Name: the calibration and use of capacitance sensors to monitor stem water content in trees
Uploaded: 2017-12-27T15:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about The Calibration and Use of Capacitance Sensors to Monitor Stem Water Content in Trees at JoVE.com

Finansiering för denna studie lämnades av US Department of Energy's Office of Science, kontor av biologiska och miljöforskning, terrestra ekosystem Sciences Program Award No. DE-SC0007041, Ameriflux Management program under Flux kärna webbplats avtal nr 7096915 genom Lawrence Berkeley National Laboratory och National Science Foundation hydrologiska Science bevilja 1521238. Några åsikter, slutsatser, och slutsatser eller rekommendationer som uttrycks i detta material är författarens och återspeglar inte nödvändigtvis åsikter finansiärerna.

1. Välj ett träd för Instrumentation
<ol>
	<li>Välj träd för mätning. Idealiskt, Välj träd som är friska med ett allmänt runda stammen tvärsnitt och en diameter mellan 1 - 2 gånger längden tine eller ytved djup större än längden på sensorn pinnarna (~ 5 cm för specifika kapacitans sensorer visat här). Mäta djupet av ytveden använder träd kärnor, eller för många arter, beräkna splintveden djup genom allometrisk ekvationer rör splintveden område för att hejda diameter 29</s...

Säsongsbetonade och dagaktiva mönster i stem vattenhalt observerade via kapacitans sensorer justeras med trender i samtidiga sap flux och miljö tvingar mätningar (figur 3, figur 4, figur 5). Reservoarer av stem vatten lagring är utfiskade under när takten i transpiration överträffar andelen ladda batterierna genom woody vävnader och säsongsmässigt när markfuktighet begränsar rot-vatte...

Vatten lagras i växtmaterial spelar en viktig roll i växternas förmåga att klara av kort - och långsiktiga vatten stress1,2. Växter lagra vatten i rötter, stjälkar och blad i både intracellulär och extracellulär (t.ex. xylem fartyg) utrymmen 2,3,4. Detta vatten har visat sig bidra med mellan 10 och 50% av under inträffad vatten2,5,6,7,8. Som sådan, växt hydrauliska kapacitans är en nyckelkomponent i den terrestrial bevattnar balansen, kan användas som en indikator för vattenstress och torka svar återställning1och är en kritisk faktor för att korrigera för observerade tidsförskjutningar mellan transpiration och sap flöde9,10,11. Realtidsövervakning av vegetation vattenhalt kan också användas i jordbruket för att begränsa orchard och beskära bevattning för att öka vattning effektivitet12,13. Men mätningar av kontinuerlig, in situ- stam-vatten innehåll vedartade arter7,14,15,16,17,18, 19 är sällsynta i förhållande till sap flux mätningar20. Här beskriver vi ett förfarande för kalibrering av kapacitans sensorer övervaka halten volymetriska inom stjälkarna av träd5,21.
Hydrodynamiska beteenden och vattenanvändning förordning av vegetation är en integrerad del av den mark-växt-atmosfär kontinuum22,23 och är därför viktiga kontroller för vatten och kol flödena mellan den biosfären och atmosfär24,25. Dynamiken i stem vatteninnehåll påverkas av både biotiska och abiotiska faktorer. Utarmningen och påfyllning av stem-lagras vatten påverkas av kort - och långsiktiga trender i miljöförhållanden, i synnerhet ångtryck underskott och jord vatten innehåll1,26. De fysiska egenskaperna hos trä27 (t.ex., densitet, fartygets struktur) och framväxande hydrauliska strategi25 (t exiso- eller anisohydric stomatala förordning) fastställa en växtens förmåga att lagra och använda vatten 19 , 26 , 28, och kan variera kraftigt av arter29,30. Tidigare studier har visat olika roller för kapacitans i tropiska16,27,31,32,33 och tempererade5,7 ,21 arter, och i båda blomväxter1,2,34 och gymnospermer6,11,17,19.
Förbättrad kunskap om biomassa vatteninnehåll kommer att förbättra förståelsen av vegetation strategier för vatten förvärv och Använd1,2, tillsammans med arters sårbarhet för förutsedda förändringar i nederbörd regimer35 ,36. Vidare förståelse av växten vattenanvändning strategier hjälper förutsäga skiftande demografiska mönster under framtida klimatförändringar scenarier37,38. Genom modell-data fusion tekniker39, stem vatteninnehåll data som erhålls med denna metod kan användas för att informera och testa skalbara, växt-nivå hydrodynamik modeller40,41, 42,43,44 för att förbättra beräkningarna av stomatala konduktans och därmed simuleringar av både transpiration och photosynthetic carbon upptag. Dessa avancerade hydrodynamiska modeller kan ge en betydande minskning i osäkerhet och fel när införlivas med större mark-yta och Earth system modeller25,45,46, 47,48.
Metoder som används för att övervaka eller beräkna stammen vatteninnehåll inkluderar träd coring33,49, elektroniska dendrometers2,15,50, elektriskt motstånd 51, gamma strålning dämpning52, deuterium spårämnen19, nätverk av sap flux sensorer32,33,53, hejda psykrometrar49, och amplitud11 och tid4,12,13 domain reflectometry (TDR). Insatser nyligen har testat livskraft kapacitans sensorer som traditionellt har använts för att mäta markens volymetriska vatten innehåll5,18,21,27. Frekvens domain reflectometry (FRD)-stil kapacitans sensorer är låg kostnad och använder relativt små mängder energi för kontinuerliga mätningar, vilket gör dem till ett attraktivt verktyg för hög temporal upplösning mätningar i fält scenarier. Enkel automatisering av FDR över TDR-stil sensorer underlättar insamling av kontinuerlig solen timme datauppsättningar och eliminerar många av utmaningarna som är inneboende i TDR mätningar som kräver betydande kabellängder13. Användning av in situ - kapacitans sensorer eliminerar behovet av repetitiva coring eller gren skörd, och kan ge förbättrad noggrannhet för hardwood arter.Vedartade arter som huvudsakligen frånträda extracellulära utrymmen, såsom xylem fartyg, vatten eller har hög trä eller bark moduli av elasticitet, är i allmänhet inte bra kandidater för populära dendrometer mätteknik låg elastisk stem expansionen 2. kapacitans sensorer uppskatta dielektriska dielektricitetskonstant, som direkt kan omvandlas till volymetrisk vatteninnehåll. Kapacitans mätning är dock känsliga för tätheten av media kring sensorn. Därför förespråkar vi för artspecifika kalibreringar som konvertera utdata från sensorerna till volymetrisk trä-vatten innehåll5,21.
Vi presenterar ett protokoll för en artspecifik kalibrering konvertera kapacitans sensor utdata till volymetrisk vattenhalten i trä. Även finns instruktioner för fältinstallation av kapacitans sensorer i mogna träd och en diskussion om metodens styrkor, svagheter och antaganden. Dessa tekniker är utformade för att övervaka volymetriska vatteninnehåll i stammen, den största träd vatten lagring behållare8, men kan enkelt expanderas till hela trädet med installation av ytterligare sensorer längs grenarna. Mätningar av dynamiska växt vatteninnehåll kommer förväg fälten vegetation hydrodynamik, biometeorology och markytan modellering.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>Ruggedized Soil Moisture Sensor</td>
			<td>METER Group Inc.</td>
			<td>GS-3</td>
			<td>Capacitance sensors</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1/8&#34; drill bit</td>
			<td>Any</td>
			<td>N/A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>9/64&#34; drill bit</td>
			<td>Any</td>
			<td>N/A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Drying oven</td>
			<td>Any</td>
			<td>N/A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Chainsaw</td>
			<td>Any</td>
			<td>N/A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Electric drill</td>
			<td>Any</td>
			<td>N/A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Bucket for water bath</td>
			<td>Any</td>
			<td>N/A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Alcohol swabs</td>
			<td>Any</td>
			<td>N/A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Draw knife</td>
			<td>Any</td>
			<td>N/A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Data logger</td>
			<td>Any</td>
			<td>N/A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Silicon sealant</td>
			<td>Any</td>
			<td>N/A</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

