La calibrazione e l'uso di capacitanza sensori per monitorare il contenuto di acqua di staminali in alberi

Acqua immagazzinata nel materiale vegetale svolge un ruolo integrale nella capacità delle piante di far fronte con acqua a breve e a lungo termine dello stress^1,2. Impianti di immagazzinano acqua nelle radici, steli, e foglie in intracellulari ed extracellulari (ad es., vasi xilema) interamente ^2,3,4. Quest’acqua ha dimostrato di contribuire tra 10 e 50% di acqua giornaliera traspirata^2,5,6,7,8. Come tale, impianto idraulico capacitanza è un componente chiave del bilancio idrico terrestre, può essere utilizzato come un indicatore di stress idrico, la risposta alla siccità e recupero¹ed è un fattore critico necessario correggere per osservati ritardi tra ^9,10,11flusso di traspirazione e sap. Monitoraggio in tempo reale del contenuto di acqua di vegetazione utilizzabile anche in applicazioni agricole per vincolare il frutteto e ritagliare irrigazione al fine di aumentare l’irrigazione efficienza^12,13. Tuttavia, misurazioni del contenuto di staminali-acqua continuo, in-situ di specie legnose^{7,14,15,16,17,18, 19} sono rari rispetto al sap flusso misure²⁰. Qui, descriviamo una procedura per la taratura dei sensori di capacità di monitorare il contenuto volumetrico di acqua entro i fusti di alberi^5,21.

Comportamenti idrodinamici e regolamento di utilizzo dell’acqua di vegetazione sono una parte integrante del continuum suolo-pianta-atmosfera^22,23 e sono quindi importanti controlli per i flussi di acqua e carbonio tra il Biosfera e atmosfera^24,25. La dinamica del contenuto di acqua del gambo è influenzata da fattori biotici ed abiotici. Lo svuotamento e la ricarica di acqua staminali-memorizzati sono influenzati dalle tendenze a breve e a lungo termine in condizioni ambientali, in particolare, il deficit di pressione di vapore e acqua contenuto^1,26di suolo. Le proprietà fisiche del legno²⁷ (ad esempio, densità, struttura del vaso) e l’ emergente strategia idraulico²⁵ (ad esempio, iso – o anisohydric regolamento stomatica) determinano la capacità di una pianta di memorizzare e utilizzare acqua ^{19 , 26 , 28}e possono variare ampiamente da specie^29,30. Gli studi precedenti hanno dimostrato diversi ruoli di capacitanza tropicale^{16,27,31,32,33} e temperato^{5,7 ,21} specie e in entrambi angiosperme^1,2,34 e gimnosperme^6,11,17,19.

Una migliore conoscenza del contenuto di acqua di biomassa sarà migliorare la comprensione delle strategie per l’acquisizione di acqua di vegetazione e utilizzare^1,2, insieme a vulnerabilità della specie ai cambiamenti previsti nei regimi di precipitazione^{35 ,36}. Ulteriore comprensione dell’uso di acqua impianto strategie aiuterà a prevedere lo spostamento di modelli demografici sotto clima futuro scenari^37,38. Attraverso tecniche di fusione di dati del modello³⁹, contenuto di acqua staminali dati ottenuti utilizzando questa metodologia possono essere utilizzati per informare e prova idrodinamica scalabile, a livello di impianto modello^{40,41, 42,43,44} al fine di migliorare i calcoli della conduttanza stomatica e, quindi, simulazioni di traspirazione e assorbimento di carbonio fotosintetica. Questi modelli idrodinamici avanzati possono fornire una riduzione significativa di incertezza e di errore quando incorporati in superficie più grande della terra e terra sistemi modelli^{25,45,46, 47,48}.

Metodi utilizzati per monitorare o calcolare il contenuto di acqua staminali includono albero carotaggio^33,49, elettronica dendrometers^2,15,50, resistenza elettrica ⁵¹, radiazione gamma attenuazione⁵², deuterio traccianti¹⁹reti di sap flusso sensori^32,33,53, psicrometri⁴⁹, del gambo e ampiezza¹¹ e tempo^4,12,13 domain reflectometry (TDR). Gli sforzi recenti hanno testato la fattibilità di sensori di capacità che sono stati tradizionalmente usati per misurare il terreno acqua volumetrico contenuto^5,18,21,27. Frequenza domain reflectometry (FRD)-stile capacitanza sensori sono a basso costo e utilizzare relativamente piccole quantità di energia per misurazioni continue, che li rende uno strumento attraente per misure di alta risoluzione temporale in scenari di campo. La facilità di automazione del FDR sopra i sensori TDR-stile facilita la raccolta di set di dati di sole-orario continuo ed elimina molte delle sfide inerenti misure TDR che richiedono notevoli lunghezze di cavo¹³. L’uso di sensori di capacitanza in situ Elimina la necessità di detorsolamento ripetitivo o la raccolta di ramo e può fornire una maggiore precisione per le specie di latifoglie.Specie legnose che prelevare acqua principalmente da spazi extracellulari, come vasi di xylem, o hanno alti moduli di legno o di corteccia di elasticità, in genere non sono buoni candidati per tecniche di misurazione dendrometro popolare a causa dell’espansione di basso fusto elastico ². sensori di capacitanza stimano permittività dielettrica, che può essere convertito direttamente in contenuto volumetrico di acqua. Tuttavia, misure di capacità sono sensibili alla densità dei media che circonda il sensore. Di conseguenza, sosteniamo per specie-tarature che convertire l’output dei sensori volumetrici legno-acqua contenuto^5,21.

Vi presentiamo un protocollo per una calibrazione specie-specifico convertire uscita sensore capacità contenuto volumetrico di acqua di legno. Istruzioni per l’installazione sul campo dei sensori di capacitanza in alberi maturi e una discussione dei punti di forza, debolezze e presupposti del metodo sono anche forniti. Queste tecniche sono progettate per monitorare il contenuto volumetrico di acqua nel bagagliaio, il più grande albero acqua deposito serbatoio⁸, ma possono essere facilmente esteso a tutto l’albero con l’installazione di ulteriori sensori lungo i rami. Misure del contenuto d’acqua impianto dinamico avanzeranno i campi di idrodinamica di vegetazione, Biometeorologia e modellazione di superficie della terra.