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Resumo

A capacitância hidráulica da biomassa é um componente-chave do orçamento da água de vegetação, que serve como um amortecedor contra estresses seca de curto e longo prazo. Aqui, apresentamos um protocolo para a calibração e a utilização da umidade do solo sensores de capacitância para monitorar o conteúdo de água nas hastes das árvores de grandes porte.

Resumo

Transporte de água e armazenamento através do continuum solo-planta-atmosfera é fundamentais para o ciclo da água terrestre e tornou-se uma área de foco de pesquisa principais. Capacitância de biomassa desempenha um papel integral em evitar a imparidade hidráulica a transpiração. No entanto, medições de alta resolução temporal de mudanças dinâmicas na capacitância hidráulica de árvores de grandes porte são raras. Aqui, apresentamos os procedimentos para a calibração e a utilização de sensores de capacitância, normalmente usado para monitorar o conteúdo de água do solo, para medir o teor volumétrico de água em árvores no campo. Frequência domínio reflectometria estilo observações são sensíveis à densidade dos meios de comunicação a ser estudados. Portanto, é necessário realizar calibrações específicas para converter os valores relatados sensor de permissividade dielétrica em conteúdo volumétrico de água. Calibração é executada em um ramo colhido ou tronco cortado em segmentos que são secas ou re-hidratados para produzir uma ampla gama de conteúdo de água usado para gerar um melhor ajuste de regressão com observações de sensor. Sensores são inseridos no segmentos de calibração ou instalados em árvores após furação prévia dos furos com uma tolerância de ajuste usando um modelo fabricado para garantir o alinhamento da broca apropriada. Especial cuidado é tomado para assegurar-se que dentes sensor façam bom contato com a mídia circundante, permitindo-lhes a ser inserido sem força excessiva. Dinâmica de conteúdo volumétrico de água observada através da metodologia apresentada alinhar com medições de fluxo de seiva gravadas usando técnicas de dissipação térmica e forçamento de dados ambientais. Dados de conteúdo de água de biomassa podem ser usados para observar o aparecimento de estresse hídrico, resposta seca e recuperação, e tem o potencial para ser aplicado para a calibração e avaliação de novos modelos de nível de planta hidrodinâmica, bem como para o particionamento de remotamente sentiu produtos de umidade em componentes acima - e belowground.

Introdução

Água armazenada no material vegetal desempenha um papel integral na capacidade das plantas para lidar com o stress de curto e longo prazo de água1,2. As plantas armazenam água nas raízes, caules, e folhas no intracelular e extracelular (por exemplo, vasos de xilema) espaços de 2,3,4. Esta água tem demonstrada contribuir entre 10 e 50% de água de répteis transpareceu2,5,6,7,8. Como tal, planta hidráulica capacitância é um componente chave do balanço hídrico terrestre, pode ser usada como um indicador do estresse hídrico, resposta seca e recuperação1e é um fator crítico necessário para corrigir defasagens de tempo observadas entre transpiração e sap fluam9,10,11. Monitoramento em tempo real do conteúdo de água de vegetação pode também ser usado em aplicações agrícolas para ajudar a restringir o pomar e irrigação de culturas a fim de aumentar a irrigação eficiência12,13. No entanto, medições do teor de tronco-água contínua, in situ de espécies lenhosas7,14,15,16,17,18, 19 são raros em relação de medições de fluxo de seiva20. Aqui, vamos descrever um procedimento para a calibração de sensores de capacitância para monitorar o conteúdo volumétrico de água dentro das hastes de árvores5,21.

Regulamento de utilização da água pela vegetação e comportamentos hidrodinâmicos são um componente integral da continuum solo-planta-atmosfera22,23 e, portanto, controles importantes para os fluxos de água e de carbono entre o biosfera e atmosfera24,25. A dinâmica do conteúdo de água do tronco é influenciada por fatores bióticos e abióticos. Depleção e recarga de água armazenadas no tronco são afetados pelas tendências de curto e longo prazo nas condições ambientais, em particular, déficit de pressão de vapor e água conteúdo1,26do solo. As propriedades físicas da madeira27 (por exemplo, densidade, estrutura do navio) e a estratégia emergente de hidráulica25 (por exemplo, iso - ou anisohydric Regulamento estomático) determinam a capacidade da planta para armazenar e utilizar água 19 , 26 , 28e podem variar amplamente de espécies29,30. Estudos anteriores têm demonstrado diferentes papéis de capacitância em tropical16,,27,31,32,33 e temperadas5,7 ,21 espécies e em ambas angiospermas1,2,34 e gimnospérmicas6,11,17,19.

