Medidas de CO₂ fluxes em locais de covariância não-ideal Eddy

Summary

O protocolo apresentado utiliza o método de covariância de Foucault em locais não típicos, aplicáveis a todos os tipos de ecossistemas de dossel curtos com área limitada, em um local de o atualmente reflorestado na Polônia. Detalhes de medição de regras de configuração do site, cálculos de fluxo e controle de qualidade, e análise de resultado final, são descritos.

Abstract

Este protocolo é um exemplo de utilização da técnica de covariância do Eddy (EC) para investigar os fluxos líquidos de co₂ (produção líquida de ecossistemas, NEP) espacialmente e temporalmente, em um ecossistema não-típico, em uma área de o atualmente reflorestada na Polônia. Após um evento tornado, um "corredor" relativamente estreito foi criado dentro das arquibancadas sobreviventes da floresta, o que complica esse tipo de experimentos. A aplicação de outras técnicas de medição, como o método da câmara, é ainda mais difícil nestas circunstâncias, porque especialmente no início, árvores caídas e em geral grande heterogeneidade do site fornecem uma plataforma desafiadora para executar medições de fluxo e, em seguida, para adequadamente upscale resultados obtidos. Em comparação com as medições de EC padrão realizadas em florestas intocadas, o caso de áreas de o requer consideração especial quando se trata da localização do local e análise de dados, a fim de garantir a sua representatividade. Portanto, apresentamos aqui um protocolo de medições contínuas de fluxo de CO₂ em tempo real em um site EC de mudança dinâmica, não ideal, que inclui (1) local de instalação e configuração de instrumentação, (2) computação de fluxo, (3) filtragem rigorosa de dados e controle de qualidade e (4) enchimento de Gap e fluxos líquidos Particionando em co₂ respiração e absorção. A principal vantagem da metodologia descrita é que ele fornece uma descrição detalhada da configuração experimental e desempenho de medição a partir do zero, que pode ser aplicado a outros ecossistemas espacialmente limitados. Ele também pode ser visto como uma lista de recomendações sobre como lidar com a operação do site não convencional, fornecendo uma descrição para não-especialistas. Obteve valores de qualidade verificada, Gap preenchido, meia hora da rede CO₂, bem como fluxos de absorção e respiração, podem ser finalmente agregados em totais diários, mensais, sazonais ou anuais.

Introduction

Atualmente, a técnica mais comumente utilizada nos estudos de intercâmbio de dióxido de carbono (CO₂) da atmosfera-terra é a técnica de covariância do Eddy (EC)¹. O método CE tem sido utilizado há décadas, e descrições abrangentes de questões relativas a todos os aspectos metodológicos, técnicos e práticos já foram^{publicadas 2,3,4}. Comparado com outras técnicas usadas para finalidades similares, o método do EC permite a obtenção dos fluxos líquidos de CO₂ da média espacialmente e temporal das medidas automáticas, do ponto que consideram a contribuição de todos os elementos em complicado ecossistemas, em vez de medições manuais laboriosas (por exemplo, técnicas de câmara) ou a exigência de tomar muitas amostras¹.

Entre os ecossistemas terrestres, as florestas desempenham o papel mais significativo no ciclismo C e muitas atividades científicas têm focado em investigar seu ciclo de CO₂ , armazenamento de carbono na biomassa lenhosa e suas relações mútuas com a mudança de condições climáticas por medição direta ou modelagem⁵. Muitos sítios da CE, incluindo um dos mais longos registos de fluxo⁶, foram configurados acima de diferentes tipos de florestas⁷. Normalmente, a localização do local foi cuidadosamente escolhida antes das medições começarem, com o objetivo da mais homogênea e maior área possível. Embora, em locais florestais perturbados, como windlances, o número de estações de medição da EC ainda seja insuficiente^8,9,10. Uma razão é dificuldades logísticas na medição do local de instalação e, acima de tudo, um pequeno número de locais de repente aparecendo. A fim obter os resultados os mais informativos em áreas do o, é crucial começar o mais cedo possível após tal evento incidental, que pode causar problemas adicionais. Em contraste com os sítios florestais intocados, as medições da CE em locais de o são mais desafiadoras e podem desviar-se de procedimentos já estabelecidos³. Desde que alguns fenômenos extremos do vento criam áreas espacialmente limitadas, há uma necessidade para uma posição pensativa da estação de medição e um tratamento de dados cuidadoso a fim derivar tão valores de fluxo confiáveis quanto possível. Ocorreram dificuldades semelhantes na aplicação do método CE (por exemplo, estudos de acabamento realizados acima de um lago longo, mas estreito), onde os fluxos medidos de co₂ exigiam uma rigorosa filtração de dados^11,12, a fim de assegurar a sua representatividade espacial.

Assim, o protocolo apresentado é um exemplo do uso do método EC em locais não típicos, projetados não apenas para áreas de o, mas para todos os outros tipos de vegetação curta com a área limitada (por exemplo, cultivo situados entre tipos de vegetação mais altas). A maior vantagem da metodologia proposta é uma descrição geral dos procedimentos complicados, exigindo conhecimento avançado, da escolha de localização do site e da instrumentação configurada para o resultado final: um conjunto completo de CO₂ de alta qualidade Fluxos. A novidade técnica do protocolo de medição é o uso de uma construção de base única para a colocação do sistema CE (por exemplo, tripé com uma altura definida que é uma "mini torre" com um mastro ajustável, eletricamente operado, permitindo alterar a altura final de sensores de acordo com as necessidades individuais).

