JoVE Logo
АВТОРЫ
СВЯЖИТЕСЬ С НАМИ

Войдите в систему

Для просмотра этого контента требуется подписка на Jove Войдите в систему или начните бесплатную пробную версию.

В этой статье

  • Резюме
  • Аннотация
  • Введение
  • протокол
  • Результаты
  • Обсуждение
  • Раскрытие информации
  • Благодарности
  • Материалы
  • Ссылки
  • Перепечатки и разрешения

Резюме

Быстрая и точная оценка индекса площади листьев (LAI) в наземных экосистемах имеет решающее значение для широкого круга экологических исследований и калибровки продуктов дистанционного зондирования. Здесь представлен протокол использования нового оптического устройства LP 110 для проведения наземных измерений in situ LAI.

Аннотация

Индекс площади листьев (LAI) является важной переменной полога, описывающей количество листвы в экосистеме. Параметр служит интерфейсом между зелеными компонентами растений и атмосферой, и там происходят многие физиологические процессы, в первую очередь фотосинтетическое поглощение, дыхание и транспирация. LAI также является входным параметром для многих моделей, включающих углерод, воду и энергетический цикл. Кроме того, наземные измерения in situ служат методом калибровки для LAI, полученного из продуктов дистанционного зондирования. Поэтому для точных и быстрых оценок LAI необходимы простые косвенные оптические методы. В протоколе обсуждались методологический подход, преимущества, противоречия и будущие перспективы недавно разработанного оптического устройства LP 110, основанного на соотношении между излучением, передаваемым через растительный полог и зазоры полога. Кроме того, прибор сравнивался с анализатором растительного козырька мирового стандарта LAI-2200. LP 110 обеспечивает более быструю и простую обработку данных, полученных в полевых условиях, и он более доступен, чем анализатор навеса растений. Новый прибор характеризуется простотой использования как для показаний над, так и под навесом благодаря большей чувствительности датчика, встроенному цифровому инклинометру и автоматическому протоколированию показаний в правильном положении. Таким образом, портативное устройство LP 110 является подходящим гаджетом для выполнения оценки LAI в лесном хозяйстве, экологии, садоводстве и сельском хозяйстве на основе репрезентативных результатов. Кроме того, это же устройство также позволяет пользователю проводить точные измерения интенсивности падающего фотосинтетически активного излучения (PAR).

Введение

Навесы являются локусами многочисленных биологических, физических, химических и экологических процессов. Большинство из них поражены конструкциями навеса1. Поэтому точная, быстрая, неразрушающая и надежная количественная оценка полога растительности in situ имеет решающее значение для широкого круга исследований, связанных с гидрологией, круговоротом углерода и питательных веществ и глобальным изменением климата2,3. Поскольку листья или хвоя представляют собой активный интерфейс между атмосферой и растительностью4,одной из важнейших структурных характеристик полога является индекс площади листьев (LAI)5,определяемый как половина общей площади поверхности зеленого листа на единицу горизонтальной площади поверхности земли или проекции кроны для особей, выраженный вм2 нам2 как безразмерная переменная6, 7.

Различные инструменты и методологические подходы к оценке земного ЛАИ и их плюсов и минусов в разнообразных экосистемах уже были представлены8,9,10,11,12,13,14,15. Существует две основные категории методов оценки LAI: прямые и косвенные (более подробную информацию см. в комплексных обзорах8,9,10, 11,12). В основном используемые в лесных насаждениях, наземные оценки LAI обычно получаются с использованием косвенных оптических методов из-за отсутствия прямого определения LAI, но они обычно представляют собой трудоемкий, трудоемкий и разрушительный метод9,10,12,16. Кроме того, косвенные оптические методы получают LAI из более легкого измерения связанных параметров (с точки зрения его трудоемкого и трудоемкого характера)17,таких как соотношение между падающим облучением выше и ниже навеса и количественной оценкой зазоров навеса14. Очевидно, что анализаторы растительного навеса также широко использовались для проверки спутниковых извлеченийLAI18; поэтому он считается стандартом для сравнения LP 110 (см. Таблицу материалов для получения более подробной информации об используемых инструментах).

LP 110, как обновленная версия первоначально самодельного простого прибора ALAI-02D19, а затем LP 10020,был разработан в качестве близкого конкурента для анализаторов растительного навеса. Как представитель косвенных оптических методов, устройство является ручным, легким, с батарейным питанием, без необходимости кабельного соединения между датчиком и регистратором данных, которое использует цифровой инклинометр вместо пузырькового уровня и обеспечивает более быстрое и точное позиционирование и считывание значений. Кроме того, устройство было разработано для того, чтобы отмечать немедленные показания. Таким образом, оценка времени, необходимая для сбора данных в полевых условиях, короче для LP 110, чем для анализатора навеса растений, примерно на 1/3. После экспорта считываний на компьютер данные становятся доступными для последующей обработки. Прибор регистрирует излучение в пределах длин волн синего света (т.е. 380-490 нм)21,22 с использованием датчика LAI для выполнения расчета LAI. Датчик LAI замаскирован непрозрачной колпачкой ограничения с полями зрения 16° (ось Z) и 112° (ось X)(рисунок 1). Таким образом, коэффициент пропускания света может быть отмечен с помощью устройства, удерживаемого либо перпендикулярно поверхности земли (т.е. зенитный угол 0°), либо под пятью различными углами 0°, 16°, 32°, 48° и 64°, чтобы иметь возможность также выводить наклон элементов навеса.

