非理想涡流位点的 CO2通量测量

摘要

所提出的协议在波兰目前重新造林的风投地点,在非典型地点使用涡差差法,适用于总面积有限的所有类型的短冠生态系统。详细介绍了测量现场设置规则、通量计算和质量控制以及最终结果分析。

摘要

该协议是利用涡流协方差(EC)技术在波兰目前重新造林的风投区,在非典型生态系统中研究空间和时间平均净CO2通量(净生态系统生产,NEP)的一个例子。龙卷风事件发生后,在幸存的林场内形成了一条相对狭窄的"走廊",使这类实验复杂化。在这种情况下,其他测量技术(如室法)的应用更加困难,因为特别是在开始时,倒下的树木和一般地的异质性为执行提供了一个具有挑战性的平台磁通量测量,然后适当高档获得的结果。与在未受破坏的森林中进行的标准EC测量相比,在选址和数据分析方面,风投地区需要特别考虑,以确保其代表性。因此,在这里,我们提出了一个实时的连续CO2磁通量测量协议,在一个动态变化的非理想EC站点,其中包括(1)站点位置和仪器设置,(2)磁通量计算,(3)严格的数据过滤和质量控制,以及(4)间隙填充和净通量划分成CO2呼吸和吸收。所述方法的主要优点是,它提供了实验设置和从头开始测量性能的详细描述,可应用于其他空间有限的生态系统。也可以将其视为如何处理非常规站点操作的建议列表,为非专家提供说明。获得质量检查,填补缺口,半小时净CO2值,以及吸收和呼吸通量,可以最终汇总到每日,每月,季节性或每年的总数。

引言

目前,在大气-陆地生态系统二氧化碳(CO2)交换研究中最常用的技术是涡测协方差(EC)技术1。EC方法已经使用了几十年,关于所有方法、技术和实际问题的全面说明已经出版2,3,4。与用于类似目的的其他技术相比,EC 方法允许从自动点测量中获得空间和时间平均净 CO₂通量,该测量考虑复杂中所有元素的贡献生态系统,而不是费力的手动测量(例如,腔室技术)或采集许多样本的要求1。

在陆地生态系统中,森林在C循环中起着最重要的作用,许多科学活动的重点是研究其CO2周期、木质生物量中的碳储存及其与不断变化的气候条件之间的相互关系。直接测量或建模⁵。许多EC地点,包括最长的通量记录之一6,被设置在不同类型的森林7。通常,在测量开始之前,会仔细选择场地位置,目标是尽可能实现最均匀和最大的区域。虽然,在受干扰的林场,如风向,EC测量站的数量仍然不足8,9,10。原因之一是测量场地设置的后勤困难,最重要的是,少数突然出现的位置。为了在风投区获得信息最丰富的结果,在发生此类偶发事件后尽快开始,这可能会导致其他问题。与未受污染的林场相比,EC在风投地点的测量更具挑战性,并可能偏离已经确立的程序3。由于一些极端风现象造成了空间有限的区域,因此需要周到的测量站位置和仔细的数据处理,以便得出尽可能多的可靠通量值。在EC方法应用中也出现了类似的困难(例如,在一个长而狭窄的湖上完成的完成研究),其中测量的CO2通量需要严格的数据过滤11,12,以确保其空间代表性。

因此,所提出的协议是一个在非典型地点使用EC方法的例子,不仅针对风投区,而且针对所有具有有限面积的其他类型的短植被(例如,位于较高植被类型之间的农田)。拟议方法的最大优点是一般描述复杂的程序,需要高级知识,从站点位置选择和仪器设置到最终结果:高质量 CO₂的完整数据集通 量。测量协议的技术新颖性是使用独特的基础结构用于 EC 系统放置(例如,具有定义高度的三脚架,即带有可调节的电动桅杆的"迷你塔",允许更改传感器)。

