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Resumen

La estimación rápida y precisa del índice de área foliar (LAI) en los ecosistemas terrestres es crucial para una amplia gama de estudios ecológicos y calibración de productos de teledetección. Aquí se presenta el protocolo para el uso del nuevo dispositivo óptico LP 110 para tomar mediciones LAI in situ basadas en tierra.

Resumen

El índice de área foliar (LAI) es una variable esencial del dosel que describe la cantidad de follaje en un ecosistema. El parámetro sirve como interfaz entre los componentes verdes de las plantas y la atmósfera, y muchos procesos fisiológicos ocurren allí, principalmente la absorción fotosintética, la respiración y la transpiración. LAI también es un parámetro de entrada para muchos modelos que involucran carbono, agua y el ciclo de energía. Además, las mediciones in situ en tierra sirven como método de calibración para LAI obtenidas a partir de productos de teledetección. Por lo tanto, los métodos ópticos indirectos sencillos son necesarios para hacer estimaciones laI precisas y rápidas. El enfoque metodológico, las ventajas, las controversias y las perspectivas futuras del dispositivo óptico LP 110 recientemente desarrollado basado en la relación entre la radiación transmitida a través del dosel de la vegetación y las brechas del dosel se discutieron en el protocolo. Además, el instrumento se comparó con el estándar mundial LAI-2200 Plant Canopy Analyzer. El LP 110 permite un procesamiento más rápido y directo de los datos adquiridos en el campo, y es más asequible que el Plant Canopy Analyzer. El nuevo instrumento se caracteriza por su facilidad de uso para lecturas por encima y por debajo del dosel debido a su mayor sensibilidad del sensor, inclinómetro digital incorporado y registro automático de lecturas en la posición correcta. Por lo tanto, el dispositivo portátil LP 110 es un dispositivo adecuado para realizar la estimación de LAI en silvicultura, ecología, horticultura y agricultura basada en los resultados representativos. Además, el mismo dispositivo también permite al usuario tomar mediciones precisas de la intensidad de radiación fotosintéticamente activa (PAR) incidente.

Introducción

Las marquesinas son loci de numerosos procesos biológicos, físicos, químicos y ecológicos. La mayoría de ellos se ven afectados por estructuras de dosel1. Por lo tanto, la cuantificación precisa, rápida, no destructiva y confiable del dosel de la vegetación in situ es crucial para una amplia gama de estudios que involucran hidrología, ciclo de carbono y nutrientes, y cambio climático global2,3. Dado que las hojas o agujas representan una interfaz activa entre la atmósfera y la vegetación4, una de las características estructurales críticas del dosel es el índice de área foliar (LAI)5, definido como la mitad de la superficie total de la hoja verde por unidad de superficie horizontal del suelo o proyección de la corona para los individuos, expresado en m2 por m2 como una variable adimensional6, 7.

Ya se han presentado diversos instrumentos y enfoques metodológicos para estimar la LAI terrestre y sus pros y contras en diversos ecosistemas8,9,10,11, 12,13,14,15. Hay dos categorías principales de métodos de estimación de LAI: directos e indirectos (ver revisiones exhaustivas8,9,10,11,12 para más detalles). Utilizadas principalmente en rodales forestales, las estimaciones de LAI basadas en tierra se obtienen rutinariamente utilizando métodos ópticos indirectos debido a la falta de determinación directa de LAI, pero generalmente representaban un método lento, intensivo en mano de obra y destructivo9,10,12,16. Además, los métodos ópticos indirectos derivan la LAI de parámetros relacionados más fácilmente medidos (desde el punto de vista de su naturaleza exigente en el tiempo y mano de obra intensa)17, como la relación entre la irradiación incidente por encima y por debajo del dosel y la cuantificación de los huecos del dosel14. Es evidente que los analizadores de dosel de plantas también se han utilizado ampliamente para validar las recuperaciones de LAI satelitales18; por lo tanto, se ha considerado un estándar para la comparación de LP 110 (consulte la Tabla de materiales para obtener más detalles sobre los instrumentos empleados).

El LP 110, como una versión actualizada del instrumento simple inicialmente de fabricación propia ALAI-02D19 y más tarde LP 10020,fue desarrollado como un competidor cercano para plant canopy Analyzers. Como representante de los métodos ópticos indirectos, el dispositivo es portátil, ligero, alimentado por baterías, sin necesidad de una conexión por cable entre el sensor y el registrador de datos que utiliza un inclinómetro digital en lugar de un nivel de burbuja y permite un posicionamiento y una lectura de valor más rápidos y precisos. Además, el dispositivo fue diseñado para anotar lecturas inmediatas. Por lo tanto, la estimación de tiempo necesaria para recopilar datos en el campo es más corta para el LP 110 que para plant Canopy Analyzer en aproximadamente 1/3. Después de la exportación de lecturas a un equipo, los datos están disponibles para su posterior procesamiento. El dispositivo registra la irradiancia dentro de las longitudes de onda de luz azul (es decir, 380-490 nm)21,22 utilizando un sensor LAI para realizar un cálculo LAI. El sensor LAI está enmascarado por una tapa de restricción opaca con campos de visión de 16° (eje Z) y 112° (eje X)(Figura 1). Por lo tanto, la transmitancia de la luz se puede observar utilizando el dispositivo sostenido perpendicularmente a la superficie del suelo (es decir, ángulo cenital 0 °), o en cinco ángulos diferentes de 0 °, 16 °, 32 °, 48 ° y 64 ° para poder deducir también la inclinación de los elementos del dosel.

