En nøyaktig estimering av Leaf Area index (LAI) er avgjørende for mange modeller av materiale og energi flukser innen plante økosystemer og mellom et økosystem og den atmosfæriske grensen laget. Derfor, tre metoder (søppel feller, nål teknikk, og PCA) for å ta presise LAI målingene var i den presenterte protokollen.
Nøyaktig estimater av Leaf Area index (LAI), definert som halvparten av den totale blad areal per enhet av horisontale bakken overflateareal, er avgjørende for å beskrive vegetasjon strukturen innen økologi, skogbruk og landbruk. Derfor prosedyrer av tre kommersielt brukte metoder (søppel feller, nål teknikk, og en plante baldakin analysator) for å utføre LAI estimering ble presentert steg-for-trinn. Spesifikke metoder for metodisk tilnærming ble sammenliknet, og deres nåværende fordeler, kontroverser, utfordringer og fremtidige perspektiver ble diskutert i denne protokollen. Søppel feller anses vanligvis som referanse nivå. Både nålen teknikk og anlegget baldakin analysator (f. eks, LAI-2000) ofte undervurderer LAI verdier i forhold til referansen. Nålen teknikken er enkel å bruke i løvskog står der kullet helt dekomponerer hvert år (f. eks, eik og bøk stands). Imidlertid er kalibrering basert på søppel feller eller direkte destruktive metoder nødvendig. Anlegget baldakin analysator er en vanlig brukt enhet for å utføre LAI estimering i økologi, skogbruk og landbruk, men er utsatt for potensielle feil på grunn av løvverk klumper og bidrag av Woody elementer i synsfeltet (FOV) av sensoren. Eliminerer disse potensielle feilkilder ble diskutert. Anlegget baldakin analysator er en svært egnet enhet for å utføre LAI estimater på høyt romlige nivå, observere en sesongmessige LAI dynamisk, og for langsiktig overvåking av LAI.
Lai, definert som halvparten av det totale blad arealet per enhet av horisontal bakke overflate område1, er en nøkkel variabel som brukes i mange bio-geofysiske og kjemiske utvekslings modeller fokusert på karbon og vann flukser2,3, 4. Lai er direkte proporsjonal med den aktive overflaten av blader der det driver primærproduksjon (fotosyntese), transpirasjon, energi utveksling og andre fysiologiske attributter knyttet til en rekke økosystem prosesser i anlegget lokalsamfunnene5.
Mange tilnærminger og instrumenter for å utføre Lai estimering har blitt utviklet, og de er for tiden tilgjengelig på markedet6,7,8,9. Ground-baserte metoder for å utføre LAI estimering kan grupperes i to hovedkategorier: (i) direkte, og (II) indirekte metoder10,11,12. Den første gruppen omfatter metoder måle blad området direkte, mens de indirekte metodene antyde LAI fra målinger av lettere målbare parametre, ved hjelp av strålingspådrivet overføring teori (i form av tid, eksponeringens og teknologi)13 ,14.
Denne protokollen omhandler praktisk bruk av søppel feller og nål teknikk, som ikke-destruktive semi-direkte metoder10; og den optiske enheten anlegget baldakin analysator som en indirekte metode6,7 for Performing Lai estimering på et valgt utvalg fra tempererte løvskog står i Sentral-Europa (se dens strukturelle og dendrometric egenskaper i Vedlegg A og tillegg B).
I løvskog og avlinger, er det mulig å utføre ikke-destruktiv semi-direkte LAI estimering bruke søppel feller11 distribueres under kalesjen lag15. Kull feller gi presise LAI verdier for løvskog arter som LAI når et platå i vekstsesongen. Men for arter som kan erstatte blader i vekstsesongen, for eksempel poppel, metoden overestimates LAI11. Denne metoden forutsetter at innholdet av fellene representerer den gjennomsnittlige mengden av blader som faller under en blad-fall periode i stativet16, spesielt i løpet av høst månedene. Feller åpnes bokser eller garn (figur 1) med en forhåndsbestemt tilstrekkelig størrelse (minimum 0,18 m2, men fortrinnsvis over 0,25 m2)10,17, lateral sider hindrer vinden fra blåser blader inn/ut av fellene, og med en perforert bunn unngå nedbryting av bladene; som er plassert under kalesjen laget av studerte stand, men over bakken overflaten11. Fordelingen av fellene kan være enten tilfeldig18 eller systematisk i transects19 eller en vanlig avstand rutenett20. Antall og distribusjon av feller er en avgjørende metodisk skritt for å utføre en nøyaktig LAI estimering reflekterer den unike stand struktur, romlig homogenitet, forventet vindhastighet og retning, spesielt i tilfelle av sparsom stands (eller smug og frukthager), og arbeidskapasiteten for å evaluere data. Presisjonen til Lai-estimering øker med stigende frekvens av feller innenfor studerte stands11,21 (se figur 2).