Melhoria do conhecimento do teor de água de biomassa vai melhorar a compreensão das estratégias de vegetação para a aquisição de água e usar1,2, juntamente com a vulnerabilidade da espécie às mudanças previstas em regimes de precipitação35 ,36. Mais compreensão do uso da água planta estratégias ajudará a prever mudando padrões demográficos sob clima futuro cenários37,38. Através de de técnicas de fusão de dados-modelo39, teor de água do tronco dados obtidos usando esta metodologia podem ser usados para informar e hidrodinâmica escalável, nível de planta de teste modelos40,41, 42,,43,44 a fim de melhorar os cálculos de Condutância estomática e, desse modo, simulações de transpiração e absorção de carbono fotossintéticos. Estes modelos hidrodinâmicos avançados podem prever uma redução significativa na incerteza e erro, quando incorporado na terra-superfície maior e terra sistemas modelos25,,45,46, 47,,48.

Métodos utilizados para monitorar ou calcular o teor de água do tronco incluem árvore retirada do dielétrico33,49, eletrônico dendrometers2,15,50, resistência elétrica 51, de atenuação de radiação gama52, deutério traçadores19redes de seiva flux sensores32,33,53, psicrómetros49, da haste e amplitude11 e tempo4,12,13 domain reflectometry (TDR). Esforços recentes têm testado a viabilidade dos sensores de capacitância que tradicionalmente têm sido usados para medir o solo água volumétrico conteúdo5,18,21,27. Domínio de frequência reflectometria (FRD)-sensores de capacitância de estilo são de baixo custo e usar quantidades relativamente pequenas de energia para medições contínuas, tornando-os uma ferramenta atraente para medições de alta resolução temporal em cenários de campo. A facilidade de automação do FDR sobre sensores de TDR-estilo facilita a coleção de conjuntos de dados contínuas sol-de hora em hora e elimina muitos dos desafios inerentes a medições TDR exigindo substancial comprimentos de cabo13. O uso de sensores de capacitância in situ elimina a necessidade de retirada do dielétrico repetitivas ou ramo de colheita e pode fornecer maior precisão para espécies de madeira.Espécies lenhosas que retirar água principalmente espaços extracelulares, tais como vasos de xilema, ou tem alto módulo de madeira ou casca de elasticidade, geralmente não são bons candidatos para as técnicas de medição de dendrometer popular devido à haste elástica baixa expansão 2. sensores de capacitância estimam a permissividade dielétrica, que pode ser convertida diretamente para o conteúdo volumétrico de água. No entanto, medidas de capacitância são sensíveis à densidade da mídia em torno do sensor. Portanto, defendemos para calibrações específicas que converter a saída dos sensores volumétricos madeira-água conteúdo5,21.

Apresentamos um protocolo para uma calibração espécie-específicos converter a saída do sensor de capacitância para conteúdo volumétrico de água de madeira. Também são fornecidas instruções para a instalação do campo de sensores de capacitância em árvores maduras e uma discussão sobre do método pontos fortes, fraquezas e suposições. Estas técnicas são projetadas para monitorar o conteúdo volumétrico de água no porta-malas, a maior árvore água armazenamento reservatório8, mas podem ser facilmente expandidas para toda a árvore com a instalação de sensores adicionais ao longo dos ramos. Medições do teor de água da planta dinâmico vão avançar os campos de vegetação hidrodinâmica, Biometeorologia e modelagem de superfície da terra.

