En noggrann uppskattning av Leaf Area index (LAI) är avgörande för många modeller av material och energiflöden inom växt ekosystem och mellan ett ekosystem och det atmosfäriska gränsskiktet. Därför, tre metoder (kull fällor, nål teknik, och PCA) för att ta precisa LAI mätningar var i det presenterade protokollet.
Exakta uppskattningar av Leaf Area index (LAI), definierad som hälften av den totala löv ytan per enhet av horisontell markyta område, är avgörande för att beskriva vegetations strukturen inom ekologi, skogsbruk och jordbruk. Därför, förfaranden av tre kommersiellt använda metoder (kull fällor, nål teknik, och en anläggning Canopy Analyzer) för att utföra LAI uppskattning presenterades steg-för-steg. Specifika metodologiska tillvägagångssätt jämfördes, och deras nuvarande fördelar, kontroverser, utmaningar och framtidsutsikter diskuterades i detta protokoll. Skräp fällor brukar betraktas som referensnivå. Både nål teknik och växten Canopy Analyzer (t. ex., LAI-2000) underskatta ofta LAI värden i jämförelse med hänvisningen. Nålen tekniken är lätt att använda i lövträd står där kullen helt sönderdelas varje år (t. ex., ek och bok står). Kalibrering baserad på skräp fällor eller direkta destruktiva metoder är dock nödvändig. Växten Canopy Analyzer är en vanligt förekommande anordning för att utföra LAI uppskattning i ekologi, skogsbruk och jordbruk, men är föremål för potentiella fel på grund av lövverk klumpar och bidraget av Woody element i synfältet (FOV) av sensorn. Eliminera dessa potentiella felkällor diskuterades. Växten Canopy Analyzer är en mycket lämplig anordning för att utföra LAI uppskattningar på hög spatial nivå, observera en säsongsbetonad LAI Dynamic, och för långsiktig övervakning av LAI.
Lai, definierat som hälften av den totala löv ytan per enhet av horisontell markyta1, är en nyckelvariabel som används i många bio-geofysiska och kemiska utbytes modeller inriktade på kol-och vatten flöden2,3, 4. Lai är direkt proportionell mot den aktiva ytan av bladen där det driver primärproduktion (fotosyntes), transpiration, energiutbyte, och andra fysiologiska attribut i samband med en rad ekosystemprocesser i växt gemenskaperna5.
Många metoder och instrument för att utföra Lai uppskattning har utvecklats, och de finns för närvarande på marknaden6,7,8,9. Markbaserade metoder för att utföra LAI uppskattning kan grupperas i två huvudkategorier: (i) direkt, och (II) indirekta metoder10,11,12. Den första gruppen innehåller metoder som mäter löv området direkt, medan de indirekta metoderna sluta sig till Lai från mätningar av mer lätt mätbara parametrar, med hjälp av strålnings överföring teori (i form av tid, arbetskrafts intensitet, och teknik)13 ,14.
Detta protokoll behandlar den praktiska användningen av strö fällor och nåltekniken, som icke-förstörande semi-Direct-metoder10. och den optiska anordningen Plant Canopy Analyzer som en indirekt metod6,7 för att utföra Lai uppskattning på ett valt prov från tempererade lövskog står i Central Europa (se dess strukturella och dendrometriska egenskaper i Bilaga A och bilaga B).