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Figura 1: Características físicas del LP 110. La tecla MENU permite al usuario desplazarse hacia arriba y hacia abajo en toda la pantalla, y el botón SET sirve como la tecla Intro (A). La vista cenital bajo diferentes ángulos de inclinación (±8 debido a la vista lateral) y la vista horizontal es fija para LP 110 a 112 °(B)de manera similar al Analizador de dosel de plantas (modificado por restrictores). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Debido a la mayor sensibilidad del sensor LAI, su campo de visión restringido, el inclinómetro digital incorporado, el registro automático de los valores de lectura en la posición correcta indicada por el sonido sin presionar un botón, el nuevo instrumento también es adecuado para lecturas por encima del dosel en valles estrechos o incluso en caminos forestales más amplios para medir una amplia gama de condiciones del cielo. Además de eso, permite la cuantificación de las copas de rodales maduros por encima de la regeneración relativamente alta, y alcanza una mayor precisión de los valores de irradiancia que Plant Canopy Analyzer. Además, el precio de LP 110 equivale a aproximadamente 1/4 del analizador de dosel de plantas. Por el contrario, la utilización de LP 110 en densos (es decir, LAIe a nivel de rodales superior a 7,88)23 o toldos muy bajos como pastizales es limitada.

El LP 110 puede funcionar dentro de dos modos de funcionamiento: (i) un modo de sensor único que toma lecturas por debajo del dosel y de referencia (por encima del dosel estudiado o en un claro suficientemente extendido ubicado dentro de las cercanías de la vegetación analizada) realizadas antes, después o durante las mediciones por debajo del dosel tomadas con el mismo instrumento y (ii) un modo de sensor dual que utiliza el primer instrumento para tomar lecturas por debajo del dosel, mientras que el segundo se emplea para registrar automáticamente las lecturas de referencia dentro de un intervalo de tiempo predefinido regular (de 10 a 600 s). El LP 110 se puede combinar con un dispositivo GPS compatible (consulte la Tabla de materiales)para registrar las coordenadas de cada punto de medición debajo del dosel para los dos modos mencionados anteriormente.

El índice de área foliar efectiva (LAIe)24 incorpora el efecto de índice de aglomeración y puede derivarse de las mediciones de irradiancia del haz solar tomadas por encima y por debajo del dosel de vegetación estudiado25. Por lo tanto, para el siguiente cálculo de LAIe, la transmitancia (t) debe calcularse a partir de la irradiación transmitida por debajo del dosel (I) y la incidencia por encima de la vegetación(Io)medida por el dispositivo LP 110.

t = I / I0 (1)

Dado que la intensidad de la irradiación disminuye exponencialmente a medida que pasa a través de un dosel de vegetación, LAIe se puede calcular de acuerdo con la ley de extinción de Beer-Lambert modificada por Monsi y Saeki9,26

LAIe = - ln (I / I0) x k-1 (2),

Donde, k es el coeficiente de extinción. El coeficiente de extinción refleja la forma, orientación y posición de cada elemento en el dosel de la vegetación con la inclinación conocida del elemento del dosel y ladirecciónde la vista 9,12. El coeficiente k (ver ecuación 2) depende de la absorción de irradiancia por el follaje, y difiere entre las especies de plantas en función de los parámetros morfológicos de los elementos del dosel, su disposición espacial y las propiedades ópticas. Dado que el coeficiente de extinción generalmente fluctúa alrededor de 0.59,27, la ecuación 2 puede simplificarse como lo presentan Lang et al.28 de una manera ligeramente diferente para las marquesinas heterogéneas y homogéneas:

En un dosel heterogéneo

LAIe = 2 x | figure-introduction-9303 ln t| (3),

o

En un dosel homogéneo

LAIe = 2 x |ln T| (4),

Donde, t: es la transmitancia en cada punto de medición por debajo del dosel, y T: es la transmitancia promedio de todos los valores de t por transecto o soporte medido.

En rodales forestales, la LAIe debe corregirse aún más debido a un efecto de aglomeración del aparato de asimilación dentro de los brotes29,30,31,32,33,34 para obtener el valor real de LAI.

El protocolo está dedicado a la utilización práctica del dispositivo óptico LP 110 para estimar LAIe en un ejemplo seleccionado de rodales de bosques de coníferas de Europa Central (ver Tabla 2 y Tabla 3 para las características del sitio, estructurales y dendrométricas). La estimación de LAIe en un dosel de vegetación utilizando este dispositivo se basa en un método óptico ampliamente utilizado relacionado con la transmitancia de la radiación fotosintéticamente activa y la fracción de brecha del dosel. El documento tiene como objetivo proporcionar un protocolo integral para realizar la estimación de LAIe utilizando el nuevo dispositivo óptico LP 110.

Protocolo

NOTA: Antes de comenzar a realizar mediciones de campo planificadas, cargue suficientemente la batería del dispositivo LP 110. Conecte el instrumento (conector USB, consulte la Figura 1)y el ordenador a través del cable conectado. El estado de la batería se muestra en la esquina superior izquierda de la pantalla del dispositivo.