figure-introduction-4471
Рисунок 1:Физические характеристики LP 110. Клавиша MENU позволяет пользователю перемещаться вверх и вниз по всему дисплею, а кнопка SET служит клавишей Enter (A). Зенитный вид под различными углами наклона (±8 из-за вида сбоку) и горизонтальный вид фиксируется для LP от 110 до 112°(B)аналогично анализатору навеса растений (модифицированному ограничителями). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Благодаря более высокой чувствительности датчика LAI, его ограниченному полю зрения, встроенному цифровому инклинометру, автоматическому регистрации значений показаний в правильном положении, обозначенном звуком без нажатия кнопки, новый прибор также подходит для показаний над навесом в узких долинах или даже на более широких лесных дорогах для измерения широкого диапазона условий неба. Кроме того, он позволяет количественно оценивать зрелые навесы выше относительно высокой регенерации и достигает более высокой точности значений излучения, чем анализатор растительного навеса. Более того, цена LP 110 равна примерно 1/4 plant Canopy Analyzer. Напротив, использование LP 110 в плотных (т.е. LAIe на уровне стенда выше 7,88)23 или очень низких навесах в качестве лугопастбищных угодий ограничено.

LP 110 может работать в двух режимах работы: (i) режим с одним датчиком, принимающий как показания ниже навеса, так и эталонные показания (над исследуемым навесом или в достаточно широко распространенной поляне, расположенной в непосредственной близости от анализируемой растительности), выполняемый до, после или во время измерений ниже навеса, выполненных с помощью одного и того же прибора, и (ii) режим двойного датчика с использованием первого прибора для снятия показаний ниже навеса, в то время как второй используется для автоматического регистрации контрольных показаний в пределах регулярного заданного интервала времени (от 10 до 600 с). LP 110 может быть сопоставлен с совместимым GPS-устройством (см. Таблицу материалов)для записи координат каждой точки измерения ниже навеса для обоих режимов, упомянутых выше.

Эффективный индекс площади листьев (LAIe)24 включает в себя эффект индекса слипания и может быть получен из измерений излучения солнечного пучка, взятых выше и ниже исследуемого растительного полога25. Таким образом, для следующего расчета LAIe коэффициент пропускания (t) должен рассчитываться на основе облучения, передаваемого как под навесом (I), так и падающего над растительностью(Io),измеренного устройством LP 110.

t = I / I0 (1)

Поскольку интенсивность облучения экспоненциально уменьшается по мере его прохождения через растительный полог, LAIe может быть рассчитан в соответствии с законом вымирания Бира-Ламберта, модифицированным Монси и Саэки9,26

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

Где, k — коэффициент вымирания. Коэффициент вымирания отражает форму, ориентацию и положение каждого элемента в растительном пологе с известным наклоном элемента полога и направлением обзора9,12. Коэффициент k (см. уравнение 2) зависит от поглощения излучения листвой и различается у разных видов растений исходя из морфологических параметров элементов полога, их пространственного расположения и оптических свойств. Поскольку коэффициент вымирания обычно колеблется в районе0,5 9,27,уравнение 2 может быть упрощено, как представлено Lang et al.28 несколько иным образом для гетерогенных и однородных навесов:

В гетерогенном навесе

LAIe = 2 x | figure-introduction-8766 лн т| (3),

или

В однородном навесе

LAIe = 2 x |лн Т| (4),

Где, t: - коэффициент пропускания в каждой точке измерения ниже навеса, а T: - средний коэффициент пропускания всех значений t на измеренный трансект или стенд.

В лесных насаждениях LAIe должен быть дополнительно скорректирован из-за эффекта слипания ассимиляционного аппарата в побегах29,30,31,32,33,34 для получения фактического значения LAI.

Протокол посвящен практическому использованию оптического устройства LP 110 для оценки LAIe в избранном примере среднеевропейских хвойных лесных насаждений (см. Таблицу 2 и Таблицу 3 для участка, структурных и дендрометрических характеристик). Оценка LAIe в растительном пологе с помощью этого прибора основана на широко используемом оптическом методе, связанном с коэффициентом пропускания фотосинтетически активного излучения и фракцией зазора навеса. Целью статьи является предоставление комплексного протокола для выполнения оценки LAIe с использованием нового оптического устройства LP 110.

протокол

ПРИМЕЧАНИЕ: Прежде чем приступать к плановым полевым измерениям, достаточно зарядите аккумулятор устройства LP 110. Подключите прибор (разъем USB, см. рисунок 1)к компьютеру через подключенный кабель. Состояние батареи отображается в левом верхнем углу дисплея устройства.

1. Калибровка перед измерением

ПРИМЕЧАНИЕ: Для LP 110 выполните темную калибровку датчика LAI и встроенные калибровки инклинометра перед началом каждой кампании полевых измерений.

