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Resumo

A estimativa rápida e precisa do índice de área de folha (LAI) nos ecossistemas terrestres é crucial para uma ampla gama de estudos ecológicos e calibração de produtos de sensoriamento remoto. Apresentado aqui é o protocolo para o uso do novo dispositivo óptico LP 110 para tomar medidas terrestres in situ LAI.

Resumo

O índice da área de folha (LAI) é uma variável essencial do dossel que descreve a quantidade de folhagens em um ecossistema. O parâmetro serve como interface entre componentes verdes das plantas e da atmosfera, e muitos processos fisiológicos ocorrem lá, principalmente captação fotossintética, respiração e transpiração. LAI também é um parâmetro de entrada para muitos modelos que envolvem carbono, água e o ciclo de energia. Além disso, as medições in situ baseadas no solo servem como o método de calibração para LAI obtido a partir de produtos de sensoriamento remoto. Portanto, métodos ópticos indiretos simples são necessários para fazer estimativas LAI precisas e rápidas. A abordagem metodológica, vantagens, controvérsias e perspectivas futuras do recém-desenvolvido dispositivo óptico LP 110 com base na relação entre radiação transmitida através do dossel de vegetação e lacunas de dossel foram discutidas no protocolo. Além disso, o instrumento foi comparado com o LAI-2200 Plant Canopy Analyzer padrão mundial. O LP 110 permite um processamento mais rápido e mais direto de dados adquiridos no campo, e é mais acessível do que o Analisador de Dossel de Plantas. O novo instrumento é caracterizado por sua facilidade de uso para leituras acima e abaixo do dossel devido à sua maior sensibilidade sensorial, inclinômetro digital embutido e registro automático de leituras na posição correta. Portanto, o dispositivo LP 110 portátil é um dispositivo adequado para a realização da estimativa LAI em silvicultura, ecologia, horticultura e agricultura com base nos resultados representativos. Além disso, o mesmo dispositivo também permite que o usuário faça medições precisas da intensidade de radiação fotosíntese (PAR) incidente.

Introdução

As copas são loci de numerosos processos biológicos, físicos, químicos e ecológicos. A maioria deles é afetada pelas estruturas do dossel1. Portanto, a quantificação precisa, rápida, não destrutiva e confiável do dossel de vegetação in situ é crucial para uma ampla gama de estudos envolvendo hidrologia, ciclismo de carbono e nutrientes e mudança climática global2,3. Uma vez que as folhas ou agulhas representam uma interface ativa entre a atmosfera e a vegetação4, uma das características estruturais críticas do dossel é o índice de área de folha (LAI)5, definido como metade da área total da superfície da folha verde por unidade de área horizontal da superfície do solo ou projeção da coroa para indivíduos, expressa em m2 por m2 como variável inativa6, 7.

Vários instrumentos e abordagens metodológicas para estimar a LAI terrestre e seus prós e contras em diversos ecossistemas já foram apresentados8,9,10,11,12,13,14,15. Existem duas categorias principais de métodos de estimativa LAI: direto e indireto (ver revisões abrangentes8,9,10,11,12 para mais detalhes). Utilizadas principalmente em estandes florestais, as estimativas de LAI baseadas no solo são obtidas rotineiramente usando métodos ópticos indiretos devido à falta de determinação direta da LAI, mas geralmente representavam um método demorado, intensivo em mão-de-obra e destrutivo9,10,12,16. Além disso, os métodos ópticos indiretos derivam da LAI de parâmetros relacionados com mais facilidade (do ponto de vista de sua natureza temporal e intensa de trabalho)17, como a razão entre a irradiação incidente acima e abaixo do dossel e a quantificação das lacunas do dossel14. É evidente que os Analisadores de Dossel de Plantas também têm sido amplamente utilizados para validar asrecuperações lai por satélite 18; portanto, tem sido considerado um padrão para comparação lp 110 (ver Tabela de Materiais para mais detalhes sobre instrumentos empregados).

O LP 110, como uma versão atualizada do inicialmente auto-fabricado instrumento simples ALAI-02D19 e posterior LP 10020,foi desenvolvido como um concorrente próximo para a Plant Canopy Analyzeers. Como representante de métodos ópticos indiretos, o dispositivo é portátil, leve, alimentado por bateria, sem qualquer necessidade de uma conexão de cabo entre o sensor e o data-logger que usa um inclinômetro digital em vez de um nível de bolha e permite um posicionamento e leitura de valor mais rápido e precisos. Além disso, o dispositivo foi projetado para observar leituras imediatas. Assim, a estimativa de tempo necessária para a coleta de dados no campo é menor para o LP 110 do que o Plant Canopy Analyzer em aproximadamente 1/3. Após a exportação de leituras para um computador, os dados estão disponíveis para processamento subsequente. O dispositivo registra irradiação dentro dos comprimentos de onda da luz azul (ou seja, 380-490 nm)21,22 usando um sensor LAI para fazer um cálculo LAI. O sensor LAI é mascarado por uma tampa de restrição opaca com campos de visão de 16° (eixo Z) e 112° (eixo X)(Figura 1). Assim, a transmissão de luz pode ser notada usando o dispositivo mantido perpendicularmente à superfície do solo (ou seja, ângulo zenith 0°), ou em cinco ângulos diferentes de 0°, 16°, 32°, 48°e 64° para ser capaz também de deduzir a inclinação dos elementos do dossel.

