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Ambiente

純粋な落葉スタンドにおける3つの異なる方法を用いてリーフエリア指数推定

Published: August 29, 2019
doi:
10.3791/59757
, , ,
1Forestry and Game Management Research Institute,Research Station at Opočno, 2Department of Silviculture,Mendel University in Brno, 3Department of Forest Botany, Dendrology and Geobiocenology,Mendel University in Brno

Summary

葉面積指数(LAI)の正確な推定は、植物生態系内および生態系と大気境界層の間の物質的およびエネルギーフラックスの多くのモデルにとって重要です。したがって、正確なLAI測定を行うための3つの方法(ゴミトラップ、針技術、およびPCA)が提示されたプロトコルであった。

Abstract

葉面積指数(LAI)の正確な推定は、水平面積分の単位当たりの葉面面積の半分として定義され、生態、林業、農業の分野における植生構造を記述するために重要です。そこで、LAI推定を行うための3つの市販方法(ごみトラップ、針技術、植物キャノピーアナライザ)の手順を段階的に提示した。具体的な方法論的アプローチを比較し、現在の利点、論争、課題、および将来の展望について、このプロトコルで議論した。ゴミトラップは通常、参照レベルとみなされます。針技術と植物キャノピーアナライザ(例えば、LAI-2000)の両方が、参照と比較してLAI値を過小評価する場合が多い。針の技術は、ゴミが毎年完全に分解する落葉スタンド(例えば、オークとブナスタンド)で使用しやすいです。ただし、ゴミトラップや直接破壊方法に基づくキャリブレーションが必要です。植物の天蓋分析装置は、生態学、林業、農業におけるLAI推定を行うために一般的に使用される装置であるが、葉の塊およびセンサーの視野(FOV)の木質要素の寄与による潜在的な誤差の対象となる。これらの潜在的なエラー ソースの排除について説明しました。植物の天蓋の検光装置は高い空間レベルでLAIの推定を行い、季節的なLAIの動的を観察し、そしてLAIの長期監視のために非常に適した装置である。

Introduction

LAIは、水平地表面積1の単位当たりの総葉面面積の半分として定義され、炭素および水流束2、3に焦点を当てた多くの生物地球物理学および化学的交流モデルで使用される重要な変数である。4.LAIは、一次生産(光合成)、蒸散、エネルギー交換、および植物の生態系プロセスの範囲に関連するその他の生理学的属性を駆動する葉の活性表面に直接比例しています。コミュニティ5.

LAI推定を行うための多数のアプローチと機器が開発され、現在市場で6、7、8、9で利用可能です。LAI 推定を実行するための地上ベースの方法は、(i) 直接、および (ii) 間接メソッド10、11、12の 2 つの主要なカテゴリに分類できます。最初のグループは葉面積を直接測定する方法を含み、間接的な方法は、放射伝達理論(時間、労働集約性、および技術の観点から)を使用して、より容易に測定可能なパラメータの測定からLAIを推論する13 、14.

このプロトコルは、非破壊的な半直接方法10として、ゴミトラップと針技術の実用化を扱います。中央ヨーロッパの温帯落葉林から選択したサンプルに対してLAI推定を行うための間接方法6、7としての光学デバイス植物キャノピーアナライザ(その構造および樹状特性を参照してください。付録Aと付録B)。

落葉樹林および作物において、キャノピー層15の下に分布するゴミトラップ11を用いて非破壊半直接LAI推定を行うことができる。ごみトラップは、LAIが成長期内に高原に到達する落葉種の正確なLAI値を提供します。しかし、ポプラのような成長期に葉を置き換えることができる種については、この方法はLAI11を過大評価する。この方法は、トラップの内容物が、特に秋の間に、スタンド16の葉の落下期間中に落ちる葉の平均量を表すと仮定します。トラップは、所定の十分なサイズ(最小0.18m2、好ましくは0.25m2以上)10、17、風が葉を吹き飛ばすことを防ぐ、所定の十分なサイズで開いた箱またはネット(図1)である。トラップ、および葉の分解を避ける穴がたれた底を持つ。これは、研究されたスタンドの天蓋層の下に位置していますが、地上11の上にあります。トラップの分布は、トランセクト19または通常の間隔グリッド20でランダム18または系統的のいずれかであり続けることができる。トラップの数と分布は、ユニークなスタンド構造、空間均質性、予想される風速と方向、特にまばらなスタンド(または路地と路地)を反映して正確なLAI推定を行うための重要な方法論的ステップです。果樹園)、およびデータを評価するための作業能力。LAI推定の精度は、研究範囲内のトラップの上昇頻度に伴って増加します11,21 (図 2参照)。

