La calibración y uso de sensores de capacitancia para monitorear el contenido de agua del tallo en árboles

El agua almacenada en el material vegetal desempeña un papel integral en la capacidad de las plantas para hacer frente a estrés de agua de corto y largo plazo^1,2. Las plantas almacenan agua en raíces, tallos y hojas en intracelulares y extracelulares (e.g., vasos de xilema) espacios ^2,3,4. Esta agua ha demostrado aportar entre el 10 y el 50% de agua transpirados diurna^2,5,6,7,8. Como tal, capacitancia hidráulica planta es un componente clave de la balanza de agua terrestre, puede ser utilizada como un indicador de estrés hídrico, respuesta de la sequía y recuperación¹y es un factor crítico necesario para corregir de intervalos observados entre transpiración y sap flujo^9,10,11. Monitoreo en tiempo real del contenido de agua de vegetación puede también utilizarse en aplicaciones agrícolas para ayudar a restringir la huerta y cultivos de riego para aumentar el riego eficiencia^12,13. Sin embargo, mediciones continuas, in situ madre-del contenido de agua de especies leñosas^{7,14,15,16,17,18,} son raros en relación con de las mediciones de flujo de savia^{20 19} . Aquí, describimos un procedimiento para la calibración de los sensores de capacitancia para monitorear el contenido volumétrico de agua en los tallos de árboles^5,21.

Comportamiento hidrodinámico y Reglamento de uso del agua por la vegetación son un componente integral del continuo suelo-planta-atmósfera^22,23 y por lo tanto importantes controles para los flujos de agua y carbono entre el la Biosfera y la atmósfera^24,25. La dinámica del contenido de agua del tallo está influenciada por factores bióticos y abióticos. Agotamiento y recarga de agua almacenados en el tallo se ven afectados por las tendencias a corto y largo plazo en las condiciones ambientales, en especial, déficit de presión de vapor y agua contenido^1,26del suelo. Las propiedades físicas de la madera²⁷ (p. ej., densidad, estructura de la nave) y el emergente estrategia hidráulica²⁵ (p. ej., iso – o anisohydric regulación estomática) determinan la capacidad de la planta para almacenar y usar agua ^{19 , 26 , 28}y puede variar ampliamente por especies^29,30. Estudios anteriores han demostrado diferentes roles de la capacitancia en tropical^{16,27,31,32,33} y templada^{5,7 ,21} especies y en tanto angiospermas^1,2,34 y gimnospermas^6,11,17,19.

Un mejor conocimiento del contenido de agua de biomasa mejorará la comprensión de estrategias para la adquisición de agua de vegetación y uso^1,2, junto con la vulnerabilidad de la especie a los cambios previstos en los regímenes de precipitación^{35 ,36}. Comprensión adicional de uso de agua de planta estrategias ayudarán a predecir cambios demográficos bajo escenarios de clima futuro^37,38. A través de técnicas de fusión de datos modelo³⁹, contenido de agua del tallo datos obtenidos mediante esta metodología pueden utilizarse para informar y prueba hidrodinámica escalable, nivel planta modelos^{40,41, 4243,}de^,44 con el fin de mejorar el cálculo de la conductancia estomática y, así, simulaciones de transpiración y absorción de carbono fotosintético. Estos modelos hidrodinámicos avanzados pueden proporcionar una reducción significativa en la incertidumbre y error al incorporar mayor superficie de tierra y tierra sistemas modelos^{25,45,46, 47,48}.

Los métodos utilizados para controlar o calcular el contenido de agua del tallo incluyen árbol metálico^33,49, electrónicos dendrometers^2,15,50, resistencia eléctrica de atenuación de radiación gamma⁵², deuterio trazadores¹⁹, ⁵¹, redes de sap flujo sensores^32,33,53, psicrómetros⁴⁹, del tallo y amplitud tiempo y^{11 4,12,13} dominio reflectometry (TDR). Los esfuerzos recientes han probado la viabilidad de los sensores de capacitancia que tradicionalmente se han utilizado para medir el suelo agua volumétrica contenido^5,18,21,27. Reflectometría de dominio de frecuencia (FRD)-sensores de capacitancia de estilo son de bajo costo y uso de cantidades relativamente pequeñas de energía para mediciones continuas, haciéndolas una herramienta atractiva para mediciones de alta resolución temporal en situaciones de campo. La facilidad de automatización de FDR sobre sensores TDR-estilo facilita la colección de conjuntos de datos de horas de sol continuo y elimina muchos de los retos inherentes a medidas de TDR que requieren longitudes de cable importantes¹³. El uso de sensores de capacitancia in situ elimina la necesidad de perforación repetitivas o recolección de rama y puede proporcionar exactitud mejorada de especies de madera dura.Especies leñosas que retiran agua principalmente de los espacios extracelulares, como los vasos del xilema, o que tengan alta madera o corteza de módulos de elasticidad, generalmente no son buenos candidatos para técnicas de medición dendrométricas popular debido a la extensión de espiga elástica bajo ². sensores de capacitancia estiman permitividad dieléctrica, que se puede convertir directamente a contenido volumétrico de agua. Sin embargo, las mediciones de la capacitancia son sensibles a la densidad de los medios que rodea el sensor. Por lo tanto, abogamos por calibraciones específicos que convierten la salida de los sensores al contenido volumétrico de agua madera^5,21.

Presentamos un protocolo para una calibración específica convertir salida de sensor de capacitancia al contenido volumétrico de agua de la madera. También están las instrucciones para la instalación en el campo de los sensores de capacitancia en árboles maduros y un análisis de fortalezas, debilidades y supuestos del método. Estas técnicas están diseñadas para monitorear el contenido volumétrico de agua en el tronco, el más grande árbol agua almacenamiento depósito⁸, pero pueden ampliarse fácilmente a todo el árbol con la instalación de sensores adicionales a lo largo de las ramas. Mediciones de contenido de agua de planta dinámica avanzará los campos de la hidrodinámica de la vegetación, biometeorology y modelado de la superficie de la tierra.