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Figura 1: Características físicas do LP 110. A tecla MENU permite que o usuário mude para cima e para baixo ao longo do visor, e o botão SET serve como a tecla Enter(A). A visão zenith sob diferentes ângulos de inclinação (±8 devido à visão lateral) e a visão horizontal é fixada para LP 110 a 112°(B)similarmente ao Analisador de Dossel de Plantas (modificado por restritores). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Devido à maior sensibilidade do sensor LAI, seu campo de visão restrito, inclinômetro digital embutido, registro automático de valores de leitura na posição correta indicada pelo som sem pressão de botão, o novo instrumento também é adequado para leituras acima do dossel em vales estreitos ou mesmo em estradas florestais mais amplas para medir uma ampla gama de condições do céu. Além disso, permite quantificação de copas de suporte maduras acima da regeneração relativamente alta, e atinge maior precisão dos valores de irradiação do que o Analisador de Dossel de Plantas. Além disso, o preço do LP 110 equivale a cerca de 1/4 do Analisador de Dossel de Plantas. Ao contrário, a utilização do LP 110 em densa (ou seja, LAIe ao nível de suporte acima de 7,88)23 ou canopies muito baixas como pastagem é limitada.

O LP 110 pode funcionar dentro de dois modos de operação: (i) um único modo de sensor tendo leituras abaixo do dossel e referência (acima do dossel estudado ou em uma clareira suficientemente difundida localizada nas proximidades da vegetação analisada) realizada antes, depois ou durante medições abaixo do dossel feitas com o mesmo instrumento e (ii) um modo de sensor duplo usando o primeiro instrumento para fazer leituras abaixo do dossel, que o segundo é empregado para registrar automaticamente leituras de referência dentro de um intervalo de tempo pré-definido regular (de 10 até 600 s). O LP 110 pode ser combinado com um dispositivo GPS compatível (ver Tabela de Materiais) para registrar as coordenadas de cada ponto de medição abaixo do dossel para ambos os modos mencionados acima.

O índice de área de folha eficaz (LAIe)24 incorpora o efeito do índice de desatoque e pode ser derivado de medições de irradiação de feixe solar tomadas acima e abaixo do dossel de vegetação estudado25. Assim, para o seguinte cálculo LAIe, a transmissão (t) deve ser calculada a partir da irradiação tanto transmitida abaixo do dossel (I) quanto incidente acima da vegetação (Io) medida pelo dispositivo LP 110.

t = I / I0 (1)

Uma vez que a intensidade de irradiação diminui exponencialmente à medida que passa por um dossel de vegetação, LAIe pode ser calculado de acordo com a lei de extinção beer-lambert modificada por Monsi e Saeki9,26

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

Onde k é o coeficiente de extinção. O coeficiente de extinção reflete a forma, orientação e posição de cada elemento no dossel de vegetação com a inclinação do elemento do dossel conhecido e a direção de visão9,12. O coeficiente k (ver equação 2) depende da absorção da irradiação por folhagem, e difere entre espécies vegetais baseadas nos parâmetros morfológicos dos elementos do dossel, seu arranjo espacial e propriedades ópticas. Uma vez que o coeficiente de extinção geralmente flutua em torno de 0,59,27, a equação 2 pode ser simplificada como apresentado por Lang et al.28 de uma maneira ligeiramente diferente para canopies heterogêneas e homogêneas:

Em um dossel heterogêneo

LAIe = 2 x | figure-introduction-8772 T| (3),

ou

Em um dossel homogêneo

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

Onde, t: é transmissão em cada ponto de medição abaixo do dossel, e T: é a transmissão média de todos os valores t por transect ou stand medido.

Nos estandes florestais, o LAIe deve ser ainda mais corrigido devido a um efeito desajeitado do aparelho de assimilação dentro dos brotos29,30,31,32,33,34 para obter o valor real da LAI.

O protocolo é dedicado à utilização prática do dispositivo óptico LP 110 para estimar o LAIe em um exemplo selecionado de estandes de floresta conífera da Europa Central (ver Tabela 2 e Tabela 3 para as características do local, estrutural e dendrométrica). A estimativa de LAIe em um dossel de vegetação usando este dispositivo é baseada em um método óptico amplamente utilizado relacionado à transmissão de radiação fotossintética ativa e fração de lacuna de dossel. O artigo tem como objetivo fornecer um protocolo abrangente para a realização da estimativa LAIe usando o novo dispositivo óptico LP 110.

