قياسات تدفقات ثاني أكسيد الكربون في مواقع التباين المشترك غير المثالية

Summary

ويستخدم البروتوكول المعروض طريقة التباين المشترك الدوامة في مواقع غير نموذجية، تنطبق على جميع أنواع النظم الإيكولوجية ذات المظلة القصيرة ذات المساحة المحدودة، في موقع لإلقاء الرياح أعيد تشجيره حاليا في بولندا. يتم وصف تفاصيل قياس قواعد إعداد الموقع، وحسابات التدفق ومراقبة الجودة، وتحليل النتائج النهائية.

Abstract

وهذا البروتوكول مثال على استخدام تقنية التباين المشترك (EC) للتحقيق في متوسط تدفقات ثاني أكسيد الكربون الصافية من الناحيتين المكانية والزمنية (صافي إنتاج النظم الإيكولوجية، NEP)، في النظم الإيكولوجية غير النموذجية، في منطقة رمي الرياح المعاد تشجيرها حالياً في بولندا. بعد حدث اعصار، تم إنشاء "ممر" ضيق نسبيا داخل المدرجات الغابات الباقين على قيد الحياة، مما يعقد هذا النوع من التجارب. تطبيق تقنيات القياس الأخرى، مثل طريقة الغرفة، هو أكثر صعوبة في ظل هذه الظروف، لأنه خاصة في البداية، والأشجار التي سقطت وبشكل عام عدم تجانس كبير من الموقع توفر منصة صعبة لأداء قياسات التدفق ومن ثم إلى النتائج الراقية بشكل صحيح. وبالمقارنة مع القياسات القياسية التي أجريت في الغابات التي لم يمسها أحد، تتطلب حالة مناطق رمي الرياح اهتماما خاصا عندما يتعلق الأمر بموقع الموقع وتحليل البيانات من أجل ضمان تمثيلها. لذلك، نقدم هنا بروتوكول من القياسات في الوقت الحقيقي، وتدفقات CO₂ المستمر في موقع EC متغير بشكل حيوي، غير مثالي، والذي يتضمن (1) موقع الموقع وإعداد الأجهزة، (2) حساب التدفق، (3) تصفية البيانات الصارمة و مراقبة الجودة، و (4) ملء الفجوة وصافي التدفقات تقسيم إلى ثاني أكسيد الكربون التنفس والامتصاص. والميزة الرئيسية للمنهجية الموصوفة هي أنها تقدم وصفا مفصلا لأداء الإعداد والقياس التجريبيين من الصفر، يمكن تطبيقه على النظم الإيكولوجية الأخرى المحدودة من الناحية المكانية. ويمكن أيضا أن ينظر إليها على أنها قائمة من التوصيات بشأن كيفية التعامل مع تشغيل المواقع غير التقليدية، وتوفير وصف لغير المتخصصين. يمكن تجميع القيم التي تم التحقق منها منحيث الجودة، وملء الفجوة، ونصف ساعة من صافي CO 2، فضلا عن تدفقات الامتصاص والتنفس، في نهاية المطاف في المجاميع اليومية أو الشهرية أو الموسمية أو السنوية.

Introduction

في الوقت الحاضر، والتقنية الأكثر شيوعا في الغلاف الجويالأرض النظام الإيكولوجي ثاني أكسيد الكربون (CO 2) دراسات التبادل هو الدوامة covariance (EC) تقنية¹. وقد استخدمت طريقة الجماعة الأوروبية لعقود، وقد نشرت بالفعل وصف شامل للقضاياالمتعلقة بجميع الجوانب المنهجية والتقنية والعملية 2،^3،4. وبالمقارنة مع التقنيات الأخرى المستخدمة لأغراض مماثلة، تسمح طريقة الجماعة الأوروبية بالحصول على التدفقات الصافية لثاني أكسيد الكربون 2 المتوسطة مكانياً وزمنياً من القياسات التلقائية والنقاط التي تنظر في مساهمة جميع العناصر في حالات معقدة النظم الإيكولوجية، بدلا من القياسات اليدوية شاقة (على سبيل المثال، تقنيات الغرفة) أو شرط أخذ العديد من العينات¹.