Protocol

1. local de instalação e configuração de instrumentação

1. Escolha um local de medição no terreno relativamente homogêneo e plano para atender aos requisitos básicos do método EC. Evite lugares com formas de relevo complicadas (depressões, inclinações) ou situados perto dos obstáculos aerodinâmicos (por exemplo, suportes de árvore de sobrevivência), que podem distorcer o fluxo de ar.
   1. Verifique a composição das espécies e a cobertura vegetal. Escolha um lugar com as características mais semelhantes: idade e altura do tipo de vegetação principal.
   2. Se possível, realize algumas investigações adicionais do solo, que ajudam a escolher a área homogênea. Compare os tipos de solo em alguns locais (perfis do solo), o teor de carbono e nitrogênio do solo, bem como as condições de umidade (por exemplo, usando grade regular para amostragem de solo). Evite lugares com características proeminentes em comparação com os valores médios da investigação do solo.
2. Antes de decidir onde colocar os instrumentos, investigue as direções de vento prevalecentes (idealmente por um ano antes da configuração do site), ou analise os dados da estação meteorológica mais próxima. Se existirem algumas restrições em relação à extensão da área de interesse, escolha a localização que está dentro dos setores de vento prevalecentes (upwind).
   Nota: no caso do local polonês do o, devido à forma do trajeto do furacão, decidiu-se coloc a torre no meio de sua dimensão da largura (ca. 400 − 500 m) e tão distante da plantação vizinha, do pinho de poucos anos como possível no sentido do leste-oeste (ca. 200 m f a torre para suas bordas), uma vez que a direção do vento predominante foi do noroeste ao sudoeste e do nordeste ao leste (Figura 1).
3. Decida que sistema do EC a se usar: trajeto aberto ou trajeto fechado (trajeto incluido = trajeto fechado com tubo de entrada curto) analisador de gás infravermelho (ou dois deles se possível). Cada um tem vantagens e desvantagens, mas em geral, ambos são confiáveis para ser usado em um campo. Use um anemômetro sónico ortogonal tridimensional (3D). Para utilizar o método CE, são necessárias medições de alta frequência ― pelo menos 10 Hz no caso de ambos os instrumentos.
   1. Considere que tipo de fonte de alimentação é o mais viável para ser usado no site (existe uma linha de energia nas proximidades, painéis solares ou outro gerador de energia?). Se não houver limitações, use o analisador de gás de caminho fechado (ou fechado).
      Nota: um sistema de caminho aberto tem um consumo de energia muito menor, mas em ambientes agressivos (tempo muito frio, congelamento, locais chuvosos) resultaria em perda considerável de dados de alta qualidade.
   2. Siga as regras para posicionar ambos os instrumentos em relação uns aos outros¹³. Evite montar quaisquer elementos desnecessários perto do sistema EC, o que pode distorcer o fluxo de ar.
      Nota: um analisador de caminho fechado (tabela de materiais) e um anemômetro 3D sónico (tabela de materiais) foram utilizados neste experimento.
4. Uma vez que a posição é escolhida, coloc um tripé com um pólo vertical (ou um outro tipo da construção baixa) para montar o sistema do EC na parte superior. Definir a altura dos instrumentos considerando dois requisitos básicos: a rugosidade superficial investigada (na simplificação da altura da vegetação existente) e a área de influência (busca/pegada ― a área "vista" pelo sistema CE)⁴.
   Nota: em ecossistemas de desenvolvimento dinâmico, tais como o local de o reflorestado tlen I, a mudança na colocação do instrumento com tempo será exigida para cumprir exigências do método do EC. Como uma alternativa de uma construção de base para o sistema CE, uma infra-estrutura inovadora (ou seja, "mini-torre") foi proposto aqui: uma construção de alumínio âncora (1,5-m-alta truss retangular (W x L) 1 m x 1,2 m) com um mastro (truss triangular 30 cm x 30 cm x 30 cm) em movimento dentro da estrutura ao longo de trilhos de aço, alimentado por um motor elétrico.
   1. Primeiramente, monte ambos os instrumentos do sistema do EC em um pólo do metal Unido centralmente ao mastro. Lembre-se de colocar o anemômetro sónico em uma posição perfeitamente vertical. Incline ligeiramente o analisador de gás para permitir que a água da chuva funcione facilmente.
   2. Elevar os instrumentos a uma altura duas vezes a altura do dossel da superfície do solo, e pelo menos 1.5 − 2.0 m acima da parte superior do dossel⁴. Certifique-se de que a construção de base está localizada de uma forma, o que garante que a área investigada se estende pelo menos 100 vezes a altura de um posicionamento do sensor em cada direção¹⁴.
   3. Lembre-se de instalar proteção contra raios para uma construção metálica.
      Nota: para conseguir a saída máxima da medida do EC no local polonês do o (tlen I), alguns acordos foram feitos. Os instrumentos foram colocados na altura de 3,3 m no início do experimento.
5. Para uma análise mais aprofundada do cálculo e do fluxo, meça algumas variáveis auxiliares ao mesmo tempo, incluindo pelo menos: ar (ta) e temperatura do solo (TS), umidade relativa (RH) do ar, densidade fotossintética do fluxo de fóton (PPFD), radiação solar recebida (RG) e precipitação (P). Geralmente, em sítios da EC também são obtidos um grande número de outras variáveis.
   1. Coloque sensores de radiação (PPFD e RG) para o sul. Use um pólo horizontal para movê-los para longe do tripé. Verifique o ângulo de visão dos sensores e ajuste o comprimento do pólo e a altura de montagem para garantir que somente a superfície investigada seja vista.
   2. Use sensores da temperatura e da umidade do ar com escudos da radiação, montados em uma altura similar como o sistema do EC.
   3. Instale a derrubada-os calibres da chuva da cubeta (pelo menos dois) em espaços relativamente abertos, perto da torre do EC, 1 m acima do nível à terra. Enterre os sensores de temperatura do solo em várias profundidades diferentes (três ou mais dependendo do tipo de solo). Lembre-se de ter algumas repetições para cada profundidade. Coloque alguns sensores no nível mais raso possível.