Protocolo

NOTA: Antes de começar a tomar medições de campo planejadas, carregue suficientemente a bateria do dispositivo LP 110. Conecte o instrumento (conector USB, veja a Figura 1) e o computador através do cabo conectado. O estado da bateria é mostrado no canto superior esquerdo do display do dispositivo.

1. Calibração antes da medição

NOTA: Para o LP 110, realize uma calibração escura do sensor LAI e calibrações do inclinômetro embutido antes de iniciar cada campanha de medição de campo.

  1. Calibração escura do sensor LAI
    1. Ligue o instrumento pressionando e segurando a tecla Set por pelo menos 1 s.
      NOTA: O botão Definir serve como a tecla Enter.
    2. Selecione Configurações (a tecla Menu permite mudar para cima e para baixo) e pressionar o Conjunto > Lai Cal., pressione a tecla Definir e, em seguida, verifique se a constante de calibração LAI está fixada para 1 (ou seja, C = 1,0); se não, pressione a tecla Definir repetidamente para ajustar a constante para 1.0 e voltar para o menu principal (pressione menu | | de retorno Conjunto).
      NOTA: Ao tomar medidas LAI usando o modo sensor único (ver seção 2), recomenda-se um valor constante de 1.0 para todas as medidas.
    3. Selecione Configurações e pressione | Lai zero | Conjunto. Cubra completamente o sensor LAI usando, por exemplo, um pano ou palma opaco para evitar interferências leves durante todo o processo de calibração. Depois, pressione a tecla Definir para manter o valor zero que aparece no visor.
    4. Pressione a tecla Menu repetidamente até que o Return seja selecionado para retornar ao menu principal e, em seguida, pressione a tecla Definir.
  2. Calibrações do inclinômetro
    NOTA: Cada dispositivo LP 110 é equipado com um inclinômetro eletrônico embutido para garantir o ângulo correto de inclinação das leituras. O inclinômetro interno deve ser (re)calibrado usando um nível de água.
    1. Calibração vertical
      1. Se o dispositivo estiver desligado, pressione e segure a tecla Definir por pelo menos 1 s para ligar o instrumento.
      2. Selecione Configurações e pressione | | Vertical Cal. Configurado para ativar o inclinômetro eletrônico.
      3. Segure o dispositivo verticalmente e coloque um nível de água em seu lado lateral junto com o instrumento.
      4. Equilibre o dispositivo para a esquerda ou para a direita de acordo com a bolha do nível da água para alcançar um valor zero ou próximo de zero para o eixo X. Caso não, pressione a tecla Definir para ajustar as leituras até que zero para o eixo X seja lido.
      5. Coloque o nível de água ao longo da parte traseira do dispositivo para completar a calibração vertical.
      6. Incline o dispositivo novamente para a esquerda ou para a direita e verifique se o visor do dispositivo lê zero para o eixo X.
      7. Segure a posição de ângulo zero para o eixo X e, simultaneamente, incline o dispositivo para frente ou para trás (o eixo Z) de acordo com a bolha do nível da água, certificando-se de manter o valor do ângulo do eixo X em zero ou perto de zero.
      8. Verifique se a leitura do eixo Z é igual a zero ou se aproxima de zero. Caso não, segure a tecla Definir e recalibrar o dispositivo para definir leituras zero para eixos X e Z.
      9. Pressione a tecla Menu repetidamente até que o Return seja selecionado para retornar ao menu principal e pressione a tecla Definir.
    2. Calibração horizontal
      1. Selecione Configurações e pressione o | do Conjunto | Horizontal Cal. Pronto para acionar o inclinômetro eletrônico.
      2. Segure o dispositivo horizontalmente. Em seguida, coloque o nível de água ao longo da parte traseira do dispositivo.
      3. Nivele o dispositivo na posição horizontal de acordo com as bolhas de nível de água. Incline o instrumento para a esquerda ou para a direita e para cima ou para baixo ao longo dos eixos X e Y, respectivamente.
      4. Depois de alcançar a posição correta do sensor de acordo com ambas as bolhas de nível de água, verifique se a leitura para o eixo Y é zero ou perto de zero. Caso não, pressione a tecla Definir para recalibrar a posição horizontal do instrumento.
      5. Pressione a tecla Menu repetidamente até que o Return seja selecionado para retornar ao menu principal e pressione a tecla Definir.