ومن بين النظم الإيكولوجية للأراضي، تؤدي الغابات أهم دور في ركوب الدراجات في الجبال، وقد ركزت العديد من الأنشطة العلمية على دراسة دورة ثاني أكسيد الكربون، وتخزين الكربون في الكتلة الأحيائية الخشبية، وعلاقاتها المتبادلة مع الظروف المناخية المتغيرة عن طريق: كل من القياسالمباشر أو النمذجة 5. العديد من مواقع المفوضية الأوروبية،بما في ذلك واحدة من أطول سجلات تدفق 6، تم إعداد فوق أنواع مختلفة من الغابات^7. عادة، تم اختيار موقع الموقع بعناية قبل بدء القياسات، بهدف أكثر المناطق تجانسا وأكبر هادى. على الرغم من أن، في مواقع الغابات المضطربة، مثلالرياح، وعدد محطات قياس EC لا تزال غير كافية 8،^9،10. وأحد الأسباب هو الصعوبات اللوجستية في قياس إعداد الموقع، والأهم من ذلك كله، وجود عدد صغير من المواقع التي تظهر فجأة. من أجل الحصول على النتائج الأكثر إفادة في مناطق رمي الرياح، من الأهمية بمكان أن تبدأ في أقرب وقت ممكن بعد مثل هذا الحدث العرضي، والتي قد تسبب مشاكل إضافية. وعلى النقيض من المواقع الحرجية التي لم يمسها أحد، فإن قياسات الجماعة الأوروبية في مواقع رمي الرياح أكثر صعوبة ويمكن أن تحيد عن الإجراءات المعمول بها بالفعل³. وبما أن بعض ظواهر الرياح الشديدة تخلق مناطق محدودة من الناحية المكانية، فإن هناك حاجة إلى موقع محطة قياس مدروسة ومعالجة دقيقة للبيانات من أجل استخلاص أكبر قدر ممكن من قيم التدفق الموثوق بها. وقد حدثت صعوبات مماثلة في تطبيق طريقة الجماعة الأوروبية (على سبيل المثال، دراسات الانتهاء التي أجريت فوق بحيرة طويلة ولكنها ضيقة) حيث تتطلب تدفقات ثاني أكسيد الكربون المقاسة تصفية البيانات الصارمة^11،12 من أجل ضمان التمثيل المكاني.

ومن ثم، فإن البروتوكول المعروض هو مثال على استخدام طريقة الجماعة الأوروبية في مواقع غير نموذجية، لا مصممة فقط لمناطق رمي الرياح، بل لجميع الأنواع الأخرى من النباتات القصيرة ذات المساحة المحدودة (مثل الأراضي الزراعية الواقعة بين أنواع النباتات الأطول). وتتمثل أكبر ميزة في المنهجية المقترحة في وصف عام للإجراءات المعقدة، التي تتطلب معرفة متقدمة، من اختيار الموقع والأجهزة التي تم إعدادها إلى النتيجة النهائية: مجموعة بيانات كاملة من ثاني أكسيد الكربون عالي الجودة₂ تدفقات. الجدة التقنية لبروتوكول القياس هو استخدام بناء قاعدة فريدة من نوعها لوضع نظام المفوضية الأوروبية (على سبيل المثال، ترايبود مع ارتفاع محدد هو "برج صغير" مع الصاري قابل للتعديل، تعمل كهربائيا، مما يسمح بتغيير الارتفاع النهائي لل أجهزة الاستشعار وفقا للاحتياجات الفردية).

