米国エネルギー省科学局、オフィスの生物学的および環境調査、地上生態系科学プログラム賞号によって提供されたこの研究のための資金・ デ ・ SC0007041、ローレンス ・ バークレー国立研究所による磁束コア サイト契約号 7096915 下 Ameriflux 管理プログラム、国立科学財団の水文科学 1521238 を付与します。意見、所見、結論や推奨この素材で表現、これらの者を資金提供機関の見解を必ずしも反映しています。

1. 計装のツリーを選択します。
<ol>
	<li>測定のための木を選択します。理想的には、一般的にラウンドの幹断面積と 1-2 回刃物の長さ、または辺材深さセンサー尖叉 (ここに示す特定の静電容量センサー用 〜 5 cm) の長さより大きい間直径との健全木を選択します。ツリーのコアを使用して辺の深さを測定したり、多くの種の標準直径テープによって測定される直径29,54, を幹に辺材領域を関連のアロメトリー式を通じて、辺材深さを計算できます。 注: ただし、静電容量センサーのいくつかの種類があります次の手順 1.2 測定精度に悪影響を与えることがなく適切な長さにトリミングすることができます。配線を含まない剛性測定歯部で唯一の静電容量センサーをトリミングまたはカットできます。独立した校正は、トリミングされたセンサーに必要です。したがって、ツリーを選択し、校正手順の前に適切な刃物の長さを決定します。</li>
	<li>木の直径と辺材深さに基づくセンサーの歯部の適切な長さを決定します。 注意: 静電容量センサーは、センサーの歯、 Lの長さの水分情報を統合しますそれはしたがっている対象と彼らが提供する総合観測全体幹の代表Lと 2 L のの直径は、。.樹皮と篩部 (セクション 4.2 を参照) をインストールする前に測定領域から削除されますと、測定は影響しません。<ol>
		<li>Lが幹の直径よりも大きい (手順 1.3 参照) 歯部に茎の反対側を通って浸透しないように木のためのセンサーをトリミングします。</li>
		<li>木直径は 2Lより大きいが、辺材深さがLより小さいセンサーで、辺材と心材から信号を測定します。 注: 含水率は、これら 2 つの組織の種類の異なる、このバイアス場合あります観察、樹幹全体を代表すると見なされます。このような場合、またはユーザーが辺材水変動観測は辺材 (アクティブな木部) の水含有量の変動を表すその辺材深さに歯を手入れするセンサーにのみ関心があるとだけ。辺材深さはLよりも大きい場合は、観測、辺材のみを表すが、センサーをトリミングする必要はありません。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>(1.2.1、1.2.2 の手順で決定した) として必要な場合は、指定したアプリケーションに合わせてセンサーを切った。センサーの歯部をカット、台にしっかりとセンサーをクランプし、適切な保護具を着用しながら各刃物を正確に同じ長さにカットする型鋼切断ディスク搭載パワー ロータリー ツールを使用します。</li>
</ol>
2. 収穫し、種特異的な校正を生成する興味のすべての種の木材サンプルの準備
<ol>
	<li>興味の種からトランク、少年の幹または大規模なブランチ、少なくとも 6 cm を収集します。大きい直径センサーの被覆材量を最大化するために好ましいし、トランク密度測定に最も近づけます。取り付けられているすべての枝や葉、苔癬や緩い材料を削除します。 注: 支店の違いによる不確実性のさらなる議論のための議論を参照してくださいし、茎の密度。</li>
	<li>25 またはより円筒 〜 15 cm の長さの部分に、幹を分割します。</li>
	<li>各セグメントにラベルを付けるし、平均直径とそれぞれの長さを記録します。円柱の体積としてセグメントのボリュームを近似します。</li>
	<li>セグメントを差分水分補給と乾燥の 2 つのグループに分けます。脱水に 60 ° C で 1/3、水分補給には水お風呂でセグメントのと他 2/3 乾燥炉内のセグメントを大体配置します。即時の測定の 2 つのセグメントを分ける: 端から 1 つと、茎の長さの中央からできれば 1 つ。 注: 通常、60 ° C で乾燥セグメント 〜 2 週間後に完全に乾燥したし、する 〜 3 日後完全に復元します。オーブン湯せんから個々 のセグメントを削除し、(ステップ 3.7 参照) 毎日、または 1 日 2 回の間隔を測定します。測定可能な体積含水率の最大範囲にわたるのグラデーションをつくる。</li>
