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非理想の渦共分散部位におけるCO2フラックスの測定

Published: June 24, 2019 doi: 10.3791/59525

Summary

提示されたプロトコルは、ポーランドの現在再植林された風打ちサイト上で、限られた面積を持つすべてのタイプの短い天蓋生態系に適用可能な非典型的な場所で渦共分散法を使用します。測定サイトの設定ルール、フラックス計算と品質管理、最終結果分析の詳細について説明します。

Abstract

このプロトコルは、渦共分散(EC)技術を利用して、ポーランドの現在の森林再生された風打ち領域で、非典型的な生態系における空間的および時間的に平均化された純CO2フラックス(純生態系生産、NEP)を調査する例である。竜巻の後、生き残った森林のスタンド内に比較的狭い「回廊」が作られ、このような実験が複雑になります。チャンバー法などの他の測定技術の適用は、特に最初に、倒れた木やサイトの一般的に大きな不均一性を実行するための挑戦的なプラットフォームを提供するので、このような状況下で、さらに困難ですフラックス測定し、適切にアップスケールの結果を得た。手つかずの森林で行われる標準的なEC測定と比較して、風の場所やデータ分析に関しては、その代表性を確保するためには、特に考慮が必要です。そこで、(1)現場の位置と計装の設定、(2)フラックス計算、(3)厳格なデータフィルタリング、および動的に変化する非理想的なECサイトで、リアルタイムで連続的なCO2フラックス測定のプロトコルを提示します。品質管理、および(4)ギャップ充填およびネットフラックスは、CO2呼吸および吸収に分割されます。説明された方法論の主な利点は、他の空間的に限られた生態系に適用できる実験セットアップと測定性能をゼロから詳細に説明できることです。また、非専門家の説明を提供し、非従来型のサイト操作に対処する方法に関する推奨事項のリストとして表示することもできます。得られた品質チェック、ギャップ充填、正味CO2の半時間値、ならびに吸収および呼吸フラックスは、最終的に毎日、毎月、季節または年次合計に集計することができます。

Introduction

今日、大気陸上生態系二酸化炭素(CO2)交換研究で最も一般的に使用される技術は、渦共分散(EC)技術1である。EC法は何十年も使用されており、すべての方法論的、技術的および実用的な側面に関する問題の包括的な記述は、すでに2、3、4に公開されています。同様の目的で使用される他の技術と比較して、EC法は、複雑なすべての要素の寄与を考慮した自動、点測定から空間的および時間的に平均化されたネットCO2フラックスを得ることを可能にする生態系は、面倒な代わりに、手動測定(例えば、チャンバー技術)または多くのサンプルを採取する必要がある1.

土地生態系の中で、森林はCサイクリングにおいて最も重要な役割を果たしており、多くの科学的活動は、CO2サイクル、木質バイオマスにおける炭素貯蔵、気候条件の変化との相互関係の調査に焦点を当ててきた。直接測定またはモデリング5の両方。最も長いフラックスレコード6の1つを含む多くのECサイトは、異なるタイプの森林の上に設置されました 7.通常、サイトの位置は、可能な限り最も均質で最大の面積を目標に、測定を開始する前に慎重に選択されました。しかし、風下などの森林の乱れた場所では、EC測定ステーションの数はまだ8、9、10では不十分です。その理由の1つは、サイトのセットアップを測定するロジスティクスの難しさと、何うまず、突然出現する場所が少なからずあることです。風投げエリアで最も有益な結果を得るためには、追加の問題を引き起こす可能性のある偶発的な事象の後、できるだけ早く開始することが重要です。手つかずの森林地帯とは対照的に、風投げサイトでのEC測定はより困難であり、既に確立された手順3から逸脱する可能性があります。極端な風の現象によっては空間的に限られた領域が生まれるため、可能な限り信頼性の高いフラックス値を導き出すためには、慎重な測定ステーションの位置と慎重なデータ処理が必要です。EC法の適用において同様の困難が生じ(例えば、長くて狭い湖の上で行われた終了研究)、測定されたCO2フラックスは、厳密なデータフィルタリング11、12を保証する必要があります。 空間的な代表性。

したがって、提示されたプロトコルは、風投風力発電所だけでなく、限られた面積(例えば、より高い植生タイプの間に位置する作物)を持つ他のすべてのタイプの短い植生のために設計された非典型的な場所でのEC法の使用の例である。提案された方法論の最大の利点は、複雑な手順の一般的な説明であり、高度な知識を必要とし、サイトの場所の選択とインストルメンテーションの設定から最終結果まで:高品質のCO2の完全なデータセットフラックス。測定プロトコルの技術的な目新しさは、ECシステムの配置のためのユニークなベース構造の使用です(例えば、調整可能な電気的に動作するマストを持つ「ミニタワー」である定義された高さの三脚、の最終的な高さを変更することができます個々のニーズに応じてセンサー)。