2. Modo sensor único para estimativa de LAIe

  1. Se o dispositivo estiver desligado, pressione a tecla Definir por pelo menos 1 s para ligar o instrumento.
  2. Calibrar o instrumento antes de iniciar cada campanha de medição de campo de acordo com as etapas 1.1 e 1.2.
    NOTA: Se a calibração já tiver sido realizada, pule para a etapa 2.3.
  3. Depois, defina a data e a hora atuais (encontre Configurações no menu principal pressionando repetidamente a tecla Menu. Em seguida, pressione set | Tempo; pressione o botão Definir novamente) e retorne ao menu principal (selecione Retornar e segurar a tecla Definir).
    NOTA: Para uma configuração de tempo exata, combine o tempo com o computador exibido no software relevante (conecte o dispositivo LP 110 ao computador através do cabo conectado. Abra o software, pressione a configuração | | de ID do dispositivo Dispositivo. Escolha e pressione o | de controle on-line Tempo. Em seguida, marque a opção Sincronizar com a hora do computador e pressione Editar).
  4. Ajuste o instrumento para o modo de medição de ângulo único usando Configurações. | do conjunto de pressions Ângulos | Definir | Único (confirme usando a tecla Menu) e retorne ao menu principal (selecione Retornar e segurar a tecla Definir).
    1. Se a inclinação do ângulo da folha precisar ser estimada, defina o modo de medição de vários ângulos. Configurações | Ângulos | Multi (pressione o botão Menu) e retorne ao menu principal (selecione Retornar e segure a tecla Definir).
  5. Se for necessário um registro sobre as posições das medidas, ligue o dispositivo GPS relevante (consulte as seções abaixo para obter instruções detalhadas e a Tabela de Materiais); se não, pule para o passo 2.6.
    1. Verifique se o tempo do dispositivo corresponde ao computador.
      NOTA: O tempo deve ser definido corretamente para refletir o fuso horário no local estudado.
    2. Ligue o dispositivo GPS e espere um momento até que a posição atual seja encontrada. Verifique a localização no visor do dispositivo GPS.
      NOTA: A precisão depende da densidade do dossel da vegetação estudada.
    3. Leve tanto o LP 110 quanto o dispositivo GPS ao fazer todas as medições de campo.
    4. Depois de tomar todas as medições de campo, conecte ambos os dispositivos ao computador, baixe e processe os dados no software relevante (ver Tabela de Materiais) de acordo com o Manual e Guia do Usuário do LP 110, seção Instruções de Operação35.
  6. Faça uma medição de referência em uma área aberta ou acima da vegetação medida (ou seja, uma leitura acima do dossel). Em tempo ensolarado, evite que a luz entre diretamente no copo de restrição de vista (ver Figura 1).
    NOTA: Para o modo de medição de sensor único, faça leituras acima e abaixo do dossel em condições constantes de luz durante o nublado padrão, antes do nascer do sol ou após o pôr do sol(Figura 2) para evitar obter valores de irradiação incorretos.

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Figura 2: Condições meteorológicas ideais para a tomada de medidas LAIe usando o LP 110. As condições meteorológicas ideais ao usar o LP 110 são céus uniformemente nublados sem radiação solar direta(A),ou usar antes do nascer do sol ou após o pôr do sol(B). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