</ol>
3. センサー出力と体積含水関係校正を作成コンテンツ
<ol>
	<li>リアルタイムのセンサー読み出しの可視化のためコンピューターの製造元によって提供される指示に従ってデータロギング デバイスに静電容量センサーを接続します。データ収集の間隔を 30 に設定 s。</li>
	<li>ドリルで 3 つの穴の 2 つ縦に並んだセットを配置、およびドリル ビットを静電容量センサー (この実験で使用されているセンサーの 3.57 mm) の歯部の直径よりわずかに小さい維持する場所にて安全に掘削あらかじめ作られたテンプレートを使用して、2 番目のセットでは、穴の間の潜在的な重複がないことを確認する少数のセンチメートルの垂直分離と木製のセグメントの周り約 150 ° に位置します。測定の最初のセットのステップの 2.4 で脇木製セグメントを使用します。</li>
	<li>セグメントとレコードを最も近い 0.01 g 重量の測定時の重量を量る。追加の乾燥を防ぐためにプラスチック製のラップとセグメントの両端をキャップします。</li>
	<li>直後に重さがあって、アルコール綿棒と静電容量センサーの歯をきれいに挿入し、それ茎部分完全にような鋼鉄尖叉の部分が表示されていません。安定させるために出力画面での読書測定を待つ (2 または 3 分、一般に)。すべての 30 の温度、電気伝導度、誘電率 (εb) とセンサーの出力を記録 5 分と 10 の測定値の平均を計算します。</li>
	<li>優しくセグメントからセンサーを削除、アルコール綿棒で歯をきれいし、ゼロに戻ります出力の測定値を待ちます。ステップ 3.3 以降事前ドリルされた穴の 2 番目のセットから測定手順を繰り返します。</li>
	<li>端からプラスチックを取り出し、乾燥炉の茎部分を置きます。完全に脱水することができます (通常 2 週間または数日間体重が安定するまで)。</li>
	<li>すべてのセグメントの 3.3 3.7 を介しての手順を繰り返します。乾燥炉からセグメントを削除しより頻繁に測定 (毎日二度) よりも (毎日) 最後の数日間の初期水分の損失の速度が高いため、乾燥の最初の数日以内。計量と測定前にペーパー タオルを使用して水の風呂から削除するセグメントの表面から余分な水分を乾燥させます。</li></ol>補給のすべてのセグメントが測定されているまで、一日あたり 1 つの補給茎部分を測定します。
	<li>完全乾燥後に、幹のすべてのセグメントの最終的な乾燥重量を記録します。</li>
	<li>次の数式を使用して、測定の時に茎部分の体積含水率 (VWC、cm3水/cm3木材) を計算します。 
	<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/57062/57062eq1.jpg">(1) VwはV茎や水 (cm3) の量は、ステップ 1.2 で計算された茎部分 (3cm) のボリュームです。<ol>
		<li>時として測定の各セグメントの水の量を計算します。 
		<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/57062/57062eq2.jpg">(2) 水 (1 g cm-3) の密度であるmwが計測、およびρwの時に茎部分 (g) で大量の水を</li>
		<li>時として測定の各セグメント内の水の質量を計算します。 
		<img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/57062/57062eq3.jpg">(3) Mウェットは茎部分の質量 (g) の測定時、 M乾燥セグメント (g) の最終的な重量であります。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>誘電率のセンサーの観測とVWC (図 1、表 1) 間の最適線形回帰統計解析ソフトウェア パッケージを使用して作成.</li>