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Protocol

1. サイトの場所とインストルメンテーションの設定

  1. EC法の基本的な要件を満たすために、比較的均質で平坦な地形の測定場所を選択します。複雑な地形(くぼみ、斜面)を持つ場所や、空気の流れを歪める可能性のある空力障害物(例えば、生き残った木のスタンド)の近くに位置する場所は避けてください。
    1. 種の組成と植物カバーをチェックしてください。最も類似した特性を持つ場所を選択してください:主な植生タイプの年齢と高さ。
    2. 可能であれば、均質な領域を選択するのに役立ついくつかの追加の土壌調査を行います。いくつかの場所(土壌プロファイル)、土壌炭素および窒素含有量、および水分条件(例えば、土壌サンプリングに通常のグリッドを使用して)の土壌タイプを比較します。土壌調査の平均値と比較して、優れた特徴を持つ場所は避けてください。
  2. 機器を配置する場所を決定する前に、優勢な風向き(理想的にはサイト設定前の1年間)を調査するか、最寄りの気象観測所からのデータを分析します。対象地域の範囲に制限がある場合は、優勢な風力セクター(上風)内にある場所を選択します。
    注:ポーランドの風下の場合、竜巻の道の形状のために、タワーを幅寸法の真ん中(約400~500m)に配置し、東西方向(約200mf)で可能な限り数年前の松プランテーションを隣接する場所に配置することにしました。優勢な風向きが北西から南西へ、北東から東へ向かっていたため、タワーを端まで押し上げます(図1)。
  3. 使用する EC システムを決定する:オープンパスまたは閉じたパス(閉じたパス = 短い吸気管付きの閉じたパス)赤外線ガスアナライザ(可能な場合はそのうちの2つ)。それぞれに長所と短所がありますが、一般的には、どちらもフィールドで使用できる信頼性があります。3次元(3D)直交音波動計を使用します。EC法を使用するには、両方の計測器の場合、少なくとも10Hzの高周波測定が必要です。
    1. 現場で最も使用可能な電源の種類を検討してください(近くに電力線、ソーラーパネル、またはその他の発電機がありますか)。制限がない場合は、閉じたパス(または囲まれた)パスガスアナライザを使用します。
      注:オープンパスシステムは、はるかに低い電力消費を持っていますが、過酷な環境(非常に寒い天候、アイシング、雨の場所)では、高品質のデータのかなりの損失になります。
    2. ルールに従って、両方の楽器を互いに相対的に配置します13.ECシステムの近くに不要な要素を取り付けないようにし、空気の流れを歪める可能性があります。
      注:この実験では、囲まれたパスアナライザ(材料表)と3Dソニックエネメーター(材料表)を用いた。
  4. 場所を選択したら、垂直ポール(または別の種類のベース構造)を持つ三脚を配置し、ECシステムを上部に取り付けます。2つの基本的な要件を考慮して機器の高さを設定します:調査された表面粗さ(既存の植生の高さを簡素化する)と影響範囲(フェッチ/フットプリント-ECシステムによって「見られる」領域)4。
    注:再植林された風投げサイトTlen Iのような動的に開発された生態系では、EC法の要件を満たすために時間と共に機器の配置の変化が必要になります。ECシステムのベース構造の代替として、革新的なインフラ(すなわち、「ミニタワー」)が提案されました:アンカーアルミニウム構造(1.5m高長方形トラス(W x L)1m x 1.2m)とマスト(三角トラス30cm x 30 cm x 30 cm x 30 cm)移動電気モーターによって動力を与えられる鋼鉄柵に沿って構造の中で。
    1. まず、ECシステムの両方の計装をマストに中央に取り付けた金属製のポールに取り付けます。完全に垂直な位置にソニックの気取り計を配置することを忘れないでください。ガスアナライザを少し傾けて雨水が流れ落ちやすくします。
    2. 土面から天蓋の高さの2倍の高さに機器を上げ、キャノピー4の上部より少なくとも1.5~2.0m上に上げます。ベース構造が方法で配置されていることを確認し、調査された領域が各方向14のセンサー配置の高さの少なくとも 100 倍に伸びていることを確認します。
    3. 金属構造のための雷保護をインストールすることを忘れないでください。
      注:ポーランドの風下部位(Tlen I)におけるEC測定からの最大出力を達成するために、いくつかの妥協がなされた。装置は実験の開始時に3.3メートルの高さに置かれた。
  5. さらなる計算とフラックス解析のために、少なくとも空気(Ta)と土壌(Ts)温度、空気の相対湿度(RH)、光合成光子フラックス密度(PPFD)、着信日射量(Rg)を含む、いくつかの補助変数を同時に測定し、および降水量(P)。通常、ECサイトでは、他の変数も多数取得されます。
    1. 放射センサー (PPFD および Rg) を南に配置します。水平方向のポールを使用して、三脚から離します。センサーの視野角を確認し、ポールの長さと取り付け高さを調整して、調査対象のサーフェスのみが見えるようにします。
    2. ECシステムと同様の高さに取り付けられた放射線シールド付きの気温と湿度センサーを使用します。
    3. 地上1mのECタワー付近の比較的開放的なスペースに、チップバケットの雨量計(少なくとも2つ)を設置します。いくつかの異なる深さで土壌温度センサを埋める(土壌の種類に応じて3つ以上)。深度ごとに繰り返しを忘れないでください。可能な限り浅いレベルにいくつかのセンサーを配置します。