  1. Темная калибровка датчика LAI
    1. Включите инструмент, нажав и удерживая клавишу Set не менее 1 с.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Кнопка Set служит клавишей Enter.
    2. Выберите Настройки (клавиша Menu позволяет перемещаться вверх и вниз) и нажмите Set > Lai Cal.,нажмите клавишу Set, а затем проверьте, зафиксирована ли калибровочная константа LAI на 1 (т.е. C = 1.0); Если нет, нажмите клавишу Set несколько раз, чтобы установить константу на 1.0 и вернитесь обратно в главное меню (нажмите Меню | Возврат | Набор).
      ПРИМЕЧАНИЕ: При проведении измерений LAI в режиме одного датчика (см. раздел 2) для всех измерений рекомендуется постоянное значение 1,0.
    3. Выберите Настройки и нажмите Установить | Лай ноль | Набор. Полностью накройте датчик LAI, используя, например, непрозрачную ткань или ладонь, чтобы избежать световых помех во время всего процесса калибровки. После этого нажмите клавишу Set, чтобы сохранить нулевое значение, отображаемое на дисплее.
    4. Нажмите клавишу Menu несколько раз, пока не будет выбран параметр Return, чтобы вернуться в главное меню, а затем нажмите клавишу Set.
  2. Калибровка инклинометра
    ПРИМЕЧАНИЕ: Каждое устройство LP 110 оснащено встроенным электронным инклинометром для обеспечения правильного угла наклона показаний. Внутренний инклинометр должен быть (повторно)откалиброван с использованием уровня воды.
    1. Вертикальная калибровка
      1. Если устройство выключено, нажмите и удерживайте клавишу Set не менее 1 с, чтобы включить прибор.
      2. Выберите Настройки и нажмите Установить | Вертикальная cal. | Устанавливается для активации электронного инклинометра.
      3. Держите устройство вертикально и поместите уровень воды на его боковую сторону вместе с инструментом.
      4. Сбалансируйте устройство слева или справа в соответствии с пузырьком уровня воды, чтобы достичь нулевого или близкого к нулю значения для оси X. Если нет, нажмите клавишу Set, чтобы настроить показания до тех пор, пока не будет считан ноль для оси X.
      5. Поместите уровень воды вдоль задней стороны устройства, чтобы завершить вертикальную калибровку.
      6. Снова наклоните устройство влево или вправо и проверьте, считывает ли дисплей устройства ноль для оси X.
      7. Удерживайте нулевой угол для оси X и одновременно наклоняйте устройство вперед или назад (ось Z) в соответствии с пузырьком уровня воды, следя за тем, чтобы значение угла оси X оставалось равным нулю или близкому к нулю.
      8. Проверьте, равно ли показание по оси Z нулю или приближается к нулю. Если нет, удерживайте клавишу Set и повторно откалибруйте устройство, чтобы установить нулевые показания для осей X и Z.
      9. Нажимайте клавишу Menu несколько раз, пока не будет выбран параметр Return, чтобы вернуться в главное меню, а затем нажмите клавишу Set.
    2. Горизонтальная калибровка
      1. Выберите Настройки и нажмите установить | Горизонтальный cal. | Настроен на срабатывание электронного инклинометра.
      2. Держите устройство горизонтально. Затем поместите уровень воды вдоль задней стороны устройства.
      3. Выровняйте устройство в горизонтальном положении в соответствии с пузырьками уровня воды. Наклоните инструмент влево или вправо и вверх или вниз по осям X и Y соответственно.
      4. После достижения правильного положения датчика в соответствии с обоими пузырьками уровня воды убедитесь, что показания для оси Y равны нулю или близки к нулю. Если нет, нажмите клавишу Set, чтобы повторно откалибровать горизонтальное положение инструмента.
      5. Нажимайте клавишу Menu несколько раз, пока не будет выбран параметр Return, чтобы вернуться в главное меню, а затем нажмите клавишу Set.

2. Режим одного датчика для оценки LAIe

  1. Если устройство выключено, нажмите клавишу Set не менее 1 с, чтобы включить прибор.
  2. Откалибруйте прибор перед началом каждой полевой измерительной кампании в соответствии с шагами 1.1 и 1.2.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Если калибровка уже выполнена, перейдите к шагу 2.3.
  3. После этого установите текущую дату и время (найдите Настройки в главном меню, многократно нажав клавишу Меню. Затем нажмите Set | Время; нажмите кнопку Set еще раз) и вернитесь в главное меню (выберите Return и удерживайте клавишу Set).
    ПРИМЕЧАНИЕ: Для точной настройки времени сопоставьте время с компьютером, как показано в соответствующем программном обеспечении (подключите устройство LP 110 к компьютеру через подключенный кабель. Откройте программное обеспечение, нажмите | | идентификатора устройства Устройство. Выберите и нажмите | Управления в Интернете Время. Затем установите флажок Синхронизировать с компьютерным временем и нажмите Изменить).
  4. Установите прибор в режим измерения одного угла с помощью настроек. Нажмите установить | Углы | Набор | Одиночный (подтвердите с помощью клавиши Menu) и вернитесь в главное меню (выберите Return и удерживайте клавишу Set).
    1. Если необходимо оценить наклон листа, установите режим измерения с несколькими углами. Настройки | Углы | Multi (нажмите кнопку Menu) и вернитесь в главное меню (выберите Return и удерживайте клавишу Set).
  5. Если требуется запись о положении измерений, включите соответствующее устройство GPS (см. разделы ниже для получения подробных инструкций и таблицы материалов); если нет, перейдите к шагу 2.6.
    1. Убедитесь, что время устройства совпадает с временем компьютера.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Время должно быть установлено правильно, чтобы отразить часовой пояс в исследуемом месте.
    2. Включите gps-устройство и подождите некоторое время, пока не будет найдено текущее положение. Проверьте местоположение на дисплее устройства GPS.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Точность зависит от плотности полога исследуемой растительности.
    3. Возьмите с собой LP 110 и GPS-устройство при проведении всех полевых измерений.
    4. После проведения всех полевых измерений подключите оба устройства к компьютеру, загрузите и обработайте данные в соответствующем программном обеспечении (см. Таблицу материалов)в соответствии с руководством LP 110 и руководством пользователя, инструкции по эксплуатации, раздел35.
  6. Проведите контрольное измерение на открытой местности или над измеренной растительностью (т.е. показания над навесом). В солнечную погоду предотвратите попадание света непосредственно в чашку ограничения зрения (см. рисунок 1).
    ПРИМЕЧАНИЕ: Для режима измерения с одним датчиком снимите показания как выше, так и ниже навеса при постоянных условиях освещения во время стандартной пасмурной погоды, до восхода солнца или после захода солнца(рисунок 2),чтобы избежать получения неправильных значений излучения.

figure-protocol-8372
Рисунок 2:Оптимальные погодные условия для проведения измерений LAIe с использованием LP 110. Оптимальными погодными условиями при использовании LP 110 являются равномерно пасмурное небо без прямого солнечного излучения(A),или использование либо до восхода солнца, либо после захода солнца(B). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

