Summary

Kalibrering og brug af kapacitans sensorer til at overvåge stilk vandindholdet i træer

Published: December 27, 2017
doi:

Summary

Den hydrauliske kapacitans af biomasse er en nøglekomponent i vegetation vand budget, som fungerer som en buffer mod kort- og langsigtede tørke understreger. Vi præsenterer her, en protokol til kalibrering og brug af jordfugtighed kapacitans sensorer til overvågning af vandindholdet i stængler af store træer.

Abstract

Vandtransport og lagring gennem jord-plante-atmosfære kontinuum er afgørende for det jordbaserede vandkredsløbet, og er blevet en væsentlig forsknings fokusområde. Biomasse kapacitans spiller en integrerende rolle i undgåelse af hydrauliske værdiforringelse til transpiration. Men høj tidsmæssige opløsning målinger af dynamiske ændringer i de hydrauliske kapacitans af store træer er sjældne. Vi præsenterer her, procedurer for kalibrering og brug af kapacitans sensorer, typisk bruges til at overvåge jord vandindhold, for at måle volumetrisk vandindholdet i træer i området. Frekvens domæne reflectometry-stil observationer er følsomme for massefylden af medierne undersøges. Det er derfor nødvendigt at foretage artsspecifikke kalibreringer konvertere fra de sensor-rapporterede værdier af dielektriske Permittivitet til volumetrisk vandindhold. Kalibrering udføres på et fældet gren eller stilken skæres i segmenter, der er tørret eller fornyet hydreret for at producere en bred vifte af vand indhold bruges til at generere en Best-fit regression med sensor observationer. Sensorer er indsat i kalibrering segmenter eller installeret i træer efter forboring huller til en tolerance passer ved hjælp af en opdigtet skabelon for at sikre ordentlig drill justering. Særlig omhu at sikre at sensor tænder får god kontakt med den omkringliggende medier, samtidig med at tillade dem at blive indsat uden overdreven kraft. Volumetriske vand indhold dynamik observeret via metoden præsenteres Juster med sap flow målinger registreres ved hjælp af termisk varmeafledning teknikker og tvinger miljødata. Biomasse vand indhold data kan bruges til at observere udbrud af vand stress, tørke respons og helbredelse, og har potentiale til at blive anvendt til kalibrering og evaluering af nye plante-niveau hydrodynamik modeller og partitionering af fjernt fornemmede fugt produkter i over- og belowground komponenter.

Introduction

Vand gemt i plantemateriale spiller en integrerende rolle i planternes evne til at håndtere kort og lang sigt vand stress1,2. Planter opbevare vand i rødder, stængler, og blade i både intracellulære og ekstracellulære (fx vedvævet fartøjer) rum 2,3,4. Dette vand har vist sig at bidrage mellem 10 og 50% af diurnally viste sig vand2,5,6,7,8. Som sådan plante hydraulisk kapacitans er et nøgleelement i den jordbaserede vandbalance, kan bruges som en indikator for inddrivelse1vand stress og tørke svar og er en kritisk faktor nødvendigt at korrigere for observerede tidsforskydninger mellem transpiration og sap flow9,10,11. Real-time overvågning af vegetation vandindhold kan også bruges i landbruget til at begrænse orchard og beskære kunstvanding for at øge vanding effektivitet12,13. Dog målinger af kontinuerte, in situ stilk-vand indhold af woody arter7,14,15,16,17,18, 19 er sjældne i forhold til sap flux målinger20. Her, skitsere vi en procedure for kalibrering af kapacitans sensorer til at overvåge volumetrisk vandindholdet i stængler af træer5,21.

Hydrodynamisk adfærd og vandforbrug forordning af vegetation er en integreret del af jord-plante-atmosfære kontinuum22,23 og er derfor vigtige Kontroller for vand og CO2 strømme mellem den biosfæren og atmosfære24,25. Dynamikken i stilken vandindholdet er påvirket af både biotiske og abiotiske faktorer. Udtynding og infiltration af stilk-gemt vand påvirkes af kort – og langsigtede tendenser i de miljømæssige forhold, navnlig damptryk underskud og jord vand indhold1,26. De fysiske egenskaber af det træ27 (fx, tæthed, fartøjets struktur) og emergent hydraulisk strategi25 (fx, iso- eller anisohydric spalteåbningernes regulering) bestemme en plantens evne til at gemme og bruge vand 19 , 26 , 28, og kan variere meget af arter29,30. Tidligere undersøgelser har vist forskellige roller i kapacitans i tropiske16,27,31,32,33 og tempererede5,7 ,21 arter, og i begge dækfrøede1,2,34 og nøgenfrøede6,11,17,19.

