'écart en moyenne). Avec seulement des valeurs nettes de flux de CO 2, rien ne peut être dit sur les impacts individuels des processus d'absorption (GPP) et de respiration (Reco). Par conséquent, avec le remplissage des lacunes, ce que l'on appelle la procédure de partitionnement des flux a été réalisé ainsi, par l'utilisation des deux mêmes méthodes. Les totaux quotidiens des flux R eco sont présentés à la figure 4 comme exemples de deux performances différentes des méthodes dans le partitionnement net des flux de CO2.
Les résultats du calcul de flux écologique R avec deux méthodes différentes, bien que le même modèle de Reco vs T ait été utilisé dans les deux cas, sont des exemples d'une source potentielle de conclusions erronées concernant une contribution de la respiration flux NEP globaux ou, par conséquent, les taux d'absorption (flux De PPM). Cependant, il ne peut pas être clairement indiqué quelle méthode donne des résultats plus fiables sans analyse supplémentaire de cette manière. Ce qui peut être fait, à notre avis, c'est soit tracer des flux nocturnes mesurés par rapport à des flux R éco modélisés pour examiner les différences, soit comparer les valeurs estimées avec les flux respiratoires directement mesurés avec d'autres techniques (p. ex., chambres). Les différences dans les flux écologiques R modélisés entre les approches présentées peuvent provenir du fait que, dans une méthode, certains paramètres sont fixés comme constants, tandis que dans l'autre, ils sont estimés. Même ceux qui ne changent pas dans les deux cas (comme une température de référence - Tref), n'étaient pas les mêmes dans l'exemple donné (dans FCRN Tref283.25 K, tandis que dans REddyProc Tref288.15 K). Il a été fait exprès pour faire réaliser aux utilisateurs potentiels que même de tels changements légers peuvent entraîner des écarts importants. L'autre problème est qu'une approche statistique n'est pas en mesure de combler avec succès de grandes lacunes, ce qui, dans le cas d'un site CE non idéal présenté, où il ne restait plus qu'un tiers des flux mesurés après le filtrage et la procédure de contrôle de la qualité, pourrait être une source de préoccupation. Nous ne essayons pas de fournir une "meilleure solution" avec cette analyse, mais plutôt des options actuelles. Une enquête plus approfondie doit être menée dans ce cas.
Figure 1 : Terrain de rose à vent à l'arrière-plan de la zone du site de Tlen I. Les polygones bleus ombragés représentent la direction du vent choisie et les polygones ombragés rouges à l'intérieur d'eux montrent les secteurs d'un cercle avec un rayon de 200 m (extension acceptable maximale de l'empreinte des flux). Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Figure 2 : Le cours des flux NEP moyens de 30 min à chaque étape du filtrage des données (décrit dans le Protocole), sur fond de valeurs de flux NEP brutes non traitées. Le nombre relatif de points de données restants après chaque étape est donné en haut de chaque parcelle. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Figure 3 : La relation entre les flux NEP, l'écart comblé par une méthode basée sur les processus (FCRN) et une approche statistique (outil en ligne REddyProc), mesurée sur le site de lancer du vent tlen I. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Figure 4 : Respiration quotidienne de l'écosystème (Reco) flux totaux obtenus à partir de la procédure de partitionnement, effectuée avec une méthode basée sur le processus (FCRN) et une approche statistique (outil en ligne REddyProc) sur le site de lancer du vent Tlen I. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
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Discussion
Ce protocole présente la méthode de covariance des remous (CE) à utiliser sur des sites non idéaux (ici un site de lancer sais à vent reboisé) : emplacement du site et configuration de l'infrastructure de mesure, calcul net des flux de CO2 et post-traitement, ainsi que quelques questions concernant procédures de partage des lacunes et des flux.
Même si la technique CE est couramment utilisée dans de nombreux sites de mesure à travers le monde, la plupart d'entre eux sont des écosystèmes non perturbés, où la conception et le traitement des données suivants peuvent être effectués selon des solutions standard (par exemple, les protocoles réseau FLUXNET ou ICOS ). Bien que, dans des zones aussi exigeantes et souvent spatialement limitées que les sites de lancers de vent, de telles expériences devraient être planifiées et réalisées avec une prudence particulière. En outre, à long terme, les mesures dans les écosystèmes en croissance dynamique nécessiteraient un changement de la hauteur du système COMMUNAUTAIRE à l'avenir, ainsi que la croissance et le développement de la végétation. Par conséquent, nous recommandons d'utiliser une construction de base unique, qui est une «mini-tour» innovante avec un électriquement actionné, mât extensible. Cette solution technique permet de répondre à l'une des exigences de base de la méthode elle-même : le placement du système CE dans une couche de limites mixte, sans besoin de reconstruction ou de montage d'instruments, ce qui peut entraîner d'autres pertes de données dans des Dataset. En outre, le mât électrique facile à déplacer rend également l'entretien des capteurs sur le site beaucoup plus facile (par exemple, lorsque l'on a besoin de nettoyer la trajectoire optique de l'analyseur, l'ensemble du système CE peut être ramené à la hauteur désirée et pratique). Néanmoins, il convient de noter que l'augmentation de la hauteur du placement de l'instrument aura des conséquences sur l'extension d'une zone d'influence (empreinte de flux), ce qui entraînera en outre l'exclusion d'un plus grand nombre de données en raison d'une empreinte de flux insuffisante. Dans le pire des cas, les flux mesurés ne seraient probablement plus représentatifs de la zone étudiée ou même les exigences de la méthode des CE ne seraient plus satisfaites.