2. CO₂ fluxo de computação

1. Use o software disponível comercialmente, livre (por exemplo, EddyPro¹⁵) para a computação do fluxo do EC que inclui aplicações da correção.
   Nota: este software foi seleccionado devido à sua complexidade, popularidade e facilidade de utilização e é recomendado especialmente para os não-peritos.
2. Primeiro, crie um novo projeto e, em seguida, na guia informações do projeto , especifique o formato de arquivo de dados brutos e escolha o arquivo de metadados. Se os dados brutos foram obtidos como arquivos ". GHG", o arquivo de metadados individuais já está incorporado e nenhuma ação adicional é necessária. Em outros casos, use a opção de arquivo alternativo e digite todas as informações manualmente.
   Nota: o arquivo de metadados especifica a ordem das variáveis medidas, suas unidades e algumas informações adicionais necessárias para a computação de fluxo. Se algum dos detalhes de configuração ou características do site forem alterados, lembre-se de alterá-lo na seção de metadados.
3. Vá para a guia informações de fluxo , escolha o conjunto de dados e diretórios de saída, especifique o formato de nome de arquivo bruto e verifique a lista de itens para computação de fluxo.
4. Vá para a guia Opções de processamento e escolha configurações de processamento de dados brutos.
   1. Escolha o método para a correção de medições de anemômetros ( métododerotação ), que permite a contabilização de qualquer desalinhamento do anemômetro sónico em relação ao vento local agilizar¹⁵. Marque a primeira abordagem de ajuste planar¹⁶ (sugerida para locais não-ideais e heterogêneos).
   2. Escolha o tipo 0-1-2 de política de sinalização¹⁷ (a abordagem que apresenta resultados de um procedimento de verificação de qualidade).
   3. Selecione o método preferido da pegada (a área da influência em fluxos medidos) (por exemplo, a aproximação de Kljun¹⁸ ). Deixe todas as outras configurações inalteradas (opções padrão).
      Nota: aqui pode-se escolher a partir da lista de opções sobre as correções a serem aplicadas, fluxos método de cálculo de pegada ou a estrutura de arquivos de saída. Embora, é sugerido para não alterar as opções padrão durante a execução preliminar do software EC selecionado, exceto para aqueles listados aqui.
5. Em caso de problemas/perguntas, use o botão de interrogação (?) ao lado da opção de interesse para saber mais. Lembre-se que informações incorretas ou ausentes em uma guia impedirão o movimento para outro.
6. Clique em executar um modo avançado para iniciar a computação do fluxos no final. No caso de usar apenas as configurações padrão, clique em executar um modo expresso.