研究方案

1. 场地位置和仪表设置

1. 选择相对均匀和平坦的地形中的测量场地位置,以满足 EC 方法的基本要求。避免使用地形复杂(凹陷、斜坡)或靠近空气动力学障碍物的地方(例如,幸存的树架),以免扭曲气流。
   1. 检查物种组成和植物覆盖。选择特征最相似的地方:主要植被类型的年龄和高度。
   2. 如果可能的话,进行一些额外的土壤调查,这有助于选择均匀区域。比较几个地点的土壤类型(土壤剖面)、土壤碳和氮含量以及水分条件(例如,使用常规网格进行土壤取样)。与土壤调查的平均值相比,避免使用具有突出特征的地方。
2. 在决定将仪器放置何处之前,请调查现行风向(最好在站点设置前一年),或分析来自最近气象站的数据。如果对感兴趣区域的范围有一些限制,请选择当前风区(上风)内的位置。
   注:在波兰风投现场,由于龙卷风路径的形状,决定把塔放在其宽度尺寸的中间(约400-500米),并尽可能远离邻近的,几年老的松树种植园在东西方向(约200米f)由于风向从西北到西南,从东北到东(图1)。
3. 决定使用哪种 EC 系统:开放路径或闭路(封闭路径 + 带短取管的闭合路径)红外气体分析仪(如果可能,使用两个)。每种技术都有优点和缺点,但一般来说,两者都是可靠的,可用于一个领域。使用三维 (3D) 正交声波测速仪。要使用 EC 方法,需要高频测量 - 两种仪器至少需要 10 Hz。
   1. 考虑在场地使用哪种电源最可行(附近是否有电源线、太阳能电池板或其他发电机？如果没有限制,请使用闭合路径(或封闭)路径气体分析仪。
      注: 开放式路径系统功耗低得多,但在恶劣环境(非常寒冷的天气、结冰、下雨的地方),它会导致大量高质量数据丢失。
   2. 遵循规则,将两种工具相对于 13进行定位。避免在 EC 系统附近安装任何不必要的元件,以免扭曲气流。
      注:本实验使用了封闭式路径分析仪(材料表)和3D声波测速仪(材料表)。
4. 选择位置后,将带有垂直杆(或另一种基础结构)的三脚架安装到顶部。设置仪器的高度,考虑两个基本要求:调查表面粗糙度(简化现有植被的高度)和影响区域(取件/占地面积 = EC 系统"看到"的区域)⁴。
   注:在动态发展的生态系统,如重新造林的风投场地Tlen I,需要随时间而改变仪器放置,以满足EC方法要求。作为EC系统基础建筑的替代方案,这里提出了一个创新的基础设施(即"迷你塔"):锚铝结构(1.5米高矩形支架(W x L)1米x1.2米),移动桅杆(三角架30厘米x30厘米x30厘米)钢轨结构内部,由电动机驱动。
   1. 首先,将EC系统的两个仪器安装在中央连接到桅杆上的金属杆上。切记将声波计置于完全垂直的位置。稍微倾斜气体分析仪,使雨水容易流出。
   2. 将仪器提升到距土壤表面两倍的树冠高度,并在树冠⁴顶部上方至少 1.5-2.0 米以上。确保基础结构以一种方式定位,从而确保调查区域在每个方向^上至少延伸传感器放置高度 100 倍。
   3. 请记住为金属结构安装防雷。
      注:为了在波兰风投场(Tlen I)实现EC测量的最大输出,我们做出了一些妥协。实验开始时,仪器被放置在3.3米的高度。
5. 为了进一步计算和通量分析,同时测量一些辅助变量,包括:空气(Ta)和土壤(Ts)温度、空气相对湿度(RH)、光合光子通量密度(PPFD)、射入太阳辐射(Rg)和降水(P)。通常,在EC站点也获得了大量的其他变量。
   1. 将辐射传感器(PPFD 和 Rg)置于南面。使用水平杆将它们从三脚架移开。检查传感器的视角并调整杆的长度和安装高度,以确保只看到已调查的表面。
   2. 使用带辐射防护罩的空气温度和湿度传感器,安装在与 EC 系统相似的高度。
   3. 在相对开放的空间(靠近 EC 塔)处安装倾翻式雨量计(至少两个),距地面 1 米。将土壤温度传感器埋在几个不同的深度(三个或更多,具体取决于土壤类型)。记住每个深度都有一些重复。将一些传感器放置在尽可能浅的级别。