Forbedret viden om biomasse vandindhold vil forbedre forståelsen af vegetation strategier for vand erhvervelse og bruge1,2, sammen med artens sårbarhed til forventede ændringer i nedbør regimer35 ,36. Yderligere forståelse af planten vandforbrug strategier vil hjælpe med at forudsige shifting demografiske mønstre under fremtidige klimaændringer scenarier37,38. Gennem modeldata fusion teknikker39, stilken vandindhold data indhentet ved hjælp af denne metode kan bruges til at informere og teste skalerbare, plante-niveau hydrodynamik modeller40,41, 42,43,44 for at forbedre beregninger af spalteåbningernes ledningsevne og dermed simuleringer af både transpiration og fotosyntetiske carbon optagelse. Disse avancerede hydrodynamiske modeller kan give en betydelig reduktion i usikkerhed og fejl når de indarbejdes i større arealet og jordens systemer modeller25,45,46, 47,48.

Metoder, der anvendes til at overvåge eller beregne stilk vandindhold omfatter træ coring33,49, elektronisk dendrometers2,15,50, elektrisk modstand 51, gamma stråling dæmpning52, deuterium røbestoffer19, netværk af sap flux sensorer32,33,53, stammer psycrometre også samt49, og amplitude11 og tid4,12,13 domæne reflectometry (TDR). Seneste bestræbelser har testet levedygtigheden af kapacitans sensorer, der traditionelt har været brugt til at måle jorden volumetriske vand indhold5,18,21,27. Frekvens domæne reflectometry (FRD)-stil kapacitans sensorer er lave omkostninger og bruger relativt små mængder af energi til kontinuerlige målinger, hvilket gør dem en attraktiv værktøj for høj tidsmæssige opløsning målinger i marken scenarier. Lethed af automatisering af FDR over TDR-stil sensorer letter samling af kontinuerlig sun-time data sæt, og eliminerer mange af de udfordringer, der er iboende i TDR målinger kræver betydelige kabellængder13. Anvendelsen af in situ kapacitans sensorer eliminerer behovet for gentagne coring eller gren høst, og kan levere forbedret nøjagtighed for hårdttræ arter.Woody arter, at trække vand hovedsageligt fra ekstracellulære rum, såsom vedvævet fartøjer, eller har høje træ eller bark moduli af elasticitet, er generelt ikke gode kandidater til populære dendrometer måleteknik på grund af lav elastisk stilk udvidelse 2. kapacitans sensorer anslå dielektrisk Permittivitet, som kan omdannes direkte til volumetrisk vandindhold. Men kapacitans målinger er følsomme for massefylden af medierne omkring sensoren. Derfor går vi ind for artsspecifikke kalibreringer, at konverterer outputtet af sensorer til volumetriske træ-vand indhold5,21.

Vi præsenterer en protokol for en artsspecifik kalibrering konvertere kapacitans sensor output til volumetrisk vandindhold i træ. Desuden er vejledningen for inden installation af kapacitans sensorer i modne træer og en diskussion af metodens styrker, svagheder og antagelser. Disse teknikker er designet til at overvåge volumetrisk vandindhold i stammen, den største træ vand opbevaring reservoir8, men let kan udvides til hele træet med installation af yderligere sensorer langs grenene. Målinger af dynamiske plante vandindhold vil forhånd felterne vegetation hydrodynamik, biometeorology og jord-overfladen modellering.