3. filtragem e controle de qualidade dos fluxos

1. Evite a perda de dados usando um plano de manutenção regular. De acordo com as capacidades individuais, limpe os sensores o mais freqüentemente possível usando a água ou o detergente suave.
2. Realize a calibração de analisadores de gás pelo menos uma vez a cada 6 meses usando padrões de CO₂ (0 ppm e pelo menos uma outra concentração, por exemplo, 360 ppm). Um mínimo de 24 h antes de cada calibração, altere os agentes absorventes de CO₂ e h₂o (hidróxido de sódio revestido de sílica e perclorato de magnésio, respectivamente) que estão presentes em duas pequenas garrafas dentro da cabeça do sensor.
   Nota: o procedimento de calibração é relativamente fácil e bem descrito no manual do analisador de gás. No software dedicado a LI-7200 e LI-7500, há uma guia, que contém todas as orientações passo-a-passo de todo o processo. Em caso de dificuldades, os analisadores podem sempre ser enviados para uma calibração de fábrica realizada pelo produtor, mas requer descompactação do sensor e resulta em lacunas longas no conjunto de dados de fluxo.
3. Crie um arquivo comum (por exemplo,. csv,. xlsx) que contenha todos os resultados do software de cálculo de fluxo e das medições auxiliares. Certifique-se de que as médias de 30 min correspondentes (fluxes e variáveis meteorológicas) são medidos ao mesmo tempo exato.
   Observação: para simplificar e acelerar o procedimento de filtragem, use programas adicionais (por exemplo, MATLAB ou software R gratuito), dependendo das habilidades dos usuários, em vez de trabalhar em uma planilha.
4. Execute todas as etapas de filtragem descritas abaixo (seções 3.5-3.7) em dados desse arquivo. Use as ferramentas de filtragem na planilha (ou incorporado "se" função) ou criar funções de filtragem personalizadas utilizando outro software.
5. Determine condições meteorológicas desfavoráveis e mau funcionamento do instrumento.
   1. Use os indicadores de desempenho do instrumento para filtrar os dados submetidos a erros devido à contaminação do analisador de gás. Para um analisador de caminho fechado, verifique o valor de intensidade média do sinal (ASS) fornecido no arquivo de saída do software de cálculo dos fluxes. Em seguida, marque e descarte todos os fluxos (co2_flux) medidos abaixo, por exemplo, ASS = 70% (limiar 10% superior ao sugerido no manual do instrumento).
   2. Opcionalmente, defina um intervalo constante para fluxos, que permite a exclusão de outliers (por exemplo, de-15 a 15 μmol ∙ m^-2∙ s^-1 no site tlen I). Uma das maneiras possíveis de remover os fluxos fora da escala normal é usar um limite de 2 − 3 desvios padrão do valor de fluxo médio, calculado individualmente para cada estação.
      Nota: os autores não recomendam fortemente o uso de um intervalo a priori como feito no caso de tlen I site por não-especialista. A abordagem estatística é muito mais fiável e objetiva.
   3. Descarte os fluxos medidos durante qualquer evento de chuva (ou outro tipo de precipitação); eliminar fluxos quando P ≥ 0,1 mm.
6. Conta para condições inapropriadas para aplicação de método de covariância Eddy.
   1. Use os resultados do teste de estado estacionário e o teste de turbulência bem desenvolvido^17,19 realizado durante a computação do fluxos no software (ver etapa 2.4.2). Descarte dados de fluxo com má qualidade (valores de sinalizador de CO₂ : qc_co2_flux > 1) no arquivo de resultados comuns.
   2. Use o indicador de período noturno (Daytime = 0) dado no arquivo de saída para filtrar os valores de co₂ fluxos medidos à noite. Plotar todos os fluxos noturnos de co₂ contra os valores de velocidade de atrito correspondentes (u_* medido ao mesmo tempo) e encontrar o valor u_* no qual esses fluxos pararam de aumentar.
   3. Marcar o valor obtido como o limiar de velocidade de atrito (u_{* thr}) a ser utilizado como medida de condições de turbulência insuficientes. Descarte todos os fluxos co₂ com os valores u_* correspondentes < u_{* thr} do conjunto de dados
      Nota: o método apresentado para você_{* thr} determinação é o mais simples, mas também o mais subjetivo. Há poucos, mais precisos, métodos complicados e confiáveis para definir o limiar de velocidade de atrito^21,22 do que a inspeção visual simples que pode ser usada aqui. Além disso, deve ser mencionado que em locais muito heterogêneos definindo u_{* thr} pode não ser fácil. Algumas outras medidas devem ser consideradas nesses casos, que são bem descritas na literatura^3,4.
7. Restrições de representatividade espacial do fluxo
   1. Primeiro, traçar o vento subiu, obtido a partir de medições ou a partir da estação meteorológica mais próxima, no mapa da área investigada. Especificar que setores eólicos devem ser excluídos da análise final (devido à existência de qualquer carga potencial ou tipo de vegetação diferente do investigado). Use um método personalizado ou utilize funções prontas de outro software matemático (por exemplo, função windRose no software R ).
   2. De acordo com a estimativa de pegadas integradas de vento cruzado escolhidas durante a computação dos fluxos (etapa 2.4.3), decidir qual característica de pegada será usada para análise posterior (x_10%, x_30%, x_50%, x_70% ou x _ 90% nível). Para simplificar, cada valor de 30 min da pegada fornece a informação em que é a distância (upwind) à borda da área, de que o sinal medido (fluxo) originou com um nível de probabilidade dado.
      Nota: aqui os valores de pegada representando 70% (x_70%) de probabilidade foi escolhido como o limite, uma vez que o maior nível de 90% possível em sites espacialmente limitados resulta em ir bem além da área de investigação.
   3. Escolha os setores de direção do vento que são mais representativos do local de medição. Faça o mesmo com os valores de pegada, tendo em mente que a distância mais distante (o maior valor de pegada) não pode exceder a área de interesse (Figura 1). Filtre os valores de fluxo que não atendem aos dois requisitos.
      Nota: desde que o local de tlen I do o foi situado entre os carrinhos da floresta que sobreviveram o tornado, somente dois setores da direção do vento foram aceitados como o representante: 30 − 90 ° e 210 − 300 °. Assim, todos os fluxos de CO₂ originados da área além desses setores foram excluídos. Além disso, a distância até a carga mais próxima (distorção do fluxo de ar) ou de diferentes tipos de ecossistemas (com diferentes dinâmicas líquidas de troca CO₂ ) em cada direção deve ser o limite máximo de pegada, embora seja recomendável diminuir esse valor. No local tlen I, localizado centralmente, a distância até as bordas da floresta sobrevivente foi de cerca de 200 a 250 m; Portanto, o limiar de pegada escolhido foi definido para 200 m no máximo e aplicado igualmente em cada direção.