1. Calibración antes de la medición

NOTA: Para el LP 110, realice una calibración oscura del sensor LAI y las calibraciones del inclinómetro incorporadas antes de comenzar cada campaña de medición de campo.

  1. Calibración oscura del sensor LAI
    1. Encienda el instrumento manteniendo pulsada la tecla Set durante al menos 1 s.
      NOTA: El botón Establecer sirve como la tecla Intro.
    2. Seleccione Configuración (la tecla Menú permite desplazarse hacia arriba y hacia abajo) y presione el > Lai Cal.,presione la tecla Set y luego verifique si la constante de calibración LAI está fijada a 1 (es decir, C = 1.0); de lo contrario, presione la tecla Establecer varias veces para ajustar la constante a 1.0 y vuelva al menú principal (presione Menú | Volver | Conjunto).
      NOTA: Al realizar mediciones laI utilizando el modo de sensor único (ver sección 2), se recomienda un valor constante de 1.0 para todas las mediciones.
    3. Seleccione Configuración y pulse Establecer | Lai cero | Establecer. Cubra completamente el sensor LAI utilizando, por ejemplo, un paño opaco o la palma de la mano para evitar interferencias de luz durante todo el proceso de calibración. Después, presione la tecla Set para mantener el valor cero que aparece en la pantalla.
    4. Presione la tecla Menú varias veces hasta que se seleccione Retorno para volver al menú principal y, a continuación, presione la tecla Establecer.
  2. Calibraciones de inclinómetro
    NOTA: Cada dispositivo LP 110 está equipado con un inclinómetro electrónico incorporado para garantizar el ángulo de inclinación correcto de las lecturas. El inclinómetro interno debe ser (re)calibrado utilizando un nivel de agua.
    1. Calibración vertical
      1. Si el dispositivo está apagado, mantenga presionada la tecla Set durante al menos 1 s para encender el instrumento.
      2. Seleccione Configuración y pulse Establecer | | verticales Configurado para activar el inclinómetro electrónico.
      3. Sostenga el dispositivo verticalmente y coloque un nivel de agua en su lado lateral junto con el instrumento.
      4. Equilibre el dispositivo a la izquierda o a la derecha de acuerdo con la burbuja del nivel de agua para lograr un valor cero o cercano a cero para el eje X. De lo contrario, presione la tecla Set para ajustar las lecturas hasta que se lea cero para el eje X.
      5. Coloque el nivel de agua a lo largo de la parte posterior del dispositivo para completar la calibración vertical.
      6. Incline el dispositivo de nuevo hacia la izquierda o hacia la derecha y compruebe si la pantalla del dispositivo lee cero para el eje X.
      7. Mantenga la posición de ángulo cero para el eje X y simultáneamente incline el dispositivo hacia adelante o hacia atrás (el eje Z) de acuerdo con la burbuja del nivel de agua, asegurándose de mantener el valor del ángulo del eje X en cero o cerca de cero.
      8. Compruebe si la lectura del eje Z es igual a cero o se acerca a cero. De lo contrario, mantenga presionada la tecla Set y recalibre el dispositivo para establecer cero lecturas para los ejes X y Z.
      9. Presione la tecla Menú repetidamente hasta que se seleccione Retorno para volver al menú principal y, a continuación, presione la tecla Establecer.
    2. Calibración horizontal
      1. Seleccione Configuración y pulse el botón Establecer | | horizontal Configurado para activar el inclinómetro electrónico.
      2. Sostenga el dispositivo horizontalmente. Luego, coloque el nivel de agua a lo largo de la parte posterior del dispositivo.
      3. Nivele el dispositivo en la posición horizontal de acuerdo con las burbujas del nivel de agua. Incline el instrumento hacia la izquierda o la derecha y hacia arriba o hacia abajo a lo largo de los ejes X e Y, respectivamente.
      4. Después de lograr la posición correcta del sensor de acuerdo con ambas burbujas de nivel de agua, verifique que la lectura para el eje Y sea cero o cercana a cero. De lo contrario, presione la tecla Set para recalibrar la posición horizontal del instrumento.
      5. Presione la tecla Menú repetidamente hasta que se seleccione Retorno para volver al menú principal y, a continuación, presione la tecla Establecer.