Protocol

1. موقع الموقع وإعداد الأجهزة

1. اختيار موقع قياس في التضاريس متجانسة نسبيا ومسطحة لتلبية المتطلبات الأساسية لطريقة EC. تجنب الأماكن ذات الأشكال الأرضية المعقدة (المنخفضات والمنحدرات) أو الواقعة بالقرب من العقبات الأيرودينامية (على سبيل المثال، تقف الأشجار الباقية على قيد الحياة)، والتي يمكن أن تشوه تدفق الهواء.
   1. تحقق من تكوين الأنواع والغطاء النباتي. اختيار مكان مع الخصائص الأكثر مماثلة: العمر وارتفاع نوع الغطاء النباتي الرئيسي.
   2. إذا كان ذلك ممكنا، وإجراء بعض التحقيقات التربة إضافية، والتي تساعد على اختيار منطقة متجانسة. مقارنة أنواع التربة في عدد قليل من المواقع (ملامح التربة)، ومحتوى التربة الكربون والنيتروجين، فضلا عن ظروف الرطوبة (على سبيل المثال، باستخدام الشبكة العادية لأخذ عينات التربة). تجنب الأماكن ذات الميزات البارزة بالمقارنة مع متوسط القيم من التحقيق التربة.
2. قبل اتخاذ قرار بشأن مكان وضع الأدوات، قم بالتحقيق في اتجاهات الرياح السائدة (من الناحية المثالية لمدة سنة واحدة قبل إعداد الموقع)، أو تحليل البيانات من أقرب محطة للأرصاد الجوية. إذا كانت هناك بعض القيود فيما يتعلق بمدى منطقة الاهتمام، اختر الموقع الذي يقع ضمن قطاعات الرياح السائدة (الرياح العاتية).
   ملاحظة: في حالة موقع رمي الرياح البولندي، بسبب شكل مسار الأعاصير، تقرر وضع البرج في منتصف بعد عرضه (حوالي 400-500 م) وبعيداً عن مزرعة الصنوبر المجاورة التي يبلغ عمرها بضع سنوات قدر الإمكان في الاتجاه الشرقي الغربي (حوالي 200 متر و) روم البرج إلى حوافها)، منذ اتجاه الرياح السائدة كان من الشمال الغربي إلى الجنوبالغربي ومن الشمال الشرقي إلى الشرق (الشكل 1).
3. تحديد نظام EC الذي سيتم استخدامه: المسار المفتوح أو المسار المغلق (المسار المغلق = المسار المغلق مع أنبوب المدخول القصير) محلل غاز الأشعة تحت الحمراء (أو اثنين منهم إذا كان ذلك ممكناً). كل له مزايا وعيوب ولكن بشكل عام، وكلاهما موثوق بها لاستخدامها في حقل. استخدام ثلاثي الأبعاد (3D) مقياس شدة الريح الصوتية المتعامدة. ولاستخدام طريقة الجماعة الأوروبية، يلزم إجراء قياسات عالية التردد - 10 هرتز على الأقل في حالة كلا الصكين.
   1. النظر في أي نوع من إمدادات الطاقة هو الأكثر جدوى لاستخدامها في الموقع (هل هناك خط الطاقة في مكان قريب، والألواح الشمسية أو غيرها من مولدات الطاقة؟). في حالة عدم وجود قيود، استخدم محلل غاز المسار المغلق (أو المرفق).
      ملاحظة: نظام المسار المفتوح لديه استهلاك الطاقة أقل بكثير، ولكن في البيئات القاسية (الطقس البارد جدا، والجليد، ومواقع الأمطار) من شأنه أن يؤدي إلى فقدان كبير من البيانات عالية الجودة.
   2. اتبع القواعد لوضع كلا الصكين بالنسبة لبعضها البعض¹³. تجنب تركيب أي عناصر غير ضرورية قريبة من نظام EC، والتي يمكن أن تشوه تدفق الهواء.
      ملاحظة: تم استخدام محللمسار مغلق (جدول المواد) ومقياس شدة الريح الصوتي ثلاثي الدُعد (جدولالمواد)في هذه التجربة.
4. بمجرد اختيار الموقع، ضع ترايبود مع عمود عمودي (أو نوع آخر من البناء الأساسي) لتركيب نظام EC على القمة. تعيين ارتفاع الأدوات مع التفكير في شرطين أساسيين: الخشونة السطحية التحقيق (في تبسيط ارتفاع الغطاء النباتي القائم) ومنطقة التأثير (جلب / بصمة - المنطقة "ينظر" من قبل نظام الجماعة الأوروبية)⁴.
   ملاحظة: في النظم الإيكولوجية النامية بشكل حيوي، مثل موقع رمي الرياح المعاد تشجيره تلن الأول، سيلزم التغيير في وضع الأداة مع مرور الوقت للوفاء بمتطلبات طريقة الجماعة الأوروبية. وكبديل لبناء قاعدة لنظام الجماعة الأوروبية، اقتُرحت هنا بنية تحتية مبتكرة (أي "برج صغير") من الألومنيوم: بناء من الألومنيوم الراسي (دعامات مستطيلة بارتفاع 1.5 م (W x L) 1 م × 1.2 م) مع سارية (دعامات ثلاثية 30 سم × 30 سم × 30 سم) تتحرك داخل الهيكل على طول القضبان الفولاذية، مدعوم من محرك كهربائي.
   1. أولا، جبل كل من الصكوك من نظام المفوضية الأوروبية على عمود معدني تعلق مركزيا على الصاري. تذكر أن تضع مقياس شدة الريح الصوتية في موقف عمودي تماما. إمالة محلل الغاز قليلا للسماح لمياه الأمطار لتشغيل قبالة بسهولة.
   2. رفع الآلات إلى ارتفاع ضعف ارتفاع المظلة من سطح التربة، وما لا يقل عن 1.5−2.0 متر فوق الجزء العلوي من المظلة⁴. تأكد من أن بناء قاعدة يقع بطريقة، مما يضمن أن المنطقة التي تم التحقيق فيها يمتد ما لا يقل عن 100 مرة من ارتفاع وضع جهاز استشعار في كل اتجاه¹⁴.
   3. تذكر لتثبيت الحماية من البرق لبناء المعادن.
      ملاحظة: لتحقيق الناتج الأقصى من قياس EC في موقع رمي الرياح البولندية (Tlen I)، تم إجراء بعض التنازلات. وضعت الأدوات في الإرتفاع من 3.3 [م] في البداية من التجربة.
5. لمزيد من الحساب وتحليل التدفق، وقياس بعض المتغيرات المساعدة في نفس الوقت، بما في ذلك على الأقل: الهواء (تا) والتربة (TS) درجة الحرارة، والرطوبة النسبية (RH) من الهواء، وكثافة تدفق الفوتون اتوّق ضوئياً (PPFD)، والإشعاع الشمسي الوارد (Rg) و هطول الأمطار (P). عادة، في مواقع المفوضية الأوروبية يتم أيضا الحصول على عدد كبير من المتغيرات الأخرى.
   1. وضع أجهزة استشعار الإشعاع (PPFD وRg) إلى الجنوب. استخدام القطب الأفقي لنقلها بعيدا عن ترايبود. تحقق من زاوية عرض أجهزة الاستشعار وضبط طول القطب وارتفاع تصاعد للتأكد من أن ينظر فقط سطح التحقيق.
   2. استخدام أجهزة استشعار درجة حرارة الهواء والرطوبة مع الدروع الإشعاعية، التي شنت على ارتفاع مماثل لنظام EC.
   3. تثبيت مقاييس المطر دلو البقشيش (اثنين على الأقل) في مساحات مفتوحة نسبيا، بالقرب من برج EC، 1 متر فوق مستوى سطح الأرض. دفن أجهزة استشعار درجة حرارة التربة في عدة أعماق مختلفة (ثلاثة أو أكثر اعتمادا على نوع التربة). تذكر أن يكون بعض التكرار لكل عمق. وضع بعض أجهزة الاستشعار في المستوى الضحلة الممكنة.