Protocol

1. Vælg et træ Instrumentation Vælg træer for måling. Ideelt, Vælg træer, der er sunde med et generelt runde stilk tværsnit, og en diameter mellem 1 – 2 gange tine længde eller afgrenet dybde større end længden af sensor tænderne (~ 5 cm for specifikke kapacitans sensorer vist her). Måle dybde afgrenet bruger træ kerner, eller for mange arter, beregne afgrenet dybde gennem allometric ligninger vedrørende afgrenet område for at dæmme op diameter 29,<sup class…

Representative Results

I dette afsnit præsenterer vi kalibreringsdata for fem fælles østlige skov træarter, efterfulgt af en detaljeret analyse af feltmålinger af stilk-vand opbevaring i tre Acer rubrum enkeltpersoner i 2016 vækstsæsonen. Kalibreringskurverne blev genereret for Acer rubrum, Betula papyrifera, Pinus strobus, Populus grandidentata, og Quercus rubra (figur 1). Skråningerne af kurverne afveg med 97,7% for P. grandidentata og …

Discussion

Sæsonbestemte og temperaturprofil mønstre i stilken vandindhold observerede via kapacitans sensorer Juster med tendenser i samtidige sap flux og miljømæssige tvinger målinger (figur 3, figur 4, figur 5). Reservoirer for stilk vand opbevaring er forarmet diurnally når tempoet i transpiration overgår rente af genoplade gennem woody væv og sæsonmæssigt jordfugtighed begrænser root-vand til…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Finansiering af denne undersøgelse blev leveret af amerikanske Department of Energy’s Office of Science, Office af biologiske og miljømæssige forskning, terrestriske økosystemer Sciences Program Award No. DE-SC0007041, Ameriflux Management program under Flux Core Site aftale nr. 7096915 ved Lawrence Berkeley National Laboratory og National Science Foundation hydrologiske Science give 1521238. Eventuelle udtalelser, resultater og konklusioner og henstillinger udtrykt i dette materiale er dem af forfatterne og nødvendigvis afspejler ikke synspunkter, de finansieringsorganer.