2. CO2フラックス計算

  1. 補正アプリケーションを含むECフラックス計算には、市販のフリーソフトウェア(例えば、EddyPro15)を使用してください。
    注:このソフトウェアは、その複雑さ、人気と使いやすさのために選択され、特に非専門家のためにお勧めします。
  2. まず、新しいプロジェクトを作成し、次に[プロジェクト情報]タブで生データファイル形式を指定し、メタデータファイルを選択します。生データが ".ghg" ファイルとして取得された場合、個々のメタデータ ファイルは既に埋め込まれているため、それ以上の操作は必要ありません。それ以外の場合は、代替ファイルオプションを使用し、すべての情報を手動で入力します。
    注: メタデータ ファイルは、測定された変数の順序、その単位、およびフラックス計算に必要な追加情報を指定します。セットアップの詳細またはサイトの特性が変更された場合は、[メタデータ] セクションで変更してください。
  3. [フラックス情報]タブに移動し、データセットと出力ディレクトリを選択し、未加工のファイル名形式を指定し、フラックス計算の項目の一覧を確認します。
  4. [処理オプション]タブに移動し、生のデータ処理設定を選択します。
    1. 局所風合理化15に関する音響風速計の不整列を考慮することを可能にする風速計の測定(回転方法)の補正方法を選択してください。最初の平面適合アプローチ16をチェックします (理想的でない異種の場所に対して推奨)。
    2. フラグポリシー17 (品質チェック手順の結果を提示する方法) の0-1-2タイプを選択します。
    3. 好ましいフットプリント法(測定されたフラックスに対する影響の面積)を選択します(例えば、Kljun18アプローチ)。その他のすべての設定は変更しない (既定のオプション)。
      注:ここでは、適用する修正、フラックスフットプリント計算方法、または出力ファイルの構造に関するオプションのリストから選択することができます。ただし、選択した EC ソフトウェアの予備実行中は、ここに記載されているオプションを除き、標準オプションを変更しないことをお勧めします。
  5. 問題/質問がある場合は、興味のあるオプションの横にある疑問符 (?) ボタンを使用して詳細を調べることができます。あるタブの情報が正しくないか、欠落していると、別のタブへの移動が妨がらないことに注意してください。
  6. [詳細モードを実行]をクリックして、最後にフラックス計算を開始します。デフォルト設定のみを使用する場合は、[エクスプレスモードを実行] をクリックします。

