나무에서 줄기 물 콘텐츠를 모니터링 하는 교정 및 정전 용량 센서의 사용

요약

바이오 매스의 유압 커패시턴스는 식물 물 예산, 단기 및 장기 가뭄 스트레스에 대 한 버퍼 역할의 핵심 구성 요소 이다. 여기, 우리 교정 및 토양 수 분의 사용에 대 한 프로토콜 커패시턴스 센서 큰 나무의 줄기에 물 콘텐츠 모니터링을 제시.

초록

물 수송 및 저장 토양 식물 대기권 연속체를 통해 지상파 물 순환에 중요 한 그리고 주요 연구 초점 지역 되고있다. 바이오 매스 커패시턴스 증발을 유압 장애의 제거에 중요 한 역할을 한다. 그러나, 큰 나무의 유압 커패시턴스에 동적 변화의 높은 시간 해상도 측정 드물다. 여기, 우리 교정 및 일반적으로 측정 분야에서 나무의 체적 함량을 토양 물 콘텐츠를 모니터링 하는 데 사용 하는 정전 용량 센서의 사용에 대 한 절차를 제시. 주파수 도메인 셋 스타일 관찰 되 고 공부 하는 미디어의 밀도에 민감합니다. 따라서, 그것은 부피 측정 수 분 함량 센서 보고 유 전체 유전율 값에서 변환할 종의 교정 수행 하는 데 필요한. 교정은 수확된 지점 또는 건조 되거나 다시 수 화 된 물 내용 센서 관측 최적된 회귀를 생성 하는 데 사용의 전체 범위를 생산 하는 세그먼트로 잘라 줄기에 수행 됩니다. 센서 교정 세그먼트에 삽입 또는 미리 맞는 적절 한 드릴 정렬 되도록 조작된 서식 파일을 사용 하 여 공차에 구멍을 시추 후 나무에 설치 된. 특별 한 주의 센서 tines 과도 한 힘 없이 삽입할 수 있도록 하는 동안 주변의 미디어와 좋은 접촉을 만들 수 있도록 합니다. 수액 흐름 측정 열 분산 기술 및 환경 강제 데이터를 사용 하 여 기록 제시 하는 방법론을 통해 관찰 하는 체적 물 콘텐츠 역학 맞춥니다. 물 스트레스, 가뭄 응답 및 복구의 발병을 관찰 하 바이오 매스 물 콘텐츠 데이터를 사용할 수 있으며 감지 교정 및 원격 분할 뿐만 아니라 새로운 공장 수준 유체역학 모델의 평가에 적용 될 가능성이 있다 위의-및 belowground 구성 수 분 제품입니다.

서문

물 식물에 저장 된 단기 및 장기 물 스트레스^1,2에 대처 하기 위해 식물의 기능에 필수적인 역할을 한다. 식물 뿌리, 줄기에에서 물을 저장 하 고 (예를 들어, xylem 배) 세포내와 세포 외에 잎 공백 ^2,,34. 이 물 사이 10 그리고 diurnally 된 물^2,5,6,,78의 50% 기여 하 보였다. 따라서, 공장 유압 커패시턴스 지상파 물 균형의 핵심 구성 요소, 물 스트레스, 가뭄 응답, 및 복구¹의 지시자로 사용 될 수 및 사이 관찰된 시간 저하에 대 한 수정 하는 데 필요한 중요 한 요소 이다 증발 및 sap 흐름^9,,1011. 식물 물 콘텐츠의 실시간 모니터링 사용할 수 있습니다 또한 농업 응용 프로그램에서 과수원을 제한 하 고 급수 효율^12,13증가 하기 위하여 관개를 자르기. 그러나, 우 디 종^{7,14,15,,1617,18, 연속, 제자리에서 줄기 물 콘텐츠 측정 19} sap 플럭스 측정²⁰상대적으로 드물다. 여기, 우리 나무^5,21의 줄기 내 체적 물 콘텐츠 모니터링을 정전 용량 센서의 보정을 위한 절차를 설명 합니다.