Materials

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

Riferimenti

  1. Matheny, A. M., et al. Contrasting strategies of hydraulic control in two codominant temperate tree species. Ecohydrol. 10 (3), e1815 (2017).
  2. Kocher, P., Horna, V., Leuschner, C. Stem water storage in five coexisting temperate broad-leaved tree species: significance, temporal dynamics and dependence on tree functional traits. Tree Physiol. 33 (8), 817-832 (2013).
  3. Holbrook, N. M., Gartner, B. L. Chapter 7. Plant stems: physiology and functional morphology. , 151-174 (1995).
  4. Wullschleger, S. D., Hanson, P. J., Todd, D. E. Measuring stem water content in four deciduous hardwoods with a time-domain reflectometer. Tree Physiol. 16 (10), 809-815 (1996).
  5. Matheny, A. M., et al. Observations of stem water storage in trees of opposing hydraulic strategies. Ecosphere. 6 (9), 165 (2015).
  6. Waring, R. H., Running, S. W. Sapwood water storage: its contribution to transpiration and effect upon water conductance through the stems of old-growth Douglas-fir. Plant Cell Environ. 1 (2), 131-140 (1978).
  7. Cermak, J., Kucera, J., Bauerle, W. L., Phillips, N., Hinckley, T. M. Tree water storage and its diurnal dynamics related to sap flow and changes in stem volume in old-growth Douglas-fir trees. Tree Physiol. 27 (2), 181-198 (2007).
  8. Betsch, P., et al. Drought effects on water relations in beech: The contribution of exchangeable water reservoirs. Agric. For. Meteorol. 151 (5), 531-543 (2011).
  9. Schäfer, K. V. R., Oren, R., Tenhunen, J. D. The effect of tree height on crown level stomatal conductance. Plant Cell Environ. 23 (4), 365-375 (2000).
  10. Burgess, S. S. O., Dawson, T. E. Using branch and basal trunk sap flow measurements to estimate whole-plant water capacitance: a caution. Plant Soil. 305 (1-2), 5-13 (2008).
  11. Kumagai, T., Aoki, S., Otsuki, K., Utsumi, Y. Impact of stem water storage on diurnal estimates of whole-tree transpiration and canopy conductance from sap flow measurements in Japanese cedar and Japanese cypress trees. Hydrol. Process. 23 (16), 2335-2344 (2009).
  12. Nadler, A., Raveh, E., Yermiyahu, U., Green, S. Stress induced water content variations in mango stem by time domain reflectometry. Soil Sci. Soc. Am. J. 70 (2), 510-520 (2006).
  13. Nadler, A., Raveh, E., Yermiyahu, U., Green, S. R. Evaluation of TDR use to monitor water content in stem of lemon trees and soil and their response to water stress. Soil Sci. Soc. Am. J. 67 (2), 437-448 (2003).
  14. Hernandez-Santana, V., Martinez-Fernandez, J. TDR measurement of stem and soil water content in two Mediterranean oak species. Hydrolog Sci J. 53 (4), 921-931 (2008).
  15. Cocozza, C., et al. Simultaneous measurements of stem radius variation and sap flux density reveal synchronisation of water storage and transpiration dynamics in olive trees. Ecohydrol. 8 (1), 33-45 (2015).
  16. Andrade, J. L., et al. Regulation of water flux through trunks, branches, and leaves in trees of a lowland tropical forest. Oecologia. 115 (4), 463-471 (1998).
  17. Domec, J. C., Gartner, B. L. Cavitation and water storage capacity in bole xylem segments of mature and young Douglas-fir trees. Trees-Struct. Funct. 15 (4), 204-214 (2001).
  18. Holbrook, N. M., Burns, M. J., Sinclair, T. R. Frequency and time-domain dielectric measurements of stem water-content in the arborescent palm, Sabal palmetto. J. Exp. Bot. 43 (246), 111-119 (1992).
  19. Meinzer, F. C., et al. Dynamics of water transport and storage in conifers studied with deuterium and heat tracing techniques. Plant Cell Environ. 29 (1), 105-114 (2006).
  20. Poyatos, R., et al. SAPFLUXNET: towards a global database of sap flow measurements. Tree Physiol. 36 (12), 1449-1455 (2016).
  21. Hao, G. Y., Wheeler, J. K., Holbrook, N. M., Goldstein, G. Investigating xylem embolism formation, refilling and water storage in tree trunks using frequency domain reflectometry. J. Exp. Bot. 64 (8), 2321-2332 (2013).
  22. Bonan, G. B., Williams, M., Fisher, R. A., Oleson, K. W. Modeling stomatal conductance in the earth system: linking leaf water-use efficiency and water transport along the soil-plant-atmosphere continuum. Geosci. Model Dev. 7 (5), 2193-2222 (2014).
  23. Brantley, S. L., et al. Reviews and syntheses: on the roles trees play in building and plumbing the critical zone. Biogeosciences Discuss. 2017, 1-41 (2017).