2- حساب تدفق ثاني أكسيد الكربون

1. استخدام البرمجيات الحرة المتاحة تجاريا (على سبيل المثال، EddyPro¹⁵⁾لحساب تدفق EC التي تشمل تطبيقات التصحيح.
   ملاحظة: تم اختيار هذا البرنامج بسبب تعقيده وشعبيته وسهولة استخدامه ويوصى به خاصة لغير الخبراء.
2. أولاً، قم بإنشاء مشروع جديد ثم في علامة التبويب معلومات المشروع، حدد تنسيق ملف البيانات الأولية واختر ملف بيانات التعريف. إذا تم الحصول على البيانات الأولية كملفات ".ghg"، يتم بالفعل تضمين ملف بيانات التعريف الفردية، ولا يلزم اتخاذ أي إجراء آخر. في حالات أخرى، استخدم خيار ملف بديل واكتب كافة المعلومات يدوياً.
   ملاحظة: يحدد ملف بيانات التعريف ترتيب المتغيرات المقاسة ووحداتها وبعض المعلومات الإضافية المطلوبة لحساب التدفق. إذا تغير أي من تفاصيل الإعداد أو خصائص الموقع، تذكر تغييره في قسم بيانات التعريف.
3. انتقل إلى علامة التبويب معلومات التدفق، واختر مجموعة البيانات ودلائل الإخراج، وحدد تنسيق اسم الملف الخام، وتحقق من قائمة العناصر لحساب التدفق.
4. انتقل إلى علامة التبويب خيارات المعالجة واختر إعدادات معالجة البيانات الأولية.
   1. اختيار طريقة لتصحيح قياسات مقياس الأنإيمومترات (طريقةالدوران)، والذي يسمح المحاسبة عن أي اختلال في مقياس شدة الريح الصوتية فيما يتعلق الرياح المحلية تبسيط^15. وضع علامة على النهج 16 اللوح الأول (المقترحة للمواقع غير المثالية وغير المتجانسة).
   2. اختر نوع 0-1-2 من نهج وضع علامة¹⁷ (النهج الذي يعرض نتائج إجراء فحص الجودة).
   3. حدد طريقة البصمة المفضلة (منطقة التأثير على التدفقات المقاسة) (على سبيل المثال، نهج Kljun^18). اترك كافة الإعدادات الأخرى دون تغيير (الخيارات الافتراضية).
      ملاحظة: هنا يمكن للمرء أن يختار من قائمة الخيارات المتعلقة التصحيحات التي سيتم تطبيقها، طريقة حساب بصمة التدفقات أو بنية ملفات الإخراج. على الرغم من أنه يقترح عدم تغيير الخيارات القياسية أثناء التشغيل الأولي لبرنامج EC المحدد، باستثناء تلك المذكورة هنا.
5. في حالة وجود أي مشاكل/أسئلة، استخدم الزر علامة الاستفهام (؟) بجوار خيار الاهتمام لمعرفة المزيد. تذكر أن المعلومات غير الصحيحة أو المفقودة في علامة تبويب واحدة سوف تمنع الانتقال إلى آخر.
6. انقر فوق تشغيل وضع متقدم لبدء حساب التدفقات في النهاية. في حالة استخدام الإعدادات الافتراضية فقط، انقر فوق تشغيل وضع Express.

