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Resumen

La capacidad hidráulica de la biomasa es un componente clave del presupuesto de agua de vegetación, que sirve como amortiguador contra el estrés de sequía corto y largo plazo. Aquí, presentamos un protocolo para la calibración y uso de humedad sensores de capacitancia para monitorear el contenido de agua en los tallos de árboles grandes.

Resumen

Agua transporte y almacenamiento de información a través del continuo suelo-planta-atmósfera es fundamentales para el ciclo del agua terrestre y se ha convertido en un área de enfoque de la investigación. Capacitancia de la biomasa juega un papel integral en la evitación de problemas hidráulicos en transpiración. Sin embargo, las mediciones de alta resolución temporal de cambios dinámicos en la capacitancia hidráulica de árboles grandes son raras. Presentamos los procedimientos para la calibración y uso de los sensores de capacitancia, que normalmente se utiliza para monitorear el contenido hídrico del suelo, para medir el contenido volumétrico de agua en los árboles en el campo. Observaciones de estilo de reflectometría de dominio de frecuencia son sensibles a la densidad de los medios de comunicación en estudio. Por lo tanto, es necesario realizar calibraciones específicos para convertir los valores registrados por el sensor de permitividad dieléctrica al contenido volumétrico de agua. Calibración se realiza en una rama cosechada o tallo cortado en segmentos que se seca o hidratados nuevamente para producir una amplia gama de contenido de agua para generar una regresión de mejor ajuste con las observaciones del sensor. Sensores insertados en segmentos de calibración o instalados en los árboles después de pretaladrar los agujeros a un ajuste mediante una plantilla fabricada para asegurar la alineación apropiada taladro de tolerancia. Especial cuidado para asegurarse de que dientes de sensor hacen buen contacto con los medios circundantes, lo que les permite ser insertado sin fuerza excesiva. Dinámica contenido volumétrico de agua observada a través de la metodología presentada se alinee con sap flujo medidas utilizando técnicas de disipación térmica y datos ambientales de forzamientos. Datos de contenido de agua de biomasa pueden ser utilizados para observar la aparición de estrés hídrico, respuesta de la sequía y recuperación, y ha detectado el potencial de ser aplicado a la calibración y la evaluación de nuevos modelos de nivel de planta hidrodinámica, así como el repartir de forma remota productos de la humedad en componentes arriba y soterrados.

Introducción

El agua almacenada en el material vegetal desempeña un papel integral en la capacidad de las plantas para hacer frente a estrés de agua de corto y largo plazo1,2. Las plantas almacenan agua en raíces, tallos y hojas en intracelulares y extracelulares (e.g., vasos de xilema) espacios 2,3,4. Esta agua ha demostrado aportar entre el 10 y el 50% de agua transpirados diurna2,5,6,7,8. Como tal, capacitancia hidráulica planta es un componente clave de la balanza de agua terrestre, puede ser utilizada como un indicador de estrés hídrico, respuesta de la sequía y recuperación1y es un factor crítico necesario para corregir de intervalos observados entre transpiración y sap flujo9,10,11. Monitoreo en tiempo real del contenido de agua de vegetación puede también utilizarse en aplicaciones agrícolas para ayudar a restringir la huerta y cultivos de riego para aumentar el riego eficiencia12,13. Sin embargo, mediciones continuas, in situ madre-del contenido de agua de especies leñosas7,14,15,16,17,18, son raros en relación con de las mediciones de flujo de savia20 19 . Aquí, describimos un procedimiento para la calibración de los sensores de capacitancia para monitorear el contenido volumétrico de agua en los tallos de árboles5,21.