I lövfällande skogar och grödor, är det möjligt att utföra icke-förstörande semi-Direct LAI uppskattning med hjälp av skräp fällor11 fördelas underträd kronorna lager15. Skräp fällor ger exakta LAI värden för Lövfällande arter där LAI når en platå inom växtsäsongen. Men för arter som kan ersätta bladen under växtsäsongen, såsom poppel, metoden överskattar LAI11. Denna metod förutsätter att innehållet i fällorna representerar den genomsnittliga mängden löv som faller under en löv-höst period i monter16, särskilt under höstmånaderna. Fällor öppnas lådor eller nät (figur 1) med en förutbestämd tillräcklig storlek (minimum 0,18 m2, men helst över 0,25 m2)10,17, laterala sidor hindrar vinden från att blåsa in/ut ur fällorna, och med en perforerad botten undvika nedbrytning av bladen; som är placerade underträd kronorna på det studerade stativet, dock ovanför markytan11. Fördelningen av fällorna kan vara antingen slumpmässigt18 eller systematiska i transekter19 eller en regelbunden avstånd rutnät20. Antalet och fördelningen av fällor är ett viktigt metodiskt steg för att utföra en noggrann LAI uppskattning som återspeglar den unika monterstruktur, rumslig homogenitet, förväntad vindhastighet och riktning, särskilt när det gäller glesa bestånd (eller gränder och fruktodlingar) och arbetsförmågan för att utvärdera data. Precisionen i Lai uppskattning ökar med stigande frekvensen av fällor inom studerade står11,21 (se figur 2).
Den rekommenderade frekvensen för insamling av prover av kullen-fall från varje fälla är minst månatliga10 och även två gånger per vecka i perioder av kraftigt fall, som kan sammanfalla med kraftiga regn. Det är nödvändigt att förhindra nedbrytning av kullen i fällor och läckage av näringsämnen från materialet under regn episoder i fråga om kemisk analys. Efter att ha samlat löv i ett fält, används ett blandat delprov för att uppskatta det specifika löv området (SLA, cm2 g-1)22, definierat som det färska projicerade området av bladen till dess torra viktförhållande. Resten av den insamlade kullen torkas till en konstant vikt och används för att beräkna den torra massan av kullen som g cm-2 i labbet. Löv torr massa på varje insamlingsdatum omvandlas till löv området genom att multiplicera den insamlade biomassan med SLA eller löv torr massa per område (LMA, g cm-2) som omvänd parameter till SLA23,24. En ny projicerad yta av särskilda blad kan bestämmas med hjälp av en planimetrisk metod. Den planimetriska metoden är baserad på sambandet mellan området för ett visst löv och det område som täcks av bladet i den horisontella ytan. Bladet är horisontellt fast på skanningsskärmen, och dess medelvärde mäts med hjälp av en löv områdes mätare. Därefter beräknas dess område. Många löv områdes mätare baserade på olika mätprinciper finns på marknaden. Några av dem inkluderar till exempel LI-3000C Portable Leaf Area meter, som använder ortogonala projektionsmetod, och LI-3100C Area meter, som mäter löv genomsnittet med hjälp av en fluorescerande ljuskälla och en semi-dirigerade skanning kamera. Nästa enhet, CI-202 Portable laser Leaf Area meter, koder en löv längd med hjälp av en kod läsare. Förutom dem, den AM350 och BSLM101 Portable Leaf Area meter används också ofta för att utföra exakt löv området uppskattning.
Dessutom finns löv områdes mätare baserade på system som analyserar video. Dessa Leaf Area meter består av en videokamera, en digitaliserings ram, en skärm och en PC, inklusive lämplig programvara för att göra dataanalys såsom WD3 WinDIAS Leaf bildanalys system11. För närvarande kan konventionella skannrar som är anslutna till en dator användas för att uppskatta löv området. Därefter beräknas löv området som en multipel av antalet svarta pixlar och dess storlek beror på den valda upplösningen (punkter per tum – dpi), eller löv området mäts genom specifik programvara, till exempel WinFOLIA. Slutligen, den totala torra massan av löv som samlats in inom en känd markyta område omvandlas till LAI genom att multiplicera med SLA och en krympning koefficienten25 som återspeglar förändringarna i området för färska och torkade blad. Krympning beror på trädslag, vattenhalt och blad mjukhet. Krympning av löv i längd och bredd (vad påverkar det projicerade området) är vanligtvis upp till 10%26, till exempel, det varierar från 2,6 till 6,8% för ek27. Sortering blad av arter för vägning och upprättande av den specifika löv området förhållandet är nödvändigt att fastställa bidraget av varje art till den totala LAI28.
