Name: field measurement of effective leaf area index using optical device in vegetation canopy
Uploaded: 2021-07-29T14:30:00
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Los autores están en deuda con el consejo editorial del Journal of Forest Science por alentarnos y autorizarnos a utilizar los resultados representativos en este protocolo del artículo publicado allí.
La investigación fue apoyada financieramente por el Ministerio de Agricultura de la República Checa, apoyo institucional MZE-RO0118, Agencia Nacional de Investigación Agrícola (Proyecto No. QK21020307), y el programa de investigación e innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea (acuerdo de subvención n.º 952314).
Los autores también agradecen amablemente a tres revisores anónimos por su crítica constructiva, que mejoró el manuscrito. Además, gracias a Dusan Bartos, Alena Hvezdova y Tomas Petr por ayudar con las mediciones de campo y a la compañía Photon Systems Instruments Ltd. por su colaboración y proporcionar fotos de dispositivos.

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

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

Las marquesinas son loci de numerosos procesos biológicos, físicos, químicos y ecológicos. La mayoría de ellos se ven afectados por estructuras de dosel1. Por lo tanto, la cuantificación precisa, rápida, no destructiva y confiable del dosel de la vegetación in situ es crucial para una amplia gama de estudios que involucran hidrología, ciclo de carbono y nutrientes, y cambio climático global2,3. Dado que las hojas o agujas representan una interfaz activa entre la atmósfera y la vegetación4, una de las características estructurales críticas del dosel es el índice de área foliar (LAI)5, definido como la mitad de la superficie total de la hoja verde por unidad de superficie horizontal del suelo o proyección de la corona para los individuos, expresado en m2 por m2 como una variable adimensional6, 7.
Ya se han presentado diversos instrumentos y enfoques metodológicos para estimar la LAI terrestre y sus pros y contras en diversos ecosistemas8,9,10,11, 12,13,14,15. Hay dos categorías principales de métodos de estimación de LAI: directos e indirectos (ver revisiones exhaustivas8,9,10,11,12 para más detalles). Utilizadas principalmente en rodales forestales, las estimaciones de LAI basadas en tierra se obtienen rutinariamente utilizando métodos ópticos indirectos debido a la falta de determinación directa de LAI, pero generalmente representaban un método lento, intensivo en mano de obra y destructivo9,10,12,16. Además, los métodos ópticos indirectos derivan la LAI de parámetros relacionados más fácilmente medidos (desde el punto de vista de su naturaleza exigente en el tiempo y mano de obra intensa)17, como la relación entre la irradiación incidente por encima y por debajo del dosel y la cuantificación de los huecos del dosel14. Es evidente que los analizadores de dosel de plantas también se han utilizado ampliamente para validar las recuperaciones de LAI satelitales18; por lo tanto, se ha considerado un estándar para la comparación de LP 110 (consulte la Tabla de materiales para obtener más detalles sobre los instrumentos empleados).
El LP 110, como una versión actualizada del instrumento simple inicialmente de fabricación propia ALAI-02D19 y más tarde LP 10020,fue desarrollado como un competidor cercano para plant canopy Analyzers. Como representante de los métodos ópticos indirectos, el dispositivo es portátil, ligero, alimentado por baterías, sin necesidad de una conexión por cable entre el sensor y el registrador de datos que utiliza un inclinómetro digital en lugar de un nivel de burbuja y permite un posicionamiento y una lectura de valor más rápidos y precisos. Además, el dispositivo fue diseñado para anotar lecturas inmediatas. Por lo tanto, la estimación de tiempo necesaria para recopilar datos en el campo es más corta para el LP 110 que para plant Canopy Analyzer en aproximadamente 1/3. Después de la exportación de lecturas a un equipo, los datos están disponibles para su posterior procesamiento. El dispositivo registra la irradiancia dentro de las longitudes de onda de luz azul (es decir, 380-490 nm)21,22 utilizando un sensor LAI para realizar un cálculo LAI. El sensor LAI está enmascarado por una tapa de restricción opaca con campos de visión de 16° (eje Z) y 112° (eje X)(Figura 1). Por lo tanto, la transmitancia de la luz se puede observar utilizando el dispositivo sostenido perpendicularmente a la superficie del suelo (es decir, ángulo cenital 0 °), o en cinco ángulos diferentes de 0 °, 16 °, 32 °, 48 ° y 64 ° para poder deducir también la inclinación de los elementos del dosel.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62802/62802fig01.jpg"> Figura 1: Características físicas del LP 110. La tecla MENU permite al usuario desplazarse hacia arriba y hacia abajo en toda la pantalla, y el botón SET sirve como la tecla Intro (A). La vista cenital bajo diferentes ángulos de inclinación (±8 debido a la vista lateral) y la vista horizontal es fija para LP 110 a 112 °(B)de manera similar al Analizador de dosel de plantas (modificado por restrictores). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62802/62802fig01large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