各トラップからごみ落下のサンプルを収集する推奨頻度は、少なくとも毎月10回、さらには大雨と一致する可能性のある激しい秋の期間に週に2回です。化学分析の場合、雨エピソード中にトラップ内のゴミの分解や材料からの栄養素の浸出を防ぐ必要があります。畑で葉を採取した後、混合サブサンプルは、特定の葉面積(SLA、cm2 g-1)22を推定するために使用され、その乾燥質量重量比に葉の新鮮な投影面積として定義される。収集されたゴミの残りの部分は一定の重量に乾燥し、実験室でg cm-2としてごみの乾燥質量を計算するために使用されます。各回収日の葉乾燥質量は、収集したバイオマスを領域当たりのSLAまたは葉乾燥質量(LMA、g cm-2)でSLA23,24に逆パラメータとして乗算して葉面積に変換する。特定の葉の新鮮な投影面積は、平面的アプローチを使用して決定することができます。平面法は、特定のリーフの面積と水平面のリーフで覆われた領域との間の依存関係に基づいています。リーフはスキャン画面に水平に固定され、その平均はリーフエリアメーターを使用して測定されます。次に、その面積が計算されます。異なった測定の原則に基づく多くの葉の区域メートルは市場で利用できる。その中には、直交投影法を用いたLI-3000Cポータブルリーフエリアメーターや、蛍光光源と半導式走査カメラを用いて葉の平均を測定するLI-3100Cエリアメーターなどがあります。次の装置、CI-202ポータブルレーザーリーフエリアメーターは、コードリーダーを使用して葉の長さをコードします。それに加えて、AM350およびBSLM101の携帯葉区域メートルはまた正確な葉区域の推定を行う場合に一般的に使用される。

さらに、映像を解析するシステムに基づくリーフエリアメーターが存在します。これらのリーフエリアメーターは、ビデオカメラ、デジタル化フレーム、画面、およびPCから構成され、WD3 WinDIASリーフ画像解析システム11などのデータ解析を行うための適切なソフトウェアを含む。現在、PCに接続された従来のスキャナは、葉面積の推定に使用することができる。その後、リーフ領域は黒ピクセル数の倍数として計算され、そのサイズは選択した解像度(1インチあたりのドット – dpi)に依存するか、リーフ領域は特定のソフトウェア(例えばWinFOLIA)を通じて測定されます。最後に、既知の地表面積内で収集された葉の総乾燥質量は、SLAと収縮係数25を乗算してLAIに変換され、新鮮な葉と乾燥した葉の領域の変化を反映します。収縮は、樹種、水分含有量、葉の柔らかさに依存します。長さと幅の葉の収縮(投影面積に影響するもの)は、通常、10%26までであり、例えば、オーク27の場合は2.6から6.8%の範囲である。合計LAI28に対する各種の寄与度を決定するためには、特定の葉面積比を計量し確立するための種別の葉の選別が必要である。

針技術によるLAI判定は、傾斜点四分円法29、30、31、32に由来する安価な方法である。落葉スタンドでは、完全な葉の落下20の後に土壌表面に集められたものと同じ総葉数とその面積が等しいという仮定に基づいて、トラップ10を使用せずにLAI推定を行うための代替手段です。 .薄い鋭い針は、葉が落ちる10の直後に地面に横たわっているゴミに垂直に突き刺される。完全な葉の落下の後、葉は、垂直プローブの針に地面から収集され、接触番号に関連し、実際のLAI値と等しい。針技術による集中的なサンプリング(フィールドプローブあたり100〜300サンプリングポイント)は、平均接触数を定量化し、LAI値を正しく10、20、33導き出すために必要とされます。