2. Modo de sensor único para la estimación lae

  1. Si el dispositivo está apagado, presione la tecla Set durante al menos 1 s para encender el instrumento.
  2. Calibre el instrumento antes de comenzar cada campaña de medición de campo de acuerdo con los pasos 1.1 y 1.2.
    NOTA: Si ya se ha realizado la calibración, vaya al paso 2.3.
  3. Después, establezca la fecha y hora actuales (busque Configuración en el menú principal presionando repetidamente la tecla Menú. A continuación, pulse Establecer | Tiempo; pulse de nuevo el botón Establecer) y vuelva al menú principal (seleccione Retorno y mantenga pulsada la tecla Establecer).
    NOTA: Para una configuración de hora exacta, haga coincidir la hora con la computadora como se muestra en el software correspondiente (conecte el dispositivo LP 110 a la computadora a través del cable conectado. Abra el software, pulse el | Setup | de ID de dispositivo Dispositivo. Elija y presione control en línea | Tiempo. Luego, marque la opción Sincronizar con la hora de la computadora y presione Editar).
  4. Ajuste el instrumento al modo de medición de ángulo único mediante Configuración. Presione Set | Ángulos | Establecer | Sencillo (confirme con la tecla Menú) y vuelva al menú principal (seleccione Retorno y mantenga presionada la tecla Establecer).
    1. Si es necesario estimar la inclinación del ángulo de la hoja, establezca el modo de medición multiángulo. Configuración | Ángulos | Multi (pulse el botón Menú) y vuelva al menú principal (seleccione Retorno y mantenga pulsada la tecla Set).
  5. Si se necesita un registro sobre las posiciones de las mediciones, encienda el dispositivo GPS correspondiente (consulte las secciones a continuación para obtener instrucciones detalladas y la Tabla de materiales); de lo contrario, vaya al paso 2.6.
    1. Verifique que la hora del dispositivo coincida con la computadora.
      NOTA: La hora debe establecerse correctamente para reflejar la zona horaria en la ubicación estudiada.
    2. Encienda el dispositivo GPS y espere un momento hasta que se encuentre la posición actual. Verifique la ubicación en la pantalla del dispositivo GPS.
      NOTA: La precisión depende de la densidad del dosel de la vegetación estudiada.
    3. Lleve tanto el LP 110 como el dispositivo GPS al tomar todas las mediciones de campo.
    4. Después de tomar todas las mediciones de campo, conecte ambos dispositivos a la computadora, descargue y procese los datos en el software correspondiente (consulte la Tabla de materiales) deacuerdo con el Manual LP 110 y la Guía del usuario, Instrucciones de operación sección35.
  6. Tome una medida de referencia en un área abierta o por encima de la vegetación medida (es decir, una lectura por encima del dosel). En condiciones meteorológicas soleadas, evite que la luz entre directamente en la copa de restricción de la vista (consulte la Figura 1).
    NOTA: Para el modo de medición de un solo sensor, tome lecturas por encima y por debajo del dosel en condiciones de luz constante durante el nublado estándar, antes del amanecer o después del atardecer(Figura 2)para evitar obtener valores de irradiancia incorrectos.

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Figura 2: Condiciones climáticas óptimas para tomar medidas LAIe utilizando el LP 110. Las condiciones climáticas óptimas cuando se utiliza el LP 110 son cielos uniformemente nublados sin radiación solar directa (A), o se utilizan antes del amanecer o después del atardecer (B). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

  1. Seleccione Medición en el menú principal (presione la tecla Set) y, a continuación, elija Lai Ref. Después de presionar la tecla Set, se activa el modo de medición de referencia.
    NOTA: El valor de irradiancia actual aparece en la pantalla. Este valor aún no está almacenado en la memoria interna del dispositivo (el modo de medición se activa en este momento).
  2. Posteriormente, presione la tecla Set nuevamente para comenzar una búsqueda de la posición correcta del sensor LAI (es decir, ángulo cenital 0 °) y para activar tanto el inclinómetro incorporado como el indicador de sonido.
    NOTA: Simultáneamente, la posición actual del sensor LAI aparece en la pantalla para los ejes X y Z.
  3. Después, sostenga el dispositivo perpendicularmente al suelo y asegúrese de que el sensor LAI apunte hacia el cenit.
    NOTA: El indicador de sonido aumenta de volumen a medida que se acerca al ángulo cenital correcto.
  4. Verifique la pantalla, incline el instrumento tanto hacia la izquierda como hacia la derecha, y hacia adelante y hacia atrás. El valor de referencia se adquiere automáticamente y se almacena inmediatamente una vez que el ángulo cenital definido por los ejes X y Z alcanza cero o menos de 5 (el tono de pitido se detiene).
    NOTA: Teniendo en cuenta que la posición correcta debe alcanzarse en un rango muy estrecho (es decir, mm), este paso puede ser agotador.
  1. Después de tomar las mediciones de referencia, vuelva al menú de medición presionando la tecla Menú. Luego, comience a medir el nivel de irradiancia transmitida debajo del dosel.
    1. Defina las posiciones para tomar lecturas por debajo del dosel y comience a tomar mediciones del valor de transmitancia de la luz utilizando el sensor LAI del dispositivo.
      NOTA: El patrón de mediciones de campo LAIe en diferentes estructuras de dosel es mencionado en detalle por Černý et al.36 y Fleck et al.37.
    2. Seleccione Lai en el menú de medición. Presione la tecla Set para activar el modo para tomar mediciones de irradiancia transmitida debajo del dosel.
      NOTA: El valor de irradiancia actual aparece en la pantalla. Este valor aún no está almacenado en la memoria interna del dispositivo (el modo de medición se activa en este momento).
    3. Presione la tecla Set nuevamente para grabar las lecturas debajo del dosel. El inclinómetro incorporado y el indicador de sonido se activan para obtener la posición correcta del sensor LAI (es decir, ángulo cenital 0 °).
      NOTA: Simultáneamente, la posición actual del sensor LAI aparece en la pantalla para los ejes X y Z.
    4. Posteriormente, sostenga el dispositivo perpendicularmente al suelo y asegúrese de que el sensor LAI apunte hacia el cenit.
      NOTA: El indicador de sonido aumenta de volumen a medida que se acerca al ángulo cenital correcto.
    5. Verifique la pantalla, incline el instrumento tanto hacia la izquierda como hacia la derecha, y hacia adelante y hacia atrás. Todas las lecturas debajo del dosel se adquieren automáticamente y se almacenan inmediatamente una vez que el ángulo cenital definido por los ejes X y Z alcanza cero o menos de 5 (el tono de pitido se detiene).
      NOTA: Teniendo en cuenta que la posición correcta debe alcanzarse en un rango muy estrecho (mm), este paso puede ser agotador.
  2. Proceda a tomar más medidas de la irradiancia transmitida debajo del dosel de la vegetación, siguiendo los pasos 2.7.3-2.7.5.
    NOTA: Las lecturas de referencia también se pueden tomar en cualquier momento entre las mediciones por debajo del dosel. Por ejemplo, después de completar cada transecto, presione el botón Menú, seleccione Lai Ref (mantenga presionada la tecla Establecer) y continúe de acuerdo con los pasos 2.6.2-2.6.4.Cuantas más lecturas por encima del dosel se tomen durante las mediciones por debajo del dosel, mayor precisión de los cálculos de referencia.
  3. Inmediatamente después de terminar de tomar medidas debajo del dosel (presione el botón Menú, seleccione Lai Ref y mantenga presionada la tecla Set), realice una medición de la irradiancia en un área abierta para obtener el último valor de referencia, siguiendo los pasos 2.6.2. a 2.6.4.
  4. Presione la tecla Menú repetidamente hasta que se seleccione Retorno para volver al menú principal y, a continuación, presione el botón Establecer.
  5. Después de cada medición, los datos se almacenan en la memoria interna del dispositivo. Mantenga presionado el botón Menú durante al menos 1 s para apagar el dispositivo de forma segura sin borrar ningún dato.
  6. Conecte el instrumento a la computadora; descargar y procesar los datos. En la sección 4 se describe un ejemplo de medición de campo y cálculo de LAIe.