<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57062/57062fig1.jpg"> 
図 1: 例検。検コナラ ヤマモモエイサーの赤体ダケカンバ第、ポプラ、オオバギンドロ、ストローブマツパート 1 と 2 のこのプロトコルを次に生成されます。方程式と決定係数は、表 1にそれぞれの提供しています。<a href="//ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/57062/57062fig1large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td></td>
			<td>m</td>
			<td>b</td>
			<td>R2</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>B. paprifera</td>
			<td>0.048</td>
			<td>-0.098</td>
			<td>0.967</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>A. 赤体</td>
			<td>0.067 倍</td>
			<td>-0.158</td>
			<td>0.853</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Q. ヤマモモ(短縮)</td>
			<td>0.120</td>
			<td>0.041</td>
			<td>0.636</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Q. ヤマモモ</td>
			<td>0.058</td>
			<td>-0.109</td>
			<td>0.718</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>P.、オオバギンドロ</td>
			<td>0.023</td>
			<td>-0.028</td>
			<td>0.887</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>P. ストローブマツ</td>
			<td>0.030</td>
			<td>-0.072</td>
			<td>0.900</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>
表 1: 校正式の変換ΕbにVWC温帯樹種の。係数だ ' と 'b' が標準形で線形方程式の提示: VWC = m * εb+ b。
4. フィールド測定のための木の静電容量センサーをインストールします。
<ol>
	<li>センサーのインストールの前に茎径と各センサーの位置の地表上の高さを記録します。通常、トランクにVWCを監視、センサー ~0.5 m 地面の表面上に配置し、(図 2地上 ~7.5 m) の最初の主要な分岐分割のすぐ下 2 つを配置します。</li>
</ol>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57062/57062fig2.jpg"> 
図 2: 例のフィールド テストを設定します。センサーの場所とデータ ・ ログ駅に隣接する成熟した木の向きの模式図。<a href="//ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/57062/57062fig2large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。
<ol start="2">
	<li>形成層に樹皮を削除し、センサーがなる平らな面を作成描画ブレードを使用してインストールします。この表面は広く、フラット十分、センサーが木の表面に対してフラッシュを歯部の一部が公開されるようなこと、それがインストールされているときに座っていることを確認します。樹皮と測定は、樹皮や篩部の水分量を排除しながら、木部に水コンテンツのみを含めることを確保するためのひこばえを削除します。</li>
	<li>歯部に穴をあけます。堅い木 (3.57 mm このプロトコルで使用される) の歯部の実際のサイズに近いビットを使用しながら柔らかい木材、歯部の直径よりわずかに小さいドリル ビットを使用してください。、高品質な計測センサーの歯部が木材との良好な接触を作ることを確認します。少し小さいドリル ビットを使用して以来、校正手順の中には、場合センサーを定期的に削除する必要はなくなります、ここ校正に使用するものよりも。</li>
	<li>任意の汚れや肌のオイルを削除するには、アルコール綿棒でセンサーの歯をきれいにし、センサーを事前ドリルされた穴に挿入します。センサーが挿入時にあまりにも多くの抵抗を満たしている場合慎重にそれを戻すし、再それらを若干拡大するために穴をドリルします。すべての 3 つの歯部が完全に挿入センサーの体が木の幹に対してフラッシュを座っていることを確認します。</li>
	<li>茎の穴を入力してからの流れを維持することと、害虫の侵入を防ぐために木の幹に対してセンサーのシールにシリコン系シーリング材を使用します。</li>
	<li>反射断熱材外部加熱を避けるために、センサーをカバーしてください。</li>
	<li>以下のメーカーの仕様では、すべてのセンサーを 12 V 電源と互換性のあるデータ ロガーに接続します。使用データ コレクション間隔 5 分のセンサーは、フィールドで展開しますが、使用電力の制限、例えば、太陽電池/バッテリー サイトで電源を節約するために間隔を長く運営サイト。</li>
</ol>
5. 検量線を使用して幹水ストレージに Raw データを処理します。
<ol>
	<li>2.9 の手順で生成された較正曲線の方程式を使用すると、すべてのオブザベーションについてVWCにセンサーの出力を変換します。VWC cm3 /cm3または割合として表すが一般的。割合VWCしたがって 0 と 100% の範囲です。</li>
	<li>2 つの測定の高さと利益が (cm3) の容量を統合 (例えば図 2に: 0.5 m、7.5 m) 高さと線形茎直径変化を仮定することにより。</li></ol>木の観察が全体の幹を表します (すなわち、 Lと 2L、そのままセンサーを使用して直径の木やセンサーが幹の直径にトリミングされた薄い木 2.2 節」を参照)、4 の式を使用します。 
	<img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/57062/57062eq4.jpg">(4) Hがセンサーの高低差 (垂直距離) (例えば図2: 700 cm)、 r1 r2幹 (cm) の半径で下部と上部のセンサーの場所それぞれ。 センサーが辺材水だけの見積もりを提供する木のコンテンツ (センサー長さ測定、セクション 1.2 を参照) 式 5 を使用します。 
	<img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/57062/57062eq5.jpg">(5) s1とs2が辺材深さ (cm) 下部と上部のセンサーの位置には、それぞれ。
	<li>幹・辺材の体積を計算ツリーの平均VWC利息の合計量を乗算することによって水を格納します。</li>