3. フラックスのフィルタリングと品質管理

  1. 定期的な保守計画を使用して、データ損失を回避します。個々の機能に応じて、水または中性洗剤を使用して、できるだけ頻繁にセンサーをきれいにします。
  2. CO2規格(0ppmおよび少なくとも1つの他の濃度、例えば360 ppm)を使用して、少なくとも6ヶ月に1回、ガス分析器の較正を行う。各較正の前に最低24時間、センサーヘッド内の2つの小さなボトルに存在するCO2およびH2O吸収剤(それぞれ水酸化ナトリウムコーティングシリカおよび過塩素酸マグネシウム)を変更する。
    注:キャリブレーション手順は比較的簡単で、ガスアナライザのマニュアルによく記載されています。LI-7200およびLI-7500専用のソフトウェアでは、プロセス全体のすべてのステップバイステップのガイドラインを含むタブがあります。問題が発生した場合、アナライザは常にプロデューサによって実行される工場のキャリブレーションのために送信できますが、センサーの取り外しが必要になり、フラックス データセットのギャップが長くなる可能性があります。
  3. フラックス計算ソフトウェアと補助測定からのすべての結果を含む共通ファイル(.csv、.xlsxなど)を作成します。対応する 30 分の平均 (フラックスと気象変数) がまったく同時に測定されていることを確認します。
    注: フィルタリング手順を簡素化して高速化するには、スプレッドシートで作業するのではなく、ユーザーのスキルに応じて追加のプログラム (Matlab や Free Rソフトウェアなど) を使用します。
  4. このファイルのデータに対して、以下で説明するすべてのフィルタリング手順 (セクション 3.5 から 3.7) を実行します。スプレッドシート内のフィルタリング ツール (または埋め込み "if" 関数) を使用するか、他のソフトウェアを使用してカスタム フィルタリング機能を作成します。
  5. 不利な気象条件と計器の故障を特定します。
    1. 計測器の性能インジケーターを使用して、ガスアナライザの汚染によるエラーを受けたデータを除外します。囲まれたパス アナライザの場合は、フラックスの計算ソフトウェアから出力ファイルに表示される平均信号強度 (ASS) 値を確認します。次に、以下で測定されたすべてのフラックス(co2_flux)にマークを付け、廃棄します(例えば、ASS = 70%(計測器のマニュアルに示されているよりも10%高い閾値)。
    2. 必要に応じて、外れ値の除外を可能にするフラックスの一定範囲を設定します(例えば、トレンI部位では-15~15μmol~m-2-s-1)。通常の範囲外のフラックスを除去する可能な方法の 1 つは、季節ごとに個別に計算される平均フラックス値から 2−3 標準偏差の制限を使用することです。
      注:著者は、非専門家によるTlen Iサイトの場合のように、事前の範囲を使用して強く助言しません。統計的アプローチは、はるかに信頼性が高く客観的です。
    3. 雨のイベント(または他のタイプの降水量)の間に測定されたフラックスを破棄します。P ≥ 0.1 mm の場合はフラックスを削除します。
  6. 渦共分散法適用の不適切な条件を考慮します。
    1. 定常状態テストとよく発達した乱流試験17,19ソフトウェアのフラックス計算中に実行された結果を使用します (ステップ 2.4.2 を参照)。一般的な結果ファイル内の品質が低いフラックス データ (CO2フラグ値: qc_co2_flux > 1) を破棄します。
    2. 出力ファイルに指定された夜間期間インジケータ (昼間= 0) を使用して、夜間に測定された CO2フラックス値を除外します。対応する摩擦速度値(u*同時に測定)に対してすべての夜間CO2フラックスをプロットし、これらのフラックスが増加を停止したu*値を見つけます。
    3. 得られた値を、不十分な乱流条件の尺度として使用する摩擦速度しきい値 (u*thr)としてマークします。対応する u*値 < u*thrを持つすべての CO2フラックスをデータセットから破棄する
      注:あなたのための提示された方法*thr決定は最も簡単ですが、また、最も主観的です。ここで使用できる単純な目視検査よりも、摩擦速度閾値21、22を定義する、より正確で複雑で信頼性の高い方法はほとんどありません。また、u*thrを定義する非常に異種部位位では容易ではない可能性があることを言及する必要があります。このような場合には、他のいくつかの措置を考慮する必要があります, 文献3,4.
  7. フラックス空間代表性制約
    1. まず、測定から得られた風の上昇を、または最寄りの気象ステーションから、調査された地域の地図上にプロットします。最終的な分析から除外する風区間を指定します (調査対象とは異なる潜在的な負担または異なる植生タイプが存在するため)。カスタムメソッドを使用するか、他の数学ソフトウェア(例えば、RソフトウェアのwindRose関数)から準備ができて関数を利用します。
    2. フラックス計算中に選択された横風統合フットプリントの推定(ステップ2.4.3)に従って、さらなる分析に使用するフットプリント特性を決定します(x_10%、x_30%、x_50%、x_70%またはx)。 _90%レベル)。簡略化するために、各 30 分のフットプリント値は、測定された信号(フラックス)が特定の確率レベルで発生したエリアのエッジまでの距離(上風)に関する情報を提供します。
      注: ここでは、空間的に制限されたサイトで可能な限り高い 90% レベルが調査領域をはるかに超える結果になるため、70%(x_70%)確率を表すフットプリント値が制限として選択されました。
    3. 測定サイトの最も代表的な風向き区間を選択します。最も遠い距離 (最大フットプリント値) が対象領域を超えることはできないことを念頭に置いて、フットプリント値でも同じ操作を行います (1)。両方の要件を満たさないフラックス値を除外します。
      注:風投げトレンIサイトは竜巻を生き残った森林スタンドの間に位置していたので、風向きの2つのセクターのみが代表として受け入れられました:30−90°と210−300°。したがって、これらのセクターを超えて発生したすべてのCO2フラックスは除外された。さらに、各方向に最も近い負担(歪んだ空気の流れ)または異なる生態系タイプ(異なる正味CO2交換力学を持つ)までの距離は最大フットプリント限界であるべきであるが、この値を小さくすることをお勧めします。中央に位置するトレンIサイトでは、生き残った森林の端までの距離は200-250メートルでした。したがって、選択したフットプリントしきい値は、最も長い 200 m に設定され、各方向に均等に適用されます。