3. Modo de sensor dual para estimar LAIe

  1. Encienda ambos instrumentos manteniendo pulsada la tecla Set durante al menos 1 s.
    NOTA: Instrument_1 y Instrument_2 están designados para las lecturas anteriores (referencia) y inferiores, respectivamente. En el modo de medición de doble sensor, un dispositivo (Instrument_1) está montado en un trípode en un área abierta (o en la parte superior de un mástil climático sobre el dosel), mientras que el segundo (Instrument_2) sirve para tomar mediciones debajo del dosel de la irradiancia transmitida. Instrument_1 registra automáticamente la señal de referencia en un intervalo de tiempo predefinido (desde 10 s hasta 600 s). Este enfoque recopila una cantidad significativa de datos de referencia, lo que aumenta la precisión al calcular los valores de referencia para mediciones individuales debajo del dosel.
  2. Establezca la fecha y hora actuales de ambos instrumentos (busque Configuración en el menú principal presionando repetidamente el botón Menú. A continuación, pulse Establecer | Tiempo | Establecer. Vuelva al menú principal (elija Retorno y mantenga presionada la tecla Establecer).
    NOTA: Para una configuración de hora exacta, haga coincidir la hora con la computadora como se muestra en el software correspondiente (conecte el dispositivo a la computadora a través del cable conectado. Abra el software y, a continuación, presione Configurar | | de ID de dispositivo Dispositivo. A continuación, elija y presione control en línea | Tiempo. Marque la opción Sincronizar con la hora del equipo y presione Editar).
  3. Después, ajuste ambos instrumentos al modo de medición de ángulo único. Seleccione Configuración (mantenga presionada la tecla Establecer) | Ángulos | Establecer | Single (confirmar con la tecla Menu). Vuelva al menú principal (elija Retorno y mantenga presionada la tecla Establecer).
    1. Si es necesario estimar la inclinación del ángulo de la hoja dentro del dosel de la vegetación estudiada, establezca Instrument_2 (lecturas debajo del dosel) en el modo de medición multiángulo. Seleccione Configuración (presione la tecla Establecer) | Ángulos (pulse el botón Set). A continuación, elija Multi (confirme con la tecla Menú) y, a continuación, vuelva al menú principal (elija Retorno y mantenga presionada la tecla Establecer).
  4. Si se requiere un registro sobre las posiciones de las mediciones debajo del dosel, encienda el dispositivo GPS correspondiente (consulte las secciones a continuación para obtener instrucciones detalladas y la Tabla de materiales); de lo contrario, vaya al paso 3.5.
    1. Asegúrese de que la hora que se muestra en el dispositivo utilizado para tomar lecturas debajo del dosel (Instrument_2) coincida con la computadora.
      NOTA: La hora debe establecerse correctamente para reflejar la zona horaria en la ubicación estudiada.
    2. Encienda el dispositivo GPS y espere un momento hasta que se encuentre la posición actual. Compruebe la ubicación que se muestra en el dispositivo GPS.
      NOTA: La precisión depende de la densidad del dosel de la vegetación estudiada.
    3. Lleve tanto el LP 110 utilizado para tomar lecturas por debajo del dosel (Instrument_2) como el dispositivo GPS al tomar todas las mediciones de campo.
    4. Después de tomar todas las mediciones de campo, conecte ambos dispositivos (Instrument_2 y el dispositivo GPS) a la computadora. Descargue y procese los datos en el software correspondiente (consulte la Tabla de materiales) deacuerdo con el Manual LP 110 y la Guía del usuario, sección35de instrucciones de operación.
  5. Calibre ambos instrumentos antes de comenzar cada campaña de medición de campo de acuerdo con las secciones 1.1 y 1.2.
    NOTA: Si ya se ha realizado la calibración, vaya al paso 3.5.1.
    1. Después de calibrar tanto el sensor LAI como el inclinómetro incorporado, calibre ambos dispositivos LP 110 (Instrument_1 y Instrument_2) entre sí.
      1. Para ambos dispositivos, seleccione Configuración en el menú principal (presione la tecla Establecer) y elija Calibración Lai (presione el botón Establecer). A continuación, mantenga ambos dispositivos en un plano horizontal en posición vertical y ajuste el valor constante (marcado como C en la pantalla) presionando repetidamente la tecla Set en Instrument_1 (lecturas de referencia) para lograr los mismos valores que se muestran en la pantalla del dispositivo en Instrument_2. Luego, presione el botón Menú y regrese al menú principal (elija Retorno y mantenga presionada la tecla Set).
  6. En climas soleados, evite que la luz solar directa entre en la taza de restricción de la vista al tomar todas las lecturas por encima del dosel (consulte la Figura 1).
    NOTA: Para el modo de medición de doble sensor, tome lecturas por encima y por debajo del dosel en condiciones de luz constante con nublado estándar, antes del amanecer o después del atardecer(Figura 2)para evitar obtener valores de irradiancia incorrectos.
  7. Coloque Instrument_1 verticalmente, ya sea a un trípode colocado en un área abierta o por encima del dosel estudiado (por ejemplo, en la parte superior de un mástil climático).