Debido a la mayor sensibilidad del sensor LAI, su campo de visión restringido, el inclinómetro digital incorporado, el registro automático de los valores de lectura en la posición correcta indicada por el sonido sin presionar un botón, el nuevo instrumento también es adecuado para lecturas por encima del dosel en valles estrechos o incluso en caminos forestales más amplios para medir una amplia gama de condiciones del cielo. Además de eso, permite la cuantificación de las copas de rodales maduros por encima de la regeneración relativamente alta, y alcanza una mayor precisión de los valores de irradiancia que Plant Canopy Analyzer. Además, el precio de LP 110 equivale a aproximadamente 1/4 del analizador de dosel de plantas. Por el contrario, la utilización de LP 110 en densos (es decir, LAIe a nivel de rodales superior a 7,88)23 o toldos muy bajos como pastizales es limitada.
El LP 110 puede funcionar dentro de dos modos de funcionamiento: (i) un modo de sensor único que toma lecturas por debajo del dosel y de referencia (por encima del dosel estudiado o en un claro suficientemente extendido ubicado dentro de las cercanías de la vegetación analizada) realizadas antes, después o durante las mediciones por debajo del dosel tomadas con el mismo instrumento y (ii) un modo de sensor dual que utiliza el primer instrumento para tomar lecturas por debajo del dosel, mientras que el segundo se emplea para registrar automáticamente las lecturas de referencia dentro de un intervalo de tiempo predefinido regular (de 10 a 600 s). El LP 110 se puede combinar con un dispositivo GPS compatible (consulte la Tabla de materiales)para registrar las coordenadas de cada punto de medición debajo del dosel para los dos modos mencionados anteriormente.
El índice de área foliar efectiva (LAIe)24 incorpora el efecto de índice de aglomeración y puede derivarse de las mediciones de irradiancia del haz solar tomadas por encima y por debajo del dosel de vegetación estudiado25. Por lo tanto, para el siguiente cálculo de LAIe, la transmitancia (t) debe calcularse a partir de la irradiación transmitida por debajo del dosel (I) y la incidencia por encima de la vegetación(Io)medida por el dispositivo LP 110.
t = I / I0 (1)
Dado que la intensidad de la irradiación disminuye exponencialmente a medida que pasa a través de un dosel de vegetación, LAIe se puede calcular de acuerdo con la ley de extinción de Beer-Lambert modificada por Monsi y Saeki9,26
LAIe = - ln (I / I0) x k-1 (2),
Donde, k es el coeficiente de extinción. El coeficiente de extinción refleja la forma, orientación y posición de cada elemento en el dosel de la vegetación con la inclinación conocida del elemento del dosel y ladirecciónde la vista 9,12. El coeficiente k (ver ecuación 2) depende de la absorción de irradiancia por el follaje, y difiere entre las especies de plantas en función de los parámetros morfológicos de los elementos del dosel, su disposición espacial y las propiedades ópticas. Dado que el coeficiente de extinción generalmente fluctúa alrededor de 0.59,27, la ecuación 2 puede simplificarse como lo presentan Lang et al.28 de una manera ligeramente diferente para las marquesinas heterogéneas y homogéneas:
En un dosel heterogéneo
LAIe = 2 x | <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/62802/62802eq01.jpg"> ln t| (3),
o
En un dosel homogéneo
LAIe = 2 x |ln T| (4),
Donde, t: es la transmitancia en cada punto de medición por debajo del dosel, y T: es la transmitancia promedio de todos los valores de t por transecto o soporte medido.
En rodales forestales, la LAIe debe corregirse aún más debido a un efecto de aglomeración del aparato de asimilación dentro de los brotes29,30,31,32,33,34 para obtener el valor real de LAI.
El protocolo está dedicado a la utilización práctica del dispositivo óptico LP 110 para estimar LAIe en un ejemplo seleccionado de rodales de bosques de coníferas de Europa Central (ver Tabla 2 y Tabla 3 para las características del sitio, estructurales y dendrométricas). La estimación de LAIe en un dosel de vegetación utilizando este dispositivo se basa en un método óptico ampliamente utilizado relacionado con la transmitancia de la radiación fotosintéticamente activa y la fracción de brecha del dosel. El documento tiene como objetivo proporcionar un protocolo integral para realizar la estimación de LAIe utilizando el nuevo dispositivo óptico LP 110.