  1. Selecione Medição no menu principal (pressione a tecla Definir e, em seguida, escolha Lai Ref. Depois de pressionar a tecla Definir, o modo de medição de referência é ativado.
    NOTA: O valor de irradiação atual aparece no visor. Esse valor ainda não está armazenado na memória interna do dispositivo (o modo de medição é acionado neste momento).
  2. Posteriormente, pressione novamente a tecla Set para iniciar uma busca pela posição correta do sensor LAI (ou seja, ângulo zenith 0°) e para ativar tanto o inclinômetro embutido quanto o indicador de som.
    NOTA: Simultaneamente, a posição atual do sensor LAI aparece no visor para eixos X e Z.
  3. Depois, segure o dispositivo perpendicularmente no chão e certifique-se de que o sensor LAI esteja apontado para o zênite.
    NOTA: O indicador de som aumenta de volume à medida que se aproxima do ângulo de zênite correto.
  4. Verifique o visor, incline o instrumento tanto para a esquerda quanto para a direita, e para frente e para trás. O valor de referência é adquirido automaticamente e armazenado imediatamente uma vez que o ângulo de zênite definido pelos eixos X e Z atinja zero ou menos de 5 (o tom de bipe pára).
    NOTA: Considerando que a posição correta deve ser alcançada em uma faixa muito estreita (ou seja, mm), esta etapa pode ser cansativa.
  1. Depois de tomar medidas de referência, retorne ao menu de medição pressionando a tecla Menu. Em seguida, comece a medir o nível de irradiação transmitida abaixo do dossel.
    1. Defina as posições para fazer leituras abaixo do dossel e comece a tomar medidas de valor de transmissão de luz usando o sensor LAI do dispositivo.
      NOTA: O padrão de medições de campo LAIe em diferentes estruturas de dossel é mencionado em detalhes por Černý et al.36 e Fleck et al.37.
    2. Selecione Lai no menu de medição. Pressione a tecla Definir para ativar o modo para tomar medidas de irradiação transmitidas abaixo do dossel.
      NOTA: O valor de irradiação atual aparece no visor. Esse valor ainda não está armazenado na memória interna do dispositivo (o modo de medição é acionado neste momento).
    3. Pressione a tecla Definir novamente para gravar as leituras abaixo do dossel. O inclinômetro embutido e o indicador de som são acionados para obter a posição correta do sensor LAI (ou seja, ângulo zenith 0°).
      NOTA: Simultaneamente, a posição atual do sensor LAI aparece no visor para eixos X e Z.
    4. Posteriormente, segure o dispositivo perpendicularmente no chão e certifique-se de que o sensor LAI esteja apontado para o zênite.
      NOTA: O indicador de som aumenta de volume à medida que se aproxima do ângulo de zênite correto.
    5. Verifique o visor, incline o instrumento tanto para a esquerda quanto para a direita, e para frente e para trás. Todas as leituras abaixo do dossel são automaticamente adquiridas e armazenadas imediatamente uma vez que o ângulo de zênite definido pelos eixos X e Z alcance zero ou menos de 5 (o tom de bipe pára).
      NOTA: Considerando que a posição correta deve ser alcançada em uma faixa muito estreita (mm), esta etapa pode ser cansativa.
  2. Prossiga com a tomada de novas medidas de irradiação transmitida abaixo do dossel de vegetação, seguindo as etapas 2.7.3-2.7.5.
    NOTA: As leituras de referência também podem ser feitas a qualquer momento entre as medições abaixo do dossel. Por exemplo, depois de completar cada transect, pressione o botão Menu, selecione Lai Ref (segure a tecla Definir) e continue de acordo com as etapas 2.6.2-2.6.4.As leituras mais acima do dossel feitas durante as medições abaixo do dossel, maior a precisão dos cálculos de referência.
  3. Imediatamente após terminar de fazer medições abaixo do dossel (pressione o botão Menu, selecione Lai Ref e segure a tecla Definir), faça uma medição da irradiação em uma área aberta para obter o último valor de referência, seguindo as etapas 2.6.2. para 2.6.4.
  4. Pressione a tecla Menu repetidamente até que o Return seja selecionado para retornar ao menu principal e pressione o botão Definir.
  5. Após cada medição, os dados são armazenados na memória interna do dispositivo. Segure o botão Menu por pelo menos 1 s para desligar o dispositivo com segurança sem apagar nenhum dado.
  6. Conectar o instrumento ao computador; baixar e processar os dados. Um exemplo de medição de campo e cálculo LAIe é descrito na seção 4.