4. ギャップ充填と正味フラックスのCO2呼吸と吸収への仕切り

  1. いくつかの一般的に使用されるアプローチから、品質チェックされたCO2フラックスギャップ充填および分割を吸収(総一次生産[GPP]フラックス)および呼吸(生態系呼吸[Rエコ]フラックス)に分割する方法を選択し、プロセスベースのアプローチ23、24、統計的方法25、26、およびニューラルネットワーク27、28の使用の3つの基本的なグループが含まれます。
    注:最初の2つの方法(プロセスベースおよび統計的アプローチ)は科学界の間で広く使用されているので、文献でよく説明され、議論され、後者の場合には、フラックスのグローバルネットワークで使用することをお勧めします。測定サイト(FLUXNET)および統合炭素観測システム(ICOS)プロジェクト(微量ガスモニタリング、ECデータ収集、共通処理プロトコル作成を目指す国際的なイニシアティブ)は、この両方の使用を推奨しました。初め。
  2. プロセスベースのアプローチの一例として、フラックスネット・カナダ・リサーチ・ネットワーク(FCRN)の手順に従ってください。23歳,24歳).
    1. 夜間に測定された正味CO 2フラックス(NEP)と、成長期外のすべてのフラックス値を選択します。これらは完全にRエコフラックスであると仮定される。
      注: 夜間と昼間の期間を区別するために、PPFD しきい値を使用することもできます (例えば、PPFD < 120 μmol∙m-2∙s-1夜間インジケーター29)。また、植生期間の開始と終了時期を推定するために、ここで簡単な熱法を使用しました:平均1日の空気(高さ2m)と土壌温度(2cmの深さ)が0°Cを超えた場合、植生シーズンの始まりを指摘し、次のように終了しました。再び気温が0°Cを下回った。異なる植生種の場合は、植物の生理学に関して異なる温度閾値を使用する必要があります。光合成活性の発症は、異なる植生種が気温に異なる反応をするという事実から来る、葉葉樹や落葉樹、作物や草のために異なります。
    2. 土壌、空気、または2つの組み合わせの温度(T)を用いて、温度とRエコとの関係を決定する。データに非線形関数を適合させるソフトウェア(Matlabソフトウェアなど)を使用してください。主に、最適な回帰モデルを選択します(赤池情報基準(AIC)を使用して、データに最も適した関数を決定します)。実際には、最も一般的に使用される機能の1つは、ロイドテイラー30モデルです。
      Equation 1
      ここで、Rエコは生態系呼吸フラックス値であり、Equation 2基準温度での呼吸数であり、T参照は基準温度であり、Tは測定された空気または土壌温度、T0であるは、生物活性が開始するしきい値(モデルの推定パラメータ)である温度であり、E 0は活性化エネルギーを記述するパラメータです。
      注:FCRNプロシージャの場合、これらの変数の一部は事前に設定されています:T refとE 0は、トレンIの風球部位の場合はそれぞれ283.25 Kと309 Kに等しかった。いくつかの研究は、放出の大部分がから来るので、短い植生のために最良の選択であると思われたRエコ対T関係25の最も浅い深さで測定された土壌温度の使用を示唆しています土壌と根からの異性呼吸。背の高い森林とは異なり、空気温度によって駆動される葉、枝、ボレの自己栄養呼吸は、大きな役割を果たしません(存在する場合)。
    3. 得られたR eco対T回帰関数を使用して、夜間および非成長期のNEPフラックスのギャップを埋め、対応する温度測定を使用して欠落フラックスの関数値を計算します。これらの場合、Rエコ= NEP、および GPP = 0 に注意してください。昼間の温度と同じ機能は、各半時間の値のための昼間のRのエコフラックスを与えます。
    4. 方程式に従ってGPP値を計算する:GPP = NEP + Rエコは、成長期の昼間に利用可能な各NEPフラックスに対して、または夜間および非成長期にゼロに設定します。次に、PPFDとGPPフラックスの関係を見つけます。データに非線形関数を適合させるソフトウェアを使用します。繰り返しますが、このような関係-ミカニス・メンテンの長方形双曲線を達成するために広く使用されている方程式が1つあり、ここでは修正された形式26です。
      Equation 3
      GPPは30分平均一次生産フラックス値であり、αは生態系量子収率であり、GPPオプトは最適PPFD(2000 μmolmolm-2∙s-1)でのGPPフラックス率である。
      注:得られた関数を使用して、測定された昼間の成長期のNEPフラックス値のGPP値をモデル化します。
    5. 手順全体の最後に、モデル化された GPP およびRエコフラックスを使用して、不足している NEP フラックス値を次のように計算します。
      注:いくつかの小さなギャップ(いくつかの欠落したフラックス)は、モデルに入る前に、単純な線形回帰関数、移動平均アプローチまたはその他の統計的方法で満たすことができます。補助変数(温度、日射)のギャップは、モデルに入る前に充填する必要があります。したがって、同じ変数またはサロゲート変数の乗算測定は有用であり、データセットの大きなギャップを回避するのに役立ちます。
  3. CO2だけでなく、他のECフラックス値(賢明で潜在熱)や重要な気象要素のギャップを埋めるには、ReddyProc25オンラインツール(Rソフトウェアパッケージとしても利用可能)を使用します。
    注:前の方法とは対照的に、最初に欠落しているNEPフラックスが充填され、その後、各半時間のネットフラックスがGPPとRエコに分割されます。Rエコフラックスのパーティショニングに使用されるモデルの種類は、前の手法と同じです。
    1. オンラインツールを使用するには、その形式と順序に関する規則に従ってデータを準備します。必要なデータには、正味CO2(NEP)、潜熱(LE)および賢明な熱(H)フラックス、水蒸気欠損(VPD)、EC測定値を使用して計算された摩擦速度値、土壌または空気温度(T空気)の平均30分が含まれます。またはT土壌)、着信日射(Rg)および空気の相対湿度(RH)。
    2. [処理] ページに移動し、測定サイトに関する必要なすべての情報 (名前、座標、高度、タイム ゾーン) を入力します。
    3. このソフトウェアで u*しきい値をさらに見積もるかどうかを決定します (手順 3.6.2 および 3.6.3 を参照)。
    4. ネット フラックスのパーティション分割 (夜間 -25または昼間ベースの 31)の 1 つまたは両方の方法を選択し、計算プロセスを実行します。
  4. NEPで人工的なギャップを作成することにより、NEPフラックスギャップ充填と仕切りにおける両方の方法の性能の観点から得られた結果を比較し、それらがどのようにモデル化されたかを確認する。
  5. 生態系機能の変化をトレースできる基準に基づいて、NEP、GPP、Rエコを含むすべてのギャップ満たされたCO2フラックスの毎日、毎月、年間の合計を計算します。ユーザー自身の機能を使用して、これらのフラックスを選択した時間ドメインに個別に集計し、すべての値を合計します。
    注:トレンI風球サイトでは、年間合計だけでなく、毎月のフラックスは、純CO2交換ダイナミクスだけでなく、管理された森林の障害後の回復メカニズムを分析することができました。