Comportamiento hidrodinámico y Reglamento de uso del agua por la vegetación son un componente integral del continuo suelo-planta-atmósfera22,23 y por lo tanto importantes controles para los flujos de agua y carbono entre el la Biosfera y la atmósfera24,25. La dinámica del contenido de agua del tallo está influenciada por factores bióticos y abióticos. Agotamiento y recarga de agua almacenados en el tallo se ven afectados por las tendencias a corto y largo plazo en las condiciones ambientales, en especial, déficit de presión de vapor y agua contenido1,26del suelo. Las propiedades físicas de la madera27 (p. ej., densidad, estructura de la nave) y el emergente estrategia hidráulica25 (p. ej., iso - o anisohydric regulación estomática) determinan la capacidad de la planta para almacenar y usar agua 19 , 26 , 28y puede variar ampliamente por especies29,30. Estudios anteriores han demostrado diferentes roles de la capacitancia en tropical16,27,31,32,33 y templada5,7 ,21 especies y en tanto angiospermas1,2,34 y gimnospermas6,11,17,19.

Un mejor conocimiento del contenido de agua de biomasa mejorará la comprensión de estrategias para la adquisición de agua de vegetación y uso1,2, junto con la vulnerabilidad de la especie a los cambios previstos en los regímenes de precipitación35 ,36. Comprensión adicional de uso de agua de planta estrategias ayudarán a predecir cambios demográficos bajo escenarios de clima futuro37,38. A través de técnicas de fusión de datos modelo39, contenido de agua del tallo datos obtenidos mediante esta metodología pueden utilizarse para informar y prueba hidrodinámica escalable, nivel planta modelos40,41, 4243,de,44 con el fin de mejorar el cálculo de la conductancia estomática y, así, simulaciones de transpiración y absorción de carbono fotosintético. Estos modelos hidrodinámicos avanzados pueden proporcionar una reducción significativa en la incertidumbre y error al incorporar mayor superficie de tierra y tierra sistemas modelos25,45,46, 47,48.

Los métodos utilizados para controlar o calcular el contenido de agua del tallo incluyen árbol metálico33,49, electrónicos dendrometers2,15,50, resistencia eléctrica de atenuación de radiación gamma52, deuterio trazadores19, 51, redes de sap flujo sensores32,33,53, psicrómetros49, del tallo y amplitud tiempo y11 4,12,13 dominio reflectometry (TDR). Los esfuerzos recientes han probado la viabilidad de los sensores de capacitancia que tradicionalmente se han utilizado para medir el suelo agua volumétrica contenido5,18,21,27. Reflectometría de dominio de frecuencia (FRD)-sensores de capacitancia de estilo son de bajo costo y uso de cantidades relativamente pequeñas de energía para mediciones continuas, haciéndolas una herramienta atractiva para mediciones de alta resolución temporal en situaciones de campo. La facilidad de automatización de FDR sobre sensores TDR-estilo facilita la colección de conjuntos de datos de horas de sol continuo y elimina muchos de los retos inherentes a medidas de TDR que requieren longitudes de cable importantes13. El uso de sensores de capacitancia in situ elimina la necesidad de perforación repetitivas o recolección de rama y puede proporcionar exactitud mejorada de especies de madera dura.Especies leñosas que retiran agua principalmente de los espacios extracelulares, como los vasos del xilema, o que tengan alta madera o corteza de módulos de elasticidad, generalmente no son buenos candidatos para técnicas de medición dendrométricas popular debido a la extensión de espiga elástica bajo 2. sensores de capacitancia estiman permitividad dieléctrica, que se puede convertir directamente a contenido volumétrico de agua. Sin embargo, las mediciones de la capacitancia son sensibles a la densidad de los medios que rodea el sensor. Por lo tanto, abogamos por calibraciones específicos que convierten la salida de los sensores al contenido volumétrico de agua madera5,21.

Presentamos un protocolo para una calibración específica convertir salida de sensor de capacitancia al contenido volumétrico de agua de la madera. También están las instrucciones para la instalación en el campo de los sensores de capacitancia en árboles maduros y un análisis de fortalezas, debilidades y supuestos del método. Estas técnicas están diseñadas para monitorear el contenido volumétrico de agua en el tronco, el más grande árbol agua almacenamiento depósito8, pero pueden ampliarse fácilmente a todo el árbol con la instalación de sensores adicionales a lo largo de las ramas. Mediciones de contenido de agua de planta dinámica avanzará los campos de la hidrodinámica de la vegetación, biometeorology y modelado de la superficie de la tierra.

