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Method Article
La stima rapida e precisa dell'indice di area fogliare (LAI) negli ecosistemi terrestri è fondamentale per un'ampia gamma di studi ecologici e per la calibrazione dei prodotti di telerilevamento. Qui è presentato il protocollo per l'utilizzo del nuovo dispositivo ottico LP 110 per effettuare misurazioni LAI in situ a terra.
L'indice di area fogliare (LAI) è una variabile essenziale della chioma che descrive la quantità di fogliame in un ecosistema. Il parametro funge da interfaccia tra i componenti verdi delle piante e l'atmosfera, e molti processi fisiologici si verificano lì, principalmente l'assorbimento fotosintetico, la respirazione e la traspirazione. LAI è anche un parametro di input per molti modelli che coinvolgono carbonio, acqua e ciclo energetico. Inoltre, le misurazioni in situ a terra fungono da metodo di calibrazione per LAI ottenuto da prodotti di telerilevamento. Pertanto, sono necessari semplici metodi ottici indiretti per effettuare stime LAI precise e rapide. L'approccio metodologico, i vantaggi, le controversie e le prospettive future del dispositivo ottico LP 110 di nuova concezione basato sulla relazione tra la radiazione trasmessa attraverso la chioma della vegetazione e le lacune della chioma sono state discusse nel protocollo. Inoltre, lo strumento è stato confrontato con lo standard mondiale LAI-2200 Plant Canopy Analyzer. LP 110 consente un'elaborazione più rapida e diretta dei dati acquisiti sul campo ed è più conveniente rispetto al Plant Canopy Analyzer. Il nuovo strumento si caratterizza per la sua facilità d'uso sia per le letture sopra che sotto il baldacchino grazie alla sua maggiore sensibilità del sensore, all'inclinometro digitale integrato e alla registrazione automatica delle letture nella posizione corretta. Pertanto, il dispositivo portatile LP 110 è un gadget adatto per eseguire stime LAI in silvicoltura, ecologia, orticoltura e agricoltura in base ai risultati rappresentativi. Inoltre, lo stesso dispositivo consente anche all'utente di effettuare misurazioni accurate dell'intensità della radiazione fotosinteticamente attiva (PAR) incidente.
I baldacchini sono loci di numerosi processi biologici, fisici, chimici ed ecologici. La maggior parte di loro sono affetti da strutture a baldacchino1. Pertanto, una quantificazione accurata, rapida, non distruttiva e affidabile della chioma della vegetazione in situ è fondamentale per una vasta gamma di studi che coinvolgono l'idrologia, il ciclo del carbonio e dei nutrienti e il cambiamento climatico globale2,3. Poiché le foglie o gli aghi rappresentano un'interfaccia attiva tra l'atmosfera e la vegetazione4, una delle caratteristiche strutturali critiche della chioma è l'indice di area fogliare (LAI)5, definito come la metà della superficie totale delle foglie verdi per unità di superficie orizzontale del suolo o proiezione della corona per gli individui, espresso in m2 per m2 come variabile adimensionale6, 7.
Vari strumenti e approcci metodologici per stimare i LAI terrestri e i loro pro e contro in diversi ecosistemi sono già stati presentati8,9,10,11,12,13,14,15. Esistono due categorie principali di metodi di stima LAI: diretti e indiretti (vedere le revisioni complete8,9,10,11,12 per maggiori dettagli). Utilizzate principalmente negli stand forestali, le stime LAI a terra sono ottenute abitualmente utilizzando metodi ottici indiretti a causa della mancanza di determinazione diretta della LAI, ma di solito rappresentavano un metodo dispendioso in termini di tempo, laborioso e distruttivo9,10,12,16. Inoltre, i metodi ottici indiretti derivano LAI da parametri correlati più facilmente misurabili (dal punto di vista della sua natura dispendiosa in termini di tempo e lavoro intenso)17, come il rapporto tra irradiazione incidente sopra e sotto la chioma e la quantificazione degli spazi tra le fessure della chioma14. È evidente che gli analizzatori plantare sono stati ampiamente utilizzati anche per convalidare i recuperi LAI satellitari18; pertanto, è stato considerato uno standard per il confronto LP 110 (vedere Tabella dei materiali per maggiori dettagli sugli strumenti impiegati).