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Representative Results

非理想的なECサイトにおけるフラックスフィルタリングと品質管理における重要なステップの1つは、測定されたフラックスの空間的代表性の評価です。このような分析を実行する最も簡単な方法は、計算が商用で広く適用されたソフトウェアを使用して行われたという事実を考えると、風向きとフットプリントの推定に基づいて、所望の領域からの測定値のみを含むことです(セクション3.7参照)。したがって、風のバラプロットは、選択された風向きとフラックスフットプリントの最大許容範囲の延長で、焦点を付けたポリゴンとしてマークされ、トレンIサイトからの衛星画像の背景に、分析結果の視覚的表現としてここに示されています(1)

原則として、風速と微量ガス濃度は渦共分散系によって測定され、正味CO2交換フラックス(NEP)の計算に使用されます。エラーと低品質のデータを除外するには、未加工のフラックス値を後処理する必要があります。図2は、トレンI風球部位からのNEPフラックス測定の1年間の例に関するフィルタリング手順の結果を示す。

フラックス品質チェックと保証の提案された手順は、典型的なECサイトよりもはるかに大きな程度に、実質的なデータ損失をもたらしたことに留意すべきです。前の段階に比べて許容されるNEPフラックスの減少は、セクション3.6と3.7で同様でしたが、最も少ない数のデータポイントは、悪天候や計器の故障のために廃棄されました(セクション3.5)。品質保証プロトコルの最後の部分(選択されたフットプリントと風向セクター)は、ECによって測定されたすべての生のNEPフラックスの1/3の最終的なデータカバレッジを得ました。一般に、ステップ3.7は、ここでのフィルタリング手順の最も重要な部分であり、得られたフラックスが調査された領域のガス交換を表していることを保証する。

高品質のNEPフラックスは、最終的に毎日、毎月、季節または年間の合計を導出するために使用することができます。ただし、各アクションの前にギャップを埋める必要があります。図3では、NEPフラックスと、プロセスベース(FCRN)と統計法(REddyProc)の2つの異なるアプローチを用いて埋められたギャップの関係を示す。

提示された単純な線形回帰は、一般的に両方の手法が同等(r2 =0.89で統計的に有意な回帰)であり、NEPフラックスギャップ充填に使用できることを示唆しており、良好に同様の結果を与える(回帰)線の傾きは0.90に等しく、これは平均的にギャップ充填フラックス間の10%の差だけを示唆しています。正味CO2フラックス値のみで、吸収(GPP)と呼吸(Rエコ)プロセスの個々の影響については何も言えません。そこで、ギャップ充填に伴い、いわゆるフラックス仕切り手順も同様に実現し、同じ2つの方法を用いた。Rエコフラックスの1日の合計は、正味CO2フラックスパーティショニングにおける2つの異なる方法性能の例として図4に示す。