3. تصفية ومراقبة الجودة من التدفقات

1. تجنب فقدان البيانات باستخدام خطة صيانة منتظمة. وفقا للقدرات الفردية، وأجهزة الاستشعار نظيفة في كثير من الأحيان ممكن باستخدام الماء أو المنظفات خفيفة.
2. إجراء معايرة محللات الغاز مرة واحدة على الأقل كل 6 أشهر باستخدام معايير ثاني أكسيد الكربون (0 جزء في المليون وتركيز واحد على الأقل آخر، على سبيل المثال، 360 جزء في المليون). ما لا يقل عن 24 ساعة قبل كل معايرة، وتغيير CO₂ و H₂O وكلاء امتصاص (هيدروكسيد الصوديوم المغلفة السيليكا وبيركلورات المغنيسيوم، على التوالي) التي توجد في زجاجتين صغيرتين داخل رئيس الاستشعار.
   ملاحظة: إجراء المعايرة سهل نسبيا ً ويوصف بشكل جيد في دليل محلل الغاز. في البرنامج المخصص لLI-7200 و LI-7500، هناك علامة تبويب، والتي تحتوي على جميع المبادئ التوجيهية خطوة بخطوة للعملية برمتها. في حالة وجود أي صعوبات، يمكن دائما إرسال محللات لمعايرة المصنع التي يقوم بها المنتج، ولكن ذلك يتطلب إزالة أجهزة الاستشعار ويؤدي إلى فجوات طويلة في مجموعة بيانات التدفق.
3. إنشاء ملف شائع (على سبيل المثال، .csv، .xlsx) يحتوي على كافة النتائج من برنامج حساب التدفق والقياسات المساعدة. تأكد من قياس المتوسطات المقابلة البالغة 30 دقيقة (التدفقات ومتغيرات الأرصاد الجوية) في نفس الوقت بالضبط.
   ملاحظة: لتبسيط وتسريع إجراء التصفية، استخدم برامج إضافية (على سبيل المثال، Matlab أو برنامج R مجاني)، اعتماداً على مهارات المستخدمين، بدلاً من العمل في جدول بيانات.
4. تنفيذ كافة خطوات التصفية الموضحة أدناه (المقاطع 3.5 إلى 3.7) على البيانات من هذا الملف. استخدم أدوات التصفية إما في جدول البيانات (أو الدالة المضمنة "if") أو قم بإنشاء وظائف تصفية مخصصة باستخدام برامج أخرى.
5. تحديد الظروف الجوية غير المواتية وأعطال الأجهزة.
   1. استخدم مؤشرات أداء الأداة لتصفية البيانات التي تتعرض للأخطاء بسبب التلوث بمحلل الغاز. للحصول على محلل المسار المغلق، تحقق من متوسط قيمة قوة الإشارة (ASS) الواردة في ملف الإخراج من برنامج حساب التدفقات. ثم، وضع علامة وتجاهل جميع التدفقات(co2_flux)تقاس أدناه، على سبيل المثال، ASS = 70٪ (عتبة أعلى بنسبة 10٪ مما هو مقترح في دليل الصك).
   2. اختياريا، تعيين نطاق ثابت للتدفقات، والذي يسمح استبعاد outliers (على سبيل المثال، من -15 إلى 15 μmol∙m^-2∙s^-1 في موقع Tlen I). إحدى الطرق الممكنة لإزالة التدفقات خارج النطاق الطبيعي هي استخدام حد 2-3 انحرافات قياسية من متوسط قيمة التدفق، محسوبة بشكل فردي لكل موسم.
      ملاحظة: لا ينصح المؤلفون بشدة باستخدام نطاق مسبق كما هو الحال في موقع Tlen I من قبل غير متخصص. والنهج الإحصائي أكثر موثوقية وموضوعية.
   3. التدفقات المهملة التي تقاس أثناء أي أحداث من أحداث الأمطار (أو أي نوع آخر من هطول الأمطار)؛ حذف التدفقات عند P ≥ 0.1 مم.
6. حساب الظروف غير الملائمة لتطبيق طريقة التباين المشترك الدوامة.
   1. استخدام نتائج اختبار الحالة الثابتة واختبار الاضطرابات المتقدمة^17،19 التي أجريت خلال حساب التدفقات في البرنامج (انظر الخطوة 2.4.2). تجاهل بيانات التدفق ذات الجودة الفقراء (قيم علامة CO 2: qc_co2_flux > 1) في ملف النتائج الشائعة.