<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

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

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

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

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

Medición de campo del índice de área foliar efectiva utilizando un dispositivo óptico en el dosel de vegetación

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 presenta el dispositivo recientemente desarrollado LaiPen LP 110 para la estimación del índice de área foliar por método óptico indirecto, y lo compara con el analizador de dosel de plantas estándar LAI-2200. El nuevo dispositivo toma lecturas por encima y por debajo del dosel fácilmente, debido a su mayor sentido de sensibilidad, inclinómetro digital incorporado y registro automático de lecturas en la posición correcta. También el control de operación es intuitivo.El manual es necesario. Para la preparación del diseño de la medición, se recomienda al operador un breve estudio planificado de la estructura del dosel antes de su medición. Comience encendiendo ambos instrumentos manteniendo presionada la tecla Set durante al menos un segundo.Busque Configuración en el menú principal presionando repetidamente el botón Menú y establezca la fecha y hora actuales de ambos instrumentos presionando Conjunto, Hora, Conjunto. Luego, elija Retorno y mantenga presionada la tecla Establecer para volver al menú principal. Luego, configure ambos instrumentos en un solo modo de medición de ángulo.Seleccione Configuración con la tecla Establecer y presione Ángulos, Establecer, Único y confirme con la tecla Menú. Elija Retorno y mantenga presionada la tecla Establecer para volver al menú principal. Después de calibrar tanto el sensor LAI como el inclinómetro incorporado, calibre ambos dispositivos LP 110, el instrumento uno y el instrumento dos entre sí.Seleccione Configuración en el menú principal presionando la tecla Set, elija Calibración LAI y presione el botón Set. A continuación, mantenga ambos dispositivos en un plano horizontal en la posición vertical y ajuste el valor constante marcado como C en la pantalla presionando repetidamente la tecla Set en el instrumento uno, para lograr los mismos valores que se muestran en la pantalla del dispositivo en el instrumento dos. Luego, presione el botón Menú y regrese al menú principal.Coloque el instrumento uno verticalmente a un trípode colocado en un área abierta o sobre el dosel estudiado. Obtenga lecturas de dosel por encima y por debajo en condiciones de luz constante con nublado estándar antes del amanecer o después del atardecer, para evitar obtener valores de irradiancia incorrectos. Primero, seleccione Configuración en el menú principal y, a continuación, elija Intervalo automático presionando la tecla Establecer.A continuación, presione repetidamente la tecla Establecer y luego mantenga presionado el botón Menú para seleccionar el intervalo requerido para registrar automáticamente los valores de referencia de 10 a 600 segundos. Establezca un intervalo de tiempo más corto si las condiciones de luz cambian rápidamente. Presione la tecla Menú, seleccione Retorno y mantenga presionado el botón Establecer para volver al menú principal.Posteriormente, presione el botón Menú repetidamente, manteniendo presionada la tecla Establecer para volver a seleccionar la medición en el menú principal. Luego, elija Auto LAI Ref presionando la tecla Set para buscar la posición correcta del sensor LAI. Verifique la pantalla, incline el instrumento tanto hacia la izquierda como hacia la derecha, y hacia adelante y hacia atrás.Después de alcanzar el ángulo cenital definido por los ejes X y Z con cero o menos que el valor de cinco, fije el dispositivo firmemente en la posición requerida mencionada anteriormente y luego presione la tecla Set. Para comenzar a medir la irradiancia transmitida debajo del dosel