Den anbefalte hyppigheten av å samle prøver av kullet-fall fra hver felle er minst månedlig10 og to ganger per uke i perioder med tungt fall, noe som kan falle sammen med kraftig nedbør. Det er nødvendig for å hindre nedbryting av søppel i fellene og utvasking av næringsstoffer fra materialet under regn episoder i tilfelle av kjemisk analyse. Etter å samle blader i et felt, en blandet sub-sample brukes til å estimere den spesifikke blad området (SLA, cm2 g-1)22, definert som fersk projisert område av bladene til sin tørr masse vekt ratio. Resten av de innsamlede kullet er tørket til en konstant vekt og brukes til å beregne den tørre massen av kullet som g cm-2 i laboratoriet. Leaf Dry Mass på hver samling dato er konvertert til Leaf området ved å multiplisere den innsamlede biomasse av SLA eller blad tørr masse per område (LMA, g cm-2) som den inverse parameteren til SLA23,24. En fersk projisert område av bestemte blader kan bestemmes ved hjelp av en posisjonell tilnærming. Den posisjonell metoden er basert på avhengigheten mellom arealet av en bestemt blad og området dekket av bladet i horisontal overflate. Bladet er horisontalt festet til skanningen skjermen, og gjennomsnittet måles ved hjelp av et blad området meter. Deretter beregnes området. Mange blad området meter basert på ulike måling prinsipper er tilgjengelige på markedet. Noen av dem inkluderer for eksempel LI-3000C Portable Leaf Area meter, som bruker ortogonale projeksjon metoden, og LI-ens ion 3100c området meter, som måler blad gjennomsnittet ved hjelp av en fluorescerende lyskilde og en semi-gjennomført skanning kamera. Den neste enheten, CI-202 bærbare laser blad området meter, koder et blad lengde ved hjelp av en kode leser. Foruten dem, den AM350 og BSLM101 Portable Leaf areal målere er også ofte brukt for å utføre nøyaktige blad området estimering.
Videre blad området meter basert på systemer som analyserer videoen eksisterer. Disse Leaf området meter består av et videokamera, en digitalisering ramme, en skjerm, og en PC, inkludert egnet programvare for å gjøre dataanalyse som WD3 WinDIAS Leaf Image Analysis system11. Foreløpig kan konvensjonelle skannere koblet til en PC brukes til et anslag blad området. Etterpå blir blad området beregnet som et multiplum av antallet svarte piksler og størrelsen avhenger av den valgte oppløsningen (punkter per tomme – PPT), eller blad området måles gjennom spesifikk programvare, for eksempel WinFOLIA. Til slutt, den totale tørre massen av bladene samlet innenfor en kjent bakken areal er omgjort til LAI ved å multiplisere med SLA og en krymping koeffisient25 som reflekterer endringene i området av friske og tørkede blader. Krymping avhenger av treslag, vanninnhold og løv mykhet. Den krymping av blader i lengde og bredde (hva som påvirker det projiserte området) er vanligvis opp til 10%26, for eksempel, varierer det fra 2,6 til 6,8% for eik27. Sortering blader av arter for veiing og etablering av spesifikke blad området ratio er nødvendig for å bestemme bidraget av hver art til den totale LAI28.
Lai bestemmelse av nålen teknikken er en rimelig metode avledet fra skrå punkt Quadrat metode29,30,31,32. I løvskog stands, er det et alternativ for å utføre LAI estimering uten å bruke feller10 basert på antagelsen om at den totale blad nummer og deres område i et tre er lik det som er samlet på jordoverflaten etter en komplett blad-fall20 . En tynn skarp nål er gjennomboret vertikalt i kullet liggende på bakken umiddelbart etter bladet-fall10. Etter den komplette blad-fall, bladene er samlet fra bakken på en nål av en vertikal sonde, er knyttet til kontaktnummer og lik den faktiske LAI verdi. En intensiv prøvetaking (100-300 prøvetaking poeng per studert stand per felt probe) av nålen teknikken er nødvendig for å kvantifisere en gjennomsnittlig kontaktnummer og å utlede Lai verdien riktig10,20,33.