    NOTA: Este dispositivo registrará continuamente los valores de referencia (es decir, lecturas por encima del dosel).
    1. Primero, seleccione Configuración en el menú principal (presione la tecla Establecer) y, a continuación, elija Intervalo automático (presione nuevamente la tecla Establecer). A continuación, presione repetidamente la tecla Establecer y, a continuación, mantenga presionado el botón Menú para seleccionar el intervalo requerido para registrar automáticamente los valores de referencia (de 10 a 600 s).
      NOTA: Establezca un intervalo de tiempo más corto para registrar automáticamente las lecturas de referencia para aumentar la precisión de las mediciones si las condiciones de luz cambian rápidamente.
    2. Pulse la tecla Menú, seleccione Retornoy mantenga pulsado el botón Establecer para volver al menú principal.
    3. Posteriormente, presione el botón Menú (mantenga presionada la tecla Establecer) repetidamente para seleccionar Medición en el menú principal. Luego, elija Auto Lai Ref. (presione la tecla Set) para comenzar a buscar la posición correcta del sensor LAI (es decir, ángulo cenital 0 °).
      NOTA: El valor de irradiancia actual aparece en la pantalla. Este valor aún no está almacenado en la memoria interna del dispositivo (el modo de medición se activa en este momento).
    4. Verifique la pantalla, incline el instrumento tanto hacia la izquierda como hacia la derecha, y hacia adelante y hacia atrás. Después de alcanzar el ángulo cenital definido por los ejes X y Z con cero o menos que el valor de 5 (es decir, los ejes X y Z por debajo del valor de 5), fije el dispositivo firmemente en la posición requerida mencionada anteriormente y luego presione la tecla Set.
      NOTA: A partir de este paso, los valores de referencia (es decir, lecturas por encima del dosel) se registran automáticamente y se almacenan en el intervalo de tiempo predefinido (cada lectura va acompañada de pitidos). Evite cualquier desviación de la posición establecida de Instrument_1; de lo contrario, se interrumpirá la medición de referencia. Teniendo en cuenta que la posición correcta debe alcanzarse en un rango muy estrecho (mm), este paso puede ser agotador.
  8. Después, comience a medir la irradiancia transmitida por debajo del dosel de la vegetación (lecturas debajo del dosel) utilizando Instrument_2.
    NOTA: Durante todas las lecturas debajo del dosel, mantenga la misma orientación del campo de visión del sensor LAI (Instrument_2) que el sensor LAI de las lecturas de referencia (Instrument_1), por ejemplo, perpendicularmente al norte.
    1. Defina las posiciones para las lecturas debajo del dosel e inicie las mediciones del valor de transmitancia de la luz utilizando el sensor LAI del dispositivo.
      NOTA: El patrón de mediciones de campo LAIe en diferentes estructuras de dosel se describe exhaustivamente en Černý et al.36 y Fleck et al.37.
    2. En el menú principal, elija Medición (presione la tecla Set) y seleccione Lai. Presione la tecla Set para activar el modo de medición de irradiancia transmitida debajo del dosel.
      NOTA: El valor de irradiancia actual aparece en la pantalla. Este valor aún no se almacena en la memoria interna del dispositivo (solo se activa el modo de medición en este momento).
    3. Presione la tecla Set nuevamente para obtener el valor de la irradiancia transmitida debajo del dosel y active tanto el inclinómetro incorporado como el indicador de sonido que sirve para encontrar la posición correcta del sensor LAI (es decir, ángulo cenital 0 °).
      NOTA: Simultáneamente, la posición actual del sensor LAI aparece en pantalla para los ejes X y Z.
    4. Luego, mantenga el dispositivo perpendicularmente a la superficie del suelo para que sea el sensor LAI apuntando hacia el cenit.
      NOTA: El indicador de sonido aumenta su tono acercándose al ángulo cenital correcto.
    5. Verifique la pantalla, incline el instrumento tanto hacia la izquierda como hacia la derecha y hacia adelante y hacia atrás. Todas las lecturas debajo del dosel se adquieren automáticamente y se almacenan inmediatamente una vez que el ángulo cenital definido por los ejes X y Z alcanza cero o menos de 5 (el tono de pitido se detiene).
      NOTA: Teniendo en cuenta que la posición correcta debe alcanzarse en un rango muy estrecho (mm), este paso puede ser agotador.
  9. Proceda a tomar medidas adicionales de la irradiancia transmitida (es decir, lecturas debajo del dosel), siguiendo los pasos 3.8.3-3.8.5.
  10. Después de tomar las medidas debajo del dosel (Instrument_2), presione el botón Menú y la tecla Menú repetidamente hasta que se seleccione Retorno para volver al menú principal y, a continuación, presione el botón Establecer.
    NOTA: Después de completar todas las lecturas de referencia (Instrument_1), utilice de la misma manera que para Instrument_2.
  11. Los datos se guardan en la memoria del instrumento después de cada lectura. Mantenga presionado el botón Menú durante al menos 1 s para apagar el dispositivo de forma segura sin borrar ningún dato.
  12. Conecte el instrumento a la computadora; descargar y procesar los datos. En la sección 4 se describe un ejemplo de medición de campo y cálculo de LAIe.