スティーブン ・ r ・ ギャリティが GS3 耐久性の高い土壌水分センサーを生成するメーター グループ株式会社の従業員は、この記事で使用です。

茎水分センサー同時 sap フラックスの動向に合わせて容量を介して観測・環境測定 (図 3, , 図 4図 5) を強制の季節および日変化パターン。日周蒸散のペースを上回る率の木質組織を通じて涵養と季節土壌水分制限ルート水可用性5幹貯水のタンクが枯渇しています。この内部キャパシ?...

植物材料の保存水は、短期および長期の水ストレス1,2に対応する植物の能力の不可欠な役割を果たしています。植物は、根、茎、水を貯えるし、葉細胞内と細胞外の両方で (例えば導管) 空間2,3,4。この水は、10 と日周所要水2,5,6,7,8の 50% 間に貢献して示されています。そのため、工場油圧容量地上水バランスの重要なコンポーネントです、水ストレス、干ばつの応答および回復1、インジケーターとして使用することができますの観測時間の差を補正するために必要な重要な要因は、蒸散と sap9,10,11 を流れ。植生水コンテンツのリアルタイム モニタ リングも使用できます農業アプリケーションで果樹園を制約し、散水効率12,13を増加するために灌漑をトリミングを助けるため。ただし、樹種7,14,15,16,17,18、連続、原幹水分含量の測定 19 sap フラックス測定20を基準にして珍しい。ここでは、私たちは木5,21の樹幹内における体積含水率を監視する静電容量センサーのキャリブレーションの手順を概説します。
土壌-植物-大気圏の連続22,23の不可欠なコンポーネントは、流体の挙動と植生による水利用調節間水と炭素フラックスの重要なコントロールであるため、生物圏と雰囲気24,25。幹の水分動態生物的・非生物的要因によって影響を受けています。枯渇と幹保存水の涵養、環境条件、特に、飽の短期および長期の傾向によって影響を受けます、土壌水コンテンツ1,26。木製27 (例えば密度、血管構造) と創発的油圧戦略25 (例えば、iso または anisohydric 気孔制御) の物理的性質保存し、水を使用する植物の能力を決定します。19,26,28日、種29,30によって大きく異なります。以前の研究は、熱帯16,27,31,32,33 , 温帯5,7 容量のさまざまな役割を実証しています。 ,21種と両方被子植物1,2,34と裸子植物6,11,17,19。
バイオマス含水率の改善の知識が植生水獲得のための戦略の理解を改善し、1、2、と一緒に沈殿物の政体35 が変化する種の脆弱性を使用して、 ,36。さらに戦略は、将来の気候変動のシナリオ37,38の下で人口統計学パターンのシフトの予測を助ける植物の水の使用を理解します。モデル データの融合技術39、を通して茎水分通知およびスケーラブルなプラント レベルの流体力学をテストするこの手法を使用して得られたデータを使用ことができますモデル40,41, 42,,4344気孔コンダクタンスの計算を改善するために、それによって、蒸散および光合成の炭素吸収量のシミュレーション。これらの高度な流体力学モデルは不確実性およびより大きい土地の表面および地球システム モデル25,45,46に組み込まれた場合のエラーの大幅な削減を提供可能性があります。 47,48。
33,49, 電子 dendrometers2,15,50, 電気抵抗をコアリング ツリーを監視または茎水分を計算するために使用するメソッドに含めますsap 磁束センサー32,33,53, ネットワーク, 重水素トレーサー19ガンマ放射減衰52 51べき49の幹と振幅11と時間4,12,13領域リフレクトメトリ (TDR)。最近の努力は土壌体積含水コンテンツ5,18,21,27を測定に使用されてきた、静電容量センサーの実行可能性をテストしています。周波数領域リフレクトメトリ (FRD)-スタイル静電容量センサーは、低コストし、連続測定のフィールドのシナリオで、高時間分解能測定のための魅力的なツールを作るためのエネルギーの比較的少量の使用します。TDR スタイル センサー FDR の自動化が容易容易に連続的な太陽時間データ セットの収集と実質的なケーブルの長さ13を必要と TDR 測定で固有の課題の多くを排除します。その場で静電容量センサーの使用は反復掘削または枝を収穫する必要があるし、堅材種の精度向上を提供することがあります。樹種、導管などの細胞外スペースから主水の撤退や、弾力性の高い木材や樹皮の係数は、一般的に低弾性幹膨張人気デンドロメータ測定技術の候補ではないです。2. 静電容量センサー推定誘電体積含水率に直接変換することができます。ただし、容量測定はセンサーを取り巻くメディアの密度に敏感です。したがって、センサーの出力を体積木水コンテンツ5,21に変換種特異的なキャリブレーションを主張します。
種特異的な校正体積含水率木材の静電容量センサー出力に変換するためのプロトコルを提案します。また、成熟した木々 の静電容量センサーのフィールド ・ インストールとメソッドの強み、弱みと仮定の議論についてもあります。これらの技術は、最大ツリー水貯蔵タンク8トランクの体積含水率を監視するために設計されていますが枝に沿って追加のセンサーのインストール ツリー全体に簡単に展開できます。ダイナミックな植物水分測定は植生流体力学、生気象学、陸面モデルのフィールドに進めます。

<table><tbody><tr><td>Ruggedized Soil Moisture Sensor</td><td>METER Group Inc.</td><td>GS-3</td><td>Capacitance sensors</td></tr><tr><td>1/8&quot; drill bit</td><td>Any</td><td>N/A</td><td></td></tr><tr><td>9/64&quot; drill bit</td><td>Any</td><td>N/A</td><td></td></tr><tr><td>Drying oven</td><td>Any</td><td>N/A</td><td></td></tr><tr><td>Chainsaw</td><td>Any</td><td>N/A</td><td></td></tr><tr><td>Electric drill</td><td>Any</td><td>N/A</td><td></td></tr><tr><td>Bucket for water bath</td><td>Any</td><td>N/A</td><td></td></tr><tr><td>Alcohol swabs</td><td>Any</td><td>N/A</td><td></td></tr><tr><td>Draw knife</td><td>Any</td><td>N/A</td><td></td></tr><tr><td>Data logger</td><td>Any</td><td>N/A</td><td></td></tr><tr><td>Silicon sealant</td><td>Any</td><td>N/A</td><td></td></tr></tbody></table>

the calibration and use of capacitance sensors to monitor stem water content in trees