  1. Выберите Измерение в главном меню (нажмите клавишу Set), а затем выберите Lai Ref. После нажатия клавиши Set активируется режим эталонного измерения.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Текущее значение излучения отображается на дисплее. Это значение еще не хранится во внутренней памяти устройства (в это время срабатывает режим измерения).
  2. Затем снова нажмите клавишу Set, чтобы начать поиск правильного положения датчика LAI (т.е. зенитного угла 0°), а также активировать встроенный инклинометр и звуковой индикатор.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Одновременно текущее положение датчика LAI отображается на дисплее для осей X и Z.
  3. После этого держите устройство перпендикулярно земле и убедитесь, что датчик LAI направлен вверх к зениту.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Звуковой индикатор увеличивается в громкости по мере приближения к правильному зенитному углу.
  4. Проверьте дисплей, наклоните инструмент как влево, так и вправо, а также вперед и назад. Эталонное значение автоматически получается и сохраняется сразу после того, как зенитный угол, определенный осями X и Z, достигнет нуля или меньше 5 (звуковой сигнал останавливается).
    ПРИМЕЧАНИЕ: Учитывая, что правильное положение должно быть достигнуто в очень узком диапазоне (т.е. мм), этот шаг может быть утомительным.
  1. После выполнения эталонных измерений вернитесь в меню измерения, нажав клавишу Menu. Затем начинают измерять уровень передаваемого излучения ниже полога.
    1. Определите позиции для снятия показаний ниже навеса и начните измерять величину пропускания света с помощью датчика LAI устройства.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Структура измерений поля LAIe в различных структурах навеса подробно упоминается Černý et al.36 и Fleck et al.37.
    2. Выберите Lai в меню измерения. Нажмите клавишу Set, чтобы активировать режим измерения передаваемого излучения под навесом.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Текущее значение излучения отображается на дисплее. Это значение еще не хранится во внутренней памяти устройства (в это время срабатывает режим измерения).
    3. Нажмите клавишу Set еще раз, чтобы записать показания навеса ниже. Встроенный инклинометр и звуковой индикатор срабатывают для получения правильного положения датчика LAI (т.е. зенитного угла 0°).
      ПРИМЕЧАНИЕ: Одновременно текущее положение датчика LAI отображается на дисплее для осей X и Z.
    4. Затем удерживайте устройство перпендикулярно земле и убедитесь, что датчик LAI направлен вверх к зениту.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Звуковой индикатор увеличивается в громкости по мере приближения к правильному зенитному углу.
    5. Проверьте дисплей, наклоните инструмент как влево, так и вправо, а также вперед и назад. Все показания под навесом автоматически получаются и сохраняются сразу же, как только зенитный угол, определенный как X-, так и Z-осями, достигает нуля или меньше 5 (звуковой сигнал останавливается).
      ПРИМЕЧАНИЕ: Учитывая, что правильное положение должно быть достигнуто в очень узком диапазоне (мм), этот шаг может быть утомительным.
  2. Приступить к проведению дальнейших измерений передаваемого излучения под растительным пологом в соответствии с этапами 2.7.3-2.7.5.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Контрольные показания также могут быть получены в любое время между измерениями ниже навеса. Например, после завершения каждого трансекта нажмите кнопку Меню, выберите Lai Ref (удерживайте клавишу Set) и продолжайте в соответствии с шагами 2.6.2-2.6.4.Чем больше показаний выше навеса, сделанных во время измерений ниже навеса, тем выше точность эталонных расчетов.
  3. Сразу после завершения измерений ниже навеса (нажмите кнопку Меню, выберите Lai Ref и удерживайте клавишу Set), проведите измерение излучения на открытой местности для получения последнего контрольного значения, следуя шагам 2.6.2. к пункту 2.6.4.
  4. Нажимайте клавишу Меню несколько раз, пока не будет выбран параметр Return, чтобы вернуться в главное меню, а затем нажмите кнопку Set.
  5. После каждого измерения данные сохраняются во внутренней памяти устройства. Удерживайте кнопку Меню не менее 1 с, чтобы безопасно выключить устройство без стирания данных.
  6. Подключите прибор к компьютеру; загружать и обрабатывать данные. Пример измерения поля и расчета LAIe описан в разделе 4.