4. Un ejemplo de medición de campo y cálculo LAIe

  1. Defina los puntos de medición para tomar medidas debajo del dosel. Organice el diseño de medición en el transecto (o una cuadrícula regular) con puntos de medición equidistantes para capturar la heterogeneidad del dosel de la vegetación causada por diferentes tamaños de huecos.
    NOTA: En la Figura 3se representa un diseño de transecto apropiado para la vegetación plantada en filas con un dosel homogéneo. Para obtener más detalles sobre el diseño de la medición, siga Černý et al.36 y Fleck et al.37.

figure-protocol-27277
Figura 3: Diseño del transecto para la estimación de LAIe en cubierta vegetal homogénea. Transecto I-IV: número del transecto; Χ: punto de medición para tomar la lectura por debajo del dosel. Las primeras diez posiciones están etiquetadas (1Χ-10Χ). Los transectos deben estar orientados perpendicularmente a las filas de plantas. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

  1. Tome medidas por encima y por debajo del dosel utilizando el modo de sensor simple o doble de acuerdo con la sección 2 o la sección 3, respectivamente.
  2. Después de completar todas las mediciones de campo, descargue los datos en la computadora desde el dispositivo LP 110 utilizado en modo de sensor simple o doble para estimar LAIe.
    NOTA: Para el modo de sensor dual, siga los pasos mencionados a continuación para ambos instrumentos (es decir, Instrument_1 y Instrument_2).
    1. Conecte el instrumento a la computadora a través del cable conectado.
      NOTA: Para el modo de sensor dual, conecte primero el dispositivo utilizado para tomar mediciones de referencia (es decir, lecturas por encima del dosel).
    2. Abra el software correspondiente (consulte tabla de materiales)y pulse la tecla Setup en la barra principal. A continuación, seleccione y pulse ID de dispositivo.
      NOTA: Dispositivo: LaiPen aparece en la esquina inferior izquierda.
    3. Presione el botón Dispositivo y posteriormente haga clic en Descargar.
      NOTA: El software también permite al usuario anotar cualquier comentario dentro de la hoja titulada Notas que se muestra en la esquina inferior izquierda. El software hace coincidir automáticamente las lecturas por encima del dosel con cada lectura por debajo del dosel (transmitancia) en función del tiempo de medición.
    4. Pulse el icono Archivo en el menú principal; elija y haga clic en Exportar. Luego, marque ALAI y presione OK para exportar los datos.
      NOTA: En el archivo exportado (txt., xls.), las lecturas por encima y por debajo del dosel (irradiancia transmitida) se marcan como Ref. Intensidad y transmitancia,respectivamente.
  3. Calcular el valor de transmitancia(t)para cada punto de medición dentro del transecto (o cuadrícula) según la ecuación 1: t = I / Io (irradiancia transmitida por debajo del dosel dividida por la irradiancia incidente sobre la vegetación) resultando en t1, t2,..., tn, donde n: es el número de puntos de medición debajo del dosel.
  4. Calcular la transmitancia media (T) del dosel vegetal estudiado, por ejemplo, en el primer transecto (T1): T1 = (t 1 + t2 ...+ t n ) /n,donde n: es el número de puntos de medición debajo del dosel dentro del primer transecto.
    NOTA: Si las mediciones se toman en múltiples transectos, proceda con todos los transectos (T2,T3y T4)de la misma manera.
  5. Dado que la intensidad de la irradiación disminuye exponencialmente a medida que pasa a través del dosel estudiado, calcule LAIe siguiendo la ley de extinción de Beer-Lambert modificada (ver ecuación 2).
    1. Primero, encontrar el logaritmo del valor de transmitancia media (T) del dosel de vegetación estudiado, por ejemplo, en el primer transecto (T_I): T_I = - ln T1.
      NOTA: Si se toman medidas en varios transectos, proceda con todos los transectos de la misma manera (es decir, T_II = - ln T2; T_III = - ln T3; T_IV = - ln T4).
      1. Calcule el valor medio de transmitancia (T) de todos los transectos individuales: T = [(- ln T_I) + (- ln T_II) + (- ln T_III) + (- ln T_IV)] / 4.
    2. Después, calcule el valor final de LAIe utilizando un coeficiente de extinción especificado para cada especie de planta de acuerdo con la ecuación 2.
      NOTA: Los coeficientes de extinción para las principales especies arbóreas se enumeran en Bréda9. En rodales forestales, la LAIe debe corregirse debido a un efecto de aglomeración del aparato de asimilación dentro de los brotes29,30,31,32,33,34 para obtener el valor real de LAI.