   2. استخدم مؤشر فترة الليل (النهار = 0) الوارد في ملف الإخراج لتصفية قيم تدفقات ثاني أكسيد الكربون التي تقاس في الليل. رسم جميع التدفقات ليلا CO₂ ضد قيم سرعة الاحتكاك المقابلة (ش_* تقاس في نفس الوقت) والعثور على قيمة ش_* التي توقفت هذه التدفقات زيادة.
   3. وضع علامة على القيمة التي تم الحصول عليها كعتبة سرعة الاحتكاك (u_*thr)لاستخدامها كمقياس لظروف الاضطراب غير الكافية. تجاهل جميع تدفقات ثاني أكسيد الكربون مع القيم المقابلة u_* < u_{* thr} من مجموعة البيانات
      ملاحظة: الطريقة المقدمة لك_{* thr} تحديد هو أبسط ولكن أيضا الأكثر ذاتية. هناك عدد قليل، أكثر دقة، طرق معقدة وموثوق بها لتحديد عتبة سرعة الاحتكاك^21،22 من التفتيش البصري البسيط الذي يمكن استخدامه هنا. أيضا، لا بد من الإشارة إلى أنه في مواقع غير متجانسة جدا تحديد ش_{* thr} قد لا يكون من السهل. يجب النظر في بعض التدابير الأخرى في مثل هذه الحالات، والتي يتم وصفها بشكل جيد في الأدب^3و4.
7. قيود التمثيل المكاني للتدفق
   1. أولا، رسم الرياح ارتفع، التي تم الحصول عليها من القياسات أو من أقرب محطة للأرصاد الجوية، على خريطة المنطقة التي تم التحقيق فيها. تحديد قطاعات الرياح التي ينبغي استبعادها من التحليل النهائي (بسبب وجود أي عبء محتمل أو نوع نباتي مختلف عن التحقيق). استخدام طريقة مخصصة أو استخدام وظائف جاهزة من برامج رياضية أخرى (على سبيل المثال، وظيفة windRose في برنامج R).
   2. وفقا لتقدير البصمة المتكاملة للرياح المتقاطعة التي تم اختيارها أثناء حساب التدفقات (الخطوة 2.4.3)، حدد خصائص البصمة التي سيتم استخدامها لمزيد من التحليل(x_10٪، x_30٪، x_50٪، x_70٪ أو x مستوى _90%). وللتبسيط، توفر كل قيمة بصمة تبلغ 30 دقيقة معلومات عن المسافة (الرياح العاتية) إلى حافة المنطقة، التي نشأت منها الإشارة المقاسة (التدفق) مع مستوى احتمال معين.
      ملاحظة: هنا تم اختيار قيم البصمة التي تمثل 70٪(x_70٪) احتمال كالحد الأقصى، حيث أن أعلى مستوى ممكن 90٪ في المواقع محدودة مكانيا يؤدي إلى الذهاب إلى أبعد من مجال التحقيق.
   3. اختر قطاعات اتجاه الرياح التي تمثل موقع القياس بشكل أكبر. أن تفعل الشيء نفسه مع قيم البصمة، مع الأخذ في الاعتبار أن المسافة الأبعد (أعلى قيمة البصمة) لا يمكن أن تتجاوز منطقة الاهتمام (الشكل1). تصفية قيم التدفق التي لا تفي بكلا المتطلبات.
      ملاحظة: بما أن موقع Tlen I الذي وقع بين منصات الغابة التي نجت من الإعصار، تم قبول قطاعين فقط من اتجاه الرياح كممثل: 30-90 درجة و210-300 درجة. وهكذا، استُبعدت جميع تدفقات ثاني أكسيد الكربون التي نشأت من المنطقة الواقعة خارج هذه القطاعات. وعلاوة على ذلك، ينبغي أن تكون المسافة إلى أقرب عبء (تشوه تدفق الهواء) أو نوع مختلف من النظم الإيكولوجية (مع ديناميات تبادل ثاني أكسيد الكربون الصافية المختلفة) في كل اتجاه هي الحد الأقصى للبصمة، وإن كان من المستحسن تخفيض هذه القيمة. وفي موقع تلن الأول الذي يقع في موقع مركزي، كانت المسافة إلى حواف الغابة الباقية على قيد الحياة هي حوالي 200-250 م؛ لذلك، تم تعيين عتبة البصمة المختارة إلى 200 متر على الأكثر وتطبيقها بالتساوي في كل اتجاه.