유체역학 동작 및 식물에 의해 물 사용 규정은 토양 식물 대기권 연속체^22,23 의 필수 구성 되며 따라서 사이 물과 탄소 용에 대 한 중요 한 컨트롤은 생물권과 대기^24,25. 줄기 함량의 역학은 생물과 비 생물 적인 요인에 의해 영향을 받습니다. 고갈 및 충전 물 줄기 저장 환경 조건, 특히, 증기압 적자에서에서 단기 및 장기 동향에 의해 영향을 받는 물 콘텐츠^1,26토양. 나무²⁷ (예를 들어, 밀도, 선박 구조) 및 긴급 유압 전략²⁵ (예, iso-또는 anisohydric stomatal 규정)의 물리적 속성 저장 물을 사용 하는 식물의 능력을 결정 ^{19 , 26 , 28}종^29,30에 의해 널리 다를 수 있습니다. 이전 학문은 열 대^{16,,2731,32,33} 에 온화한^{5,7 커패시턴스의 다른 역할을 설명 했다 ,21} 종, 그리고 두 적^1,2,34 와 gymnosperms^6,11,,1719.

바이오 매스 함량의 향상 된 지식을 물 수집을 위한 식물 전략의 이해를 개선 하 고^1,2, 종 취약점 예측 변화 강 수 정권^{35에에서 함께 사용 ,36}. 추가 전략 미래 기후 시나리오^37,38아래 인구 패턴 변화를 예측 하는 데 도움이 됩니다 공장 물 사용의 이해. 모델 데이터 융합 기법³⁹, 통해 줄기 물 콘텐츠를 통보 하 고 테스트 하는 확장 가능한, 공장 수준 유체역학이이 방법론을 사용 하 여 가져온 데이터를 사용할 수 있습니다 모델^{40,41, 42,,4344} stomatal 전도도의 계산을 향상 시키기 위해 및, 따라서, 시뮬레이션의 증산 및 광합성 탄소 통풍 관. 이러한 고급 유체역학 모델 불확실성에 더 큰 땅 표면 및 지구 시스템 모델^{25,,4546, 통합 하는 경우 오류가 상당한 감소를 제공할 수 있습니다. 47,48}.

모니터링 하거나 줄기 함량을 계산 하는 데 사용 하는 방법 나무^33,49, 전자 dendrometers^2,,1550, 전기 저항을 응어리를 포함 ⁵¹, 감마 방사선 감쇠⁵², 중수소 추적기¹⁹, sap 플럭스 센서^32,33,53네트워크 psychrometers⁴⁹, 줄기와 진폭¹¹ 및 시간^4,,1213 도메인 셋 (TDR). 최근 노력 토양 체적 물 콘텐츠^5,18,,2127측정 하는 데 사용 되었습니다 전통적으로 정전 용량 센서의 생존 능력을 테스트 했습니다. 주파수 도메인 셋 (FRD)-스타일 커패시턴스 센서 저가 이며 상대적으로 적은 양의 에너지를 사용 하 여 연속 측정, 그들에 게 필드 시나리오에서 높은 시간 해상도 측정을 위한 매력적인 도구를 만드는 대 한. TDR 스타일 센서 이상 루즈벨트의 자동화의 용이성 연속 일 시간별 데이터 집합의 컬렉션을 용이 하 게 하 고 실질적인 케이블 길이¹³을 요구 하는 TDR 측정에 내재 된 도전의 많은 제거 합니다. 제자리에서 커패시턴스 센서를 사용 하 여 반복적인 유선 또는 지점 수확에 대 한 필요성을 제거 하 고 나무 종에 대 한 향상 된 정확도 제공할 수 있습니다.Xylem 배, 같은 세포 외 공간에서 주로 물을 철회 또는 신축성의 높은 나무 또는 나무 껍질 계수 종 우디가 일반적으로 때문에 낮은 탄성 줄기 확장 ^{인기 있는 dendrometer 측정 기법에 대 한 좋은 후보 2}. 정전 용량 센서 체적 물 콘텐츠를 직접 변환 될 수 있는 유 전체 유전율 예측. 그러나, 커패시턴스 측정 센서를 둘러싼 미디어의 밀도에 민감합니다. 따라서, 우리는 체적 나무 물 콘텐츠^5,21센서의 출력을 변환 하는 종의 교정에 대 한 옹호.