土壌-植物-大気圏の連続を通して水の輸送・陸域水循環に重要ですし、主要な研究分野となっています。バイオマスの静電容量は、蒸散する油圧障害の回避に不可欠な役割を果たしています。ただし、大きな木の油圧容量の動的な変化の高時間分解能測定はまれです。校正および通常使用フィールドの木の体積含水率を測定するため、土壌水分を監視したり、静電容量センサーの使用手順を紹介します。周波数ドメイン反射スタイル観測研究されているメディアの密度に敏感です。したがって、体積含水率誘電率のセンサーから報告された値から変換する種特異的なキャリブレーションを行うことが必要です。校正は、収穫された枝や茎は乾燥または水量センサー観測データと回帰を生成するために使用の完全な範囲を生成する再水和のセグメントにカットされます。センサーはキャリブレーションのセグメントに挿入または適切なドリルのアライメントを確保するため作製したテンプレートを使用して適切な公差の穴を事前ドリル加工後の木にインストールされています。特別なセンサーの歯部が無理なく挿入することを可能にしながら、周囲のメディアとの良好な接触を作るように注意します。説明されている方法で体積含水コンテンツ ダイナミクスは、放熱技術と強制環境のデータを使用して記録された sap 流量測定に合わせます。水ストレス、干ばつの応答および回復、発症を観察するバイオマス水コンテンツ データを使用でき、校正とリモートでのパーティション分割するだけでなく、新しい工場の流体力学モデルの評価に適用する可能性を感じています地上部および地下部の成分に水分製品。

このセクションで我々 は 2016年成長シーズン中に 3 つのエイサーの赤体個人幹水の貯蔵庫の実測の詳細な分析に続いて、共通 5 の東林木種の校正データを提示します。検量線は、アメリカハナノキ、ダケカンバ第、ストローブマツ、ポプラ、オオバギンドロ、 コナラのヤマモモ(図 1) に生成されました。カーブの斜面は、 <em...

Watch this Scientific Journal Video about The Calibration and Use of Capacitance Sensors to Monitor Stem Water Content in Trees at JoVE.com

The Calibration and Use of Capacitance Sensors to Monitor Stem Water Content in Trees

木の幹の水分量を監視するための校正と静電容量センサーの使用

バイオマスの油圧容量は、短期および長期の干ばつのストレスに対するバッファーとして機能する植生水収支のキー コンポーネントです。ここで、大きな木の幹の水分をモニターする静電容量センサー紹介校正と土壌水分の使用のためのプロトコル。

Water transport and storage through the soil-plant-atmosphere continuum is critical to the terrestrial water cycle, and has become a major research focus ...

the-calibration-use-capacitance-sensors-to-monitor-stem-water-content

Universidad San Sebastian

Research

JoVE Journal

Environment

12.4K ビュー.  University of Texas at Austin. バイオマスの油圧容量は、短期および長期の干ばつのストレスに対するバッファーとして機能する植生水収支のキー コンポーネントです。ここで、大きな木の幹の水分をモニターする静電容量センサー紹介校正と土壌水分の使用のためのプロトコル。

ビデオ: The Calibration and Use of Capacitance Sensors to Monitor Stem Water Content in Trees

Continuous Instream Monitoring of Nutrients and Sediment in Agricultural Watersheds

Pollutant concentrations and loads in watersheds vary considerably with time and space. Accurate and timely information on the magnitude of pollutants in water resources is a prerequisite for understanding the drivers of the pollutant loads and for making informed water resource management decisions. The commonly used &#34;grab sampling&#34; method provides the concentrations of pollutants at the time of sampling (i.e., a snapshot concentration) and may under- or overpredict the pollutant concentrations and loads. Continuous monitoring of nutrients and sediment has recently received more attention due to advances in computing, sensing technology, and storage devices. This protocol demonstrates the use of sensors, sondes, and instrumentation to continuously monitor in situ nitrate, ammonium, turbidity, pH, conductivity, temperature, and dissolved oxygen (DO) and to calculate the loads from two streams (ditches) in two agricultural watersheds. With the proper calibration, maintenance, and operation of sensors and sondes, good water quality data can be obtained by overcoming challenging conditions such as fouling and debris buildup. The method can also be used in watersheds of various sizes and characterized by agricultural, forested, and/or urban land.

With the advancement of technology and the rise in end-user expectations, the need and use of higher temporal resolution data for pollutant load estimation has increased. This protocol describes a method for continuous in situ water quality monitoring to obtain higher temporal resolution data for informed water resource management decisions.

連続インストリームの栄養素と農業生態系流域における堆積物の監視

Pollutant concentrations and loads in watersheds vary considerably with time and space. Accurate and timely information on the magnitude of pollutants in ...