de la vegetación utilizando el instrumento dos, elija Medición en el menú principal. Presione la tecla Set y seleccione LAI.Mantenga la orientación del instrumento dos como la del instrumento uno. Presione la tecla Set para activar el modo para nuestra medición de irradiancia transmitida debajo del dosel. Presione la tecla Set nuevamente para obtener el valor de la irradiancia transmitida debajo del dosel y active tanto el inclinómetro incorporado como el indicador de sonido que sirve para encontrar la posición correcta del sensor LAI.Luego, mantenga el dispositivo perpendicularmente al servicio de tierra para que sea el sensor LAI apuntando hacia el cenit. Verifique la pantalla, incline el instrumento tanto hacia la izquierda como hacia la derecha, y hacia adelante y hacia atrás. Todas las lecturas debajo del dosel se adquieren automáticamente y se almacenan inmediatamente una vez que el ángulo cenital definido por los ejes X y Z alcanza cero o menos de cinco.El tono de pitido se detiene. Proceda a tomar más medidas de la irradiancia transmitida que está por debajo de las lecturas del dosel, siguiendo los pasos para las lecturas anteriores del dosel mencionadas anteriormente. Después de tomar las siguientes medidas del dosel con el instrumento dos, presione el botón Menú y la tecla Menú repetidamente hasta que se seleccione Retorno para volver al menú principal y, a continuación, presione el botón Establecer.Los datos se guardan en la memoria del instrumento después de cada lectura. Mantenga presionado el botón Menú durante al menos un segundo para apagar el dispositivo de forma segura sin borrar ningún dato. Para el Plant Canopy Analyzer, se observaron valores de LAI significativamente más altos en la parcela de control, sin intervención silvícola en las delgadas.Para el LP 110, el índice de área foliar no difirió significativamente en los tratamientos C y B. Para LP 110, se encontró una diferencia significativa en los valores del índice de área foliar entre las parcelas C y A. En general, el índice de área foliar disminuyó significativamente después de aplicar tratamientos de adelgazamiento en la postura estudiada.Los valores del índice de área foliar registrados utilizando LP 110 y Plant Canopy Analyzer para cada tratamiento de adelgazamiento en rodales de postes de abeto puros de Noruega exhibieron variabilidad espacial. Se realizó una regresión lineal para todos los datos del índice de área foliar medidos a un nivel de punto particular utilizando el LP 110 y el Plant Canopy Analyzer. Asegúrese de medir en condiciones sinópticas adecuadas, utilice un área abierta suficientemente grande para una lectura de referencia y refleje la heterogeneidad del soporte y el diseño de medición para las lecturas debajo del dosel.Dado que los transmisores se pueden grabar en diferentes ángulos de inclinación de la vista del sensor, se puede calcular la orientación del ángulo de los elementos del dosel. Si se conoce el ancho de la capa del dosel, también se puede deducir la densidad del área de la hoja.

Research

JoVE Journal

Environment

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Lysimetry Integrado de campo y toma de muestras de agua intersticial para la Evaluación de la Movilidad de Química en Suelos y Vegetación Establecido

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Investigación

Medio ambiente

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Medición de Flujo de Gas de efecto invernadero procedentes de los suelos agrícolas Usando cámaras estáticas

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

Modificación del índice (BEHI) Protocolo de riesgo de erosión Banco de Evaluación Rápida de Streambank Erosión en el noreste de 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

Medición de Precios de los herbicidas Metabolismo en Dicot malas hierbas con un ensayo extirpados Leaf

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