Protocolo

1. Seleccione un árbol para la instrumentación

  1. Seleccionar árboles para medición. Lo ideal es seleccionar árboles sanos con un corte transversal del tallo generalmente redondo y un diámetro entre 1 - 2 veces la longitud del diente, o una profundidad de albura mayor que la longitud de las púas del sensor (~ 5 cm para los sensores de capacitancia específica demostrada aquí). Medir la profundidad de la albura con núcleos de árbol, o para muchas especies, calcular la profundidad de la albura a través de las ecuaciones alométricas sobre zona de albura para vástago diámetro 29,54, medida con una cinta de diámetro estándar.
    Nota: Sin embargo, algunos tipos de sensores de capacitancia pueden ser capaces de cortarse a una longitud apropiada siguiendo paso 1.2 sin afectar adversamente la exactitud de la medida. Sensores de capacitancia única con puntas de medición rígido que no contienen el cableado pueden ser desbastados o troceados. Calibración independiente es necesario para los sensores recortados. Por lo tanto, seleccionar el árbol y determinar la longitud apropiada del diente antes del procedimiento de calibración.
  2. Determinar la longitud adecuada de los dientes del sensor basado en el diámetro del árbol y la profundidad de la albura.
    Nota: Los sensores de capacitancia integran información de humedad a lo largo de las puntas del sensor, L. por lo tanto se supone que la observación integral que proporcionan es representante del tallo entero cuando el diámetro está entre L y 2 L de . La corteza y floema no afectará a la medición ya que se eliminan de la zona de medición antes de la instalación (ver sección 4.2).
    1. Ajuste de los sensores de los árboles donde L es mayor que el diámetro de tallo, (véase el paso 1.3) tal que los dientes no penetran a través del lado opuesto del tallo.
    2. Mida la señal combinada de la albura y duramen con el sensor de árboles donde el diámetro es mayor que 2L, pero la profundidad de la albura es menor que L.
      Nota: Como el contenido de agua difiere en estos tipos de dos tejidos, esto puede causar un sesgo si se supone que la observación es representante del tallo entero. En tales casos, o cuando el usuario está interesado sólo en las fluctuaciones de agua de albura, el sensor dientes deben recortarse en la profundidad de la albura que las observaciones representan las fluctuaciones del contenido de agua de la albura (xilema activo) sólo. Cuando la profundidad de la albura es mayor que L, observaciones representan sólo la albura, pero el sensor no necesita ser ajustado.
  3. Si es necesario (según lo determinado en los pasos 1.2.1 y 1.2.2), corta el sensor de ajuste para la aplicación especificada. Para cortar las puntas del sensor, sujete el sensor de forma segura a un banco de trabajo y, mientras se está usando equipo de protección adecuado, use una herramienta giratoria de energía, equipada con un disco de corte de acero para cortar cada diente a exactamente la misma longitud.

2. cosecha y preparación de muestras de madera de todas las especies de interés para generar una calibración específicos para cada especie

  1. Recoger un tronco, tallo juvenil o rama grande por lo menos 6 cm de diámetro de las especies de interés. Diámetros más grandes son las preferidas para maximizar la cantidad de madera que encierra el sensor y más aproximan de la densidad del tronco para mediciones de campo. Eliminar todos los ramas u hojas y liquen o material suelto.
    Nota: Refiérase a la sección de debate para la discusión adicional de incertidumbre debido a las diferencias en rama y la densidad de tallos.
  2. Segmento de tallo en secciones de 25 o más cilíndricas de ~ 15 cm de longitud.
  3. Etiqueta de cada segmento y registre el diámetro promedio y la longitud de cada uno. Aproximar el volumen de los segmentos como el volumen de un cilindro.
  4. Separar los segmentos en dos grupos para rehidratación diferencial y secado. Coloque aproximadamente 1/3 de los segmentos en un baño de agua para rehidratar y los 2/3 de los segmentos en un horno de secado a 60 ° C para deshidratar. Separar dos segmentos para la medición inmediata: preferiblemente uno desde la mitad de la longitud de la espiga y desde un extremo.
    Nota: Típicamente, secado a 60 ° C los segmentos completamente desecados después de 2 semanas y rehidratados completamente después de ~ 3 días. Quitar los segmentos individuales del horno baño y medir a intervalos diarios o dos veces al día (véase paso 3.7). Para producir un gradiente de medidas que abarcan la más amplia gama de contenido volumétrico de agua posible.