2._CO2通量计算

1. 使用市售的免费软件(例如,EddyPro¹⁵⁾进行EC通量计算,包括校正应用。
   注意:此软件之所以被选中,是由于其复杂性、受欢迎程度和用户友好性,因此特别推荐给非专家。
2. 首先,创建一个新项目,然后在项目信息选项卡中指定原始数据文件格式并选择元数据文件。如果原始数据作为".ghg"文件获得,则单个元数据文件已嵌入,无需执行进一步操作。在其他情况下,请使用备选文件选项并手动键入所有信息。
   注: 元数据文件指定测量变量的顺序、其单位以及通量计算所需的一些附加信息。如果任何设置详细信息或站点特征发生更改,请记住在元数据部分进行更改。
3. 转到通量信息选项卡,选择数据集和输出目录,指定原始文件名格式,并检查项列表以进行磁通量计算。
4. 转到"处理选项"选项卡并选择原始数据处理设置。
   1. 选择调整风速计测量方法(旋转方法),这样可以解释声波风速计相对于局部风流线15的任何不对齐。勾选第一个平面拟合方法¹⁶⁽建议用于非理想、异构位置)。
   2. 选择0-1-2类型的标记策略¹⁷⁽显示质量检查过程结果的方法)。
   3. 选择首选的足迹方法(对测量通量的影响区域)(例如,Kljun¹⁸方法)。保持所有其他设置不变(默认选项)。
      注:在这里,我们可以从有关要应用的更正的选项列表、通量足迹计算方法或输出文件的结构中进行选择。但是,建议在选定 EC 软件的初步运行期间不要更改标准选项,但此处列出的选项除外。
5. 如有任何疑问/问题,请使用感兴趣的选项旁边的问号 (？) 按钮了解更多信息。请记住,一个选项卡中的信息不正确或缺失会阻止向另一个选项卡移动。
6. 单击"运行高级"模式以在末尾开始通量计算。如果仅使用默认设置,请单击"运行快速模式"。

3. 通量的过滤和质量控制

1. 使用常规维护计划避免数据丢失。根据各个功能,使用水或温和的洗涤剂尽可能频繁地清洁传感器。
2. 使用 CO2 标准(0 ppm 和至少一个其他浓度,例如 360 ppm)至少每 6 个月对气体分析仪进行一次校准。每次校准前至少 24 小时,更换传感器头内两个小瓶中的 CO₂和 H₂O 吸收剂(分别为氢氧化钠涂层二氧化硅和高氯酸镁)。
   注:校准过程相对简单,在气体分析仪手册中描述良好。在专用于 LI-7200 和 LI-7500 的软件中,有一个选项卡,其中包含整个过程的所有分步指南。如果遇到任何困难,分析器始终可以发送用于由生产商执行的工厂校准,但它需要传感器拆卸,从而导致通量数据集中出现长间隙。
3. 创建一个公共文件(例如.csv、.xlsx),其中包含来自通量计算软件和辅助测量的所有结果。确保在完全相同的时间测量相应的 30 分钟平均值(通量和气象变量)。
   注意:要简化和加快筛选过程,请使用其他程序(例如 Matlab 或免费R软件),具体取决于用户的技能,而不是在电子表格中工作。
4. 对来自此文件的数据执行下面描述的所有筛选步骤(第 3.5-3.7 节)。使用电子表格中的筛选工具(或嵌入的"if"函数)或使用其他软件创建自定义筛选函数。
5. 确定不利的天气条件和仪器故障。
   1. 使用仪器的性能指示器过滤掉因气体分析仪污染而出错的数据。对于封闭路径分析仪 , 检查通量计算软件在输出文件中给出的平均信号强度 ( ) 值。然后,标记并丢弃以下测量的所有通量(co2_flux),例如,ASS = 70%(比仪器手册中建议的阈值高10%)。
   2. 或者,设置通量的恒定范围,允许排除异常值(例如,在 Tlen I 站点从 -15 到 15 μmol_m^-2μs^-1)。去除超出正常范围的通量的可能方法之一是使用与平均值通量值的 2⁄3 标准差的限制,该值针对每个季节单独计算。
      注:作者并不强烈建议使用先验范围,如在Tlen I网站由非专家做的情况。统计方法更加可靠和客观。
   3. 丢弃在任何降雨事件(或其他类型的降水)期间测量的通量;当 P = 0.1 mm 时,删除通量。
7. 通量空间代表性约束
   1. 首先,在调查区域的地图上绘制从测量或从最近的气象站获得的风上升图。指定应将哪些风区排除在最终分析之外(由于存在任何潜在负担或与调查不同的植被类型)。使用自定义方法或利用其他数学软件的就绪功能(例如,R 软件中的 windRose函数)。
   2. 根据在通量计算(步骤 2.4.3)中选择的横风集成足迹的估计,确定将采用哪些足迹特性进行进一步分析(x=10%、x=30%、x =50%、x=70%或x[90%水平)。为了简化,每个 30 分钟足迹值都提供有关距离(上风)到区域边缘的信息,测量信号(磁量)源自给定概率级别。
      注: 此处表示 70% (x=70%)概率的足迹值被选择为限制,因为空间有限的站点中可能的最高 90% 级别会导致超出调查范围。
   3. 选择最具测量场地代表性的风向扇区。对占用空间值执行相同的操作,请记住最远的距离(最大占用空间值)不能超过感兴趣区域(图 1)。过滤掉不符合这两个要求的通量值。
      注:由于风投Tlen I站点位于龙卷风中幸存下来的森林看台之间,因此只有两个风向区被接受为代表性:30~90°和210~300°。因此,所有来自这些扇区以外的地区的CO2通量都被排除在外。此外,每个方向到最近负担(扭曲气流)或不同生态系统类型(具有不同净 CO₂交换动力学)的距离应为最大足迹限制,但建议减小此值。在位于中部的Tlen I遗址,与幸存森林边缘的距离约200-250米;因此,选择的占地面积阈值最多设置为 200 m,并均匀地应用于每个方向。