L'LP 110, come versione aggiornata dello strumento semplice inizialmente autoprodotto ALAI-02D19 e successivamente LP 10020,è stato sviluppato come uno stretto concorrente per plant canopy analyzers. Come rappresentante dei metodi ottici indiretti, il dispositivo è portatile, leggero, alimentato a batteria, senza alcuna necessità di un collegamento via cavo tra il sensore e il data-logger che utilizza un inclinometro digitale anziché un livello di bolla e consente un posizionamento e una lettura del valore più rapidi e accurati. Inoltre, il dispositivo è stato progettato per annotare letture immediate. Pertanto, la stima del tempo necessaria per la raccolta dei dati sul campo è più breve per l'LP 110 rispetto a Plant Canopy Analyzer di circa 1/3. Dopo l'esportazione delle letture su un computer, i dati sono disponibili per la successiva elaborazione. Il dispositivo registra l'irraggiamento all'interno delle lunghezze d'onda della luce blu (cioè 380-490 nm)21,22 utilizzando un sensore LAI per effettuare un calcolo LAI. Il sensore LAI è mascherato da un tappo di restrizione opaco con campi visivi di 16° (asse Z) e 112° (asse X) (Figura 1). Pertanto, la trasmittanza luminosa può essere notata utilizzando il dispositivo tenuto perpendicolarmente alla superficie del suolo (cioè angolo zenitale 0 °), o a cinque diversi angoli di 0 °, 16 °, 32 °, 48 ° e 64 ° per essere in grado di dedurre anche l'inclinazione degli elementi del baldacchino.
Figura 1: Caratteristiche fisiche dell'LP 110. Il tasto MENU consente all'utente di spostarsi verso l'alto e verso il basso in tutto il display e il pulsante SET funge da tasto Invio (A). La vista zenitale con diversi angoli di inclinazione (±8 a causa della vista laterale) e la vista orizzontale è fissata per LP da 110 a 112 °(B)in modo simile al Plant Canopy Analyzer (modificato da limitatori). Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Grazie alla maggiore sensibilità del sensore LAI, al suo campo visivo ristretto, all'inclinometro digitale integrato, alla registrazione automatica dei valori di lettura nella posizione corretta indicata dal suono senza premere un pulsante, il nuovo strumento è adatto anche per letture sopra la chioma in valli strette o anche su strade forestali più ampie per misurare una vasta gamma di condizioni del cielo. Oltre a ciò, consente la quantificazione di tettoie mature al di sopra della rigenerazione relativamente elevata e raggiunge una maggiore precisione dei valori di irradianza rispetto a Plant Canopy Analyzer. Inoltre, il prezzo di LP 110 è pari a circa 1/4 del Plant Canopy Analyzer. Al contrario, l'utilizzo di LP 110 in densi (cioè LAIe a livello di stand superiori a 7,88)23 o tettoie molto basse come prateria è limitato.
L'LP 110 può funzionare all'interno di due modalità operative: (i) una singola modalità sensore che prende sia letture sotto la tettugia che di riferimento (sopra la chioma studiata o in una radura sufficientemente diffusa situata nelle vicinanze della vegetazione analizzata) eseguite prima, dopo o durante le misurazioni sotto la tettugia effettuate con lo stesso strumento e (ii) una modalità a doppio sensore utilizzando il primo strumento per effettuare letture sotto la chioma, mentre il secondo è impiegato per registrare automaticamente le letture di riferimento all'interno di un intervallo di tempo predefinito regolare (da 10 a 600 s). L'LP 110 può essere abbinato a un dispositivo GPS compatibile (vedi Tabella dei materiali)per registrare le coordinate di ciascun punto di misurazione sotto il baldacchino per entrambe le modalità sopra menzionate.