우리는 나무의 체적 물 콘텐츠를 커패시턴스 센서 출력을 변환 하는 종의 교정에 대 한 프로토콜을 제시. 또한 제공 하는 것은 성숙한 나무에서 커패시턴스 센서 현장 설치 및 방법의 강점, 약점, 및 가정에 대 한 논의 대 한 지침입니다. 이러한 기술은 트렁크, 큰 나무 물 스토리지 저수지⁸, 체적 물 콘텐츠를 모니터링 하도록 설계 되었습니다 하지만 분기에 따라 추가 센서의 설치 전체 트리를 쉽게 확장 될 수 있다. 동적 공장 함량의 측정 식물 유체역학, biometeorology, 및 땅 표면 모델링 분야를 미리 것입니다.

프로토콜

1. 계측을 위한 나무 선택

1. 측정에 대 한 나무를 선택 합니다. 이상적으로, 일반적으로 둥근 줄기 횡단면이와 사이 1-2 회 가지 길이, 또는 변 깊이 센서 tines (여기 설명 하는 특정 커패시턴스 센서 ~ 5 cm)의 길이 보다 큰 직경 건강 한 나무를 선택 합니다. 나무 코어를 사용 하 여 변의 깊이 측정 하거나 많은 종을 위한 표준 직경 테이프에 의해 측정 된 직경 ^29,54, 줄기 변 재 영역 관련 allometric 방정식을 통해 변 깊이 계산 합니다.
   참고: 그러나, 몇 가지 종류의 커패시턴스 센서 수 있습니다 적절 한 길이로 측정 정확도 저하 없이 단계 1.2 다음 트림. 만 커패시턴스 센서 배선 포함 하지 않는 엄격한 측정 tines 손질 하거나 자를 수 있습니다. 별도 보정은 트림된 센서. 따라서, 나무를 선택 하 고 보정 절차 전에 적절 한 가지 길이 결정.
2. 나무의 직경 및 변 깊이에 따라 센서 tines의 적절 한 길이 결정 합니다.
   참고: 커패시턴스 센서 센서 tines, L의 수 분 정보를 통합. 따라서는 그들이 제공 하는 통합된 관측 때 전체 줄기의 대표 직경은 L 과 2 L 사이 가정 . 나무 껍질과 체 관 부 미치지 않습니다 측정으로 그들은 설치 (섹션 4.2 참조) 측정 영역에서 제거 됩니다.
   1. L 가 줄기 직경 보다 큰 (1.3 단계 참조) 그런 tines 줄기의 반대 측을 관통 하지 않는 나무에 대 한 센서를 정돈 한다.
   2. 나무 지름 2L, 보다 큰 하 하지만 변 재 깊이 L보다 작은 센서와 변 재와 심 재에서 결합 된 신호를 측정 합니다.
      참고:로 물 콘텐츠가 두 조직 유형에 서 다릅니다,이 발생할 수 있습니다는 바이어스 관찰 전체 줄기의 대표 임을 가정 하는 경우. 이러한 경우, 또는 사용자만 변 재 물 변동, 센서 변 깊이 tines을 손질 해야 합니다 같은 관측 변 (활성 xylem)의 물 콘텐츠 변화를 나타내는 것에 관심이 때만. 변 재 깊이 L보다 크면 관측만 변 나타내지만 센서 정돈 될 필요가 없습니다.
3. (1.2.1 및 1.2.2 단계에서 결정)으로 필요한 경우 지정된 된 응용 프로그램에 대 한 맞게 센서를 잘라. 센서 tines을 잘라, 클램프 센서는 워크 벤치를 안전 하 게 하 고 적절 한 보호 장비를 착용 하는 동안 정확 하 게 동일한 길이 각 가지를 잘라 철강 절단 디스크를 갖춘 전원 회전 도구 사용 합니다.