L'emplacement du site dans un terrain relativement homogène et plat, tel que décrit dans le Protocole, est l'option la plus souhaitée. Dans de telles conditions, les problèmes d'advection sont généralement négligés. Toutefois, si la zone d'intérêt est située sur un terrain vallonné, elle doit être prise en compte dans l'analyse mesurée des flux, ce qui implique des connaissances plus avancées à acquérir.
Le logiciel proposé (EddyPro) pour le calcul des flux à partir des données brutes à haute fréquence, est un outil gratuit, complexe et convivial, conçu pour le calcul des flux EC. Toutes les équations et corrections intégrées ont le fond scientifique et les références correspondantes aux méthodes utilisées sont données15. En outre, il est constamment ajusté et développé par des spécialistes-scientifiques afin de mettre en œuvre l'état le plus actuel des connaissances.
Une fois que les flux de CO2 moyenne temporelle sont calculés, ils doivent être soigneusement traités afin d'assurer leur haute qualité et leur représentativité. L'une des sources prosaïques d'erreurs sont les perturbations dans le fonctionnement des instruments : précipitations, pollen, saleté, dépôt de glace sur la fenêtre de l'analyseur de gaz (analyseur de voie ouverte) ou à l'intérieur du tube d'inprise (analyseurs fermés et fermés), qui affectent le CO2 mesures des flux. De tels événements peuvent également perturber la mesure de la vitesse du vent dans une certaine mesure (anémomètre sonore). Ainsi, dans ce protocole, des étapes ultérieures du filtrage des flux NEP ont été présentées, dans lesquelles la dernière étape est de la plus grande importance pour les sites non-idéals, spatialement limités. Même si le nombre de points de données, après comptabilisation des secteurs représentatifs de la direction éolienne et de l'empreinte, était très faible (figure 2), il ne faut pas oublier qu'il est crucial de ne pas inclure de « faux » signaux, provenant de zones différentes de celles que nous sont intéressés. Contrairement aux deux premières étapes, la procédure de filtrage des flux mentionnée ci-dessus (principalement les contraintes de direction du vent) n'est pas couramment utilisée dans les sites forestiers des CE, puisque l'emplacement du site non perturbé est généralement choisi de manière à assurer la meilleure zone représentative possible. Les sites de lancers de vent, d'autre part, apparaissent à la suite de phénomènes imprévisibles; par conséquent, certains compromis doivent être faits afin d'effectuer des mesures CE dans ces domaines scientifiquement précieux. Contrairement à cette étude, les limites d'empreinte proposées peuvent avoir des valeurs différentes dans différentes directions de vent. Il convient également de mentionner qu'il existe d'autres types d'estimations de la représentativité des flux que celle présentée ici (par exemple, l'approche climatologie de l'empreinte 2D32, qui est libre d'utiliser en ligne et donne des résultats plus complexes). Dans ces sites complexes, cette approche peut être encore plus utile pour spécifier la zone de la plus grande influence sur les flux mesurés. Toutefois, pour simplifier le post-traitement des flux, calculé à l'aide d'un logiciel commercial choisi, il a été décidé d'utiliser uniquement les informations données dans ses fichiers de sortie.
Le point le plus faible du protocole est la description de remplissage de l'écart et de partitionnement des flux. Les deux méthodes suggérées ont été développées individuellement par d'autres spécialistes avant et seulement mises en œuvre ici comme techniques proposées. Qui plus est, la méthode FCRN nécessite beaucoup plus de contribution de la part de l'utilisateur puisqu'il n'existe pas d'outil prêt pour effectuer cette procédure. L'analyse comparative des écarts correspondants comblés (NEP) et des flux cloisonnés (GPP et Reco), qui auraient pu intéresser davantage les utilisateurs potentiels, nécessite une enquête plus approfondie afin d'être pleinement applicable ( Figure 3 et Figure 4).
Il y a encore place à l'amélioration en ce qui concerne à la fois les détails techniques des mesures ce(eC et le traitement des données présentés dans ce protocole). Une possibilité possible est la fusion de la méthode traitée et statistique pour le remplissage et le cloisonnement des lacunes de données (p. ex., méthode ReddyProc pour le remplissage des lacunes, puis FCRN pour le cloisonnement des flux), selon les besoins individuels, ou tout simplement l'utilisation de neurones les réseaux approchent.
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Disclosures
Les auteurs aimeraient mentionner que le protocole présenté est surtout une simplification d'une question bien connue et largement décrite concernant les mesures ce qui sont des CE. Toutes les références suffisantes ont été données au besoin. Notre objectif principal était de promouvoir l'utilisation de cette méthode, ainsi que de notre nouveau et unique mât électrique réglable pour les mesures EC, parmi les non-spécialistes avec une approche étape par étape. Nous espérons qu'il sera plus facile de réaliser et d'imaginer que, quelle que soit la nécessité d'atteindre des exigences strictes, la technique de la CE peut également être appliquée de manière satisfaisante dans les écosystèmes non typiques et limités dans l'espace. Avec une littérature déjà large concernant la théorie et la méthodologie des CE, le protocole présenté peut potentiellement aussi être un encouragement à l'acquisition de connaissances supplémentaires sur ce sujet.
Acknowledgments
Cette recherche a été soutenue par un financement de la Direction générale des forêts d'État, Varsovie, Pologne (projet LAS, No OR-2717/27/11). Nous tenons à exprimer notre gratitude à l'ensemble du groupe de recherche du Département de météorologie de l'Université des sciences de la vie de Poznan, en Pologne, qui a participé à la mise en œuvre de ce protocole et à leur aide lors de la création de sa version visuelle.
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. |
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