L'indice di area fogliare efficace (LAIe)24 incorpora l'effetto dell'indice di aggregazione e può essere derivato dalle misurazioni dell'irraggiamento del fascio solare prese sopra e sotto la chioma vegetale studiata25. Pertanto, per il seguente calcolo LAIe, la trasmittanza (t) deve essere calcolata dall'irradiazione sia trasmessa sotto la chioma (I) che incidente sopra la vegetazione (Io) misurata dal dispositivo LP 110.
t = I / I0 (1)
Poiché l'intensità dell'irradiazione diminuisce esponenzialmente mentre passa attraverso una chioma di vegetazione, LAIe può essere calcolata secondo la legge di estinzione di Beer-Lambert modificata da Monsi e Saeki9,26
LAIe = - ln (I / I0) x k-1 (2),
Dove, k è il coefficiente di estinzione. Il coefficiente di estinzione riflette la forma, l'orientamento e la posizione di ciascun elemento nella chioma della vegetazione con l'inclinazione nota dell'elemento della chioma e la direzione della vista9,12. Il coefficiente k (vedi equazione 2) dipende dall'assorbimento dell'irraggiamento da parte del fogliame e differisce tra le specie vegetali in base ai parametri morfologici degli elementi della chioma, alla loro disposizione spaziale e alle proprietà ottiche. Poiché il coefficiente di estinzione di solito oscilla intorno a 0,59,27, l'equazione 2 può essere semplificata come presentato da Lang et al.28 in un modo leggermente diverso per baldacchini eterogenei e omogenei:
In una chioma eterogenea
LAIe = 2 x | ln t| (3),
o
In una chioma omogenea
LAIe = 2 x |ln T| (4),
Dove, t: è la trasmittanza in ciascun punto di misurazione al di sotto della chioma e T: è la trasmittanza media di tutti i valori t per transetto o supporto misurato.
Nei popolamenti forestali, LAIe deve essere ulteriormente corretto a causa di un effetto aggregante dell'apparato di assimilazione all'interno dei germogli29,30,31,32,33,34 per ottenere il valore LAI effettivo.
Il protocollo è dedicato all'utilizzo pratico del dispositivo ottico LP 110 per la stima del LAIe in un esempio selezionato di popolamenti forestali di conifere dell'Europa centrale (vedi Tabella 2 e Tabella 3 per le caratteristiche del sito, strutturali e dendrometriche). La stima LAIe in una chioma di vegetazione che utilizza questo dispositivo si basa su un metodo ottico ampiamente utilizzato relativo alla trasmissione della radiazione fotosinteticamente attiva e della frazione del gap della chioma. Il documento mira a fornire un protocollo completo per l'esecuzione della stima LAIe utilizzando il nuovo dispositivo ottico LP 110.
NOTA: prima di iniziare a effettuare le misurazioni sul campo pianificate, caricare sufficientemente la batteria del dispositivo LP 110. Collegare lo strumento (connettore USB, vedere Figura 1)e il computer tramite il cavo collegato. Lo stato della batteria viene visualizzato nell'angolo superiore sinistro del display del dispositivo.
1. Calibrazione prima della misurazione
NOTA: per LP 110, eseguire una calibrazione scura del sensore LAI e delle calibrazioni dell'inclinometro integrato prima di iniziare ogni campagna di misurazione sul campo.
2. Modalità sensore singolo per la stima LAIe
Figura 2: Condizioni meteorologiche ottimali per effettuare misurazioni LAIe utilizzando LP 110. Le condizioni meteorologiche ottimali quando si utilizza l'LP 110 sono cieli uniformemente nuvolosi senza radiazione solare diretta (A), o utilizzare prima dell'alba o dopo il tramonto (B). Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
3. Modalità a doppio sensore per la stima di LAIe
4. Un esempio di misurazione sul campo e calcolo LAIe
Figura 3: Layout del transetto per la stima del LAIe in una copertura vegetale omogenea. Transetto I-IV: numero del transetto; Χ: punto di misurazione per la lettura sotto il baldacchino. Le prime dieci posizioni sono etichettate (1Χ-10Χ). I transetti devono essere orientati perpendicolarmente alle file di piante. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
La struttura spaziale ottenuta da entrambi i dispositivi testati differiva ovviamente in tutti gli appezzamenti studiati, cioè assottigliati dall'alto (A), assottigliati dal basso (B) e un controllo senza alcun intervento selvicolturale (C; vedi Tabella 2 per maggiori dettagli). A livello di stand, differenze simili nei valori LAI ottenuti dall'LP 110 e dal Plant Canopy Analyzer sono state confermate tra appezzamenti assottigliati con varie densità (A vs.B) utilizzando il test ANOVA e Tukey. Per il Pla...