2. 수확 및 종의 보정을 생성 하는 관심의 모든 종의 나무 샘플 준비

1. 관심의 종에서 트렁크, 청소년 줄기, 또는 큰 지점 적어도 6 cm 직경에서을 수집 합니다. 더 큰 직경 센서 인 나무의 양을 최대화 하기 위해 선호 하 고 가장 밀접 하 게 대략적인 필드 측정을 위한 트렁크 밀도. 연결 된 모든 지점 또는 잎, 그리고 이끼 또는 느슨한 재료를 제거 합니다.
   참고: 추가 지점에서의 차이로 인해 불확실성의 논의 대 한 토론 섹션을 참조 하 고 밀도 줄기.
2. ~ 15 cm 길이 25 또는 더 원통형 부분으로 줄기를 세그먼트.
3. 각 세그먼트를 분류 하 고 평균 지름과 각각의 길이 기록 합니다. 실린더의 볼륨으로 세그먼트 볼륨 대략적인.
4. 차동 재 및 건조에 대 한 두 개의 그룹으로 세그먼트를 구분 합니다. 장소 대략 1/3, rehydrate 물 욕조에 세그먼트의 및 다른 2/3의 건조 오븐에서 세그먼트 탈수를 60 ° C에서. 두 개의 세그먼트를 즉시 측정에 대 한 별도 유지: 선호 하나, 줄기의 끝에서 길이에서.
   참고: 일반적으로, 60 ° C에서 건조 하는 세그먼트 완전히 ~ 2 주 후, 포장해 고 됩니다 ~ 3 일 후 완전히 rehydrated. 오븐/물 목욕에서 개별 세그먼트를 제거 하 고 매일 또는 두 번 매일 간격으로 (단계 3.7 참조) 측정. 위해 측정 가능한 체적 물 내용의 가장 큰 범위에 걸친의 그라디언트를 생성 합니다.

3. 센서 출력 사이의 체적 물 교정 관계 만들기 콘텐츠

1. 실시간 센서 판독 시각화에 대 한 컴퓨터에는 제조업체에서 제공 하는 지침에 따라 데이터 로깅 장치를 정전 용량 센서를 연결 합니다. 30 데이터 수집에 대 한 시간 간격을 설정 s.
2. 맞춤 및 드릴 비트 커패시턴스 센서 (이 실험에 사용 되는 센서에 대 한 3.57 m m)의 타인의 지름 보다 약간 작은 유지, 3 개의 구멍의 2 개의 수직 세트를 드릴 장소에 안전 하 게 개최 premade 드릴링 템플릿을 사용 하는 두 번째 세트 약 150 ° 구멍 사이 아무 잠재적인 중복이 있는지 확인 하는 몇 센티미터의 수직 분리 나무 세그먼트 주위 거리에 위치 해 있습니다. 측정의 첫 번째 집합에 대 한 단계 2.4에서 정해 나무 세그먼트를 사용 합니다.
3. 세그먼트 및 레코드를 가장 가까운 0.01 g 무게 측정 시에 무게. 모자 추가 건조를 방지 하기 위해 플라스틱 포장을 가진 세그먼트의 끝.
4. 무게, 직후 알코올 면봉으로 정전 용량 센서의 tines 청소 하 고 그것에 삽입 줄기 세그먼트 완전히, 강철 타인의 어떠한 부분도 표시 되도록 합니다. 읽을 출력 안정화를 측정에 대 한 대기 (2 또는 3 분, 일반적으로). 기록 센서 출력 온도, 전기 전도도 및 유 전체 유전율 (ε_b)의 모든 30 5 분 및 계산 10 측정의 평균에 대 한 s.
5. 부드럽게 세그먼트에서 센서를 제거, 알코올 면봉으로 tines 깨끗 하 고 출력 신호는 0으로 반환을 기다립니다. 3.3 이후 pre-drilled 구멍의 두 번째 집합에 단계에서 측정 절차를 반복 합니다.
6. 끝에서 플라스틱을 제거 하 고 건조 오븐에서 줄기 세그먼트를 놓습니다. 완전히만 허용 (일반적으로 2 주, 또는 무게는 몇 일 동안 안정 될 때까지).
7. 모든 세그먼트에 대 한 3.7 통해 3.3 단계를 반복 합니다. 건조 오븐에서 세그먼트를 제거 하 고 더 자주 측정 (매일 두 번) (매일) 지난 몇 일 동안 보다 초기 수 분 손실의 더 높은 속도 때문에 건조의 처음 몇 일 이내. 무게 및 측정 전에 종이 타월을 사용 하 여 물 목욕에서 제거 하는 세그먼트의 표면에서 건조 초과 물.