3. Modo sensor duplo para estimar LAIe

  1. Ligue ambos os instrumentos segurando a tecla Set por pelo menos 1 s.
    NOTA: Instrument_1 e Instrument_2 são designados para leituras acima e abaixo do dossel, respectivamente. No modo de medição do sensor duplo, um dispositivo (Instrument_1) é montado em um tripé em uma área aberta (ou no topo de um mastro climático acima do dossel), enquanto o segundo (Instrument_2) serve para tomar medidas abaixo do dossel de irradiação transmitida. Instrument_1 registra automaticamente o sinal de referência em um intervalo de tempo predefinido (de 10 s até 600 s). Esta abordagem coleta uma quantidade significativa de dados de referência, aumentando assim a precisão no cálculo dos valores de referência para medições individuais abaixo do dossel.
  2. Defina a data e a hora atuais de ambos os instrumentos (encontre Configurações no menu principal pressionando repetidamente o botão Menu. Em seguida, pressione set | tempo | Conjunto. Retorne ao menu principal (escolha Retornar e segure a tecla Definir).
    NOTA: Para uma configuração de tempo exata, combine o tempo com o computador exibido no software relevante (conecte o dispositivo ao computador através do cabo conectado. Abra o software e pressione a configuração | | de ID do dispositivo Dispositivo. Em seguida, escolha e pressione o controle on-line | Tempo. Marque o Sincronizar com a opção Hora do Computador e pressione Editar).
  3. Em seguida, ajuste os dois instrumentos para o modo de medição de ângulo único. Selecione Configurações (segure a tecla Definir) | Ângulos | Definir | Único (confirmar com a tecla Menu). Retorne ao menu principal (escolha Retornar e segure a tecla Definir).
    1. Se a inclinação do ângulo da folha dentro do dossel de vegetação estudado precisar ser estimada, coloque Instrument_2 (leituras abaixo do dossel) para o modo de medição de vários ângulos. Selecione Configurações (pressione a tecla Definir) | Ângulos (pressione o botão Definir). Em seguida, escolha Multi (confirme com a tecla Menu) e, em seguida, retorne ao menu principal (escolha Retornar e segure a tecla Definir).
  4. Se for necessário um registro sobre as posições das medidas abaixo do dossel, ligue o dispositivo GPS relevante (consulte as seções abaixo para obter instruções detalhadas e a Tabela de Materiais); se não, pule para o passo 3.5.
    1. Certifique-se de que o tempo exibido no dispositivo usado para tirar leituras abaixo do dossel (Instrument_2) corresponda ao computador.
      NOTA: O tempo deve ser definido corretamente para refletir o fuso horário no local estudado.
    2. Ligue o dispositivo GPS e espere por um momento até que a posição atual seja encontrada. Verifique o local exibido no dispositivo GPS.
      NOTA: A precisão depende da densidade do dossel da vegetação estudada.
    3. Leve tanto o LP 110 usado para tirar leituras abaixo do dossel (Instrument_2) quanto o dispositivo GPS ao fazer todas as medições de campo.
    4. Depois de tomar todas as medições de campo, conecte ambos os dispositivos (Instrument_2 e o dispositivo GPS) ao computador. Baixe e processe os dados no software relevante (ver Tabela de Materiais) de acordo com o Manual e Guia do Usuário do LP 110, instruções de operação seção35.
  5. Calibrar ambos os instrumentos antes de iniciar cada campanha de medição de campo de acordo com as seções 1.1 e 1.2.
    NOTA: Se a calibração já tiver sido realizada, pule para a etapa 3.5.1.
    1. Depois de calibrar o sensor LAI e o inclinômetro embutido, calibrar ambos os dispositivos LP 110 (Instrument_1 e Instrument_2) entre si.
      1. Para ambos os dispositivos, selecione Configurações no menu principal (pressione a tecla Definir) e escolha Calibração Lai (pressione o botão Definir). Em seguida, segure ambos os dispositivos em um plano horizontal na posição vertical e ajuste o valor constante (marcado como C no display) pressionando repetidamente a tecla Definir em Instrument_1 (leituras de referência) para obter os mesmos valores representados na tela do dispositivo na Instrument_2. Em seguida, pressione o botão Menu e retorne ao menu principal (escolha Retornar e segure a tecla Definir).
  6. Em tempo ensolarado, evite que a luz solar direta entre no copo de restrição de vista ao fazer todas as leituras acima do dossel (ver Figura 1).
    NOTA: Para o modo de medição de sensores duplos, faça leituras acima e abaixo do dossel em condições constantes de luz com nublado padrão, antes do nascer do sol ou após o pôr do sol(Figura 2) para evitar obter valores de irradiação incorretos.
  7. Conecte Instrument_1 verticalmente a um tripé colocado em uma área aberta ou acima do dossel estudado (por exemplo, no topo de um mastro climático).
    NOTA: Este dispositivo registrará continuamente valores de referência (ou seja, leituras acima do dossel).