Lai bestämning av nålen tekniken är en billig metod som härrör från den lutande punkt quadrat metod29,30,31,32. I lövfällande stativ, är det ett alternativ för att utföra LAI uppskattning utan att använda fällor10 baserat på antagandet att den totala löv nummer och deras område i ett träd är lika med vad som samlas på jordytan efter en komplett löv-fall20 . En tunn vass nål är genomborrad vertikalt i kullen liggande på marken omedelbart efter blad-fall10. Efter den kompletta löv-fall, bladen samlas från marken på en nål av en vertikal sond, är relaterade till kontaktnummer och lika den faktiska LAI värde. En intensiv provtagning (100-300 provtagningspunkter per undersökt stativ per fältsond) av nåltekniken krävs för att kvantifiera ett genomsnittligt kontaktnummer och för att härleda Lai-värdet korrekt10,20,33.
DenPlant Canopy Analyzer(e.g., LAI-2000 eller LAI-2200 PCA) är ett vanligt använt bärbara instrument för att utföra en indirekt LAI uppskattning genom att ta en mätning av ljustransmission i hela trädkronorna7inom den filtrerade blå delen av ljusspektrumet (320-490 nm)34,35för att minimera bidraget från ljuset som har passerat genom bladen, skingrades av trädkronorna och passerar genom lövverket7,34. I den blå delen av ljusspektrumet, den maximala kontrasten mellan blad och himmel uppnås, och bladen verkar svart mot himlen34. Därför är det baserat på den Canopy gap fraktion analys7. Instrumentet har använts i stor utsträckning för att göra eko fysiologiska studier i växt samhällen som grödor36Gräsmarker37, barrträd står8, och lövträd står38. Anläggningen Canopy Analyzer använder en fisheye optisk sensor med en FOV av 148 °35att projicera en halvsfärisk bild av trädkronorna på kisel detektorer för att ordna dem i fem koncentriska ringar39med centrala Zenit vinklar av 7 °, 23 °, 38 °, 53 ° och 68 °9,40,41. Fem vycaps (dvs.,270 °, 180 °, 90 °, 45 ° och 10 °) kan användas för att begränsa Azimut-vyn för den optiska sensorn27för att undvika skuggning av hinder i en öppen yta (för ovan refererade läsning) eller operatören i sensorns FOV under LAI uppskattning kan justera FOV sensorn till en öppen plats för ovan-Canopy avläsningar. Mätningar med hjälp av växten Canopy Analyzer tas ovan (eller i en tillräckligt utökad öppen yta) och under den studerade Canopy7. Samma vycaps måste användas för både över-och under avläsningar för att undvika avvikelser i uppskattningen av gap bråk34. Den LAI-2000 PCA producerar en effektiv Leaf Area index (LAIe) som infördes genom Chen et al.42, eller snarare ett effektivt växt områdes index (PAIe) som träiga element ingår i sensorns läsvärde. I lövfällande stativ med plana blad, är LAIe densamma som Hemi-ytan LAI. I fallet med Evergreen Forest står, är LAIe nödvändigt att korrigera för klumpar effekt på shoot Level (SPAR, STAR)43, det klumpnings index i skalor större än fotograferingen (ΩE)44, och bidraget från träiga element, inklusive stjälkar och grenar (dvs.,Woody-till-total-area-kvoten),45som orsakar en systematisk LAI underskattning20. Den klumpar index på en högre rumslig skala än skott eller löv kan kvantifieras som en skenbar klumpar index (ACF), som kan uppskattas med hjälp av växten Canopy Analyzer när mer restriktiva Visa CAPS används27. Eftersom dessa författare uppger att detta ACF härleds från ett förhållande av LAI värden som beräknats från transmission genom olika förfaranden för homogena och icke-homogena skärmtak enligt lang46, vi förmodas att detta klumpar index beskriver ganska Canopy homogenitet. Förutom ACF beräkning, nya diffusor mössor som möjliggör en mer omfattande tillämpning av LAI-2200 PCA när det gäller väderförhållanden, en användarmeny istället för FCT koder, och möjligheten att ta många fler mätningar per fil session är bland de viktigaste tekniska uppgraderingar jämfört med den tidigare LAI-2000 PCA34,47. Mätningar och efterföljande interna programvaru beräkningar baseras på fyra antaganden: (1) ljusblockerande växt element inklusive löv, grenar och stjälkar, fördelas slumpmässigt i trädkronorna, (2) lövverk är en optiskt svart kropp som absorberar alla ljus den tar emot, (3) alla växt element är samma projektion till den horisontella markytan som en enkel geometrisk konvex form, (4) växt element är små jämfört med det område som täcks av varje ring11.