the calibration and use of capacitance sensors to monitor stem water content in trees

Vattentransport och lagring genom mark-växt-atmosfär kontinuum är kritisk till terrestrial vattnets kretslopp, och har blivit ett stort forskningsområde fokus. Biomassa kapacitans spelar en viktig roll i att undvika hydrauliska njurfunktion och transpiration. Hög temporal upplösning mätningar av dynamiska förändringar i den hydrauliska kapacitansen av stora träd är dock sällsynta. Här presenterar vi förfaranden för kalibrering och användandet av kapacitans sensorer, vanligtvis används för att övervaka markens vattenhalt för att mäta halten volymetriska i träd i fältet. Frekvens domain reflectometry stil observationer är känsliga för tätheten av media som studeras. Det är därför nödvändigt att utföra artspecifika kalibreringar att konvertera från sensor-rapporterade värden för dielektriska Dielektricitetskonstant till volymetrisk vattenhalt. Kalibrering utförs på en skördade grenen eller stammen är skuren i segment som är torkat eller åter hydratiserade för att producera ett komplett utbud av vatteninnehåll som används för att generera en bästa passning regression med sensor observationer. Sensorer infogas i kalibrering segment eller installerade i träd efter förborrning hål till en tolerans som passar med en fabricerade mall för att säkerställa korrekt borr justering. Särskild försiktighet vidtas för att se till att sensorn pinnar bra kontakt med omgivande media, samtidigt som dem att införas utan överdriven kraft. Volymetrisk vatten innehåll dynamics observerade via metoden presenteras justera med sap Flödesmätningarna inspelade med thermal skingra tekniker och tvingar miljödata. Biomassa vattenhalt data kan användas för att följa uppkomsten av vattenstress, torka respons och återhämtning, och har potential att användas till kalibrering och utvärdering av nya anläggningsnivå hydrodynamik modeller, liksom till en uppdelning av distans kände fukt produkter i ovan- och belowground komponenter.

I det här avsnittet presenterar vi kalibreringsdata för fem vanliga trädslag i östra skog, följt av en detaljerad analys av fältmätningar av stem-vatten lagring i tre Acer rubrum individer under säsongen 2016 växande. Kalibreringskurvorna genererades för Acer rubrum, Betula papyrifera, Pinus strobus, Populus grandidentata, och Quercus rubra (figur 1). Sluttningarna av kurvorna skilde sig så mycket som 97,7% för P. gr...

Watch this Scientific Journal Video about The Calibration and Use of Capacitance Sensors to Monitor Stem Water Content in Trees at JoVE.com

The Calibration and Use of Capacitance Sensors to Monitor Stem Water Content in Trees

För kalibrering och användning av kapacitans sensorer för att övervaka Stem vatteninnehåll i träd

Den hydrauliska kapacitansen av biomassa är en nyckelkomponent i vegetation vatten budgeten, som fungerar som en buffert mot kort- och långsiktiga torka påfrestningar. Här presenterar vi ett protokoll för kalibrering och användning av markfuktighet kapacitans sensorer för att övervaka vatteninnehåll i stjälkarna av stora träd.

Water transport and storage through the soil-plant-atmosphere continuum is critical to the terrestrial water cycle, and has become a major research focus ...

Research

JoVE Journal

Environment

A Venturi Effect Can Help Cure Our Trees

En Venturi Effect kan hjälpa bota våra träd

In woody plants, xylem sap moves upwards through the vessels due to a decreasing gradient of water potential from the groundwater to the foliage. ...

Use of Chironomidae (Diptera) Surface-Floating Pupal Exuviae as a Rapid Bioassessment Protocol for Water Bodies

Use of Chironomidae Diptera Surface-Floating Pupal Exuviae as a Rapid Bioassessment Protocol for Water Bodies

Användning av Chironomidae (Diptera) Utanpå Flytande PUPP exuviae som en snabb Bioassessment protokoll för vattenförekomster

Rapid bioassessment protocols using benthic macroinvertebrate assemblages have been successfully used to assess human impacts on water quality. ...

The Use of an Automated System (GreenFeed) to Monitor Enteric Methane and Carbon Dioxide Emissions from Ruminant Animals

The Use of an Automated System GreenFeed to Monitor Enteric Methane and Carbon Dioxide Emissions from Ruminant Animals

Användning av ett automatiserat system (GreenFeed) för att övervaka Enteric metan och koldioxid utsläpp från idisslare

Ruminant animals (domesticated or wild) emit methane (CH4) through enteric fermentation in their digestive tract and from decomposition of manure during ...

A Duplex Digital PCR Assay for Simultaneous Quantification of the Enterococcus spp. and the Human Fecal-associated HF183 Marker in Waters

A Duplex Digital PCR Assay for Simultaneous Quantification of the Enterococcus spp. and the Human Fecal-associated HF183 Marker in Waters

En Duplex Digital PCR-analys för samtidig kvantifiering av<em&gt; Enterococcus spp.</em&gt; Och Human fekal-associerade HF183 Marker i Waters

This manuscript describes a duplex digital PCR assay (EntHF183 dPCR) for simultaneous quantification of Enterococcus spp. and the human fecal-associated ...

Use of a Filter Cartridge for Filtration of Water Samples and Extraction of Environmental DNA

Användning av en filterpatron för filtrering av vattenprover och utvinning av miljö DNA

Recent studies demonstrated the use of environmental DNA (eDNA) from fishes to be appropriate as a non-invasive monitoring tool. Most of these studies ...

Methods of Soil Resampling to Monitor Changes in the Chemical Concentrations of Forest Soils

Metoder för mark Omsampling att övervaka förändringar i de kemiska koncentrationer av skogsmark

Recent soils research has shown that important chemical soil characteristics can change in less than a decade, often the result of broad environmental ...

Controlled-release of Chlorine Dioxide in a Perforated Packaging System to Extend the Storage Life and Improve the Safety of Grape Tomatoes

Kontrollerad frisättning av klordioxid i en perforerad Packaging System för att förlänga hållbarheten och förbättra säkerheten för Grape tomater

A controlled-release chlorine dioxide (ClO2) pouch was developed by sealing a slurry form of ClO2 into semipermeable polymer film; the release properties ...

A Simple Planting Technique for Re-establishing Trees Where Frequent Inundation Occurs

En enkel plantering teknik för åter upprättar träd där frekvent översvämning uppstår

Many of the Everglades tree islands have lost elevation over the past century and most of their trees have died such that they are now covered with ...

Construction of a Low-cost Mobile Incubator for Field and Laboratory Use

Byggandet av en billig mobil inkubator för fält- och laboratoriebruk

Incubators are essential for a range of culture-based microbial methods, such as membrane filtration followed by cultivation for assessing drinking water ...

BtM, a Low-cost Open-source Datalogger to Estimate the Water Content of Nonvascular Cryptogams

BtM, en billig öppen källkod Datalogger att uppskatta vatteninnehåll i Nonvascular Cryptogams

Communities of nonvascular cryptogams, such as mosses or lichens, are an important part of the Earth's biodiversity, contributing to the regulation of the ...