    1. Primeiro, selecione Configurações no menu principal (pressione a tecla Definir e, em seguida, escolha intervalo automático (pressione novamente a tecla Definir). Em seguida, pressione repetidamente a tecla Definir e, em seguida, segure o botão Menu para selecionar o intervalo necessário para registrar automaticamente valores de referência (de 10 a 600 s).
      NOTA: Defina um intervalo de tempo mais curto para registrar automaticamente as leituras de referência para aumentar a precisão das medições se as condições da luz mudarem rapidamente.
    2. Pressione a tecla Menu, selecione Retornare segure o botão Definir para retornar ao menu principal.
    3. Posteriormente, pressione o botão Menu (segure a tecla Definir) repetidamente para selecionar Medição no menu principal. Em seguida, escolha Auto Lai Ref. (pressione a tecla Definir) para começar a procurar a posição correta do sensor LAI (ou seja, ângulo zenith 0°).
      NOTA: O valor de irradiação atual aparece no visor. Esse valor ainda não está armazenado na memória interna do dispositivo (o modo de medição é acionado neste momento).
    4. Verifique o visor, incline o instrumento tanto para a esquerda quanto para a direita, e para frente e para trás. Depois de atingir o ângulo zenith definido por X-e-Z-axes com zero ou menos do que o valor de 5 (ou seja, ambos eixos X- e Z abaixo do valor de 5), fixe o dispositivo firmemente na posição exigida acima e, em seguida, pressione a tecla Definir.
      NOTA: A partir desta etapa, os valores de referência (ou seja, leituras acima do dossel) são automaticamente registrados e armazenados no intervalo de tempo predefinido (cada leitura é acompanhada de bipe). Evite qualquer desvio da posição definida de Instrument_1; caso contrário, a medição de referência será interrompida. Considerando que a posição correta deve ser alcançada em uma faixa muito estreita (mm), esta etapa pode ser cansativa.
  8. Depois, comece a medir a irradiação transmitida abaixo do dossel de vegetação (leituras abaixo do dossel) usando Instrument_2.
    NOTA: Durante todas as leituras abaixo do dossel, mantenha a mesma orientação do campo de visão do sensor LAI (Instrument_2) como o sensor LAI (Instrument_1), por exemplo, perpendicularmente ao norte.
    1. Defina as posições para leituras abaixo do dossel e inicie as medidas de valor de transmissão de luz usando o sensor LAI do dispositivo.
      NOTA: O padrão de medições de campo LAIe em diferentes estruturas de dossel é descrito de forma abrangente em Černý et al.36 e Fleck et al.37.
    2. No menu principal, escolha Medição (pressione a tecla Definir) e selecione Lai. Pressione a tecla Definir para ativar o modo para medição de irradiação transmitida abaixo do dossel.
      NOTA: O valor de irradiação atual aparece no visor. Esse valor ainda não está armazenado na memória interna do dispositivo (apenas o modo de medição é acionado neste momento).
    3. Pressione a tecla Set novamente para obter o valor da irradiação transmitida abaixo do dossel e acione tanto o inclinômetro embutido quanto o indicador de som que serve para encontrar a posição correta do sensor LAI (ou seja, ângulo zenith 0°).
      NOTA: Simultaneamente, a posição atual do sensor LAI aparece em exibição para eixos X e Z.
    4. Em seguida, mantenha o dispositivo perpendicularmente à superfície do solo para ser o sensor LAI apontado para o zênite.
      NOTA: O indicador de som aumenta seu tom ao se aproximar do ângulo de zênite correto.
    5. Verifique o visor, incline o instrumento tanto para a esquerda quanto para a direita e para a direita e para trás. Todas as leituras abaixo do dossel são automaticamente adquiridas e armazenadas imediatamente uma vez que o ângulo de zênite definido pelos eixos X e Z alcance zero ou menos de 5 (o tom de bipe pára).
      NOTA: Considerando que a posição correta deve ser alcançada em uma faixa muito estreita (mm), esta etapa pode ser cansativa.
  9. Prossiga com a tomada de novas medidas de irradiação transmitida (ou seja, leituras abaixo do dossel), seguindo as etapas 3.8.3-3.8.5.
  10. Depois de tomar as medidas abaixo do dossel (Instrument_2), pressione o botão Menu e a tecla Menu repetidamente até que o Return seja selecionado para retornar ao menu principal e, em seguida, pressione o botão Definir.
    NOTA: Após concluir todas as leituras de referência (Instrument_1), use da mesma forma que para Instrument_2.
  11. Os dados são salvos na memória do instrumento após cada leitura. Segure o botão Menu por pelo menos 1 s para desligar o dispositivo com segurança sem apagar nenhum dado.
  12. Conectar o instrumento ao computador; baixar e processar os dados. Um exemplo de medição de campo e cálculo LAIe é descrito na seção 4.