  24. Bonan, G. B. Forests and climate change: Forcings, feedbacks, and the climate benefits of forests. Science. 320 (5882), 1444-1449 (2008).
  25. Matheny, A. M., Mirfenderesgi, G., Bohrer, G. Trait-based representation of hydrological functional properties of plants in weather and ecosystem models. Plant Diversity. 39 (1), 1-12 (2017).
  26. Chapotin, S. M., Razanameharizaka, J. H., Holbrook, N. M. Water relations of baobab trees (Adansonia spp.L.) during the rainy season: does stem water buffer daily water deficits. Plant Cell Environ. 29 (6), 1021-1032 (2006).
  27. Oliva Carrasco, L., et al. Water storage dynamics in the main stem of subtropical tree species differing in wood density, growth rate and life history traits. Tree Physiol. 35 (4), 354-365 (2015).
  28. Wullschleger, S. D., Meinzer, F. C., Vertessy, R. A. A review of whole-plant water use studies in trees. Tree Physiol. 18 (8-9), 499-512 (1998).
  29. Matheny, A. M., et al. Species-specific transpiration responses to intermediate disturbance in a northern hardwood forest. J. Geophys. Res. 119 (12), 2292-2311 (2014).
  30. Ford, C. R., Hubbard, R. M., Vose, J. M. Quantifying structural and physiological controls on variation in canopy transpiration among planted pine and hardwood species in the southern Appalachians. Ecohydrol. 4 (2), 183-195 (2011).
  31. Holbrook, N. M., Sinclair, T. R. Water-Balance in the arborescent palm, Sabal palmetto. II. Transpiration and stem water storage. Plant Cell Environ. 15 (4), 401-409 (1992).
  32. Goldstein, G., et al. Stem water storage and diurnal patterns of water use in tropical forest canopy trees. Plant Cell Environ. 21 (4), 397-406 (1998).
  33. Borchert, R. Soil and stem water storage determine phenology and distribution of tropical dry forest trees. Ecology. 75 (5), 1437-1449 (1994).
  34. Hernandez-Santana, V., Martinez-Fernandez, J., Moran, C. Estimation of tree water stress from stem and soil water monitoring with time-domain reflectometry in two small forested basins in Spain. Hydrol. Process. 22 (14), 2493-2501 (2008).
  35. . . Climate change 2013: the physical science basis contribution of working group I to the fifth assessment report of the intergovernmental panel on climate change. , 1535 (2013).
  36. Konings, A. G., Williams, A. P., Gentine, P. Sensitivity of grassland productivity to aridity controlled by stomatal and xylem regulation. Nat. Geosci. , (2017).
  37. Fei, S., et al. Divergence of species responses to climate change. Science Advances. 3 (5), (2017).
  38. Fisher, R. A., et al. Vegetation demographics in Earthsystem models: a review of progress and priorities. Glob. Change Biol. , (2017).
  39. Dietze, M. C., Lebauer, D. S., Kooper, R. O. B. On improving the communication between models and data. Plant Cell Environ. 36 (9), 1575-1585 (2013).
  40. Bohrer, G., et al. Finite element tree crown hydrodynamics model (FETCH) using porous media flow within branching elements: A new representation of tree hydrodynamics. Water Resour. Res. 41 (11), (2005).
  41. Mirfenderesgi, G., et al. Tree level hydrodynamic approach for resolving aboveground water storage and stomatal conductance and modeling the effects of tree hydraulic strategy. J. Geophys. Res. 121 (7), 1792-1813 (2016).
  42. Gentine, P., Guérin, M., Uriarte, M., McDowell, N. G., Pockman, W. T. An allometry-based model of the survival strategies of hydraulic failure and carbon starvation. Ecohydrol. 9 (3), 529-546 (2015).
  43. Huang, C. -. W., et al. The effect of plant water storage on water fluxes within the coupled soil-plant system. New Phytol. 213 (3), 1093-1106 (2017).
  44. Bittner, S., et al. Functional-structural water flow model reveals differences between diffuse- and ring-porous tree species. Agric. For. Meteorol. 158, 80-89 (2012).
  45. Matheny, A. M., et al. Characterizing the diurnal patterns of errors in the prediction of evapotranspiration by several land-surface models: an NACP analysis. J. Geophys. Res. 119 (7), 1458-1473 (2014).
  46. Matthes, J. H., Goring, S., Williams, J. W., Dietze, M. C. Benchmarking historical CMIP5 plant functional types across the Upper Midwest and Northeastern United States. J. Geophys. Res. 121 (2), 523-535 (2016).
  47. Musavi, T., et al. The imprint of plants on ecosystem functioning: A data-driven approach. Int. J. Appl. Earth Obs. Geoinf. 43, 119-131 (2015).
