Name: field measurement of effective leaf area index using optical device in vegetation canopy
Uploaded: 2021-07-29T14:30:00
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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.

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 em...

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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...

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.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62802/62802fig01.jpg"> 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). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62802/62802fig01large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
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 | <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/62802/62802eq01.jpg"> 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.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>AccuPAR</td>
			<td>METER Group, Inc., Pullman, WA, USA</td>
			<td>AccuPaR LP-80</td>
			<td>https://www.metergroup.com/environment/products/accupar-lp-80-leaf-area-index/</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DEMON</td>
			<td>CSIRO, Canberra, Australia</td>
			<td>DEMON</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>File Viewer</td>
			<td>LI-COR Biosciences Inc., NE, USA</td>
			<td>FV2200C Software</td>
			<td>https://www.licor.com/env/products/leaf_area/LAI-2200C/software.html</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>FluorPen</td>
			<td>Photon System Instruments Ltd. (PSI), Czech Republic</td>
			<td>FluorPen 1.1.2.3 Sofware</td>
			<td>https://handheld.psi.cz/products/laipen/#download</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hand-held GPS device</td>
			<td>Garmin Ltd., Czech Republic</td>
			<td>Garmin eTrex 32x Europe46</td>
			<td>https://www.garmin.cz/garmin-etrex-32x-europe46/80117</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hand-held device for leaf area index estimation(LP 110)</td>
			<td>Photon System Instruments Ltd. (PSI) Czech Republic</td>
			<td>LaiPen LP 110</td>
			<td>https://handheld.psi.cz/products/laipen/#info</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Plant Canopy Analyser</td>
			<td>LI-COR Biosciences Inc., NE, USA</td>
			<td>LAI-2000 PCA</td>
			<td>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/</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Statistical software</td>
			<td>Systat Software Inc., CA, USA</td>
			<td>SigmaPlot 13.0</td>
			<td>https://systatsoftware.com/products/sigmaplot/sigmaplot-version-13/?gclid=Cj0KCQjwzYGGBhCTARIs 
			AHdMTQzgfb42vv0mWmcbVcflNO 
			UvrLl802Lrhkfh23Qie2mIZfw4O8kp 
			7p0aAsoiEALw_wcB</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Statistical software</td>
			<td>StatSoft Inc., OK, USA</td>
			<td>STATISTICA 10.0</td>
			<td>For LAI visualization, wafer-plots in STATISTICA 10.0 were employed.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SunScan</td>
			<td>Delta-T Devices, Ltd., Cambridge, UK</td>
			<td>SS1 SunScan</td>
			<td>https://www.delta-t.co.uk/product/sunscan</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>TRAC</td>
			<td>3rd Wave Engineering, Ontarion Canada</td>
			<td>Tracing Radiation and Architecture of Canopies</td>
			<td>http://faculty.geog.utoronto.ca/Chen/Chen&#39;s%20homepage/res_trac.htm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tripod</td>
			<td>Any</td>
			<td>NA</td>
			<td>Tripod with standard nut</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Water level</td>
			<td>Any</td>
			<td>NA</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

field measurement of effective leaf area index using optical device in vegetation canopy

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.

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 ...

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Field Measurement of Effective Leaf Area Index using Optical Device in Vegetation Canopy

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.

Medição de campo do índice efetivo da área da folha usando dispositivo óptico em vela de vegetação

Leaf area index (LAI) is an essential canopy variable describing the amount of foliage in an ecosystem. The parameter serves as the interface between ...