3. Режим двойного датчика для оценки LAIe

  1. Включите оба инструмента, удерживая клавишу Set не менее 1 с.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Instrument_1 и Instrument_2 предназначены для вышеуказанных (справочных) и ниже навесных показаний, соответственно. В режиме измерения с двумя датчиками одно устройство (Instrument_1) устанавливается на штатив на открытой местности (или в верхней части климатической мачты над навесом), а второе (Instrument_2) служит для проведения измерений передаваемого излучения ниже навеса. Instrument_1 автоматически регистрирует опорный сигнал в заданном временном интервале (от 10 с до 600 с). Этот подход собирает значительный объем справочных данных, тем самым повышая точность расчета эталонных значений для отдельных измерений ниже навеса.
  2. Установите текущую дату и время обоих инструментов (найдите Настройки в главном меню, многократно нажав кнопку Меню. Затем нажмите Set | Время | Набор. Вернитесь в главное меню (выберите Return и удерживайте клавишу Set).
    ПРИМЕЧАНИЕ: Для точной настройки времени сопоставьте время с компьютером, как показано в соответствующем программном обеспечении (подключите устройство к компьютеру через подключенный кабель. Откройте программное обеспечение и нажмите кнопку Настройка | | идентификатора устройства Устройство. Затем выберите и нажмите управление в Интернете | Время. Установите флажок Синхронизировать с компьютерным временем и нажмите Редактировать).
  3. После этого переведите оба прибора в режим измерения одного угла. Выберите Настройки (удерживайте клавишу Set) | Углы | Набор | Одиночный (подтвердите с помощью клавиши Menu). Вернитесь в главное меню (выберите Return и удерживайте клавишу Set).
    1. Если необходимо оценить наклон листа в пределах исследуемого растительного полога, установите Instrument_2 (показания ниже полога) в режим многоугольного измерения. Выберите Настройки (нажмите клавишу Set) | Углы (нажмите кнопку Set). Затем выберите Multi (подтвердите с помощью клавиши Menu), а затем вернитесь в главное меню (выберите Return и удерживайте клавишу Set).
  4. Если требуется запись о положениях измерений ниже навеса, включите соответствующее устройство GPS (подробные инструкции см. в разделах ниже и в Таблице материалов); если нет, перейдите к шагу 3.5.
    1. Убедитесь, что время, отображаемое на устройстве, используемом для снятия показаний под навесом (Instrument_2), соответствует компьютеру.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Время должно быть установлено правильно, чтобы отразить часовой пояс в исследуемом месте.
    2. Включите GPS-устройство и подождите некоторое время, пока не будет найдено текущее положение. Проверьте местоположение, отображаемое на устройстве GPS.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Точность зависит от плотности полога исследуемой растительности.
    3. При проведении всех полевых измерений используйте LP 110, используемый для снятия показаний под навесом (Instrument_2), и устройство GPS.
    4. После выполнения всех полевых измерений подключите оба устройства (Instrument_2 и устройство GPS) к компьютеру. Загрузите и обработайте данные в соответствующем программном обеспечении (см. Таблицу материалов)в соответствии с Руководством по эксплуатации LP 110 и Руководством пользователя, раздел35инструкций по эксплуатации.
  5. Откалибруйте оба прибора перед началом каждой кампании полевых измерений в соответствии с разделами 1.1 и 1.2.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Если калибровка уже выполнена, перейдите к шагу 3.5.1.
    1. После калибровки датчика LAI и встроенного инклинометра откалибруйте оба устройства LP 110 (Instrument_1 и Instrument_2) друг с другом.
      1. Для обоих устройств выберите Настройки в главном меню (нажмите клавишу Set) и выберите Lai Calibration (нажмите кнопку Set). Затем удерживайте оба устройства в горизонтальной плоскости в вертикальном положении и отрегулируйте постоянное значение (помеченное как C на дисплее), многократно нажав клавишу Set на Instrument_1 (контрольные показания), чтобы достичь тех же значений, которые изображены на экране устройства на Instrument_2. Затем нажмите кнопку Меню и вернитесь в главное меню (выберите Вернуть и удерживайте клавишу Set).
  6. В солнечную погоду предотвратите попадание прямых солнечных лучей в чашку ограничения зрения при снятии всех показаний над навесом (см. Рисунок 1).
    ПРИМЕЧАНИЕ: Для режима измерения с двумя датчиками снимите показания как над, так и под навесом при постоянных условиях освещения при стандартной пасмурной погоде, до восхода солнца или после захода солнца(рисунок 2),чтобы избежать получения неправильных значений излучения.
  7. Прикрепите Instrument_1 вертикально либо к штативу, размещенному на открытой местности, либо над исследуемым навесом (например, в верхней части климатической мачты).
    ПРИМЕЧАНИЕ: Это устройство будет непрерывно регистрировать контрольные значения (т.е. показания над навесом).
    1. Сначала выберите Настройки в главном меню (нажмите клавишу Set), а затем выберите Автоматический интервал (снова нажмите клавишу Set). Затем несколько раз нажмите клавишу Set, а затем удерживайте кнопку Menu, чтобы выбрать необходимый интервал для автоматического ведения журнала эталонных значений (от 10 до 600 с).
      ПРИМЕЧАНИЕ: Установите более короткий временной интервал для автоматического регистрации контрольных показаний для повышения точности измерений при быстром изменении условий освещения.
    2. Нажмите клавишу Меню, выберите Returnи удерживайте кнопку Set, чтобы вернуться в главное меню.
    3. Затем нажмите кнопку Меню (удерживайте клавишу Set) несколько раз, чтобы выбрать Измерение в главном меню. Затем выберите Auto Lai Ref. (нажмите клавишу Set), чтобы начать поиск правильного положения датчика LAI (т. Е. Зенитный угол 0°).
      ПРИМЕЧАНИЕ: Текущее значение излучения отображается на дисплее. Это значение еще не хранится во внутренней памяти устройства (в это время срабатывает режим измерения).
    4. Проверьте дисплей, наклоните инструмент как влево, так и вправо, а также вперед и назад. Достигнув зенитного угла, определенного Осями X и Z с нулем или меньшим значения 5 (т.е. как X-, так и Z-осей ниже значения 5), зафиксируйте устройство твердо в требуемом положении, упомянутом выше, а затем нажмите клавишу Set.
      ПРИМЕЧАНИЕ: На этом этапе контрольные значения (т.е. показания над навесом) автоматически записываются и сохраняются в заданном временном интервале (каждое считывание сопровождается звуковым сигналом). Избегайте любых отклонений от заданного положения Instrument_1; в противном случае эталонное измерение будет прервано. Учитывая, что правильное положение должно быть достигнуто в очень узком диапазоне (мм), этот шаг может быть утомительным.
  8. После этого начните измерять передаваемое излучение ниже растительного полога (показания ниже полога), используя Instrument_2.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Во время всех показаний под навесом сохраняйте ту же ориентацию поля зрения датчика LAI (Instrument_2), что и датчик LAI (Instrument_1) опорных показаний, например, перпендикулярно северу.
    1. Определите положения показаний ниже навеса и начните измерение значения пропускания света с помощью датчика LAI устройства.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Структура измерений поля LAIe в различных структурах полога всесторонне описана в Černý et al.36 и Fleck et al.37.
    2. В главном меню выберите Измерение (нажмите клавишу Set) и выберите Lai. Нажмите клавишу Set, чтобы активировать режим измерения передаваемого излучения под навесом.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Текущее значение излучения отображается на дисплее. Это значение еще не хранится во внутренней памяти устройства (в это время срабатывает только режим измерения).
    3. Нажмите клавишу Set еще раз, чтобы получить значение передаваемого излучения ниже навеса и запустить встроенный инклинометр и звуковой индикатор, служащий для поиска правильного положения датчика LAI (т. Е. Зенитный угол 0°).
      ПРИМЕЧАНИЕ: Одновременно текущее положение датчика LAI отображается на дисплее для осей X и Z.
    4. Затем держите устройство перпендикулярно поверхности земли, чтобы датчик LAI был направлен вверх к зениту.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Звуковой индикатор увеличивает свой тон, приближаясь к правильному зенитному углу.
    5. Проверьте дисплей, наклоните инструмент как влево, так и вправо, вперед и назад. Все показания под навесом автоматически получаются и сохраняются сразу же, как только зенитный угол, определенный как X-, так и Z-осями, достигает нуля или меньше 5 (звуковой сигнал останавливается).
      ПРИМЕЧАНИЕ: Учитывая, что правильное положение должно быть достигнуто в очень узком диапазоне (мм), этот шаг может быть утомительным.
  9. Приступить к проведению дальнейших измерений передаваемого излучения (т.е. показаний ниже навеса) в соответствии с этапами 3.8.3-3.8.5.
  10. После выполнения измерений ниже навеса (Instrument_2) нажмите кнопку Меню и клавишу Меню несколько раз, пока не будет выбран параметр Return для возврата в главное меню, а затем нажмите кнопку Set.
    ПРИМЕЧАНИЕ: После завершения всех справочных показаний (Instrument_1) используйте так же, как и для Instrument_2.
  11. Данные сохраняются в памяти прибора после каждого считывания. Удерживайте кнопку Меню не менее 1 с, чтобы безопасно выключить устройство без стирания данных.
  12. Подключите прибор к компьютеру; загружать и обрабатывать данные. Пример измерения поля и расчета LAIe описан в разделе 4.