  48. Wullschleger, S. D., et al. Plant functional types in Earth system models: past experiences and future directions for application of dynamic vegetation models in high-latitude ecosystems. Ann. Bot. 114 (1), 1-16 (2014).
  49. Scholz, F. G., et al. Biophysical properties and functional significance of stem water storage tissues in Neotropical savanna trees. Plant Cell Environ. 30 (2), 236-248 (2007).
  50. Scholz, F. G., et al. Temporal dynamics of stem expansion and contraction in savanna trees: withdrawal and recharge of stored water. Tree Physiol. 28 (3), 469-480 (2008).
  51. Borchert, R. Electric resistance as a measure of tree water status during seasonal drought in a tropical dry forest in Costa Rica. Tree Physiol. 14 (3), 299-312 (1994).
  52. Edwards, W. R. N., Jarvis, P. G. A method for measuring radial differences in water content of intact tree stems by attenuation of gamma radiation. Plant Cell Environ. 6 (3), 255-260 (1983).
  53. Phillips, N. G., Scholz, F. G., Bucci, S. J., Goldstein, G., Meinzer, F. C. Using branch and basal trunk sap flow measurements to estimate whole-plant water capacitance: comment on Burgess and Dawson (2008). Plant Soil. 315 (1-2), 315-324 (2009).
  54. Bovard, B. D., Curtis, P. S., Vogel, C. S., Su, H. -. B., Schmid, H. P. Environmental controls on sap flow in a northern hardwood forest. Tree Physiol. 25, 31-38 (2005).
  55. Granier, A. Evaluation of transiration in a Douglas-Fir stand by means of sap flow measurements. Tree Physiol. 3 (4), 309-319 (1987).
  56. Brodribb, T. J., Holbrook, N. M. Stomatal closure during leaf dehydration, correlation with other leaf physiological traits. Plant Physiol. 132 (4), 2166-2173 (2003).
  57. Brodribb, T. J., Holbrook, N. M. Stomatal protection against hydraulic failure: a comparison of coexisting ferns and angiosperms. New Phytol. 162 (3), 663-670 (2004).
  58. Taneda, H., Sperry, J. S. A case-study of water transport in co-occurring ring- versus diffuse-porous trees: contrasts in water-status, conducting capacity, cavitation and vessel refilling. Tree Physiol. 28 (11), 1641-1651 (2008).
  59. Schuldt, B., Leuschner, C., Brock, N., Horna, V. Changes in wood density, wood anatomy and hydraulic properties of the xylem along the root-to-shoot flow path in tropical rainforest trees. Tree Physiol. 33 (2), 161-174 (2013).
  60. Sarmiento, C., et al. Within-individual variation of trunk and branch xylem density in tropical trees. Am. J. Bot. 98 (1), 140-149 (2011).
  61. Barij, N., Cermak, J., Stokes, A. Azimuthal variations in xylem structure and water relations in cork oak (Quercus suber). Iawa J. 32 (1), 25-40 (2011).
  62. Domec, J. C., Pruyn, M. L., Gartner, B. L. Axial and radial profiles in conductivities, water storage and native embolism in trunks of young and old-growth ponderosa pine trees. Plant Cell Environ. 28 (9), 1103-1113 (2005).
  63. Ewers, B. E., Oren, R. Analyses of assumptions and errors in the calculation of stomatal conductance from sap flux measurements. Tree Physiol. 20 (9), 579-589 (2000).
  64. Fan, Z. X., Cao, K. F., Becker, P. Axial and radial variations in xylem anatomy of angiosperm and conifer trees in Yunnan, China. Iawa J. 30 (1), 1-13 (2009).
  65. James, S. A., Clearwater, M. J., Meinzer, F. C., Goldstein, G. Heat dissipation sensors of variable length for the measurement of sap flow in trees with deep sapwood. Tree Physiol. 22 (4), 277-283 (2002).
  66. James, S. A., et al. Axial and radial water transport and internal water storage in tropical forest canopy trees. Oecologia. 134 (1), 37-45 (2003).
  67. Fromm, J. H., et al. Xylem water content and wood density in spruce and oak trees detected by high-resolution computed tomography. Plant Physiol. 127 (2), 416-425 (2001).
  68. Steppe, K., De Pauw, D. J. W., Doody, T. M., Teskey, R. O. A comparison of sap flux density using thermal dissipation, heat pulse velocity and heat field deformation methods. Agric. For. Meteorol. 150 (7-8), 1046-1056 (2010).
  69. Vergeynst, L. L., Vandegehuchte, M. W., McGuire, M. A., Teskey, R. O., Steppe, K. Changes in stem water content influence sap flux density measurements with thermal dissipation probes. Trees. 28 (3), 949-955 (2014).

Play Video

Citazione di questo articolo
Matheny, A. M., Garrity, S. R., Bohrer, G. The Calibration and Use of Capacitance Sensors to Monitor Stem Water Content in Trees. J. Vis. Exp. (130), e57062, doi:10.3791/57062 (2017).

View Video