Kull fällor anses vara en av de mest exakta metoderna för att utföra Lai uppskattning8, men de är mer arbetsintensiva och tidskrävande än de indirekta metoderna35,64 som införlivades i detta protokoll. Inom hela LAI uppskattning förfarande med hjälp av skräp fällor, en exakt uppskattning av SLA är den mest kritiska punkten10 eftersom SLA kan variera med växtarter65, datum och år…
The authors have nothing to disclose.
Vi står i tacksamt till redaktionsrådet för Journal of Forestry Research för att uppmuntra och bemyndiera oss att använda representativa resultat i detta protokoll från den artikel som publicerades där. Vi tackar också två anonyma granskare för deras värdefulla kommentarer, som avsevärt har förbättrat manuskriptet. Forskningen finansierades av ministeriet för jordbruk i Tjeckien, institutionellt stöd MZE-RO0118 och den nationella byrån för jordbruksforskning (Project No. QK1810126).
Area Meter | LI-COR Biosciences Inc., NE, USA | LI-3100C | https://www.licor.com/env/products/leaf_area/LI-3100C/ |
Computer Image Analysis System | Regent Instruments Inc., CA | WinFOLIA | http://www.regentinstruments.com/assets/images_winfolia2/WinFOLIA2018-s.pdf |
File Viewer | LI-COR Biosciences Inc., NE, USA | FV2200C Software | https://www.licor.com/env/products/leaf_area/LAI-2200C/software.html |
Laboratory oven | Amerex Instruments Inc., CA, USA | CV150 | https://www.labcompare.com/4-Drying-Ovens/2887-IncuMax-Convection-Oven-250L/?pda=4|2887_2_0||| |
Leaf Image Analysis System | Delta-T Devices, UK | WD3 WinDIAS | https://www.delta-t.co.uk/product/wd3/ |
Litter traps | Any | NA | See Fig. 2 |
Needle | Any | NA | Maximum diameter of 2 mm |
Plant Canopy Analyser | LI-COR Biosciences Inc., NE, USA | LAI-2000 PCA | LAI-2200 PCA or LAI-2200C as improved versions of LAI-2000 PCA can be used, see: https://www.licor.com/env/products/leaf_area/LAI-2200C/ |
Portable Laser Leaf Area Meter | CID Bio-Science, WA, USA | CI-202 | https://cid-inc.com/plant-science-tools/leaf-area-measurement/ci-202-portable-laser-leaf-area-meter/ |
Portable Leaf Area Meter | ADC, BioScientic Ltd., UK | AM350 | https://www.adc.co.uk/products/am350-portable-leaf-area-meter/ |
Portable Leaf Area Meter | Bionics Scientific Technogies (P). Ltd., India | BSLM101 | http://www.bionicsscientific.com/measuring-meters/leaf-area-index-meter.html |
Portable Leaf Area Meter | LI-COR Biosciences Inc., NE, USA | LI-3000C | https://www.licor.com/env/products/leaf_area/LI-3000C/ |