Protocolo

1. escolha uma árvore para instrumentação

  1. Selecione árvores para medição. Idealmente, selecione árvores que são saudáveis com um corte transversal de caule geralmente redondo e um diâmetro entre 1 - 2 vezes o comprimento do dente, ou uma profundidade de alburno maior que o comprimento dos dentes sensor (~ 5 cm para os sensores de capacitância específico demonstrado aqui). Medir a profundidade do sapwood utilizando núcleos de árvore, ou para muitas espécies, calcular a profundidade do alburno através de equações alométricas relativas a área de alburno para haste diâmetro 29,54, medida por uma fita de diâmetro padrão.
    Nota: No entanto, alguns tipos de sensores de capacitância podem ser capazes de ser aparado para um comprimento apropriado seguindo passo 1.2 sem adversamente afetar a exatidão da medida. Sensores de capacitância única com dentes de medição rígida que não contêm a fiação podem ser desbastados ou cortados. Calibração separada é necessária para sensores aparados. Portanto, selecione a árvore e determinar o comprimento do dente apropriado antes do procedimento de calibração.
  2. Determine o comprimento adequado dos dentes de sensor baseado no diâmetro da árvore e profundidade de alburno.
    Nota: Os sensores de capacitância integram informações de umidade ao longo do comprimento dos dentes sensor, a L., portanto, presume-se que a observação integrada que eles fornecem é representante da haste inteira quando o diâmetro é entre L e 2 L de . A casca e o floema não irão afectar a medição, pois eles são removidos da área de medição antes da instalação (ver secção 4.2).
    1. Apare os sensores para onde L é maior que o diâmetro do caule, (veja etapa 1.3) tal que os dentes não penetram através do lado oposto do tronco de árvores.
    2. Medir o sinal combinado do alburno e cerne com o sensor para árvores onde o diâmetro é maior do que 2L, mas profundidade de alburno é menor que L.
      Nota: Como o conteúdo de água difere nestes tipos de dois tecidos, isso pode causar um viés se presume-se que a observação é representante da haste inteira. Em tais casos, ou quando o usuário está interessado apenas em flutuações de água o alburno, o sensor de dentes devem ser aparados para a profundidade de alburno, tal que as observações representará as flutuações de conteúdo de água do alburno (xilema ativo) somente. Quando a profundidade de alburno é maior que L, observações representam apenas o alburno, mas o sensor não necessita de ser aparada.
  3. Se necessário (conforme determinado nas etapas 1.2.1 e 1.2.2), corta o sensor para caber para o aplicativo especificado. Cortar os dentes de sensor, fixe o sensor firmemente para uma bancada de trabalho e, enquanto usava equipamento de proteção adequado, use uma ferramenta giratória equipada com um disco de corte aço para cortar cada dente à precisamente o mesmo comprimento.

2. colher e preparar amostras de madeira de todas as espécies de interesse para gerar uma calibração espécie-específicas

  1. Colete um grande ramo de pelo menos 6 cm de diâmetro, tronco juvenil ou tronco de espécies de interesse. Diâmetros maiores são preferidos para maximizar a quantidade de madeira encerra o sensor e mais intimamente aproximam-se a densidade de porta-malas para medições de campo. Retire todo ligados ramos ou folhas e líquen ou material solto.
    Nota: Consulte a seção de discussão para uma discussão mais adicional de incerteza devido às diferenças no ramo e densidade da haste.
  2. Segmente a haste em seções de 25 ou mais cilíndricas de ~ 15 cm de comprimento.
  3. Etiquete cada segmento e gravar o diâmetro médio e o comprimento de cada um. Aproxima o volume dos segmentos como o volume de um cilindro.
  4. Separe os segmentos em dois grupos para reidratação diferencial e secagem. Coloque aproximadamente 1/3 dos segmentos em um banho de água para hidratar e os outros 2/3 dos segmentos em um forno de secagem a 60 ° C para desidratar. Manter dois segmentos separados para medição imediata: de preferência um do meio do comprimento da haste e de um fim.
    Nota: Normalmente, segmentos de secagem a 60 ° C serão totalmente ressecados depois de ~ 2 semanas e totalmente reidratados ~ 3 dias depois. Remover segmentos individuais do forno/banho e medir intervalos diariamente ou duas vezes por dia (ver passo 3.7). A fim de produzir um gradiente das medições, abrangendo a maior gama de conteúdo possível volumétrica de água.

3. criar uma relação de calibração entre a saída do Sensor e volumétrica água conteúdo