Quali sono le differenze tra l'LP 110 come dispositivo appena presentato per stimare il LAI (o prendere misure di intensità PAR) e il LAI-2200 PCA come versione migliorata del precedente standard LAI-2000 PCA per la stima del LAI tramite un metodo indiretto? Oltre al fatto che il prezzo è circa quattro volte superiore per il Plant Canopy Analyzer rispetto all'LP 110, è possibile confrontare il numero di parametri di output, le condizioni di misurazione, gli approcci metodologici e le possibilità di stimare LAI per di...
Gli autori non hanno nulla da rivelare. I risultati rappresentativi sono stati utilizzati dall'articolo Černý, J., Krejza, J., Pokorný, R., Bednář, P. LaiPen LP 100 - un nuovo dispositivo per stimare l'indice dell'area fogliare dell'ecosistema forestale rispetto all'etalon: un caso di studio metodologico. Giornale di scienza forestale. 64 (11), 455-468 (2018). DOI: 10.17221/112/2018-JFS basato sul gentile permesso del comitato editoriale del Journal of Forest Science.
Gli autori sono in debito con il comitato editoriale del Journal of Forest Science per averci incoraggiato e autorizzato a utilizzare i risultati rappresentativi in questo protocollo dall'articolo pubblicato lì.
La ricerca è stata sostenuta finanziariamente dal Ministero dell'Agricoltura della Repubblica Ceca, supporto istituzionale MZE-RO0118, Agenzia Nazionale di Ricerca Agricola (Progetto No. QK21020307) e il programma di ricerca e innovazione Horizon 2020 dell'Unione Europea (convenzione di sovvenzione n. 952314).
Gli autori ringraziano anche tre revisori anonimi per le loro critiche costruttive, che hanno migliorato il manoscritto. Inoltre, i ringraziamenti vanno a Dusan Bartos, Alena Hvezdova e Tomas Petr per l'aiuto con le misurazioni sul campo e la società Photon Systems Instruments Ltd. per la loro collaborazione e la fornitura di foto del dispositivo.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
AccuPAR | METER Group, Inc., Pullman, WA, USA | AccuPaR LP-80 | https://www.metergroup.com/environment/products/accupar-lp-80-leaf-area-index/ |
DEMON | CSIRO, Canberra, Australia | DEMON | |
File Viewer | LI-COR Biosciences Inc., NE, USA | FV2200C Software | https://www.licor.com/env/products/leaf_area/LAI-2200C/software.html |
FluorPen | Photon System Instruments Ltd. (PSI), Czech Republic | FluorPen 1.1.2.3 Sofware | https://handheld.psi.cz/products/laipen/#download |
Hand-held GPS device | Garmin Ltd., Czech Republic | Garmin eTrex 32x Europe46 | https://www.garmin.cz/garmin-etrex-32x-europe46/80117 |
Hand-held device for leaf area index estimation(LP 110) | Photon System Instruments Ltd. (PSI) Czech Republic | LaiPen LP 110 | https://handheld.psi.cz/products/laipen/#info |
Plant Canopy Analyser | LI-COR Biosciences Inc., NE, USA | LAI-2000 PCA | LAI-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 software | Systat Software Inc., CA, USA | SigmaPlot 13.0 | https://systatsoftware.com/products/sigmaplot/sigmaplot-version-13/?gclid=Cj0KCQjwzYGGBhCTARIs AHdMTQzgfb42vv0mWmcbVcflNO UvrLl802Lrhkfh23Qie2mIZfw4O8kp 7p0aAsoiEALw_wcB |
Statistical software | StatSoft Inc., OK, USA | STATISTICA 10.0 | For LAI visualization, wafer-plots in STATISTICA 10.0 were employed. |
SunScan | Delta-T Devices, Ltd., Cambridge, UK | SS1 SunScan | https://www.delta-t.co.uk/product/sunscan |
TRAC | 3rd Wave Engineering, Ontarion Canada | Tracing Radiation and Architecture of Canopies | http://faculty.geog.utoronto.ca/Chen/Chen's%20homepage/res_trac.htm |
Tripod | Any | NA | Tripod with standard nut |
Water level | Any | NA |
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