Misurazioni di flussi di CO2 in siti di covarianza Eddy non ideali
Summary
Il protocollo presentato utilizza il metodo della covarianza eddy in luoghi non tipici, applicabile a tutti i tipi di ecosistemi a baldacchino a corto raggio con area limitata, in un sito di lancio del vento attualmente riforestato in Polonia. Vengono descritti i dettagli relativi alla misurazione delle regole di configurazione del sito, dei calcoli del flusso e del controllo qualità e dell’analisi dei risultati finali.
Abstract
Questo protocollo è un esempio di utilizzo della tecnica della covarianza di eddy (EC) per studiare i flussi netti di CO2 (produzione nettica dell’ecosistema, NEP), in ecosistemi non tipici, su un’area di lancio del vento attualmente ribospolata in Polonia. Dopo un evento di tornado, è stato creato un “corridoio” relativamente stretto all’interno degli stand forestali sopravvissuti, il che complica questo tipo di esperimenti. L’applicazione di altre tecniche di misurazione, come il metodo della camera, è ancora più difficile in queste circostanze, perché soprattutto all’inizio, gli alberi caduti e in generale la grande eterogeneità del sito forniscono una piattaforma impegnativa da eseguire misurazioni del flusso e quindi aumentare correttamente i risultati ottenuti. Rispetto alle misurazioni standard della CE effettuate nelle foreste incontaminate, il caso delle aree di lancio del vento richiede una considerazione particolare quando si tratta della posizione del sito e dell’analisi dei dati al fine di garantire la loro rappresentatività. Pertanto, qui presentiamo un protocollo di misurazioni continue del flusso di CO2 in tempo reale in un sito CE in modo dinamico, non ideale, che include (1) la posizione del sito e la configurazione della strumentazione, (2) il calcolo del flusso, (3) il filtraggio rigoroso dei dati e controllo della qualità e (4) riempimento gap e partizionamento dei flussi di rete in risonanza e assorbimento della rete di CO 2. Il vantaggio principale della metodologia descritta è che fornisce una descrizione dettagliata dell’impostazione sperimentale e delle prestazioni di misurazione da zero, che può essere applicata ad altri ecosistemi spazialmente limitati. Può anche essere visto come un elenco di raccomandazioni su come gestire il funzionamento non convenzionale del sito, fornendo una descrizione per i non specialisti. I valori ottenuti in termini di qualità,di vuoto, di mezz’ora di CO 2 netta, nonché di flussi di assorbimento e respirazione, possono essere infine aggregati in totali giornalieri, mensili, stagionali o annuali.
Introduction
Al giorno d’oggi, la tecnica più comunemente utilizzatanegli studi di scambio di biossido di carbonio (CO 2) dell’ecosistema dell’atmosfera-territorio è la tecnica di covarianza esca (EC)1. Il metodo CE è stato utilizzato per decenni, e descrizioni complete delle questioni riguardanti tutti gli aspetti metodologici, tecnici e pratici sono già stati pubblicati2,3,4. Rispetto ad altre tecniche utilizzate per scopi analoghi, il metodo CE consente di ottenere i flussi netti di CO2 nella media spaziale e temporale da misurazioni automatiche e puntiche che considerano il contributo di tutti gli elementi in ecosistemi, invece di laboriose misurazioni manuali (ad esempio, tecniche da camera) o il requisito di prelevare molti campioni1.
Tra gli ecosistemi terrestri, le foreste svolgono il ruolo più significativo nel ciclo C e molte attività scientifiche si sono concentrate sullo studio del loro ciclo di CO2, sullo stoccaggio del carbonio nella biomassa legnosa e sulle loro relazioni reciproche con le mutevoli condizioni climatiche misurazione diretta o modellazione5. Molti siti della CE, tra cuiuno dei record di flusso più lunghi 6, sono stati istituiti sopra diversi tipi di foreste7. Di solito, la posizione del sito è stata accuratamente scelta prima dell’inizio delle misurazioni, con l’obiettivo dell’area più omogenea e più grande possibile. Anche se, nei siti forestali disturbati, come i getti di vento, il numero di stazioni di misurazione CE è ancora insufficiente8,9,10. Uno dei motivi è la difficoltà logistica nella misurazione della configurazione del sito e, soprattutto, un piccolo numero di posizioni improvvisamente che appaiono. Al fine di ottenere i risultati più informativi nelle aree di lancio del vento, è fondamentale iniziare il più presto possibile dopo un evento incidentale di questo tipo, che può causare ulteriori problemi. A differenza dei siti forestali incontaminati, le misurazioni CE nei siti di lancio del vento sono più impegnative e possono discostarsi dalle procedure già stabilite3. Poiché alcuni fenomeni eolici estremi creano aree spazialmente limitate, è necessaria un’attenta posizione della stazione di misurazione e un’attenta elaborazione dei dati al fine di ricavare il maggior numero possibile di valori di flusso affidabili. Difficoltà simili nell’applicazione di metodi CE (ad esempio, gli studi finish eseguiti al di sopra di un lago lungo ma stretto) in cui i flussi di CO2 misurati richiedevano un rigoroso filtraggio dei dati11,12 per assicurare la loro rappresentatività spaziale.
Di conseguenza, il protocollo presentato è un esempio dell’uso del metodo CE in luoghi non tipici, progettati non solo per le zone di lancio del vento, ma per tutti gli altri tipi di vegetazione corta con l’area limitata (ad esempio, terreni coltivati situati tra tipi di vegetazione più alti). Il più grande vantaggio della metodologia proposta è una descrizione generale di procedure complesse, che richiedono conoscenze avanzate, dalla scelta della posizione del sito e la strumentazione allestita fino al risultato finale: un set di dati completo di CO2 di alta qualità Flussi. La novità tecnica del protocollo di misurazione è l’uso di una costruzione di base unica per il posizionamento del sistema CE (ad esempio, treppiede con un’altezza definita che è una “mini torre” con un albero regolabile, azionato elettricamente, che consente di modificare l’altezza finale sensori in base alle esigenze individuali).
Protocol
Representative Results
Discussion
Questo protocollo presenta il metodo eddy covariance (EC) da utilizzare in siti non ideali (qui un sito di lancio di vento ristrutturato): posizione del sito e misurazione dell’installazione dell’infrastruttura, calcolo e post-elaborazione dei flussi di CO2 netti, nonché alcuni problemi relativi gap filling e le procedure di partizionamento dei flussi.
Anche se la tecnica CE è comunemente utilizzata in molti siti di misurazione in tutto il mondo, la maggior parte di essi sono ecos…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questa ricerca è stata sostenuta da finanziamenti della Direzione generale delle foreste di Stato, Varsavia, Polonia (progetto LAS, No OR-2717/27/11). Vorremmo esprimere la nostra gratitudine all’intero gruppo di ricerca del Dipartimento di Meteorologia, dell’Università di Scienze della Vita di Poznan, Polonia, coinvolto in questa implementazione del protocollo e il loro aiuto durante la creazione della sua versione visiva.
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. |
Referenzen
- 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).