  1. Ligar um sensor de capacitância para um dispositivo de registro de dados, seguindo as instruções fornecidas pelo fabricante e um computador para visualização de leitura do sensor em tempo real. Definir o intervalo de tempo para coleta de dados de 30 s.
  2. Usar um gabarito de furação do premade mantido firmemente no lugar para manter o alinhamento e um bocado de broca um pouco menor que o diâmetro dos dentes do sensor a capacitância (3,57 mm para o sensor utilizado neste experimento), perfurar dois conjuntos verticais de três furos com o segundo conjunto localizado a cerca de 150 ° em torno do segmento de madeira com uma separação vertical de alguns centímetros para garantir que não há nenhum potencial sobreposição entre os buracos. Use os segmentos de madeira retirados no passo 2.4 para o primeiro conjunto de medições.
  3. Pese o segmento e o registro do peso para a aproximação de 0,01 g, no momento da medição. Cap as extremidades dos segmentos com o envoltório plástico para impedir a secagem adicional.
  4. Imediatamente após a pesagem, limpar os dentes do sensor de capacitância com um algodão embebido em álcool e inseri-lo no segmento de tronco completamente, tal que nenhuma parte os dentes de aço é visível. Esperar para a medição de leitura na tela de saída para estabilizar (2 ou 3 min, geralmente). Registrar as saídas de sensor de temperatura, condutividade elétrica e permissividade dielétrica (εb) cada 30 s por 5 min e calcular a média das 10 medições.
  5. Delicadamente remova o sensor do segmento, limpar os dentes com um algodão embebido em álcool e esperar que as leituras de saída retornar a zero. Repita o procedimento de medição da etapa 3.3 em diante no segundo conjunto de furos pré-perfurados.
  6. Remova o plástico das extremidades e coloque o segmento de haste no forno de secagem. Deixe-o secar completamente (geralmente 2 semanas, ou até peso estabilizou-se por vários dias).
  7. Repita as etapas 3.3 através de 3.7 para todos os segmentos. Remover segmentos do forno de secagem e medir com mais frequência (duas vezes por dia) nos primeiros vários dias de secagem, devido a maior taxa de perda de umidade inicial do que durante os últimos dias (diariamente). Secar o excesso de água da superfície dos segmentos removido do banho de água com uma toalha de papel antes da pesagem e medição.
Medir um segmento de tronco re-hidratado por dia, até que todos os segmentos rehidratados foram medidos.
  • Após a dessecação completa, grave o peso seco final de todos os segmentos do tronco.
  • Calcule o teor de água volumétrico (VWC, cm3água /cm3madeira) de cada segmento do tronco no momento da medição, usando a seguinte fórmula:
    figure-protocol-7593(1)
    Onde Vw é o volume de água (cm3) e V-haste é o volume do segmento do caule (cm3) calculado na etapa 1.2.
    1. Calcule o volume de água em cada segmento no momento da medição, como:
      figure-protocol-7921(2)
      Onde mw é a massa água no segmento de tronco (g) no momento da medição e ρw é a densidade da água (1 g cm-3)
    2. Calcule a massa de água em cada segmento no momento da medição, como:
      figure-protocol-8242(3)
      Onde molhado M é a massa do segmento de tronco no momento da medição (g), e Mseco é o peso final do segmento (g).
  • Usando um pacote de software de análise estatística, criar um melhor ajuste regressão linear entre a permissividade dielétrica sensor-observados e VWC (Figura 1, tabela 1).

    • figure-protocol-8794
    Figura 1: curvas de calibração exemplo. Curvas de calibração geradas para Quercus rubra, Acer rubrum, Betula papyrifera, Populus grandidentatae Pinus strobus seguindo as partes 1 e 2 do presente protocolo. Equações e coeficientes de determinação são fornecidos para cada um na tabela 1. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

    mbR2
    B. paprifera0,048-0.0980.967
    A. rubrum0.067-0.1580,853
    Q. rubra (encurtado)0.1200,0410.636
    Q. rubra0.058-0.1090.718
    Grandidentata p.0,023-0.0280.887
    P. strobus0.030-0.0720.900

    Tabela 1: equações de calibração para a conversão de Ε b para VWC para cinco espécies temperadas. Estou coeficientes ' e 'b' é apresentado por uma equação linear na forma padrão: VWC = m * εb+ b.

    4. instalar sensores de capacitância em árvores para medições de campo

    1. Antes da instalação do sensor, grave o diâmetro do caule e a altura acima da superfície do solo para cada local do sensor. Normalmente, para monitorar VWC no porta-malas, coloque um sensor ~0.5 m acima da superfície da terra e coloque uma logo abaixo a primeira grande divisão ramificação (~7.5 m acima do solo, Figura 2).

    figure-protocol-11156
    Figura 2: exemplo de configuração de experimento campo. Um diagrama esquemático do sensor locais e orientação em uma árvore madura adjacente a uma estação de registro de dados. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