4. Gap enchimento e fluxo de rede de particionamento em CO₂ respiração e absorção

1. Escolha o método para a qualidade-verificado CO₂ fluxo Gap enchimento e particionamento em absorção (produção primária bruta [GPP] fluxos) e respiração (ecossistema respiração [R_eco] fluxos) de várias abordagens comumente utilizadas, que incluem três grupos básicos: abordagem baseada em processos^23,24, métodos estatísticos²⁵,²⁶e o uso de redes neurais^27,28.
   Nota: uma vez que os dois primeiros grupos de métodos (abordagens baseadas em processo e estatística) são amplamente utilizados entre a comunidade científica, bem descrito e discutido na literatura e no caso deste último, recomendado para ser usado em uma rede global de fluxo (FLUXNET) e do sistema integrado de observação do carbono (ICOS) (iniciativas internacionais destinadas à monitorização dos gases de traço, à recolha de dados CE e à criação de protocolos comuns de processamento), o uso de ambos foi recomendado aqui no Início.
2. Como exemplo da abordagem baseada em processos, siga o procedimento da rede de pesquisa Fluxnet Canada (FCRN^23,24).
   1. Selecione líquido co₂ fluxos (NEP) medido durante períodos nocturnos, bem como todos os valores de fluxo de fora da estação de crescimento. Estes são assumidos para ser inteiramente R_eco fluxes.
      Nota: para diferenciar entre o período noturno e o período diurno, o valor limiar do PPFD também pode ser utilizado (por exemplo, PPFD < 120 μmol ∙ m^-2∙ s^-1 como indicador noturno²⁹). Além disso, para estimar quando o período de vegetação começa e termina, um método térmico simples foi utilizado aqui: quando o ar médio diário (a 2 m de altura) e a temperatura do solo (a 2 cm de profundidade) foram maiores que 0 ° c, o início da estação de vegetação foi anotado e terminado quando b temperaturas inferiores a 0 ° c. No caso de diferentes espécies de vegetação, um limiar de temperatura diferente deve ser utilizado em relação à fisiologia das plantas. O início da atividade fotossintética é diferente para árvores de coníferas e decídua, culturas e gramíneas, que advém do fato de que diferentes espécies de vegetação reagem diferentemente à temperatura do ar.
   2. Utilizando a temperatura (T) do solo, ar ou a combinação dos dois, determine a relação entre temperatura e R_eco. Use qualquer software que permita a montagem de funções não-lineares nos dados (por exemplo, Software Matlab). Em principal, escolha o modelo de regressão de melhor ajuste (use, por exemplo, o critério de informação de Akaike (AIC) para decidir sobre a função que se encaixa melhor aos dados); Embora na prática, uma das funções mais comumente utilizadas é um modelo Lloyd-Taylor³⁰ :
      
      onde R_eco é o valor de fluxo de respiração do ecossistema, é a taxa de respiração em uma temperatura de referência, t_ref é a temperatura de referência, t é o ar medido ou temperatura do solo, t₀ é a temperatura que é um limiar para a atividade biológica para iniciar (parâmetro estimado do modelo), e e₀ é o parâmetro descrevendo a energia de ativação.
      Nota: no caso do procedimento de fcrn, algumas destas variáveis são ajustadas adiantado: T_ref e e ₀, que em caso do local do o de tlen I eram iguais a 283,25 k e 309 k, respectivamente. Alguns estudos sugerem o uso da temperatura do solo medida na profundidade mais rasa para a relação R_eco vs. T ²⁵, que para uma vegetação curta pareceu ser a melhor escolha, uma vez que grande parte da emissão vem de a respiração heterogénica do solo e das raizes. Ao contrário da floresta alta, a respiração autotrófica de folhagem, galhos e Boles, impulsionada pela temperatura do ar, não desempenha um papel importante (se presente).
   3. Usando a função de regressão R_eco vs T obtida, preencha as lacunas nos fluxos de NEP noturnos e não-crescentes da temporada e calcule o valor da função para fluxos ausentes usando as medições de temperatura correspondentes. Note-se que nestes casos R_eco = NEP, e GPP = 0. A mesma função com temperaturas diurnas dará ao dia R_eco fluxos para cada valor de meia hora.
   4. Calcule os valores de GPP de acordo com a equação: GPP = NEP + R_eco para cada fluxo de NEP disponível durante o dia na estação de crescimento ou ajustado a zero durante a noite e a estação de não-crescimento. Em seguida, encontre a relação entre os fluxos PPFD e GPP. Use qualquer software que permita a montagem de funções não-lineares nos dados. Mais uma vez, há uma equação amplamente utilizada para alcançar tal relação-hipérbole retangular de Michaelis-Menten, aqui em uma forma modificada²⁶:
      