Este protocolo introduz o dispositivo recém-desenvolvido LaiPen LP 110 para estimativa de índice de área de folha por método óptico indireto, e o compara com o analisador padrão LAI-2200 Plant Canopy. O novo dispositivo leva leituras acima e abaixo do dossel facilmente, devido à sua maior sensação de sensibilidade, inclinômetro digital embutido e registro automático de leituras na posição correta. O controle operacional também é intuitivo.O manual é necessário. Para a preparação do projeto de medição, uma breve pesquisa planejada da estrutura do dossel antes de sua medição é recomendada ao operador. Comece ligando ambos os instrumentos segurando a tecla Set por pelo menos um segundo.Encontre configurações no menu principal pressionando repetidamente o botão Menu e defina a data e a hora atuais de ambos os instrumentos pressionando Definir, Hora, Definir. Em seguida, escolha Retornar e segure a tecla Definir para retornar ao menu principal. Em seguida, coloque ambos os instrumentos em um modo de medição de ângulo único.Selecione Configurações segurando a tecla Definir e pressione ângulos, defina, single e confirme com a tecla Menu. Escolha Retornar e segure a tecla Definir para retornar ao menu principal. Depois de calibrar tanto o sensor LAI quanto o inclinômetro embutido, calibrar ambos os dispositivos LP 110, instrumento um e instrumento dois entre si.Selecione Configurações no menu principal pressionando a tecla Definir, escolha a calibração LAI e 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 visor pressionando repetidamente a tecla Definir no instrumento um, para obter os mesmos valores representados na tela do dispositivo no instrumento dois. Em seguida, pressione o botão Menu e retorne ao menu principal.Conecte o instrumento um verticalmente a um tripé colocado em uma área aberta ou acima do dossel estudado. Obtenha leituras acima e abaixo do dossel sob condições de luz constantes com céu nublado padrão antes do nascer do sol ou após o pôr do sol, para evitar obter valores de irradiação incorretos. Primeiro, selecione Configurações no menu principal e, em seguida, escolha intervalo automático pressionando a tecla Definir.Em seguida, pressionou repetidamente a tecla Definir e, em seguida, segure o botão Menu para selecionar o intervalo necessário para registrar automaticamente os valores de referência de 10 até 600 segundos. Defina um intervalo de tempo mais curto se as condições da luz mudarem rapidamente. Pressione a tecla Menu, selecione Retornar e segure o botão Definir para retornar ao menu principal.Em seguida, pressione o botão Menu repetidamente, segurando a tecla Definir para resmarcar a medição no menu principal. Em seguida, escolha Auto LAI Ref pressionando a tecla Definir para procurar a posição correta do sensor LAI. 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 eixos X e Z com zero ou menos do que o valor de cinco, fixe o dispositivo firmemente na posição exigida acima mencionada e pressione a tecla Definir. Para começar a medir a irradiação transmitida abaixo do dossel de vegetação usando o instrumento dois, escolha Medição no menu principal. Pressione a tecla Definir e selecione LAI.Mantenha a orientação do instrumento dois como a do instrumento um. Pressione a tecla Definir para ativar o modo para nossa medição de irradiação transmitida abaixo do dossel. Pressione a tecla Definir 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.Em seguida, mantenha o dispositivo perpendicularmente ao serviço de terra para ser o sensor LAI apontado para o zênite. 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 adquiridas automaticamente e armazenadas imediatamente uma vez que o ângulo de zênite definido pelos eixos X e Z alcance zero ou menos de cinco.O tom de bipe pára. Proceda com a tomada de outras medições de irradiação transmitida que está abaixo das leituras do dossel, seguindo etapas para leituras anteriores abaixo do dossel mencionadas acima. Depois de tomar as medidas abaixo do dossel usando o instrumento dois, 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.Os dados são salvos na memória do instrumento após cada leitura. Segure o botão Menu por pelo menos um segundo para desligar o dispositivo com segurança sem apagar nenhum dado. Para o Analisador de Dossel vegetal, foram observados valores LAI significativamente maiores no gráfico de controle, sem intervenção silvicultural nas finas.Para o LP 110, o índice da área da folha não difere significativamente nos tratamentos C e B. Para o LP 110, foi encontrada uma diferença significativa nos valores do índice da área da folha entre as parcelas C e A. Geralmente, o índice da área da folha diminuiu significativamente após os tratamentos de afinamento aplicados na postura estudada.O índice de área de folha valoriza o registro usando LP 110 e Plant Canopy Analyzer para cada tratamento de afinamento em polo de abeto puro da Noruega exibiu variabilidade espacial. A regressão linear foi realizada para todos os dados do índice da área da folha medidos em um determinado nível de ponto utilizando o LP 110 e o Analisador de Dossel vegetal. Certifique-se de medir em condições sinópticas adequadas, use uma área aberta suficientemente considerável para leituras de referência e reflita a heterogeneidade e o design de medição para leituras abaixo do dossel.Uma vez que os transmissores podem ser registrados em diferentes ângulos de inclinação de visualização do sensor, a orientação do ângulo dos elementos do dossel pode ser calculada. Se a largura da camada do dossel for conhecida, então a densidade da área da folha também pode ser deduzida.

Research

JoVE Journal

Environment

Integrated Field Lysimetry and Porewater Sampling for Evaluation of Chemical Mobility in Soils and Established Vegetation

Integrado Campo Lysimetry e Porewater Amostragem para Avaliação de Química Mobilidade em Solos e Vegetação Fundada

Potentially toxic chemicals are routinely applied to land to meet growing demands on waste management and food production, but the fate of these chemicals ...

Ambiente

Measurement of Greenhouse Gas Flux from Agricultural Soils Using Static Chambers

Medição do fluxo de gases com efeito de Solos Agrícolas Usando Chambers estáticos

Measurement of greenhouse gas (GHG) fluxes between the soil and the atmosphere, in both managed and unmanaged ecosystems, is critical to understanding the ...

Modifying the Bank Erosion Hazard Index (BEHI) Protocol for Rapid Assessment of Streambank Erosion in Northeastern Ohio

Modifying the Bank Erosion Hazard Index BEHI Protocol for Rapid Assessment of Streambank Erosion in Northeastern Ohio

Modificando o Index (BEHI) Protocolo Banco Erosão Hazard para Avaliação Rápida de Streambank Erosão na Northeastern Ohio

Understanding the source of pollution in a stream is vital to preserving, restoring, and maintaining the stream&#8217;s function and habitat it provides. ...

Measuring Rates of Herbicide Metabolism in Dicot Weeds with an Excised Leaf Assay

Medindo Taxas de Herbicida Metabolismo em Dicot Weeds com um ensaio extirpado Folha

In order to isolate and accurately determine rates of herbicide metabolism in an obligate-outcrossing dicot weed, waterhemp (Amaranthus tuberculatus), we ...

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