植物キャノピーアナライザ(例えば、LAI-2000またはLAI-2200 PCA)は、天蓋全体の光透過の測定を取ることによって間接的なLAI推定を行うための一般的に使用されるポータブル機器です。7光スペクトルのフィルタリングされた青色部分内(320-490 nm)34,35葉を通過した光の寄与を最小限に抑えるために、天蓋によって散乱され、葉を通り抜けている7,34.光スペクトルの青い部分では、葉と空の最大コントラストが達成され、葉は空に対して黒く見えます34.したがって、キャノピーギャップ分率分析に基づいています。7.この器具は、作物などの植物コミュニティにおける生態生理学的研究に広く使用されている。36草原37、コンフィラススタンド8、および落葉樹のスタンド38.植物の天蓋の検光子は148°のFOVが付いている魚眼光学センサーを使用する35キャノピーの半球画像をシリコン検出器に投影し、それらを5つの同心円状リングに配置する397°、23°、38°、53°および68°の中央天頂角で9,40,41.5つのビューキャップ(すなわち。,270°、180°、90°、45°、10°)を使用して、光学センサーの方位角図を制限できます。27オープンエリア(上記参照読み取り用)またはLAI推定中のセンサーのFOVのオペレータによるシェーディングを避けるために、FOVセンサーを上の天蓋の読み取りのために開いた領域に調整することができます。植物の天蓋の検光子を使用した測定は、研究された天蓋の上(または十分に拡張されたオープンエリア)と下で行われる7.ギャップ分率推定のバイアスを避けるために、上下の読み取り値の両方に同じビューキャップを使用する必要があります。34.LAI-2000 PCAは、Chenらによって導入された効果的なリーフエリア指数(LAIe)を生成します。42、またはむしろ木質要素として有効な植物面積指数(PAIe)がセンサ読み取り値に含まれる。平らな葉を持つ落葉の立場では、LAIeはヘミ表面LAIと同じである。常緑林の場合、LAIeは撮影レベルでの凝集効果を修正する必要があります(SPAR,STAR)43、撮影よりも大きいスケールでの束指数(ΩE)44、茎や枝を含む木質要素の寄与(すなわち。,木質対総面積比)45体系的なLAI過小評価を引き起こす20.シュートまたはリーフよりも高い空間スケールの束指数は、見かけの集まり指数(ACF)として定量化することができ、より制限的なビューキャップを使用する場合に植物天蓋アナライザを使用して推定することができます。27.これらの著者は、このACFは、Langによると均質で非均質な天蓋のための異なる手順によって透過率から計算されたLAI値の比率から推測されると述べています46、この束指数は、むしろ天蓋均質性を記述していると推測する。ACFの計算に加えて、気象条件に関してLAI-2200 PCAのより広範な適用を可能にする新しいディフューザーキャップ、Fctコードの代わりにユーザーメニュー、およびファイルセッションごとにより多くの測定を行う可能性がメインの一つです以前のLAI-2000 PCAと比較される技術のアップグレード34,47.測定およびその後の内部ソフトウェアの計算は、4つの仮定に基づいています:(1)葉、枝、茎を含む光遮断植物要素は、天蓋内にランダムに分布し、(2)葉は、すべての光学的に黒い体です。受け取る光、(3)すべての植物要素は、単純な幾何学的凸形状と同じ地表に対する投影であり、(4)植物要素は、各リングで覆われた面積に比べて小さい11.

Protocol

1. ごみトラップを用いて推定されたLAI まず、フィールド調査を行い、調査されたスタンドのサイト条件と構造を調査する(すなわち、斜面の傾斜と博覧会、森林または植生の種類、森林または植生密度、天蓋閉鎖の均質性、王冠)サイズ、およびクラウンベースの高さ)。 研究対象のスタンドの同化装置のサイズに基づいてネットのメッシュサイズを選択することにより、…

Representative Results

2013年の成長期における全ての研究対象スタンドのスタンドレベルでの平均LAI値を図8に示します。A を除くすべてのプロットで、最も高い値は、参照レベルとして機能するゴミトラップによって測定されました。逆に、最も高い平均LAI値は、プロットAの針技術を通じて推定された。ごみトラップと植物天蓋分析装置を用いて推定されたLAI値の差は全て有意ではなかった(p…

Discussion

リッタートラップは、LAI推定8を実行するための最も正確な方法の一つとみなされますが、このプロトコルに組み込まれた間接方法35、64よりも労働集約的で時間がかかります。ごみトラップを使用したLAI推定手順全体では、SLAは植物種65、日付と年、トラップの時間の長さ、天候66、およびサイトによって異なる?…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

私たちは、林業研究ジャーナルの編集委員会に対し、このプロトコルの代表的な結果を使用することを奨励し、承認し、そこに掲載された記事からお世話になりました。また、2人の匿名のレビュアーの貴重なコメントに感謝します。研究は、チェコ共和国の農業省、機関支援MZE-RO0118と農業研究の国家機関(プロジェクトNo.QK1810126)。

Materials

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/
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Černý, J., Pokorný, R., Haninec, P., Bednář, P. Leaf Area Index Estimation Using Three Distinct Methods in Pure Deciduous Stands. J. Vis. Exp. (150), e59757, doi:10.3791/59757 (2019).
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