      onde o GPP é o valor de fluxo de produção primário bruto de 30 minutos, α é o rendimento quântico do ecossistema, e o GPP_opt é a taxa de fluxo de GPP em um PPFD ótimo (2000 μmol ∙ m^-2∙ s^-1).
      Nota: Use a função obtida para modelar os valores de GPP para o dia medido, os valores dos fluxos de NEP da estação de crescimento.
   5. Ao final de todo o procedimento, use os fluxos GPP e R_eco modelados para calcular os valores dos fluxos de NEP ausentes da seguinte forma: NEP = GPP- R_eco.
      Nota: algumas pequenas lacunas (alguns fluxes ausentes) podem ser preenchidas com uma função de regressão linear simples, uma abordagem média móvel ou outros métodos estatísticos antes de entrar nos modelos. As lacunas nas variáveis auxiliares (temperatura, radiação solar) devem ser preenchidas antes de entrar nos modelos. Assim, a medida multiplicada das mesmas variáveis ou substitutos são úteis, ajudando a evitar grandes lacunas em conjuntos de dados.
3. Para preencher as lacunas não só no CO₂ , mas também outros valores de fluxo CE (calor sensível e latente), bem como nos elementos meteorológicos importantes, use a ferramenta ReddyProc²⁵ online (disponível também como um pacote de software R ).
   Nota: em contraste com o método anterior, os primeiros fluxos NEP ausentes são preenchidos e, em seguida, cada fluxo líquido de meia hora é dividido em GPP e R_eco. O tipo de modelo usado para particionamento R_eco fluxos é o mesmo que na técnica anterior.
   1. Para usar uma ferramenta on-line, prepare os dados de acordo com as regras relativas ao seu formato e ordem. Os dados necessários incluem médias de 30 min de líquido CO₂ (NEP), calor latente (Le) e fluxos de calor (H) sensíveis, déficit de vapor de água (VPD) e valores de velocidade de atrito calculados usando medições de EC, bem como a temperatura do solo ou do ar (T_Air ou T_solo), radiação solar recebida (R_g) e umidade relativa do ar (RH).
   2. Vá para a página de processamento e preencha todas as informações necessárias sobre o local de medição (nome, coordenadas, altitude, fuso horário).
   3. Decida se deve estimar u_* Threshold adicionalmente com este software (veja etapas 3.6.2 e 3.6.3), que método a se usar e para que período de tempo: o ano inteiro ou separada para cada estação.
   4. Selecione um ou ambos os métodos para particionamento de fluxos líquidos (noturno-²⁵ ou³¹com base no dia) e execute o processo de computação.
4. Compare resultados obtidos em termos de ambos os desempenhos do método no enchimento e no particionamento do Gap do fluxo de NEP criando aberturas artificiais em NEP, e verific como precisamente foram modelados.
5. Calcule os totais diários, mensais e anuais de todos os fluxos de CO₂ cheios de lacunas, incluindo o NEP, o GPP e o R_eco, com base nos quais as alterações do funcionamento do ecossistema podem ser rastreadas. Use a função dos usuários para agregar esses fluxos separadamente no domínio de tempo escolhido e somar todos os valores.
   Nota: no site de o tlen I, os totais anuais, bem como os fluxos mensais, permitiram analisar não só a dinâmica cambial líquida de co₂ , mas também os mecanismos de recuperação pós-perturbação da floresta gerenciada.

Representative Results

Uma das etapas cruciais na filtragem de fluxo e no controle de qualidade em sítios não-ideais da EC é a avaliação da representatividade espacial dos fluxos medidos. A maneira mais simples de realizar essa análise, dado o fato de que os cálculos foram feitos usando o software comercial, amplamente aplicado, é incluir medições da área desejada apenas, com base na direção do vento e estimativas de pegada (ver seção 3,7). Assim, a trama do vento subiu, com uma direção de vento escolhida e máxima aceitável estender de pegada de fluxos, marcados como polígonos sombreados, no fundo da imagem de satélite do site tlen I, é mostrado aqui como uma representação visual do resultado da análise ( Figura 1).

Em princípio, a velocidade do vento e a concentração de gás traço são medidos pelo sistema de covariância Eddy, que são então usados para computar os fluxos de troca de rede CO₂ (NEP). Os valores brutos de fluxo devem ser pós-processados, a fim de excluir erros e dados de baixa qualidade. A Figura 2 mostra os resultados de um procedimento de filtração no exemplo de um ano de medições dos fluxos de NEP do local de o de tlen I.

Deve-se notar que o procedimento proposto de verificação e garantia de qualidade de fluxo resultou em perda substancial de dados, em uma extensão muito maior do que em sítios típicos da CE. A redução dos fluxos de NEP aceitáveis, em relação à fase anterior, foi semelhante nas seções 3,6 e 3,7, enquanto o menor número de pontos de dados foi descartado devido a condições meteorológicas desfavoráveis e mau funcionamento do instrumento (seção 3,5). A última parte do protocolo de garantia de qualidade (setores escolhidos de pegada e direção do vento) rendeu uma cobertura de dados final de apenas 1/3 de todos os fluxos brutos de NEP medidos pela EC. Em geral, a etapa 3,7 é a parte mais crucial do procedimento de filtragem aqui, assegurando que os fluxos obtidos representem a troca gasosa da área investigada.