4. سد الفجوة وصافي تدفق تقسيم إلى ثاني أكسيد الكربون التنفس والامتصاص

1. اختيار طريقة ملء فجوة تدفق ثاني أكسيد الكربون وتقسيمها إلى امتصاص (تدفقات الإنتاج الأولي الإجمالية للثاني أكسيد الكربون) والتنفس (تدفق التنفس في النظام الإيكولوجي [Reco]من عدة نُهُج شائعة الاستخدام، التي تشمل ثلاث مجموعات أساسية: نهج قائم على العمليات^23،24،الأساليب الإحصائية^25،26،واستخدام الشبكات العصبية^27،28.
   ملاحظة: بما أن المجموعتين الأوليين من الأساليب (النهج القائمة على العمليات والنُهُج الإحصائية) تُستخدمان على نطاق واسع في أوساط الأوساط العلمية، ويُوصَّر وصفها ومناقشتها بشكل جيد في المؤلفات وفي حالة هذه الأخيرة، يوصى باستخدامها في شبكة عالمية من التدفقات مواقع القياسات (FLUXNET) ومشروع النظام المتكامل لمراقبة الكربون (ICOS) (المبادرات الدولية التي تهدف إلى رصد الغازات النزرة، وجمع بيانات الجماعة الأوروبية وإنشاء بروتوكولات المعالجة المشتركة)، وأوصى استخدام كليهما هنا في بدايه.
2. وكمثال على النهج القائم على العمليات، اتبع الإجراء المتبع من شبكة البحوث الكندية Fluxnet (FCRN)^23,24).
   1. حدد صافي تدفقات ثاني أكسيد الكربون (NEP) التي يتم قياسها خلال الفترات الليلية وكذلك جميع قيم التدفق من خارج موسم النمو. ويفترض أن تكون هذه التدفقات الإيكولوجية R تماما.
      ملاحظة: للتمييز بين الليل وفترة النهار، يمكن أيضاً استخدام قيمة عتبة PPFD (على سبيل المثال، PPFD < 120 μmol∙m -2∙s-1 كمؤشر ليلي^29). وعلاوة على ذلك، ولتقدير متى تبدأ فترة الغطاء النباتي وتنتهي، استخدمت طريقة حرارية بسيطة هنا: عندما كان متوسط الهواء اليومي (على ارتفاع 2 م) ودرجة حرارة التربة (على عمق 2 سم) أكبر من 0 درجة مئوية، لوحظت بداية موسم الغطاء النباتي وانتهت عندما ب انخفضت درجات الحرارة إلى أقل من 0 درجة مئوية مرة أخرى. في حالة الأنواع النباتية المختلفة، ينبغي استخدام عتبة درجة حرارة مختلفة فيما يتعلق بفسيولوجيا النباتات. بداية النشاط الضوئي يختلف عن الأشجار الصنوبرية ونفضي، والمحاصيل والأعشاب، والتي تأتي من حقيقة، أن الأنواع النباتية المختلفة تتفاعل بشكل مختلف لدرجة حرارة الهواء.
   2. باستخدام درجة الحرارة (T) من التربة والهواء أو مزيج من الاثنين، وتحديد العلاقة بين درجة الحرارة وR _{الإيكولوجية.} استخدام أي برنامج يسمح بتركيب الوظائف غير الخطية للبيانات (على سبيل المثال، برنامج Matlab). في المقام الأول، اختر أفضل نموذج انحدار مناسب (استخدم على سبيل المثال، معيار معلومات Akaike (AIC) لاتخاذ قرار بشأن الوظيفة التي تناسب أفضل للبيانات)؛ على الرغم من أن من الناحية العملية، واحدة من الوظائف الأكثر شيوعا هو نموذج لويد تايلور^30:
      
      حيث R_eco هو قيمة تدفق التنفس النظام الإيكولوجي، هو معدل التنفس في درجة حرارة مرجعية، T_المرجع هو درجة الحرارة المرجعية، T هو الهواء المقاس أو درجة حرارة التربة، T₀ هي درجة الحرارة التي هي عتبة للنشاط البيولوجي لبدء (المعلمة المقدرة للنموذج)، وE ₀ هو المعلمة التي تصف طاقة التنشيط.
      ملاحظة: في حالة إجراء FCRN، يتم تعيين بعض هذه المتغيرات مسبقاً: T_ref و E₀، والتي في حالة موقع Tlen I رمي الرياح كانت تساوي 283.25 K و 309 K، على التوالي. وتشير بعض الدراسات إلى استخدام درجة حرارة التربة التي تقاس في عمق الضحلة للعلاقة _{R eco} vs. T ²⁵، والتي بالنسبة للنباتات قصيرة يبدو أن الخيار الأفضل ، لأن جزءا كبيرا من الانبعاثات يأتي من التنفس المتهي من التربة والجذور. على عكس الغابات الشاهقة، فإن التنفس الذاتي من أوراق الشجر والفروع وبولي، مدفوعا ً بدرجة حرارة الهواء، لا يلعب دوراً رئيسياً (إذا كان موجوداً).
   3. باستخدام وظيفة الانحدار _{R eco} vs T التي تم الحصول عليها، قم بملء الفجوات في التدفقات NEP في فصل الليل وغير المتنامي وحساب قيمة الدالة للتدفقات المفقودة باستخدام قياسات درجة الحرارة المقابلة. لاحظ أنه في هذه الحالات R_eco = NEP و GPP = 0. نفس الوظيفة مع درجات الحرارة أثناء النهار سوف تعطي التدفقات _{البيئية} R النهار لكل قيمة نصف ساعة.
   4. حساب قيم GPP وفقا للمعادلة: GPP = NEP + R_eco لكل تدفق NEP متاح خلال النهار في موسم النمو أو تعيين إلى الصفر خلال الليل والموسم غير المتنامي. ثم، العثور على العلاقة بين التدفقات PPFD وGPP. استخدم أي برنامج يسمح بتركيب الوظائف غير الخطية للبيانات. ثانية, هناك واحدة على نحو واسع يستعمل معادلة أن يحقّق هذا علاقة- [هبربولا] مستطيلة من [ميشليس-منتن], هنا في يعدّل شكل²⁶:
      