4. 间隙填充和净通量分区成CO2呼吸和吸收

1. 从几种常用方法中选择质量检查 CO₂通量间隙填充和划分为吸收(总初级产量 [GPP] 通量)和呼吸(生态系统呼吸 +R_生态+ 通量)的方法,其中包括三个基本组:基于过程的方法23,24,统计方法25,26,以及神经网络的使用27,28。
   注:由于前两组方法(基于过程和统计方法)在科学界中广泛使用,在文献中作了很好的描述和讨论,就后者而言,建议在全球通量网络中使用测量场址(FLUXNET)和综合碳观测系统(ICOS)项目(旨在跟踪气体监测、欧共体数据收集和共同处理协议的创建的国际举措),建议在此使用这两个项目。开始。
2. 作为基于过程的方法的一个示例,请遵循 Fluxnet 加拿大研究网络 (FCRN) 的程序^23,24).
   1. 选择在夜间测量的净 CO2 通量 (NEP) 以及生长季节外的所有通量值。这些被假定为完全R_生态通量。
      注: 为了区分夜间和白天,也可以使用 PPFD 阈值(例如,PPFD < 120 μmol_m^-2μs^-1作为夜间指示器²⁹)。此外,为了估计植被期的开始和结束时间,这里使用了一个简单的热法:当平均日空气(2米高)和土壤温度(2厘米深度)大于0°C时,记录植被季节的开始,当b时结束。第二次温度再次下降到0°C以下。对于不同的植被物种,应采用不同的温度阈值处理植物生理。针叶树、作物和草的光合活性不同,因为不同的植被物种对气温的反应不同。
   2. 利用土壤、空气的温度(T)或两者的结合,确定温度与R_生态的关系。使用任何允许将非线性函数拟合到数据的软件(例如 Matlab 软件)。在主体中,选择最佳拟合回归模型(使用 Akaike 信息标准 (AIC) 来决定最适合数据的函数);虽然在实践中,最常用的函数之一是劳埃德-泰勒³⁰模型:
      
      其中R_生态是生态系统呼吸通量值,是参考温度下的呼吸速率,T_参考是参考温度,T是测得的空气或土壤温度,T ₀是温度,这是生物活动启动的阈值(模型的估计参数),E ₀是描述活化能量的参数。
      注:在FCRN程序的情况下,其中一些变量是预先设置的:T _ref和E0,在 Tlen I 风抛场位分别等于 283.25 K 和 309 K 的情况下。一些研究表明,在最浅深度测量的土壤温度用于R_生态与T关系25,对于短植被似乎是最好的选择,因为很大一部分排放来自土壤和根部异源呼吸。与高大的森林不同,在气温的驱动下,树叶、树枝和植物的自育呼吸不起主要作用(如果存在)。
   3. 使用获得的R_eco vs T回归函数,填补夜间和非生长季节 NEP 通量的空白,并使用相应的温度测量计算缺失通量的函数值。请注意,在这些情况下,R_eco = NEP,GPP = 0。与白天温度相同的函数将为每个半小时值提供日时R_生态通量。
   4. 根据等式计算 GPP 值:GPP = NEP = 在生长季节的白天每个可用的 NEP 磁剂的R_生态,或在夜间和非生长季节设置为零。然后,找出PPFD与GPP通量之间的关系。使用任何允许将非线性函数拟合到数据的软件。同样,有一个广泛使用的方程来实现这种关系 - 迈克尔斯-门腾的长方形双曲线,这里以修改后的^形式26:
      