하루, 모든 rehydrated 세그먼트 측정 될 때까지 측정 한 rehydrated 줄기 세그먼트입니다.

완전 건조 후 모든 줄기 세그먼트의 최종 건조 중량을 기록 합니다.

다음 수식을 사용 하 여 측정 시 각 줄기 세그먼트의 체적 물 콘텐츠 (VWC, cm³_물 /cm³_나무)을 계산 합니다.
(1)
여기에서 V_w 는 물 (³cm), 및 V_줄기 의 볼륨 단계 1.2에서에서 계산 줄기 세그먼트 (cm³) 볼륨입니다.

1. 로 측정 시 각 세그먼트에 있는 물의 볼륨을 계산:
   (2)
   물 (1 g cm^-3)의 밀도 m_w 가 줄기 세그먼트 (g)에서 대량 물 측정 및 ρ_w 의 시간에
2. 로 측정 시 각 세그먼트에 있는 물의 질량을 계산:
   (3)
   어디 M_젖은 줄기 세그먼트의 질량 측정 (g), 시 이며 M_건조 는 세그먼트 (g)의 최종 가중치.

통계 분석 소프트웨어 패키지를 사용 하 여 만들 센서 관찰 유 전체 유전율 및 VWC (그림 1, 표 1) 사이의 최적된 선형 회귀.

그림 1: 예제 보정 곡선. 보정 곡선 Quercus rubra 에 서 rubrum, Betula papyrifera, Populus grandidentata, 및 Pinus strobus 부품 1과 2이이 프로토콜의 생성. 방정식과 결정 계수는 표 1에 각각에 대해 제공 됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

	m	b	R2
B. paprifera	0.048	-0.098	0.967
A. rubrum	0.067	-0.158	0.853
Q. rubra (단축)	0.120	0.041	0.636
Q. rubra	0.058	-0.109	0.718
P. grandidentata	0.023	-0.028	0.887
P. strobus	0.030	-0.072	0.900

표 1: 교정 방정식의 변환에 대 한 Ε _b 하 VWC 5 온화한 나무 종. 계수 야 '와 'b' 표준 양식에서 선형 방정식에 대 한 제공: VWC = m * ε_b+ b.

4. 필드 측정을 위한 나무에서 커패시턴스 센서 설치

1. 센서 설치, 줄기 직경 및 각 센서 위치에 대 한 지상 표면 위의 높이 기록 합니다. 일반적으로, 트렁크에 VWC 를 모니터링할 한 센서 ~0.5 m 지상 표면 위에 놓고 바로 아래 첫 번째 주요 분기 분할 (~7.5 m 지상, 그림 2) 두 번째 한 장소.

그림 2: 예제 필드 실험 설정. 센서 위치 및 방향 데이터 로깅 역에 인접 한 성숙한 나무에의 회로도. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

2. 레이어의에 껍질을 제거 하 고 평평한 표면 센서 될 것입니다 만들 무승부 블레이드를 사용 하 여 설치. 이 표면 넓고 충분히 평면 센서는 타인의 어떠한 부분도 노출 되도록 설치 되는 나무의 표면에 대 한 플러시를 앉아 있는지 확인 합니다. 레이어의 측정 껍질 또는 체 관 부에 물 콘텐츠를 제외 하는 동안, 물 관 부에 물 콘텐츠만 포함 하 고 껍질을 제거 합니다.
3. 타인에 대 한 구멍을 드릴 합니다. 사용 하 여 드릴 비트 tines의 지름 보다 약간 작은 부드러운 나무, 더 나무 (3.57 m m이이 프로토콜에 사용 되는)에 대 한 좀 더 가까이 실제 크기의 tines 사용 하는 동안. 높은 품질 측정을 위해 센서 tines 나무와 좋은 접촉을 확인 합니다. 없는 것 이므로 센서를 정기적으로 제거 하는 필요 마찬가지로 교정 절차 동안, 약간 작은 드릴 비트를 사용할 수 있습니다 여기 캘리브레이션에 사용 되는 것 보다.
4. 어떤 먼지 또는 피부 오일을 제거 하는 알코올 면봉으로 센서 tines을 청소 하 고 pre-drilled 구멍에 센서를 삽입. 센서 삽입 시 너무 많은 저항을 충족 하는 경우 부드럽게 밖으로 그것을 다시 하 고 다시 그들을 약간 넓혀 구멍을 드릴. 모든 세 가지 완전히 삽입 되는 센서의 본문 앉아 나무 줄기에 대 한 플러시 확인 합니다.
5. 실리콘 실 란 트를 사용 하 여 나무 줄기 줄기 구멍을 입력에서 계속 고 해충 감염을 방지 하기 위해에 대 한 센서를 봉인.
6. 피하기 위해 외부 열 반사 단열재와 센서 커버.
7. 제조업체의 사양에 따라 모든 센서 전원 12 V와 호환 되는 데이터로 거를 연결 합니다. 센서에 대 일 분의 사용 데이터 컬렉션 간격 필드에 배치 하지만 전력 제한, 예를 들면, 태양/배터리 사이트에 절전을 사용 더 긴 간격으로 사이트를 운영.