4. Пример полевого измерения и расчета LAIe

  1. Определите точки измерения для проведения измерений ниже навеса. Расположите схему измерения в трансекте (или обычной сетке) с равноудаленными точками измерения, чтобы уловить неоднородность растительного полога, вызванную различными размерами зазоров.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Трансектная компоновка, подходящая для растительности, посаженной рядами с однородным навесом, изображена на рисунке 3. Для получения более подробной информации о компоновке измерений следуйте Černý et al.36 и Fleck et al.37.

figure-protocol-25022
Рисунок 3:Компоновка Transect для оценки LAIe в однородном растительном покрове. Трансект I-IV: число трансекта; Χ: точка измерения для получения показаний ниже навеса. Первые десять позиций обозначены (1Χ-10Χ). Трансекты должны быть ориентированы перпендикулярно рядам растений. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

  1. Проведите измерения как над, так и под навесом, используя режим с одним или двумя датчиками в соответствии с разделом 2 или разделом 3 соответственно.
  2. После завершения всех полевых измерений загрузите данные в компьютер с устройства (устройств) LP 110, используемого в режиме одного или двух датчиков для оценки LAIe.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Для режима с двумя датчиками выполните действия, описанные ниже для обоих приборов (т.е. Instrument_1 и Instrument_2).
    1. Подключите прибор к компьютеру через подключенный кабель.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Для режима с двумя датчиками сначала подключите устройство, используемое для проведения эталонных измерений (т.е. показаний над навесом).
    2. Откройте соответствующее программное обеспечение (см. Таблица материалов)и нажмите клавишу Setup на главной панели. Затем выберите и нажмите Идентификатор устройства.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Устройство: LaiPen отображается в левом нижнем углу.
    3. Нажмите кнопку «Устройство» и впоследствии нажмите «Загрузить».
      ПРИМЕЧАНИЕ: Программное обеспечение также позволяет пользователю записывать любые замечания на листе под названием «Примечания», отображаемом в левом нижнем углу. Программное обеспечение автоматически сопоставляет показания верхнего навеса с каждым показанием ниже навеса (коэффициент пропускания) в зависимости от времени измерения.
    4. Нажмите на иконку Файл в главном меню; выберите и нажмите Экспорт. Затем установите флажок ALAI и нажмите OK, чтобы экспортировать данные.
      ПРИМЕЧАНИЕ: В экспортируемом файле (txt., xls.) показания выше и ниже навеса (передаваемое излучение) помечаются как Ref. Интенсивность и коэффициент пропусканиясоответственно.
  3. Рассчитайте значение коэффициента пропускания(t)для каждой точки измерения в пределах трансекта (или сетки) в соответствии с уравнением 1: t = I / Io (излучение, передаваемое ниже навеса, деленное на падающее излучение над растительностью), в результате чего получается t1, t2,..., tn, где n: - количество точек измерения ниже навеса.
  4. Рассчитайте средний коэффициент пропускания(T)исследуемого растительного полога, например, в первом трансекте(T1):T1 = (t1 + t2...+ tn)/ n, где n: - количество точек измерения ниже полога в пределах первого трансекта.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Если измерения проводятся в нескольких трансектах, действуйте со всеми трансектами(Т2,Т3иТ4)таким же образом.
  5. Поскольку интенсивность облучения экспоненциально уменьшается по мере его прохождения через исследуемый навес, рассчитайте LAIe в соответствии с модифицированным законом вымирания Бира-Ламберта (см. уравнение 2).
    1. Во-первых, найдите логарифм среднего значения пропускания(T)исследуемого растительного полога, например, в первом трансекте (T_I): T_I = - ln T1.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Если измерения проводятся в нескольких трансектах, действуйте со всеми трансектами одинаково (т.е. T_II = - lnT2; T_III = - ln T3; T_IV = - ln T4).
      1. Рассчитайте среднее значение коэффициента пропускания(T)из всех отдельных трансектов: T = [(- ln T_I) + (- ln T_II) + (- ln T_III) + (- ln T_IV)] / 4.
    2. После этого рассчитайте окончательное значение LAIe, используя коэффициент вымирания, указанный для каждого вида растений в соответствии с уравнением 2.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Коэффициенты вымирания для основных пород деревьев перечислены в Bréda9. В лесных насаждениях LAIe должен быть скорректирован из-за эффекта слипания ассимиляционного аппарата в побегах29,30,31,32,33,34 для получения фактического значения LAI.