環境学

RGB and Spectral Root Imaging for Plant Phenotyping and Physiological Research: Experimental Setup and Imaging Protocols

Better understanding of plant root dynamics is essential to improve resource use efficiency of agricultural systems and increase the resistance of crop cultivars against environmental stresses. An experimental protocol is presented for RGB and hyperspectral imaging of root systems. The approach uses rhizoboxes where plants grow in natural soil over a longer time to observe fully developed root systems. Experimental settings are exemplified for assessing rhizobox plants under water stress and studying the role of roots. An RGB imaging setup is described for cheap and quick quantification of root development over time. Hyperspectral imaging improves root segmentation from the soil background compared to RGB color based thresholding. The particular strength of hyperspectral imaging is the acquisition of chemometric information on the root-soil system for functional understanding. This is demonstrated with high resolution water content mapping. Spectral imaging however is more complex in image acquisition, processing and analysis compared to the RGB approach. A combination of both methods can optimize a comprehensive assessment of the root system. Application examples integrating root and aboveground traits are given for the context of plant phenotyping and plant physiological research. Further improvement of root imaging can be obtained by optimizing RGB image quality with better illumination using different light sources and by extension of image analysis methods to infer on root zone properties from spectral data.

An experimental protocol is presented for assessment of soil grown plant root systems with RGB and hyperspectral imaging. Combination of RGB image time series with chemometric information from hyperspectral scans optimizes insights into plant root dynamics.

RGB とスペクトルのルート画像植物表現型解析および生理学的研究: 実験概要およびイメージ投射プロトコル

Better understanding of plant root dynamics is essential to improve resource use efficiency of agricultural systems and increase the resistance of crop ...

BtM, a Low-cost Open-source Datalogger to Estimate the Water Content of Nonvascular Cryptogams

Communities of nonvascular cryptogams, such as mosses or lichens, are an important part of the Earth's biodiversity, contributing to the regulation of the carbon and nitrogen cycles in many ecosystems. Being poikilohydric organisms, they do not actively control their internal water content and need a humid environment to activate their metabolism. Therefore, studying water relationships of nonvascular cryptogams is crucial to understand both their diversity patterns and their functions in the ecosystems. We present the BtM datalogger, a low-cost open-source platform for the study of the water content of nonvascular cryptogams. The datalogger is designed to measure ambient temperature, humidity, and conductance from up to eight samples simultaneously. We provide a design for a printed circuit board (PCB), a detailed protocol to assemble the components, and the required source code. All this makes the assembly of the BtM datalogger accessible to any research group, even to those without previous specialized knowledge. Therefore, the design presented here has the potential to help popularize the use of this type of device among ecologists and field biologists.

We present a simple and cost-effective method to build an open-source datalogger that measures the conductance of nonvascular cryptogams together with the environmental temperature and humidity. We describe the hardware design of the datalogger and provide step-by-step assembly instructions, the list of required open-source logging software, the code to run the datalogger, and a calibration protocol.

東京三菱銀行、導管隠花植物の水量を推定する低コストのオープン ソース データロガー

Communities of nonvascular cryptogams, such as mosses or lichens, are an important part of the Earth's biodiversity, contributing to the regulation of the ...

Xylem Water Distribution in Woody Plants Visualized with a Cryo-scanning Electron Microscope

A scanning electron microscope installed cryo-unit (cryo-SEM) allows specimen observation at subzero temperatures and has been used for exploring water distribution in plant tissues in combination with freeze fixation techniques using liquid nitrogen (LN2). For woody species, however, preparations for observing the xylem transverse-cut surface involve some difficulties due to the orientation of wood fibers. Additionally, higher tension in the water column in xylem conduits can occasionally cause artifactual changes in water distribution, especially during sample fixation and collection. In this study, we demonstrate an efficient procedure to observe the water distribution within the xylem of woody plants in situ&#160;by using a cryostat and cryo-SEM. At first, during sample collection, measuring the xylem water potential should determine whether high tension is present in the xylem conduits. When the xylem water potential is low (&#60; ca. &#8722;0.5 MPa), a tension relaxation procedure is needed to facilitate better preservation of the water status in xylem conduits during sample freeze fixation. Next, a watertight collar is attached around the tree stem and filled with LN2&#160;for freeze fixation of the water status of xylem. After harvesting, care should be taken to ensure that the sample is preserved frozen while completing the procedures of sample preparation for observation. A cryostat is employed to clearly expose the xylem transverse-cut surface. In cryo-SEM observations, time adjustment for freeze-etching is required to remove frost dust and accentuate the edge of the cell walls on the viewing surface. Our results demonstrate the applicability of cryo-SEM techniques for the observation of water distribution within xylem at cellular and subcellular levels. The combination of cryo-SEM with non-destructive in situ observation techniques will profoundly improve the exploration of woody plant water flow dynamics.