3. crear una relación de calibración entre la salida del Sensor y volumétrico de agua contenido

  1. Conectar un sensor de capacitancia de un dispositivo de registro de datos, siguiendo las instrucciones proporcionadas por el fabricante y una computadora para la visualización de lectura de sensores en tiempo real. Establece el intervalo de tiempo para la recolección de datos en 30 s.
  2. Utilizando una plantilla de perforación predefinida mantiene firmemente en su lugar para mantener la alineación y una broca ligeramente más pequeño que el diámetro de las puntas del sensor de capacitancia (3,57 mm para el sensor utilizado en este experimento), perfore dos conjuntos vertical de tres orificios con la segundo conjunto situado aproximadamente 150 ° a en el segmento de madera con una separación vertical de unos pocos centímetros para asegurar que no existe ningún potencial superposición entre agujeros. Utilizar los segmentos de madera destinados en el paso 2.4 el primer conjunto de medidas.
  3. Pesar el registro el peso con 0,01 g y un segmento en el momento de la medición. Tapa los extremos de los segmentos con envoltura de plástico para prevenir la sequedad adicional.
  4. Inmediatamente después del pesaje, limpiar los dientes del sensor de capacitancia con un algodón embebido en alcohol e introducir en el segmento de tallo completamente, tal que ninguna parte de las púas de acero es visible. Espere a que la medición de la lectura en la pantalla de salida se estabilice (2 o 3 min, generalmente). Registrar las salidas de sensor de temperatura, conductividad eléctrica y permitividad dieléctrica (εb) cada 30 s para 5 minutos y calcular la media de las 10 mediciones.
  5. Suavemente Retire el sensor del segmento, limpiar los dientes con un algodón embebido en alcohol y esperar a que las lecturas de salida volver a cero. Repita el procedimiento de medición de paso 3.3 hacia adelante en el segundo conjunto de agujeros pretaladrados.
  6. Quitar el plástico de los extremos y colocar el segmento de tallo en el horno de secado. Déjelo secar completamente (generalmente 2 semanas, o hasta que el peso se ha estabilizado durante varios días).
  7. Repita los pasos 3.3 a 3.7 en todos los segmentos. Extraer segmentos de la estufa y medir con mayor frecuencia (dos veces al día) en los primeros días de secado, debido a la mayor tasa de pérdida de la humedad inicial que durante los últimos días (diario). Secar el exceso de agua de la superficie de los segmentos de la bañera de agua utilizando una toalla de papel antes de pesaje y medición.
Medir un segmento de tallo rehidratado por día, hasta que se han medido todos los segmentos rehidratados.
  • Después de la desecación total, registrar el peso seco final de todos los segmentos del tallo.
  • Calcular el contenido en agua volumétrico (VWC, cm3 agua/cm3madera) de cada segmento de la madre en el momento de la medición, utilizando la siguiente fórmula:
    figure-protocol-7929(1)
    Donde Vw es el volumen de agua (cm3) y V deltallo es el volumen del segmento de tallo (cm3) calculado en el paso 1.2.
    1. Calcular el volumen de agua en cada segmento en el momento de la medición como:
      figure-protocol-8279(2)
      Donde mw el agua total en el segmento de tallo (g) en el momento de la medición y ρw es la densidad del agua (1 g cm-3)
    2. Calcular la masa de agua en cada segmento en el momento de la medición como:
      figure-protocol-8618(3)
      Donde húmedo M es la masa del segmento de tallo a la hora de medición (g) y Mseco es el peso final del segmento (g).
  • Utilizando un paquete de software de análisis estadístico, crear una regresión lineal mejor ajuste entre la permitividad dieléctrica observada por el sensor y VWC (figura 1, tabla 1).