Os fluxos de alta qualidade do NEP podem finalmente ser usados para derivar totais diários, mensais, sazonais ou anuais. No entanto, eles devem ser Gap preenchido antes de cada ação. Na Figura 3, é mostrada a relação entre os fluxos de NEP, o Gap preenchido com duas abordagens diferentes: processo baseado (FCRN) e método estatístico (REddyProc).

A regressão linear simples apresentada sugere que, em geral, ambas as técnicas são comparáveis (regressão estatisticamente significante com r²= 0,89) e, portanto, podem ser utilizadas para o preenchimento de Gap dos fluxos de NEP, dando resultados satisfatoriamente semelhantes (a regressão linha de inclinação igual 0,90, que sugerem apenas 10% diferença entre fluxos cheios de Gap em média). Com apenas valores de fluxo de CO₂ líquidos, nada pode ser dito sobre os impactos individuais dos processos de absorção (GPP) e respiração (R_eco). Conseqüentemente, junto com o enchimento da abertura, o procedimento so-called do particionamento do fluxo foi realizado também, pelo uso dos mesmos dois métodos. Os totais diários de R_eco fluxos são apresentados na Figura 4 como exemplos de dois desempenhos diferentes do método no particionamento líquido do co₂ dos fluxos.

Os resultados da computação de r_eco Flux com dois métodos diferentes, embora o mesmo modelo de r_eco vs T foi usado em ambos os casos, são exemplos de uma fonte potencial de conclusões erradas sobre uma contribuição da respiração para os fluxos globais de NEP ou conseqüentemente as taxas de absorção (fluxos de GPP). No entanto, não pode ser claramente indicado qual método dá resultados mais confiáveis sem análise adicional dessa maneira. O que pode ser feito, em nossa opinião, é ou plotar fluxos noturnos medidos contra modelado R_eco fluxos para olhar sobre as diferenças, ou para comparar os valores estimados com fluxos de respiração diretamente medido com outra técnica (por exemplo, câmaras). As diferenças no modelo R_eco fluxos entre as abordagens apresentadas podem vir do fato, que em um método alguns parâmetros são definidos como constantes, enquanto no outro eles são estimados. Mesmo aqueles, que não mudam em ambos os casos (como uma referência temperatura- T_ref), não foram os mesmos em dado exemplo (em fcrn t_ref= 283,25 k, enquanto em reddyproc t_ref= 288,15 k). Foi feito com o objetivo de fazer com que os usuários potenciais percebam que mesmo essas pequenas mudanças podem resultar em discrepâncias significativas. A outra questão é que uma abordagem estatística não é capaz de preencher grandes lacunas com sucesso, que no caso de apresentado não-ideal CE local, onde havia apenas 1/3 de fluxos medidos deixados após a filtragem e verificação de qualidade procedimento, pode ser um motivo de preocupação. Nós não tentamos fornecer uma "melhor solução" com esta análise, mas sim opções presentes. Uma investigação mais aprofundada precisa ser feita neste caso.

Figura 1: gráfico de rosa do vento no fundo da área do local de tlen I. Os polígonos sombreados azuis representam a direção do vento escolhida e os polígonos sombreados vermelhos dentro deles mostram setores de um círculo com um raio de 200 m (máximo aceitável estender da pegada dos fluxos). Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2: o curso dos fluxos de NEP em média de 30 min em cada etapa da filtragem de dados (descrita no protocolo), no contexto de valores de fluxos brutos não processados e crus. O número relativo de pontos de dados restantes após cada estágio é fornecido na parte superior de cada plotagem. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3: a relação entre os fluxos de NEP, Gap preenchido com um método baseado em processo (fcrn) e uma abordagem estatística (reddyproc ferramenta on-line), medido em tlen I o site. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 4: totais de fluxos diários de respiração do ecossistema (R_eco) obtidos a partir do procedimento de particionamento, realizado com um método baseado em processo (fcrn) e uma abordagem estatística (ferramenta online reddyproc) no site de o tlen I. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Discussion

Este protocolo apresenta o método de covariância por Eddy (EC) a ser utilizado em locais não-ideais (aqui um local de o reflorestado): localização do local e configuração da infraestrutura de medição, computação líquida co₂ fluxos e pós-processamento, bem como algumas questões sobre preenchimento de lacunas e fluxos de particionamento de procedimentos.