Observing the water distribution within the xylem provides significant information regarding water flow dynamics in woody plants. In this study, we demonstrate the practical approach to observe xylem water distribution in situ&#160;by using a cryostat and cryo-SEM, which eliminates artifactual changes in the water status during sample preparation.

クライオ走査型電子顕微鏡で可視化された木質植物のキシレム水分布

A scanning electron microscope installed cryo-unit (cryo-SEM) allows specimen observation at subzero temperatures and has been used for exploring water ...

Manufacturing Simple and Inexpensive Soil Surface Temperature and Gravimetric Water Content Sensors

Quantifying temperature and moisture at the soil surface is essential for understanding how soil surface biota respond to changes in the environment. However, at the soil surface these variables are highly dynamic and standard sensors do not explicitly measure temperature or moisture in the upper few millimeters of the soil profile. This paper describes methods for manufacturing simple, inexpensive sensors that simultaneously measure the temperature and moisture of the upper 5 mm of the soil surface. In addition to sensor construction, steps for quality control, as well as for calibration for various substrates, are explained. The sensors incorporate a Type E thermocouple to measure temperature and assess soil moisture by measuring the resistance between two gold-plated metal probes at the end of the sensor at a depth of 5 mm. The methods presented here can be altered to customize probes for different depths or substrates. These sensors have been effective in a variety of environments and have endured months of heavy rains in tropical forests as well as intense solar radiation in deserts of the southwestern U.S. Results demonstrate the effectiveness of these sensors for evaluating warming, drying, and freezing of the soil surface in a global change experiment.

Accurately measuring temperature and water content of the upper 5 mm of the soil surface can improve our understanding of environmental controls on biological, chemical, and physical processes. Here we describe a protocol for manufacturing, calibrating, and conducting measurements with soil surface temperature and moisture sensors.

シンプルで安価な土壌表面温度と重力水分センサの製造

Quantifying temperature and moisture at the soil surface is essential for understanding how soil surface biota respond to changes in the environment. ...

A Telemetric, Gravimetric Platform for Real-Time Physiological Phenotyping of Plant&ndash;Environment Interactions

Food security for the growing global population is a major concern. The data provided by genomic tools far exceeds the supply of phenotypic data, creating a knowledge gap. To meet the challenge of improving crops to feed the growing global population, this gap must be bridged.
Physiological traits are considered key functional traits in the context of responsiveness or sensitivity to environmental conditions. Many recently introduced high-throughput (HTP) phenotyping techniques are based on remote sensing or imaging and are capable of directly measuring morphological traits, but measure physiological parameters mainly indirectly.
This paper describes a method for direct physiological phenotyping that has several advantages for the functional phenotyping of plant&#8211;environment interactions. It helps users overcome the many challenges encountered in the use of load-cell gravimetric systems and pot experiments. The suggested techniques will enable users to distinguish between soil weight, plant weight and soil water content, providing a method for the continuous and simultaneous measurement of dynamic soil, plant and atmosphere conditions, alongside the measurement of key physiological traits. This method allows researchers to closely mimic field stress scenarios while taking into consideration the environment&#8217;s effects on the plants&#8217; physiology. This method also minimizes pot effects, which are one of the major problems in pre-field phenotyping. It includes a feed-back fertigation system that enables a truly randomized experimental design at a field-like plant density. This system detects the soil-water-content limiting threshold (&#952;) and allows for the translation of data into knowledge through the use of a real-time analytic tool and an online statistical resource. This method for the rapid and direct measurement of the physiological responses of multiple plants to a dynamic environment has great potential for use in screening for beneficial traits associated with responses to abiotic stress, in the context of pre-field breeding and crop improvement.

A Telemetric, Gravimetric Platform for Real-Time Physiological Phenotyping of Plant&#8211;Environment Interactions

This high-throughput, telemetric, whole-plant water relations gravimetric phenotyping method enables direct and simultaneous real-time measurements, as well as the analysis of multiple yield-related physiological traits involved in dynamic plant&#8211;environment interactions.

植物環境相互作用のリアルタイム生理的フェノタイピングのためのテレメトリー、重力測定プラットフォーム

Food security for the growing global population is a major concern. The data provided by genomic tools far exceeds the supply of phenotypic data, creating ...