    1. Retire a casca para o cambium e criar uma superfície plana, onde o sensor será instalado usando uma lâmina de sorteio. Certifique-se de que essa superfície é larga e plana o suficiente para que o sensor fica liberado contra a superfície da árvore quando ele é instalado de tal forma que nenhuma parte os dentes é exposta. Retire a casca e o cambium para assegurar que as medições incluem somente o conteúdo de água no xilema, excluindo o conteúdo de água na casca ou floema.
    2. Faça os furos para os dentes. Use uma broca ligeiramente menor do que o diâmetro dos dentes para madeira mais macia, enquanto usando um pouco mais perto para o verdadeiro tamanho dos dentes para madeira mais difícil (3,57 mm, usado no presente protocolo). Para medições de alta qualidade, certifique-se de que os dentes do sensor fazem bom contato com a madeira. Uma vez que não haverá a necessidade de remover o sensor regularmente, como foi o caso durante o procedimento de calibração, uma broca ligeiramente menores pode ser utilizada aqui do que a utilizada para a calibração.
    3. Limpar os dentes do sensor com um algodão embebido em álcool para remover qualquer sujeira ou pele óleos e insira o sensor nos orifícios pré-perfurados. Se o sensor se encontra muita resistência mediante inserção, delicadamente tirar e re-fazer os furos para amplia-las ligeiramente. Garantir que todos os três dentes são totalmente inseridos e o corpo do sensor fica liberado contra o tronco de árvore.
    4. Use um selante à base de silicone para selar o sensor contra o tronco de árvore para ajudar a manter fluxo de entrar os furos da haste e para impedir a infestação de pragas.
    5. Cubra o sensor com isolamento reflexivo para evitar um aquecimento externo.
    6. Seguindo as especificações dos fabricantes, conecte todos os sensores para uma fonte de alimentação 12 V e um logger de dados compatível. Uso dados coleção intervalos de 5 min para sensores implantados no campo, mas uso a intervalos mais longos para conservar o poder em locais onde o poder está limitando, por exemplo, solar/bateria operado sites.

    5. processo os dados brutos para armazenamento de água-haste utilizando a curva de calibração

    1. Usando a equação da curva de calibração gerada na etapa 2.9, converta a saída do sensor para VWC para todas as observações. VWC é geralmente expressa como cm3 /cm3 ou como uma porcentagem. Os por cento VWC , portanto, irá variar entre 0 e 100%.
    2. Integrar o volume total de interesse (cm3) entre as alturas de duas medições (por exemplo, na Figura 2: 0,5 m e 7,5 m), assumindo variações de diâmetro haste linearmente com a altura.
    Para árvores onde a observação representa o tronco inteiro (ou seja, árvores de diâmetros entre L e 2L, usando sensores sem modificações ou árvores mais finas, onde o sensor foi cortado para o diâmetro do caule, consulte a seção 2.2), usar a equação 4:
    figure-protocol-14694(4)
    onde H é a diferença de altura (distância vertical) entre os sensores (por exemplo, na Figura 2: 700 cm) e r1 e r2 são os raios da haste (cm) na parte inferior e as localizações dos sensores superior, respectivamente.
    Para árvores onde sensores fornecem uma estimativa somente da água do alburno conteúdo (ver a determinação de comprimento do sensor, seção 1.2) usar a EQ. 5:
    figure-protocol-15240(5)
    onde s1 e s2 são as profundezas de alburno (cm) em locais os sensores inferior e superior, respectivamente.
  • Calcular o volume do tronco - ou alburno - armazenado água multiplicando o volume total de interesse de média da árvore VWC .

    • Resultados

    Nesta seção, apresentamos os dados de calibração para cinco espécies comuns de árvore de floresta Oriental, seguidos por uma análise detalhada das medições de campo de armazenamento de água do tronco em três indivíduos de Acer rubrum durante a estação de crescimento de 2016. As curvas de calibração foram geradas para Acer rubrum, Betula papyrifera, Pinus strobus, Populus grandidentata e Quercus rubra (Figura 1). Incl...

    Discussão

    Padrões sazonais e diurnos no conteúdo de água do tronco observado através de sensores de alinharem-se com as tendências no fluxo de seiva simultâneas de capacitância e ambiental forçando as medições (Figura 3, Figura 4, Figura 5). Reservatórios de armazenamento de água do tronco estão esgotados répteis quando o ritmo da transpiração supera a taxa de recarga através de tecidos len...

    Divulgações

    Steven R. Garrity é um funcionário da Metro Group Inc. que produz o Sensor de umidade GS3 Ruggedized solo usado neste artigo.

    Agradecimentos

    Financiamento para este estudo foi fornecido do departamento de energia dos EUA escritório de ciência, escritório de biológicos e investigação ambiental, terrestre ecossistema Ciências no programa Award. DE-SC0007041, programa de gerenciamento de Ameriflux sob fluxo Core Site acordo n. º 7096915 através do Lawrence Berkeley National Laboratory e a nacional Science Foundation hidrológico ciência concessão 1521238. Quaisquer opiniões, conclusões e conclusões ou recomendações expressadas neste material são as dos autores e não refletem necessariamente as opiniões de agências de fomento.

    Materiais

    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

    Referências

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