    • figure-protocol-9184
    Figura 1: curvas de calibración ejemplo. Curvas de calibración generadas para Quercus rubra, Acer rubrum, Betula papyrifera, Populus grandidentatay Pinus strobus tras partes 1 y 2 del presente Protocolo. Ecuaciones y coeficientes de determinación se proporcionan para cada uno en la tabla 1. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

    mbR2
    B. paprifera0.048-0.0980.967
    A. rubrum0.067-0.1580.853
    P. rubra (acortado)0.1200,0410.636
    P. rubra0.058-0.1090.718
    P. grandidentata0.023-0.0280.887
    P. strobus0.030-0.0720,900

    Tabla 1: ecuaciones de calibración para la conversión de Ε b a VWC de cinco especies de árboles templados. Coeficientes de am' y 'b' se presenta para una ecuación lineal en forma estándar: VWC = m * εb+ b.

    4. instalación de sensores de capacitancia en árboles para mediciones de campo

    1. Antes de la instalación del sensor, registrar el diámetro del tallo y la altura sobre la superficie del terreno para cada ubicación del sensor. Por lo general, para supervisar VWC en el tronco, un sensor ~0.5 m sobre la superficie de la tierra y otro justo debajo de la primera división ramificación importante (~7.5 m sobre el suelo, figura 2).

    figure-protocol-11602
    Figura 2: configuración de experimento de campo ejemplo. Un esquema de orientación en un árbol maduro junto a una estación de registro de datos y ubicaciones de los sensores. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

    1. Quitar la corteza al cambium y crear una superficie plana donde el sensor será instalado utilizando una hoja de dibujo. Asegúrese de que esta superficie es amplia y bastante plana que el sensor quede al ras contra la superficie del árbol cuando se instala tal que ninguna parte de las púas está expuesta. Quitar la corteza y el cambium para asegurar que las medidas incluyen sólo el contenido de agua en el xilema, mientras que excluyendo el contenido de agua en la corteza o floema.
    2. Taladre los orificios para los dientes. Utilice una broca ligeramente más pequeño que el diámetro de los dientes para la madera más suave, mientras que usa un poco más al verdadero tamaño de los dientes para madera más dura (3,57 mm según lo utilizado en este protocolo). Para mediciones de alta calidad, asegúrese de que las púas del sensor hagan buen contacto con la madera. Ya que no habrá necesidad de quitar el sensor regularmente, como fue el caso durante el procedimiento de calibración, puede utilizarse una broca un poco más pequeña que la que se utiliza para la calibración.
    3. Limpiar las cuchillas cultivadoras de sensor con un algodón embebido en alcohol para eliminar cualquier suciedad o piel aceites e Inserte el sensor en los orificios previamente perforados. Si el sensor se encuentra con demasiada resistencia al insertar, ligeramente vuelta hacia fuera y vuelva a perforar los agujeros para los Ensanche un poco. Asegúrese de que todos tres dientes estén completamente insertados y el cuerpo del sensor encuentra al ras contra el tronco del árbol.
    4. Use un sellador a base de silicon para sellar el sensor contra el tronco del árbol para ayudar a mantener a frenar flujo de entrar en los agujeros y para prevenir la infestación de plagas.
    5. Cubrir el sensor con aislamiento reflectante para evitar el calentamiento externo.
    6. Siguiendo las especificaciones de los fabricantes, conectar todos los sensores a una fuente de alimentación de 12 V y un registrador de datos compatible. Uso datos colección intervalos de 5 min para sensores desplegaron sobre el terreno, pero uso de intervalos más largos para conservar energía en sitios donde la energía es limitar, por ejemplo, solar/batería operado sitios.