Результаты

Пространственная структура, полученная от обоих испытуемых устройств, очевидно, различалась на всех изученных участках, т.е. истонченных сверху (А), истонченных снизу (В) и контроле без какого-либо лесоводческого вмешательства (С; см. Таблицу 2 для более подробной информации). На ...

Обсуждение

Каковы различия между LP 110 в качестве недавно представленного устройства для оценки LAI (или проведения измерений интенсивности PAR) и LAI-2200 PCA в качестве улучшенной версии предыдущего стандарта LAI-2000 PCA для оценки LAI косвенным методом? Помимо того, что цена анализатора навеса завода примерн?...

Раскрытие информации

Авторам нечего раскрывать. Репрезентативные результаты были использованы из статьи Černý, J., Krejza, J., Pokorný, R., Bednář, P. LaiPen LP 100 - нового устройства для оценки индекса площади листьев лесной экосистемы по сравнению с эталоном: методологическое тематическое исследование. Журнал лесной науки. 64 (11), 455-468 (2018). DOI: 10.17221/112/2018-JFS на основании любезного разрешения редакционной коллегии Journal of Forest Science.

Благодарности

Авторы в долгу перед редакционной коллегией Journal of Forest Science за поощрение и разрешение нам использовать репрезентативные результаты в этом протоколе из опубликованной там статьи.

Исследование было финансово поддержано Министерством сельского хозяйства Чешской Республики, институциональной поддержкой MZE-RO0118, Национальным агентством сельскохозяйственных исследований (проект No. QK21020307) и исследовательская и инновационная программа Европейского Союза Horizon 2020 (грантовое соглашение No 952314).

Авторы также любезно благодарят трех анонимных рецензентов за их конструктивную критику, которая улучшила рукопись. Кроме того, спасибо Душану Бартошу, Алене Хвездовой и Томасу Петру за помощь в полевых измерениях и компании Photon Systems Instruments Ltd. за сотрудничество и предоставление фотографий устройств.