2つの異なる方法でのRエコフラックス計算の結果は、両方のケースでR eco対Tの同じモデルが使用されたが、呼吸の寄与に関する誤った結論の潜在的な原因の例である全体的なNEPフラックスまたは結果的に吸収率(GPPフラックス)に。しかし、この方法で追加の分析を行わずに、どの方法がより信頼性の高い結果をもたらすかを明確に示すことはできません。私たちの意見では、測定された夜間フラックスをモデル化されたRエコフラックスに対してプロットして差異を調べるか、または他の技術で直接測定された呼吸フラックスと推定値を比較するか(例えば、チャンバー)。提示されたアプローチ間のモデル化されたRエコフラックスの違いは、ある方法では一部のパラメータが定数として設定され、もう一方では推定されるという事実から生じる可能性があります。両方の場合に変化しないもの(参照温度 - Trefとして)であっても、特定の例では同じではありませんでした(FCRN Tref= 283.25 K、REddyProc Tref= 288.15 K)。これは、潜在的なユーザーに、このようなわずかな変更でも大きな不一致が生じる可能性があることを認識させる目的で行われました。もう一つの問題は、統計的アプローチが大きなギャップをうまく埋めることができないことです。私たちは、この分析で「より良い解決策」を提供しようとするのではなく、むしろ選択肢を提示しようとします。この場合、より徹底的な調査を行う必要があります。

Figure 1
図1:トレンIサイトエリアの背景に風のバラプロット。青いシェードポリゴンは、選択した風向を表し、その中の赤いシェードポリゴンは半径 200 m の円の区分を示します(フラックスフットプリントの最大許容範囲延長)。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 2
図2:未処理の未処理の未加工の未加工のNEPフラックス値の背景に基づいて、データフィルタリング(プロトコルで説明)の各ステップで平均30分のNEPフラックスの経過。各ステージの後に残るデータ ポイントの相対的な数は、各プロットの上部に表示されます。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 3
図3:NEPフラックス、プロセスベース法(FCRN)で満たされたギャップと、トレンI風球部で測定された統計的アプローチ(REddyProcオンラインツール)との関係。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 4
図4:毎日の生態系呼吸(Reco)は、分割手順から得られた合計をフラックスし、トレンI風球部におけるプロセスベースの方法(FCRN)および統計的アプローチ(REddyProcオンラインツール)で行った。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

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Discussion

このプロトコルは、非理想的なサイト(ここでは再森林化された風打ちサイト)で使用される渦共分散(EC)法を提示します:サイトの場所と測定インフラのセットアップ、ネットCO2フラックス計算と後処理、および関連するいくつかの問題ギャップ充填とフラックスのパーティショニング手順。

EC技術は世界中の多くの測定サイトで一般的に使用されていますが、そのほとんどは非妨害的な生態系であり、設計と次のデータ処理は標準的なソリューション(例えば、FLUXNETまたはICOSネットワークプロトコル)に従って行うことができます。).しかし、このような要求の厳しい、しばしば風投げサイトのような空間的に限られた領域では、そのような実験は特別な注意を払って計画され、実行されるべきです。さらに、長期的には、動的に成長する生態系での測定では、将来的にECシステムの高さの変化と新しい植生の成長と開発が必要になります。したがって、我々は、電気的に動作し、拡張可能なマストを持つ革新的な「ミニタワー」であるユニークなベース構造を使用することをお勧めします。この技術的なソリューションは、メソッド自体の基本的な要件の 1 つを満たすことができます: EC システムの混合境界層への配置は、再構築や機器の取り外しを必要とせず、既に枯渇したデータ損失を引き起こし得るデータセット。さらに、容易に動く電気マストはまた場所のセンサーの維持をより容易にする(例えば、アナライザの光学経路をきれいにする必要がある場合、ECシステム全体を所望の、便利な高さに下ろすことができる)。それにもかかわらず、機器の配置の高さを増やすと、影響範囲(フラックスフットプリント)の延長に影響を及ぼし、フラックスフットプリントが不十分なため、より多くのデータが除外されることに注意する必要があります。最悪のシナリオでは、測定されたフラックスは、おそらく調査された領域の代表ではなく、ECメソッドの要件ももはや満たされなくなります。

プロトコルで説明されているように、比較的均質で平坦な地形のサイトの位置は、最も望ましいオプションです。このような状況下では、対流の問題は一般的に無視されます。ただし、対象領域が丘陵地帯にある場合は、測定されたフラックス解析で考慮する必要があります。