    5. procesar los datos en bruto al tallo agua almacenamiento usando la curva de calibración

    1. Utilizando la ecuación de la curva de calibración generada en el paso 2.9, convertir la salida del sensor a VWC para todas las observaciones. VWC se expresa generalmente como cm3 /cm3 o como un porcentaje. El por ciento VWC por lo tanto varían entre 0 y 100%.
    2. Integrar el volumen total de interés (cm3) entre las alturas de dos medición (por ejemplo, en la figura 2: 0,5 m y 7,5 m.) asumiendo cambios de diámetro de vástago linealmente con la altura.
    De árboles donde la observación representa el tallo entero (es decir, árboles de diámetros entre L y 2L, usando sensores sin modificar o árboles más finos donde el sensor fue recortado con el diámetro de tallo, ver sección 2.2), utilizar la ecuación 4:
    figure-protocol-15307(4)
    donde H es la diferencia de altura (distancia vertical) entre los sensores (por ejemplo, en la figura 2: 700 cm) y r1 y r2 son los radios del tallo (cm) en la parte inferior y superior de los sensores, respectivamente.
    Árboles donde los sensores proporcionan una estimación solamente del agua albura contenido (ver determinación de la longitud del sensor, sección 1.2) utilizar ecuación 5:
    figure-protocol-15867(5)
    donde s1 y s2 son las albura profundidades (cm) en las localizaciones de la sensores inferior y superior, respectivamente.
  • Calcular el volumen del vástago o albura almacenan agua multiplicando el promedio de los árboles VWC por el volumen total de interés.

    • Resultados

    En esta sección, presentamos los datos de calibración para cinco común oriental especies arbóreas forestales, seguidos de un análisis detallado de mediciones de campo de almacenamiento de agua madre en tres individuos de Acer rubrum durante la temporada de crecimiento de 2016. Se generaron curvas de calibración para Acer rubrum, Pinus strobus, Betula papyrifera, Populus grandidentata y Quercus rubra (figura 1). Pendientes de l...

    Discusión

    Patrones estacionales y diurnos en contenido de agua del tallo observado mediante sensores alinean con las tendencias de flujo concurrente sap la capacitancia y ambiental obliga a mediciones (figura 3, figura 4, figura 5). Reservorios de almacenamiento de agua del tallo están agotados diurna cuando el ritmo de transpiración supera la tasa de recarga a través de los tejidos leñosos y estacional...

    Divulgaciones

    Steven R. Garrity es un empleado de metro Group Inc. que produce el Sensor de humedad de suelo robusto de GS3 utilizado en este artículo.

    Agradecimientos

    Financiamiento para este estudio fue proporcionada por el Departamento de energía de los Estados Unidos Oficina de ciencia, oficina de biológicos e investigación ambiental, terrestre ecosistema Ciencias programa Premio Nº DE SC0007041, programa de gestión Ameriflux bajo flujo base sitio acuerdo no. 7096915 a través del laboratorio nacional Lawrence Berkeley y la ciencia hidrológica de la Fundación Nacional de ciencia otorga 1521238. Cualquier opinión, resultados y conclusiones o recomendaciones expresadas en este material son las de los autores y no reflejan necesariamente las opiniones de las agencias de financiación.

    Materiales

    NameCompanyCatalog NumberComments
    Ruggedized Soil Moisture SensorMETER Group Inc.GS-3Capacitance sensors
    1/8" drill bitAnyN/A
    9/64" drill bitAnyN/A
    Drying ovenAnyN/A
    ChainsawAnyN/A
    Electric drillAnyN/A
    Bucket for water bathAnyN/A
    Alcohol swabsAnyN/A
    Draw knifeAnyN/A
    Data loggerAnyN/A
    Silicon sealantAnyN/A

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