In Situ Soil Moisture Sensors in Undisturbed Soils

Soil moisture directly affects operational hydrology, food security, ecosystem services, and the climate system. However, the adoption of soil moisture data has been slow due to inconsistent data collection, poor standardization, and typically short record duration. Soil moisture, or quantitatively volumetric soil water content (SWC), is measured using buried, in situ sensors that infer SWC from an electromagnetic response. This signal can vary considerably with local site conditions such as clay content and mineralogy, soil salinity or bulk electrical conductivity, and soil temperature; each of these can have varying impacts depending on the sensor technology.
Furthermore, poor soil contact and sensor degradation can affect the quality of these readings over time. Unlike more traditional environmental sensors, there are no accepted standards, maintenance practices, or quality controls for SWC data. As such, SWC is a challenging measurement for many environmental monitoring networks to implement. Here, we attempt to establish a community-based standard of practice for in situ SWC sensors so that future research and applications have consistent guidance on site selection, sensor installation, data interpretation, and long-term maintenance of monitoring stations.
The videography focuses on a multi-agency consensus of best-practices and recommendations for the installation of in situ SWC sensors. This paper presents an overview of this protocol along with the various steps essential for high-quality and long-term SWC data collection. This protocol will be of use to scientists and engineers hoping to deploy a single station or an entire network.

In Situ Soil Moisture Sensors in Undisturbed Soils

The determination of soil water content is a critical mission requirement for many state and federal agencies. This protocol synthesizes multi-agency efforts to measure soil water content using buried in situ sensors.

その場で 乱されていない土壌の土壌水分センサー

Soil moisture directly affects operational hydrology, food security, ecosystem services, and the climate system. However, the adoption of soil moisture ...

<meta charset="utf8"></head><body>蒸発による土壌水理特性測定のプロトコール

Measurements of Soil Water Potential and Conductivity based on a Simple Evaporation Experiment using a Hydraulic Property Analyzer

The measurement of soil hydraulic properties is critical in understanding the physical components of soil health as well as integrated knowledge of soil systems under various management practices. Collecting reliable data is imperative for informing decisions that affect agriculture and the environment. The simple evaporation experiment described here uses instrumentation in a laboratory setting to analyze soil samples collected in the field. The soil water tension of the sample is measured by the instrument, and tension data is modeled by software to return soil hydraulic properties. This method can be utilized to measure soil water retention and hydraulic conductivity and give insight into differences in treatments or environmental dynamics over time. Initial establishment requires a user, but data acquisition is automated with the instrument. Soil hydraulic properties are not easily measured with traditional experiments, and this protocol offers a simple and optimal alternative. Interpretation of results and options for extending the data range are discussed.

<meta charset="utf8"></head><body>著者スポットライト:土壌の健康を評価するための水理特性アナライザーによる農地生態系研究の促進

This article features a simple evaporation experiment using a hydraulic property instrument for a soil sample. Through efficient means, measurements can be taken over a series of days to generate high-quality data.

水理特性分析装置を用いた簡易蒸発実験に基づく土壌水分ポテンシャルと導電率の測定

The measurement of soil hydraulic properties is critical in understanding the physical components of soil health as well as integrated knowledge of soil ...

木の幹の水分量を監視するための校正と静電容量センサーの使用

要約

さらに動画を探す

この動画の章

連続インストリームの栄養素と農業生態系流域における堆積物の監視

RGB とスペクトルのルート画像植物表現型解析および生理学的研究: 実験概要およびイメージ投射プロトコル

東京三菱銀行、導管隠花植物の水量を推定する低コストのオープンソースデータロガー

クライオ走査型電子顕微鏡で可視化された木質植物のキシレム水分布

シンプルで安価な土壌表面温度と重力水分センサの製造

植物環境相互作用のリアルタイム生理的フェノタイピングのためのテレメトリー、重力測定プラットフォーム

その場で乱されていない土壌の土壌水分センサー

水理特性分析装置を用いた簡易蒸発実験に基づく土壌水分ポテンシャルと導電率の測定

水理特性分析装置を用いた簡易蒸発実験に基づく土壌水分ポテンシャルと導電率の測定

水理特性分析装置を用いた簡易蒸発実験に基づく土壌水分ポテンシャルと導電率の測定

木の幹の水分量を監視するための校正と静電容量センサーの使用

要約

さらに動画を探す

この動画の章

連続インストリームの栄養素と農業生態系流域における堆積物の監視

RGB とスペクトルのルート画像植物表現型解析および生理学的研究: 実験概要およびイメージ投射プロトコル

東京三菱銀行、導管隠花植物の水量を推定する低コストのオープン ソース データロガー

クライオ走査型電子顕微鏡で可視化された木質植物のキシレム水分布

シンプルで安価な土壌表面温度と重力水分センサの製造

植物環境相互作用のリアルタイム生理的フェノタイピングのためのテレメトリー、重力測定プラットフォーム

その場で 乱されていない土壌の土壌水分センサー

水理特性分析装置を用いた簡易蒸発実験に基づく土壌水分ポテンシャルと導電率の測定

水理特性分析装置を用いた簡易蒸発実験に基づく土壌水分ポテンシャルと導電率の測定

水理特性分析装置を用いた簡易蒸発実験に基づく土壌水分ポテンシャルと導電率の測定

東京三菱銀行、導管隠花植物の水量を推定する低コストのオープンソースデータロガー

その場で乱されていない土壌の土壌水分センサー