Embora a técnica da EC seja comumente usada em muitos locais de medição em todo o mundo, a maioria deles são ecossistemas não perturbados, onde o projeto e o processamento de dados a seguir podem ser feitos de acordo com soluções padrão (por exemplo, protocolos de rede FLUXNET ou ICOS ). Embora, em áreas tão exigentes e muitas vezes espacialmente limitadas como locais de o, tais experimentos devem ser planejados e realizados com especial cautela. Adicionalmente, a longo prazo, as medições em ecossistemas de crescimento dinâmico exigiriam uma mudança na altura do sistema CE no futuro, juntamente com o novo crescimento e desenvolvimento da vegetação. Conseqüentemente, nós recomendamos usar uma construção básica original, que seja uma "mini-torre inovativa" com um mastro eletricamente operado, telescópica. Esta solução técnica permite atender um dos requisitos básicos do método em si: a colocação do sistema CE em uma camada limite mista, sem a necessidade de reconstrução ou instrumentos de descontinuação, o que pode resultar em mais perdas de dados em já esgotado Dataset. Além disso, o mastro elétrico facilmente movente igualmente faz a manutenção dos sensores no local muito mais fácil (por exemplo, quando um precisa de limpar o trajeto ótico do analisador, o sistema inteiro do EC pode ser trazido para baixo à altura desejada, conveniente). No entanto, deve-se notar, que o aumento da altura da colocação do instrumento terá conseqüências na extensão de uma área de influência (pegada de fluxo), o que resultará ainda mais dados sendo excluídos devido a uma insuficiente pegada de fluxo. No pior dos casos, os fluxos medidos provavelmente não seriam mais representativos para a área investigada ou mesmo os requisitos do método CE não seriam mais atendidos.

A localização do site em um terreno relativamente homogêneo e plano, como descrito no protocolo, é a opção mais desejada. Nessas condições, as questões de advecção geralmente são negligenciadas. No entanto, se a área de interesse está localizada em um terreno montanhoso, ela deve ser levada em conta na análise de fluxo medido, o que implica um conhecimento mais avançado a ser adquirido.

O software sugerido (EddyPro) para o cálculo do fluxo dos dados crus, de alta freqüência, é uma ferramenta livre, complexa e fácil de usar, projetada para a computação do fluxo do EC. Todas as equações e correções incorporadas têm o fundo científico e as referências correspondentes aos métodos utilizados são dadas¹⁵. Além disso, é constantemente ajustado e desenvolvido por especialistas-cientistas, a fim de implementar o estado mais atual do conhecimento.

Uma vez que os fluxos de CO₂ temporally calculados são computados, precisam de ser processados com cuidado a fim assegurar sua alta qualidade e representatividade. Uma das fontes prosaicas de erros são distúrbios na operação dos instrumentos: precipitação, pólen, sujeira, deposição de gelo na janela do analisador de gás (analisador de caminho aberto) ou dentro do tubo de admissão (analisadores fechados e de caminho fechado), que afetam o CO₂ medições de fluxos. Tais eventos também podem interromper a medição da velocidade do vento até certo ponto (anemômetro sónico). Assim, neste protocolo, foram apresentados os estágios subsequentes da filtração dos fluxos de NEP, em que o último passo é da maior importância para os sítios não-ideais, espacialmente limitados. Embora o número de pontos de dados, depois de contabilizar os setores representativos de direção do vento e a pegada, fosse muito pequeno (Figura 2), deve-se lembrar que é crucial não incluir sinais "falsos", provenientes de diferentes áreas do que os que estão interessados. Em contraste com as duas primeiras etapas, o procedimento de filtragem de fluxo acima mencionado (principalmente as restrições de direção do vento) não é comumente usado em sítios florestais da CE, uma vez que a localização do local não perturbado é geralmente escolhida de forma a garantir a melhor área representativa Possível. Os locais de windthrow, de um lado, aparecem em conseqüência de fenômenos imprevisíveis; por conseguinte, alguns compromissos têm de ser efectuados a fim de realizar medições CE nestas áreas cientificamente valiosas. Diferentemente deste estudo, os limites de pegada propostos podem ter valores diferentes em diferentes direções de vento. Vale ressaltar também que existem outros tipos de estimativas de representatividade de fluxo do que a apresentada aqui (por exemplo, a abordagem climatológica 2D pegada³², que é livre para usar on-line e dá resultados mais complexos). Em tais locais complicados, esta aproximação pode ser ainda mais útil em especificar a área da maior influência nos fluxos medidos. No entanto, para simplificar o pós-processamento de fluxos, calculado usando o software comercial escolhido, foi decidido usar apenas informações fornecidas em seus arquivos de saída.

O ponto mais fraco do protocolo é o preenchimento de lacunas e a descrição do particionamento de fluxo. Os dois métodos sugeridos foram desenvolvidos individualmente por outros especialistas antes e apenas implementados aqui como técnicas propostas. Além disso, o método FCRN requer muito mais contribuição do usuário, pois não há nenhuma ferramenta pronta para executar este procedimento. A análise comparativa da lacuna correspondente preenchida (NEP) e fluxos particionados (GPP e R_eco), que poderiam ter sido de maior interesse entre os potenciais usuários, exigem uma investigação mais aprofundada, a fim de ser plenamente aplicável ( Figura 3 e Figura 4).

Há ainda uma sala para a melhoria a respeito dos detalhes técnicos de medidas do EC e do processamento de dados apresentados neste protocolo. Uma possibilidade potencial é a fusão do método processado-baseado e estatístico para o enchimento e o particionamento da abertura de dados (por exemplo, método de ReddyProc para o enchimento da abertura e então FCRN para o particionamento dos fluxos), de acordo com necessidades individuais, ou simplesmente o uso de neural abordagem de redes.

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.