      其中GPP是平均总初级生产通量值的30分钟,α是生态系统量子产量,而GPP_选择是最佳PPFD(2000μmol_m-2μs-1)的GPP通量率。
      注: 使用获取的函数为测量的白天、生长季节 NEP 通量值的 GPP 值建模。
   5. 在整个过程结束时,使用建模的GPP和R_生态通量计算缺失的NEP通量值如下:NEP= GPP-R_生态。
      注: 在进入模型之前,可以使用简单的线性回归函数、移动均值方法或其他统计方法填充一些小间隙(缺少一些通量)。在进入模型之前,必须填补辅助变量(温度、太阳辐射)的间隙。因此,相同变量或代理变量的乘法测量非常有用,有助于避免数据集中的较大间隙。
3. 为了不仅填补CO2和其他EC通量值(智能和潜热)以及重要气象元素中的空白,请使用ReddyProc²⁵在线工具(也可作为R软件包提供)。
   注:与前一种方法相比,首先填充缺失的NEP通量,然后将每半小时净通量划分为GPP和R _eco。用于R_生态通量分区的模型类型与前面的技术相同。
   1. 要使用在线工具,请根据有关格式和顺序的规则准备数据。所需数据包括 30 分钟净 CO₂ (NEP)、潜热 (LE) 和合理热 (H) 通量、水蒸气不足 (VPD) 和使用 EC 测量计算的摩擦速度值,以及土壤或空气温度(T_空气)或T_土壤),传入太阳辐射 (R_g) 和空气的相对湿度 (RH)。
   2. 转到"处理"页面,填写有关测量站点的所有所需信息(名称、坐标、海拔高度、时区)。
   3. 决定是否使用此软件另外估计 u₌阈值(请参阅步骤 3.6.2 和 3.6.3),使用哪种方法以及使用哪个时间段:每个季节的全年或单独。
   4. 选择一种或两种方法进行净通量分区(夜间-²⁵或基于白天的^31),并运行计算过程。
4. 通过在NEP中创建人工间隙,比较在NEP通量间隙填充和分区两种方法性能方面获得的结果,并检查其建模的精确程度。
5. 计算所有填充的CO2通量(包括NEP、GPP和R_生态)的每日、每月和年度总量,在此基础上可以追溯生态系统功能的变化。使用用户自己的函数将这些通量分别聚合到所选的时域中,并汇总所有值。
   注:在Tlen I风投现场,年度总量以及每月通量不仅可以分析净CO2交换动态,还可以分析管理森林的扰动后恢复机制。

结果

在非理想EC场址的磁通过滤和质量控制中,关键步骤之一是评估测得的磁通量的空间代表性。鉴于计算是使用商业的、广泛应用的软件进行的,进行这种分析的最简单方法是仅根据风向和足迹估计包括所需区域的测量(见第3.7节)。因此,在Tlen I站点的卫星图片背景上,风玫瑰图,具有选择的风向和最大可接受的通量足迹延伸,标记为蒙带多边形,在这里显示为分析结果的可视化表示(<...

讨论

该协议提出了在非理想地点(这里为重新造林的风投场)使用的涡流协方差 (EC) 方法:场地位置和测量基础设施设置、净 CO₂通量计算和后处理,以及有关填补和通量分区程序。

尽管 EC 技术在世界各地的许多测量站点中普遍使用,但大多数都是不受干扰的生态系统,其中设计和以下数据处理可以根据标准解决方案(例如 FLUXNET 或 ICOS 网络协议)进行).虽然在诸如风投地点等要求高...

材料

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.