Resultados

La estructura espacial obtenida de ambos dispositivos probados obviamente difirió en todas las parcelas estudiadas, es decir, adelgazadas desde arriba (A), adelgazadas desde abajo (B) y un control sin ninguna intervención silvícola (C; ver Tabla 2 para más detalles). A nivel de stand, se confirmaron diferencias similares en los valores de LAI obtenidos del LP 110 y el Plant Canopy Analyzer entre parcelas adelgazadas con varias densidades (A vs.B) utilizando ANOVA y la prueba de Tukey. Para el Plant C...

Discusión

¿Cuáles son las diferencias entre el LP 110 como un dispositivo recién presentado para estimar LAI (o tomar mediciones de intensidad PAR) y el LAI-2200 PCA como una versión mejorada del estándar anterior LAI-2000 PCA para estimar LAI a través de un método indirecto? Más allá de que el precio sea aproximadamente cuatro veces más alto para el Plant Canopy Analyzer en comparación con el LP 110, se puede comparar el número de parámetros de salida, las condiciones de medición, los enfoques metodológicos y las p...

Divulgaciones

Los autores no tienen nada que revelar. Los resultados representativos se utilizaron del artículo Černý, J., Krejza, J., Pokorný, R., Bednář, P. LaiPen LP 100 - un nuevo dispositivo para estimar el índice de área foliar del ecosistema forestal en comparación con el etalon: Un estudio de caso metodológico. Revista de Ciencias Forestales. 64 (11), 455 a 468 (2018). DOI: 10.17221/112/2018-JFS basado en el amable permiso del consejo editorial del Journal of Forest Science.

Agradecimientos

Los autores están en deuda con el consejo editorial del Journal of Forest Science por alentarnos y autorizarnos a utilizar los resultados representativos en este protocolo del artículo publicado allí.

La investigación fue apoyada financieramente por el Ministerio de Agricultura de la República Checa, apoyo institucional MZE-RO0118, Agencia Nacional de Investigación Agrícola (Proyecto No. QK21020307), y el programa de investigación e innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea (acuerdo de subvención n.º 952314).

Los autores también agradecen amablemente a tres revisores anónimos por su crítica constructiva, que mejoró el manuscrito. Además, gracias a Dusan Bartos, Alena Hvezdova y Tomas Petr por ayudar con las mediciones de campo y a la compañía Photon Systems Instruments Ltd. por su colaboración y proporcionar fotos de dispositivos.

Materiales

NameCompanyCatalog NumberComments
AccuPARMETER Group, Inc., Pullman, WA, USAAccuPaR LP-80https://www.metergroup.com/environment/products/accupar-lp-80-leaf-area-index/
DEMONCSIRO, Canberra, AustraliaDEMON
File ViewerLI-COR Biosciences Inc., NE, USAFV2200C Softwarehttps://www.licor.com/env/products/leaf_area/LAI-2200C/software.html
FluorPenPhoton System Instruments Ltd. (PSI), Czech RepublicFluorPen 1.1.2.3 Sofwarehttps://handheld.psi.cz/products/laipen/#download
Hand-held GPS deviceGarmin Ltd., Czech RepublicGarmin eTrex 32x Europe46https://www.garmin.cz/garmin-etrex-32x-europe46/80117
Hand-held device for leaf area index estimation(LP 110)Photon System Instruments Ltd. (PSI) Czech RepublicLaiPen LP 110https://handheld.psi.cz/products/laipen/#info
Plant Canopy AnalyserLI-COR Biosciences Inc., NE, USALAI-2000 PCALAI-2200 PCA or LAI-2200C as improved versions of LAI-2000 PCA can be used, see: https://www.licor.com/env/products/leaf_area/LAI-2200C/
Statistical softwareSystat Software Inc., CA, USASigmaPlot 13.0https://systatsoftware.com/products/sigmaplot/sigmaplot-version-13/?gclid=Cj0KCQjwzYGGBhCTARIs
AHdMTQzgfb42vv0mWmcbVcflNO
UvrLl802Lrhkfh23Qie2mIZfw4O8kp
7p0aAsoiEALw_wcB
Statistical softwareStatSoft Inc., OK, USASTATISTICA 10.0For LAI visualization, wafer-plots in STATISTICA 10.0 were employed.
SunScanDelta-T Devices, Ltd., Cambridge, UKSS1 SunScanhttps://www.delta-t.co.uk/product/sunscan
TRAC3rd Wave Engineering, Ontarion CanadaTracing Radiation and Architecture of Canopieshttp://faculty.geog.utoronto.ca/Chen/Chen's%20homepage/res_trac.htm
TripodAnyNATripod with standard nut
Water levelAnyNA

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