4. Um exemplo de medição de campo e cálculo LAIe

  1. Defina os pontos de medição para fazer medições abaixo do dossel. Organize o layout de medição em transect (ou uma grade regular) com pontos de medição equidistantes para capturar a heterogeneidade do dossel de vegetação causada por diferentes tamanhos de lacunas.
    NOTA: Um layout transect apropriado para vegetação plantada em fileiras com um dossel homogêneo é retratado na Figura 3. Para obter mais detalhes sobre o layout de medição, siga Černý et al.36 e Fleck et al.37.

figure-protocol-25608
Figura 3: Layout da Transect para estimar LAIe em cobertura de vegetação homogênea. Transect I-IV: número do transect; Χ: ponto de medição para fazer a leitura abaixo do dossel. As dez primeiras posições são rotuladas (1Χ-10Χ). Os transectos devem ser orientados perpendicularmente para as fileiras das plantas. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

  1. Faça medições acima e abaixo do dossel usando o modo sensor único ou duplo de acordo com a seção 2 ou seção 3, respectivamente.
  2. Depois de concluir todas as medições de campo, baixe os dados no computador a partir do dispositivo LP 110 usado no modo sensor único ou duplo para estimar LAIe.
    NOTA: Para o modo sensor duplo, siga os passos mencionados abaixo para ambos os instrumentos (ou seja, Instrument_1 e Instrument_2).
    1. Conecte o instrumento ao computador através do cabo conectado.
      NOTA: Para o modo sensor duplo, conecte primeiro o dispositivo usado para fazer medições de referência (ou seja, leituras acima do dossel).
    2. Abra o software relevante (ver Tabela de Materiais) e pressione a tecla Configuração na barra principal. Em seguida, selecione e pressione o ID do dispositivo.
      NOTA: Dispositivo: LaiPen aparece no canto inferior esquerdo.
    3. Pressione o botão Dispositivo e, posteriormente, clique em Baixar.
      NOTA: O software também permite que o usuário anote quaisquer observações dentro da folha intitulada Notas exibidas no canto inferior esquerdo. O software corresponde automaticamente às leituras acima do dossel com cada leitura abaixo do dossel (transmissão) com base no tempo de medição.
    4. Pressione o ícone Arquivo no menu principal; escolher e clicar em Exportar. Em seguida, marque ALAI e pressione OK para exportar os dados.
      NOTA: No arquivo exportado (txt., xls.), as leituras acima e abaixo do dossel (irradiação transmitida) são marcadas como Ref. Intensidade e transmissão,respectivamente.
  3. Calcule o valor de transmissão (t) para cada ponto de medição dentro do transect (ou grade) de acordo com a equação 1: t = I / Io (irradiação transmitida abaixo do dossel dividido por irradiação incidente acima da vegetação) resultando em t1, t2,..., tn,onde n: é o número de pontos de medição abaixo do dossel.
  4. Calcule a transmissão média (T)do dossel de vegetação estudado, por exemplo, no primeiro transect (T1): T1 = (t1 + t2...+ tn) / n, onde n: é o número de pontos de medição abaixo do dossel dentro do primeiro transect.
    NOTA: Se as medidas forem tomadas em transectas múltiplas, proceda com todos os transectos (T2, T3e T4) da mesma forma.
  5. Uma vez que a intensidade de irradiação diminui exponencialmente à medida que passa pelo dossel estudado, calcule LAIe seguindo a lei de extinção modificada de Beer-Lambert (ver equação 2).
    1. Primeiro, encontre o logaritmo do valor médio de transmissão(T)do dossel de vegetação estudado, por exemplo, no primeiro transect (T_I): T_I = - lnT 1.
      NOTA: Se as medidas forem tomadas em vários transectos, proceda com todos os transectos da mesma forma (ou seja, T_II = - lnT 2; T_III = - ln T3; T_IV = - Ln4).
      1. Calcule o valor médio de transmissão(T) de todos os transectos individuais: T = [(em T_I) + (- ln T_II) + (- ln T_III) + (- ln T_IV)] / 4.
    2. Depois, calcule o valor final do LAIe usando um coeficiente de extinção especificado para cada espécie de planta de acordo com a equação 2.
      NOTA: Os coeficientes de extinção para as principais espécies de árvores estão listados em Bréda9. Em estandes florestais, o LAIe deve ser corrigido devido a um efeito desajeitado do aparelho de assimilação dentro dos brotos29,30,31,32,33,34 para obter o valor real da LAI.

Resultados

A estrutura espacial obtida de ambos os dispositivos testados obviamente diferia em todas as parcelas estudadas, ou seja, diluídas de cima (A), diluídas a partir de baixo (B) e um controle sem qualquer intervenção silvicultural (C; ver Tabela 2 para mais detalhes). No nível de suporte, diferenças semelhantes nos valores LAI obtidos do LP 110 e do Analisador de Dossel de Plantas foram confirmadas entre parcelas finas com várias densidades (A vs.B) usando o teste de ANOVA e Tukey. Para o Analisador ...

Discussão

Quais são as diferenças entre o LP 110 como um dispositivo recém-apresentado para estimar LAI (ou tomar medidas de intensidade PAR) e o LAI-2200 PCA como uma versão melhorada do PCA padrão anterior LAI-2000 para estimar LAI através de um método indireto? Além do preço ser cerca de quatro vezes maior para o Analisador de Dossel de Plantas em comparação com o LP 110, o número de parâmetros de saída, condições de medição, abordagens metodológicas e possibilidades de estimar LAI para diferentes copas, prec...

Divulgações

Os autores não têm nada a revelar. Os resultados representativos foram utilizados a partir do artigo Černý, J., Krejza, J., Pokorný, R., Bednář, P. LaiPen LP 100 - um novo dispositivo para estimar o índice de área de folha do ecossistema florestal em comparação com o etalon: Um estudo de caso metológico. Revista de Ciência florestal. 64 (11), 455-468 (2018). DOI: 10.17221/112/2018-JFS com base na permissão gentil do conselho editorial do Journal of Forest Science.

Agradecimentos

Os autores estão em dívida com o conselho editorial do Journal of Forest Science por incentivar e autorizar a utilização dos resultados representativos neste protocolo do artigo publicado ali.

A pesquisa foi apoiada financeiramente pelo Ministério da Agricultura da República Tcheca, apoio institucional MZE-RO0118, Agência Nacional de Pesquisa Agropecuária (Projeto Nº. QK21020307), e o programa de pesquisa e inovação Horizon 2020 da União Europeia (acordo de subvenção nº 952314).

Os autores também agradecem gentilmente a três revisores anônimos por suas críticas construtivas, que melhoraram o manuscrito. Além disso, obrigado a Dusan Bartos, Alena Hvezdova e Tomas Petr por ajudar com medições de campo e a empresa Photon Systems Instruments Ltd. por sua colaboração e fornecimento de fotos de dispositivos.

Materiais

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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