      حيث GPP هو متوسط 30 دقيقة متوسط القيمة الإجمالية لتدفق الإنتاج الأولي، α هو غلة الكم النظام الإيكولوجي،_ويختار GPP هو معدل تدفق GPP في PPFD الأمثل (2000 μmol∙m^-2∙s^-1).
      ملاحظة: استخدم الدالة التي تم الحصول عليها لنمذجة قيم GPP لقياس قيم تدفقات NEP في النهار والمتنامي.
   5. في نهاية الإجراء بأكمله، استخدم التدفقات _{الإيكولوجية} GPP وR على غرار لحساب قيم تدفقات NEP المفقودة على النحو التالي: NEP = GPP - R_eco.
      ملاحظة: يمكن ملء بعض الفجوات الصغيرة (عدد قليل من التدفقات المفقودة) بدالة انحدار خطي بسيط أو نهج متوسط متحرك أو أساليب إحصائية أخرى قبل إدخال النماذج. ويجب سد الثغرات في المتغيرات المساعدة (درجة الحرارة، والإشعاع الشمسي) قبل دخول النماذج. وبالتالي، فإن القياس المضروب لنفس المتغيرات أو المتغيرات البديلة مفيد، مما يساعد على تجنب الثغرات الكبيرة في مجموعات البيانات.
3. لملء الثغرات ليس فقط في CO₂ ولكن أيضا قيم تدفق EC الأخرى (الحرارة معقولة والكامنة)، وكذلك في عناصر الأرصاد الجوية الهامة، واستخدام أداة ReddyProc²⁵ على الانترنت (متاح أيضا كحزمة برامج R).
   ملاحظة: على النقيض من الطريقة السابقة، يتم تعبئة التدفقات NEP المفقودة أولاً ثم يتم تقسيم كل تدفق صافي نصف ساعة إلى GPP و R_eco. نوع النموذج المستخدم لتقسيم التدفقات _{البيئية} R هو نفسه كما هو الحال في التقنية السابقة.
   1. لاستخدام أداة على الإنترنت، قم بإعداد البيانات وفقًا للقواعد المتعلقة بشكلها وترتيبها. وتشمل البيانات المطلوبة متوسطات 30 دقيقة من صافي ثاني أكسيد الكربون₂ (NEP)، والحرارة الكامنة (LE) وتدفقات الحرارة المعقولة (H)، والعجز في بخار الماء (VPD) وقيم سرعة الاحتكاك المحسوبة باستخدام قياسات EC، فضلا عن التربة أو درجة حرارة الهواء (T_الهواء أو _Tالتربة)، والإشعاع الشمسي الواردة (R_ز)والرطوبة النسبية للهواء (RH).
   2. انتقل إلى صفحة المعالجة وملء جميع المعلومات المطلوبة فيما يتعلق بموقع القياس (الاسم والإحداثيات والارتفاع والمنطقة الزمنية).
   3. حدد ما إذا كان سيتم تقدير عتبة u_* بالإضافة إلى ذلك مع هذا البرنامج (راجع الخطوتين 3.6.2 و 3.6.3)، أي طريقة لاستخدام والفترة الزمنية التي: السنة بأكملها أو بشكل منفصل لكل موسم.
   4. حدد طريقة واحدة أو كلا الطريقتين لتقسيم التدفقات الصافية (ليلا-²⁵ أو النهار القائم³¹) وتشغيل عملية الحساب.
4. مقارنة النتائج التي تم الحصول عليها من حيث كل من أداء الأسلوب في ملء فجوة تدفق NEP والتقسيم عن طريق خلق ثغرات اصطناعية في NEP، والتحقق من مدى دقة أنها كانت على غرار.
5. حساب المجاميع اليومية والشهرية والسنوية لجميع التدفقات المملوءة بفجوة ثاني أكسيد الكربون بما في ذلك NEP وGPP وR _eco، والتي يمكن على أساسها تتبع التغيرات في أداء النظام الإيكولوجي. استخدم الدالة الخاصة بالمستخدمين لتجميع هذه التدفقات بشكل منفصل في مجال الوقت المختار وتلخيص كافة القيم.
   ملاحظة: في موقع Tlen I رمي الرياح، المجاميع السنوية، فضلا عن التدفقات الشهرية المسموح بها لتحليل ليس فقط صافي ديناميات تبادل ثاني أكسيد الكربون ولكن أيضا آليات الانتعاش بعد الاضطرابات من الغابة المدارة.

النتائج

ومن الخطوات الحاسمة في تصفية التدفقات ومراقبة الجودة في مواقع الجماعة الأوروبية غير المثالية تقييم التمثيل المكاني للتدفقات المقاسة. وأبسط طريقة لإجراء هذا التحليل، بالنظر إلى أن الحسابات قد أجريت باستخدام برامج حاسوبية تجارية تطبق على نطاق واسع، هي أن تشمل قياسات من ?...

Discussion

يعرض هذا البروتوكول طريقة التباين المشترك الدوامة (EC) لاستخدامها في المواقع غير المثالية (هنا موقع رمي الرياح المعاد تشجيره): موقع الموقع وقياس إعداد البنية التحتية، صافي ثاني أكسيد الكربون التدفقات الحسابية وما بعد المعالجة، فضلا عن بعض القضايا المتعلقة سد الفجوة والتدفقات تقسيم ?...

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.