生の高周波データからのフラックス計算のための提案されたソフトウェア(EddyPro)は、ECフラックス計算用に設計された無料で複雑でユーザーフレンドリーなツールです。すべての埋め込み方程式と補正は科学的背景を持ち、使用される方法への対応する参照は15を与えられる。さらに、常に知識の最新の状態を実装するために、専門家や科学者によって調整され、開発されています。

一時的に平均化されたCO2フラックスを計算したら、高品質と代表性を確保するために慎重に処理する必要があります。エラーの原因の1つは、沈殿、花粉、汚れ、ガスアナライザウィンドウ(オープンパスアナライザ)または吸気管内(同封および閉通路アナライザ)での氷の堆積、CO2に影響を与える計器の動作の妨害です。フラックスの測定。このようなイベントはまた、ある程度風速測定を妨害することができます(音響風速計)。したがって、このプロトコルでは、NEPフラックスフィルタリングの後続の段階が提示され、最後のステップは、非理想的な、空間的に制限されたサイトにとって最も重要である。代表的な風向きセクターとフットプリントを考慮したデータポイントの数は非常に少なかったが(図2)、我々とは異なる領域から来る「偽」信号を含めないようにすることが重要であることを覚えておく必要があります。に興味があります。最初の2つのステップとは対照的に、上記のフラックスフィルタリング手順(主に風向きの制約)はEC森林部位では一般的に使用されません。可能。一方、風球部位は、予測不可能な現象の結果として現れます。したがって、これらの科学的に価値のある領域でEC測定を行うためには、いくつかの妥協が必要です。この研究とは異なり、提案されたフットプリント限界は、異なる風向きに異なる値を持つことができます。また、ここで提示されたものよりも他の種類のフラックス代表性推定があることも言及する価値があります(例えば、2Dフットプリント気候学アプローチ32は、オンラインで自由に使用でき、より複雑な結果を与えます)。このような複雑な部位では、このアプローチは、測定されたフラックスに最も大きな影響を与える領域を指定する上でさらに役立ちます。しかし、フラックスの後処理を簡素化するために、選択した商用ソフトウェアを用いて計算し、その出力ファイルに与えられた情報のみを使用することにした。

プロトコルの最も弱い点は、ギャップ充填とフラックスパーティショニング記述です。2つの提案された方法は、以前に他の専門家によって個別に開発され、提案された技術としてここでのみ実装されました。さらに、FCRN メソッドは、この手順を実行する準備ができていないため、ユーザーからのより多くの貢献を必要とします。対応するギャップ充填(NEP)と分割フラックス(GPPおよびRエコ)の比較分析は、潜在的なユーザーの間でより大きな関心を持っていたかもしれないが、完全に適用可能になるためには、より徹底的な調査が必要である(図 3および4)。

EC測定の技術的な詳細と、このプロトコルで提示されるデータ処理の両方に関しては、まだ改善の余地があります。1つの潜在的な可能性は、データギャップ充填とパーティション分割のための処理ベースおよび統計的方法の融合(例えば、ギャップ充填のためのReddyProc法、次にフラックスパーティショニング用のFCRN)、個々のニーズに応じて、または単にニューラルの使用です。ネットワークアプローチ。

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Disclosures

著者らは、提示されたプロトコルは、主にEC測定に関するよく知られており、広く記述された問題の簡素化であることを言及したいと思います。必要に応じて、十分な参照がすべて与えられました。私たちの主な目的は、この方法の使用を促進するだけでなく、ステップバイステップのアプローチを持つ非専門家の間で、EC測定のための新しい、ユニークな調整可能な電気的に作動するマストを促進することでした。どんなに厳しい要件を満たす必要があるとしても、EC技術は非典型的で空間的に限られた生態系にも十分に適用できることを、より容易に認識し、想像できることを願っています。EC理論と方法論に関する既に広範な文献では、提示されたプロトコルは、このテーマに関するさらなる知識獲得を促進する可能性もある。

Acknowledgments

この研究は、ワルシャワ、ポーランドの国有林総局からの資金援助によって支えられた(プロジェクトLAS、いいえOR-2717/27/11)。ポーランドのポズナン生命科学大学気象学科の研究グループ全体に感謝の意を表したいと思います。

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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環境科学、問題148、渦共分散、風投げ、CO2フラックス、フィルタリング、測定部位設定、ギャップ充填
非理想の<sub></sub>渦共分散部位におけるCO2フラックスの測定
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Ziemblińska, K., Urbaniak, M.,More

Ziemblińska, K., Urbaniak, M., Dukat, P., Olejnik, J. Measurements of CO2 Fluxes at Non-Ideal Eddy Covariance Sites. J. Vis. Exp. (148), e59525, doi:10.3791/59525 (2019).

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