Материалы

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

Ссылки

  1. Muiruri, E. W., et al. Forest diversity effects on insect herbivores: Do leaf traits matter. New Phytologist. 221 (4), 2250-2260 (2018).
  2. Macfarlane, C., et al. Estimation of leaf area index in eucalypt forest using digital photography. Agricultural and Forest Meteorology. 143 (3-4), 176-188 (2007).
  3. Easlon, H. M., Bloom, A. J. Easy leaf area: Automated digital image analysis for rapid and accurate measurements of leaf area. Applications in Plant Sciences. 2 (7), 1400033 (2014).
  4. Asner, G. P., Scurlock, J. M. O., Hicke, J. A. Global synthesis of leaf area index observations: implications for ecological and remote sensing studies. Global Ecology and Biogeography. 12, 191-205 (2003).
  5. Vicari, M. B., et al. Leaf and wood classification framework for terrestrial LiDAR point clouds. Methods in Ecology and Evolution. 10 (5), 680-694 (2019).
  6. Watson, D. J. Comparative physiological studies in the growth of field crops. I. Variation in net assimilation rate and leaf area between species, varieties, and within and between years. Annals of Botany. 11, 41-76 (1947).
  7. Chen, J. M., Black, T. A. Defining leaf-area index for non-flat leaves. Plant, Cell and Environment. 15 (4), 421-429 (1992).
  8. Welles, J. M., Cohen, S. Canopy structure measurement by gap fraction analysis using commercial instrumentation. Journal of Experimental Botany. 47 (9), 1335-1342 (1996).
  9. Bréda, N. J. J. Ground-based measurements of leaf area index: a review of methods, instruments, and current controversies. Journal of Experimental Botany. 54 (392), 2403-2417 (2003).
  10. Jonckheere, I., et al. Review of methods for in situ leaf area index determination. Part I: Theories, sensors and hemispherical photography. Agricultural and Forest Meteorology. 121 (1-2), 19-35 (2004).
  11. Weiss, M., Baret, F., Smith, G. J., Jonckheere, I., Coppin, P. Review of methods for in situ leaf area index (LAI) determination. Part II. Estimation of LAI, errors and sampling. Agricultural and Forest Meteorology. 121 (1-2), 37-53 (2004).
  12. Fang, H., Baret, F., Plummer, S., Schaepman-Strub, G. An overview of global leaf area index (LAI): Methods, products, validation, and applications. Reviews of Geophysics. 57 (3), 739-799 (2019).
  13. Yan, G., et al. Review of indirect optical measurements of leaf area index: Recent advances, challenges, and perspectives. Agricultural and Forest Meteorology. 265, 390-411 (2019).
  14. Parker, G. G. Tamm review: Leaf Area Index (LAI) is both a determinant and a consequence of important processes in vegetation canopies. Forest Ecology and Management. 477, 118496 (2020).
  15. Jiapaer, G., Yi, Q., Yao, F., Zhang, P. Comparison of non-destructive LAI determination methods and optimization of sampling schemes in an open Populus euphratica ecosystem. Urban Forestry and Urban Greening. 26, 114-123 (2017).
  16. Grotti, M., et al. An intensity, image-based method to estimate gap fraction, canopy openness and effective leaf area index from phase-shift terrestrial laser scanning. Agricultural and Forest Meteorology. 280, 107766 (2020).
  17. Gower, S. T., Kucharik, C. J., Norman, J. M. Direct and indirect estimation of leaf area index, fAPAR, and net primary production of terrestrial ecosystems. Remote Sensing of Environment. 70 (1), 29-51 (1999).
  18. Morisette, J. T., et al. Validation of global moderate-resolution LAI products: a framework proposed within the CEOS land product validation subgroup. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 44 (7), 1804-1817 (2006).
  19. Pokorný, R., Šalanská, P., Janouš, D., Pavelka, M. ALAI-02D - a new instrument in forest practice. Journal of Forest Science. 47, 164-169 (2001).
  20. Černý, J., Krejza, J., Pokorný, R., Bednář, P. LaiPen LP 100 - a new device for estimating forest ecosystem leaf area index compared to the etalon: A methodologic case study. Journal of Forest Science. 64 (11), 455-468 (2018).
  21. Larcher, W. . Physiological plant ecology. Ecophysiology and Stress Physiology of Functional Groups. , (2003).
  22. Taiz, L., Zeiger, E. . Plant Physiology. 5th edition. , 623 (2010).
  23. Pokorný, R., Tomášková, I., Havránková, K. Temporal variation and efficiency of leaf area index in young mountain Norway spruce stand. European Journal of Forest Research. 127, 359-367 (2008).
  24. Chen, J. M., Black, T. A., Adams, R. S. Evaluation of hemispherical photography for determining plant area index and geometry of a forest stand. Agricultural and Forest Meteorology. 56, 129-143 (1991).
  25. Black, T. A., Chen, J. M., Lee, X. H., Sagar, R. M. Characteristics of shortwave and longwave irradiances under a Douglas-fir forest stand. Canadian Journal of Forest Research. 21 (7), 1020-1028 (1991).
  26. Hirose, T. Development of the Monsi-Saeki theory on canopy structure and function. Annals of Botany. 95 (3), 483-494 (2005).
  27. Pierce, L., Running, S. rapid estimation of coniferous forest leaf area index using a portable integrating radiometer. Ecology. 69 (6), 1762-1767 (1988).
  28. Lang, A. R. G., McMurtrie, R. E., Benson, M. L. Validity of surface-area indexes of Pinus radiata estimated from transmittance of sun's beam. Agricultural and Forest Meteorology. 57 (1-3), 157-170 (1991).
  29. Zou, J., Yan, G., Zhu, L., Zhang, W. Woody-to-total area ratio determination with a multispectral canopy imager. Tree Physiology. 29 (8), 1069-1080 (2009).
  30. Stenberg, P. Correcting LAI-2000 estimates for the clumping of needles in shoots of conifer. Agricultural and Forest Meteorology. 79 (1-2), 1-8 (1996).
  31. Chianucci, F., MacFarlane, C., Pisek, J., Cutini, A., Casa, R. Estimation of foliage clumping from the LAI-2000 Plant Canopy Analyser: effect of view caps. Trees-Structure and Function. 29, 355-366 (2015).
  32. Zou, J., Yan, G., Chen, L. Estimation of canopy and woody components clumping indices at three mature Picea crassifolia forest stands. IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing. 8 (4), 1413-1422 (2015).
  33. Bao, Y., et al. Effects of tree trunks on estimation of clumping index and LAI from HemiView and Terrestrial LiDAR. Forests. 9 (3), 144 (2018).
  34. Zhu, X., et al. Improving leaf area index (LAI) estimation by correcting for clumping and woody effects using terrestrial laser scanning. Agricultural and Forest Meteorology. 263, 276-286 (2018).
  35. Photon Systems Instruments Ltd. . PSI LaiPen LP 110 Manual and User Guide. , 45 (2016).
  36. Černý, J., Pokorný, R., Haninec, P., Bednář, P. Leaf area index estimation using three distinct methods in pure deciduous stands. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (150), e59757 (2019).
  37. Fleck, S., et al. Leaf area measurements. Manual Part XVII. In: UNECE ICP Forests Programme Co-ordinating Centre (Ed.) Manual of methods and criteria for harmonized sampling, assessment, monitoring and analysis of the effects of air pollution on forests. Thünen Institute of Forest Ecosystems. , (2016).
  38. Černý, J., Pokorný, R., Haninec, P. Leaf area index estimated by direct, semi-direct, and indirect methods in European beech and sycamore maple stands. Journal of Forestry Research. 31, 827-836 (2020).
  39. Leblanc, S. G., Chen, J. M., Kwong, M. Tracing radiation and architecture of canopies. TRAC MANUAL Version 2.1.3. , 25 (2002).
  40. Sommer, K. J., Lang, A. R. G. Comparative analysis of two indirect methods of measuring leaf area index as applied to minimal and spur pruned grape vines. Australian Journal of Plant Physiology. 21 (2), 197-206 (1994).
  41. Leblanc, S. G., Chen, J. M. A practical scheme for correcting multiple scattering effects on optical LAI measurements. Agricultural and Forest Meteorology. 110 (2), 125-139 (2001).

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи

Запросить разрешение

Смотреть дополнительные статьи

173

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Конфиденциальность

Условия эксплуатации

Политика

СВЯЖИТЕСЬ С НАМИ

РЕКОМЕНДОВАТЬ БИБЛИОТЕКЕ

НОВОСТИ JoVE

Исследования

Образование

АВТОРЫ

Библиотекарь

О JoVE

Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены