Metingen van CO2 -fluxes op niet-ideale Eddy covariantie-locaties
Summary
Het gepresenteerde protocol maakt gebruik van de Eddy covariantie methode op niet-typische locaties, van toepassing op alle soorten korte-Canopy ecosystemen met beperkte oppervlakte, op een momenteel herbeboste windthrow site in Polen. Details over het meten van site-instellingsregels, flux berekeningen en kwaliteitscontrole en eindresultaat analyse worden beschreven.
Abstract
Dit protocol is een voorbeeld van het gebruik van de Eddy Covariantie (EC) techniek om ruimtelijk en tijdelijk gemiddelde netto CO2 fluxen (netto ecosysteem productie, nep) te onderzoeken in niet-typische ecosystemen, op een momenteel herbebost windgooi gebied in Polen. Na een Tornado-evenement werd een relatief smalle “corridor” gecreëerd binnen de overgebleven bosopstanden, die dergelijke experimenten compliceert. De toepassing van andere meettechnieken, zoals de kamer methode, is onder deze omstandigheden nog moeilijker, omdat vooral in het begin, omgevallen bomen en in het algemeen grote heterogeniteit van de site een uitdagend platform bieden om te presteren Flux metingen en vervolgens naar goed upscale verkregen resultaten. In vergelijking met de standaard EG-metingen die in ongerepte bossen worden uitgevoerd, vereist het geval van windgooi gebieden bijzondere aandacht voor de locatie van de site en de gegevensanalyse, teneinde hun representativiteit te waarborgen. Daarom presenteren we hier een protocol van real-time, continue CO2 flux metingen op een dynamisch veranderende, niet-ideale EC-site, waaronder (1) site locatie en instrumentatie-instellingen, (2) flux berekening, (3) rigoureuze gegevensfiltering en kwaliteitscontrole, en (4) kloof vulling en netto fluxen partitioneren in co2 ademhaling en absorptie. Het belangrijkste voordeel van de beschreven methodologie is dat het een gedetailleerde beschrijving geeft van de experimentele Setup en meetprestaties vanaf nul, die kunnen worden toegepast op andere ruimtelijk beperkte ecosystemen. Het kan ook worden gezien als een lijst van aanbevelingen over hoe om te gaan met onconventionele site operatie, het verstrekken van een beschrijving voor niet-specialisten. Verkregen kwaliteit-gecontroleerd, Gap gevuld, half uur waarden van net CO2, evenals absorptie en respiratie fluxen, kunnen uiteindelijk worden samengevoegd in dagelijkse, maandelijkse, seizoensgebonden of jaarlijkse totalen.
Introduction
Tegenwoordig is de meest gebruikte techniek in de atmosfeer-land ecosysteem koolstofdioxide (CO2) uitwisselings studies de Eddy Covariantie (EC) techniek1. De EG-methode is al decennia lang gebruikt en uitvoerige beschrijvingen van kwesties met betrekking tot alle methodologische, technische en praktische aspecten zijn reeds2,3,4gepubliceerd. Vergeleken met andere technieken die voor soortgelijke doeleinden worden gebruikt, maakt de EC-methode het mogelijk om de ruimtelijke en temporeel gemiddelde netto CO2 -fluxen te verkrijgen uit automatische, puntmetingen die rekening houden met de bijdrage van alle elementen in gecompliceerde ecosystemen, in plaats van bewerkelijk, manuele metingen (bijv. kamer technieken) of de eis om veel monsters te nemen1.
Onder landecosystemen spelen bossen de belangrijkste rol in C-fietsen en veel wetenschappelijke activiteiten hebben zich geconcentreerd op het onderzoeken van hun CO2 -cyclus, koolstofopslag in houtachtige biomassa en hun onderlinge relaties met veranderende klimatologische omstandigheden door zowel directe meting als modellering5. Veel EG-sites, waaronder een van de langste flux records6, werden ingesteld boven verschillende soorten bossen7. Meestal werd de locatie van de site zorgvuldig gekozen voordat de metingen begonnen, met als doel het meest homogene en grootste gebied mogelijk te hebben. Hoewel, in verstoorde bossen, zoals windgooit, het aantal EC-meetstations nog steeds ontoereikend is8,9,10. Een van de redenen is logistieke moeilijkheden bij het meten van site-instellingen en, bovenal, een klein aantal plotseling verschijnende locaties. Om de meest informatieve resultaten op windthrow gebieden te verkrijgen, is het cruciaal om zo snel mogelijk na een dergelijke incidentele gebeurtenis te starten, wat extra problemen kan veroorzaken. In tegenstelling tot ongerepte bosgebieden zijn de EG-metingen op windthrow sites uitdagender en kunnen afwijken van reeds vastgestelde procedures3. Aangezien sommige extreme wind verschijnselen ruimtelijk beperkte gebieden creëren, is er behoefte aan een doordachte meetstationlocatie en een zorgvuldige gegevensverwerking om zo veel mogelijk betrouwbare flux waarden te kunnen behalen. Soortgelijke moeilijkheden bij de toepassing van de EG-methode zijn opgetreden (bv. afwerkings onderzoeken uitgevoerd boven een lang maar smal meer) waar gemeten CO2 -fluxen vereiste strenge gegevensfiltering11,12 om hun ruimtelijke representativiteit.
Daarom is het gepresenteerde protocol een voorbeeld van het gebruik van de EG-methode op niet-typische locaties, niet alleen ontworpen voor windthrow gebieden, maar voor alle andere soorten korte vegetatie met de beperkte ruimte (bijv. bebouwd gelegen tussen de hogere vegetatietypes). Het grootste voordeel van de voorgestelde methodologie is een algemene beschrijving van ingewikkelde procedures, die geavanceerde kennis vereisen, van de Locatiekeuze en instrumentatie die tot het eindresultaat zijn ingesteld: een complete gegevensset van hoogwaardige CO2 Stromen. De technische nieuwigheid van het meetprotocol is het gebruik van een unieke basisconstructie voor de plaatsing van het EG-systeem (bijvoorbeeld statief met een gedefinieerde hoogte die een “mini-toren” is met een instelbare, elektrisch bediende mast, waardoor de eind hoogte van sensoren op basis van individuele behoeften).
Protocol
Representative Results
Discussion
Dit protocol presenteert de Eddy Covariantie (EC) methode die gebruikt wordt op niet-ideale locaties (hier een herbeboste windthrow site): site locatie en meet infrastructuur Setup, net co2 fluxen berekening en nabewerking, evenals enkele problemen met betrekking tot kloof vulling en fluxen partitioneringsprocedures.
Hoewel de EG-techniek vaak wordt gebruikt op veel meetlocaties over de hele wereld, zijn de meeste van hen niet-verstoorde ecosystemen, waarbij het ontwerp en de volgen…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit onderzoek werd gesteund door de financiering van de algemene directie van de staatsbossen, Warschau, Polen (project LAS, no of-2717/27/11). We willen onze dank betuigen aan de gehele onderzoeksgroep van het Department of Meteorology, Poznan University of Life Sciences, Polen, betrokken bij deze protocol implementatie en hun hulp tijdens het maken van de visuele versie.
Materials
| 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. |
References
- Baldocchi, D. Measuring fluxes of trace gases and energy between ecosystems and the atmosphere – the state and future of the eddy covariance method. Global Change Biology. 20, 3600-3609 (2014).
- Aubinet, M., et al. Estimates of the annual net carbon and water exchange of European forests: the EUROFLUX methodology. Advances in Ecological Research. 30, 113-174 (2000).
- Aubinet, M., Vesala, T., Papale, D. . A practical guide to measurements and Data Analysis. , (2012).
- Burba, G. . Eddy Covariance Method for: Scientific, Industrial, Agricultural, and Regulatory Applications. A Field Book on Measuring Ecosystem Gas Exchange and Areal Emission Rates. , (2013).
- Pan, Y., et al. A Large and Persistent Carbon Sink in the World’s Forests. Science. 333, 988-993 (2011).
- Wofsy, S. C., et al. Net exchange of CO2 in a midlatitude forest. Science. 260 (5112), 1314-1317 (1993).
- Luyssaert, S., et al. CO2 balance of boreal, temperate, and tropical forests derived from a global database. Global Change Biology. 13, 2509-2537 (2007).
- Knohl, A., et al. Carbon dioxide exchange of a Russian boreal forest after disturbance by wind throw. Global Change Biology. 8, 231-246 (2002).
- Lindauer, M., et al. Net ecosystem exchange over a non-cleared wind-throw-disturbed upland spruce forest-Measurements and simulations. Agricultural and Forest Meteorology. 197, 219-234 (2014).
- Schulze, E. D., et al. Productivity of forests in the Eurosiberian boreal region and their potential to act as a carbon sink – a synthesis. Global Change Biology. 5, 703-722 (1999).
- Mammarella, I., et al. Carbon dioxide and energy fluxes over a small boreal lake in Southern Finland. Journal of Geophysical Research-Biogeosciences. 120, 1296-1314 (2015).
- Vesala, T., et al. Eddy covariance measurements of carbon exchange and latent and sensible heat fluxes over a boreal lake for a full open water period. Journal of Geophysical Research-Biogeosciences. 111, 1-12 (2006).
- Burba, G., Anderson, D. . A brief practical guide to Eddy Covariance Flux Measurements. Principles and workflow examples for scientific and industrial applications. , (2010).
- Businger, J. Evaluation of the accuracy with which dry deposition could be measured with current micrometeorological techniques. Journal of Applied Meteorology and Climatology. 25, 1100-1124 (1986).
- . Eddy Pro Software Instruction Manual Available from: https://www.licor.com/documents/1ium2zmwm6hl36yz9bu4 (2017)
- Wilczak, J. M., Oncley, S. P., Stage, S. A. Sonic anemometer tilt correction algorithms. Boundary-Layer Meteorology. 99, 127-150 (2001).
- Foken, T., Lee, X., et al. Post-field quality control. Handbook of Micrometeorology: A Guide for Surface Flux Measurements. , (2004).
- Kljun, N., Rotach, M. W., Schmid, H. P. A three-dimensional backward Lagrangian footprint model for a wide range of boundary-layer stratifications. Boundary Layer Meteorology. 103, 205-226 (2002).
- Foken, T., Wichura, B. Tools for quality assessment of surface-based flux measurements. Agricultural and Forest Meteorology. 78, 83-105 (1996).
- Mauder, M., Foken, T. Impact of post-field data processing on eddy covariance flux estimates and energy balance closure. Meteorologische Zeitschrift. 15, 597-609 (2006).
- Gu, L., et al. Objective threshold determination for nighttime eddy flux filtering. Agricultural and Forest Meteorology. 128 (3-4), 179-197 (2005).
- Papale, D., et al. Towards a standardized processing of Net Ecosystem Exchange measured with eddy covariance technique: algorithms and uncertainty estimation. Biogeosciences. 3 (4), 571-583 (2006).
- Barr, A. G., et al. Interannual variability in the leaf area index of a boreal aspen-hazelnut forest in relation to net ecosystem production. Agricultural and Forest Meteorology. 126, 237-255 (2004).
- Krishnan, P., Black, T. A., Jassal, R. S., Chen, B., Nesic, Z. Interannual variability of the carbon balance of three different-aged Douglas-fir stands in the Pacific Northwest. Journal of Geophysical Research. 114, 1-18 (2009).
- Reichstein, M., et al. On the separation of net ecosystem exchange into assimilation and ecosystem respiration: Review and improved algorithm. Global Change Biology. 11, 1424-1439 (2005).
- Falge, E., et al. Gap filling strategies for defensible annual sums of net ecosystem exchange. Agricultural and Forest Meteorology. 107, 43-69 (2001).
- Ooba, M., Hirano, T., Mogami, J. I., Hirata, R., Fujinuma, Y. Comparisons of gap-filling methods for carbon flux dataset: A combination of a genetic algorithm and an artificial neural network. Ecological Modelling. 198, 473-486 (2006).
- Papale, D., Valentini, R. A new assessment of European forests carbon exchanges by eddy fluxes and artificial neural network spatialization. Global Change Biology. 9, 525-535 (2003).
- Baldocchi, D. D., Vogel, C. A., Hall, B. Seasonal variation of carbon dioxide exchange rates above and below a boreal jack pine forest. Agricultural and Forest Meteorology. 83, 147-170 (1997).
- Lloyd, J., Taylor, J. On the Temperature Dependence of Soil Respiration. Functional Ecology. 8, 315-323 (1994).
- Lasslop, G., et al. Separation of net ecosystem exchange into assimilation and respiration using a light response curve approach: critical issues and global evaluation. Global Change Biology. 16, 187-208 (2010).
- Kljun, N., Calanca, P., Rotach, M. W., Schmid, H. P. A simple two-dimensional parameterisation for Flux Footprint Prediction (FFP). Geoscientific Model Development. 8, 3695-3713 (2015).