5. 줄기 물 저장소 보정 곡선을 사용 하 여 원시 데이터를 처리

1. 2.9 단계에서 생성 된 교정 곡선의 방정식을 사용 하 여 변환 센서 출력 VWC 모든 관측을 위해. VWC 은 일반적으로 cm³ /cm³ 또는 %로 표현 된다. %VWC 따라서 0에서 100% 사이의 범위 것입니다.
2. 두 측정 높이 사이의 관심 (cm³)의 총 볼륨을 통합 (예를 들어, 그림2에서: 0.5 m 및 7.5 m) 높이와 선형 줄기 직경 변화를 가정 하 여.

나무 관찰 전체 줄기를 나타냅니다 (즉, L 2L, 수정 되지 않은 센서를 사용 하 여 사이 직경의 나무 또는 얇은 나무 센서 줄기 직경에 손질 된 참조 2.2), 방정식 4를 사용 하 여:
(4)
H 가 높이 차이 (수직 거리)는 센서 (예를 들어, 그림2에서: 700 cm) r₁ 과 r₂ 는 줄기 (cm)의 반지름 하단과 상단 센서 위치, 및 각각.
센서 변 재 물의 견적을 제공 하는 나무에 대 한 콘텐츠 식 5 사용 하 여 (센서 길이 결정, 섹션 1.2 참조).
(5)
어디 s₁ 와 s₂ 은 변 깊이 (cm) 하단 및 상단 센서의 위치에 각각.

줄기-또는 변-볼륨 계산 관심의 전체 볼륨에 나무의 평균 VWC 를 곱하여 물 저장.

결과

이 섹션에서는 선물이 5 일반적인 동부 쪽 숲 나무 종, 2016 성장 시기 도중 3 에 서 rubrum 개인에서 줄기 물 저장의 필드 측정의 상세한 분석에 의해 다음에 대 한 캘리브레이션 데이터. 에 서 rubrum, Betula papyrifera, Pinus strobus, Populus grandidentata, 및 Quercus rubra (그림 1)에 대 한 교정 곡선 생성 되었다. 곡선의 97.7% P. grandidentata 고 ...

토론

계절과 일주 패턴 줄기 물 콘텐츠 커패시턴스 센서 동시 sap 유동적에서 동향와 일치를 통해 관찰 및 측정 (그림 3, , 그림 4 그림 5)을 강요 하는 환경에서. Diurnally 우 디 조직을 통해 충전의 속도 능가 하는 증발의 속도 그리고 계절 토양 수 분 제한 루트-물 가용성⁵줄기 물 저장의 저수지 ...

자료

Name	Company	Catalog Number	Comments
Ruggedized Soil Moisture Sensor	METER Group Inc.	GS-3	Capacitance sensors
1/8" drill bit	Any	N/A
9/64" drill bit	Any	N/A
Drying oven	Any	N/A
Chainsaw	Any	N/A
Electric drill	Any	N/A
Bucket for water bath	Any	N/A
Alcohol swabs	Any	N/A
Draw knife	Any	N/A
Data logger	Any	N/A
Silicon sealant	Any	N/A