Denanlegg baldakin analysator(f. eks, LAI-2000 eller LAI-2200 PCA) er et vanlig brukt bærbart instrument for å utføre en indirekte LAI estimering ved å ta en måling av lystransmisjon gjennom kalesjen7innenfor den filtrerte blå delen av lysspekteret (320-490 NM)34,35å minimere bidraget av lyset som har passert gjennom bladene, ble spredt av kalesjen og passerer gjennom løvverk7,34. I den blå delen av lysspekteret, er den maksimale kontrasten mellom blad og himmel oppnådd, og løvverk vises svart mot himmelen34. Den er derfor basert på brøk analysen av baldakin gap7. Instrumentet har vært mye brukt for å lage øko-fysiologiske studier i plantesamfunn som avlinger36Gressletter37, bartre stands8, og løvskog stands38. Anlegget baldakin analysator bruker en fisheye optisk sensor med en FOV på 148 °35å projisere et halvkuleformet bilde av kalesjen på silisium detektorer for å ordne dem i fem konsentriske ringer39med sentrale høydepunkt vinkler på 7 °, 23 °, 38 °, 53 ° og 68 °9,40,41. Fem visnings caps (dvs.,270 °, 180 °, 90 °, 45 ° og 10 °) kan brukes til å begrense den asimut visningen av den optiske sensoren27å unngå skyggelegging av hindringer i et åpent område (for den ovenfor refererte lesing) eller operatøren i sensorens FOV under LAI estimering kan justere FOV sensor til et åpent område for over-kalesjen opplesninger. Målinger ved hjelp av anleggets baldakin analysator er tatt over (eller i et tilstrekkelig utvidet åpent område) og under den studerte baldakin7. De samme visnings dekslene må brukes for både over-og under målingene for å unngå bias av anslag for gap brøkdeler34. Den LAI-2000 PCA produserer en effektiv Leaf Area index (LAIe) som introdusert av Chen et al.42, eller rettere sagt en effektiv plante område indeks (PAIe) som Woody elementer er inkludert i sensoren lesing verdi. I løvskog står med flate blader, er LAIe den samme som hemi-LAI. I tilfelle av eviggrønne skog stands, det LAIe er nødvendig å korrigere for klumper effekt på skudd nivå (SPAR, STAR)43, klumper indeksen ved skalaer større enn skyte (ΩE)44, og bidraget av Woody elementer inkludert stengler og grener (dvs.,forhold mellom Woody og hele området),45som forårsaker en systematisk LAI undervurdering20. Den klumper indeksen på en høyere romlig skala enn skyte eller blad kan være kvantifisert som en tilsynelatende klumper indeks (ACF), som kan anslås ved hjelp av anlegget baldakin analysator når mer restriktive vise caps brukes27. Som disse forfatterne sier at dette ACF er utledet fra et forhold på LAI verdier beregnet fra Transmisjon av ulike prosedyrer for homogen og ikke-homogene overbygg i henhold til lang46, antar vi at denne klumper indeksen beskriver ganske homogenitet. I tillegg til ACF beregningen, nye diffuser caps som muliggjør en mer omfattende anvendelse av LAI-2200 PCA i forhold til værforhold, en bruker meny i stedet for FCT koder, og muligheten til å ta mange flere målinger per fil økt er blant de viktigste teknologiske oppgraderinger sammenlignet med tidligere LAI-2000 PCA34,47. Målinger og påfølgende interne programvare beregninger er basert på fire forutsetninger: (1) lys blokkering plante elementer inkludert blader, grener og stengler, er tilfeldig fordelt i kalesjen, (2) løvverk er en optisk svart kropp som absorberer alle lys den mottar, (3) alle plante elementer er de samme projeksjon til horisontal bakken overflaten som en enkel geometrisk konveks form, (4) plante elementer er små i forhold til området som dekkes av hver ring11.
Søppel feller anses som en av de mest nøyaktige metodene for å utføre Lai estimering8, men de er mer arbeidskrevende og tidkrevende enn de indirekte metodene35,64 som ble innlemmet i denne protokollen. Innenfor hele LAI estimering prosedyre ved hjelp av søppel feller, en presis estimering av SLA er det mest kritiske punktet10 fordi SLA kan variere med plantearter65, dato og år, hvor len…
The authors have nothing to disclose.
Vi står i gjeld til redaksjonsrådet for Journal of Forestry Research for å oppmuntre og autorisere oss til å bruke representative resultater i denne protokollen fra artikkelen publisert der. Vi takker også to anonyme anmeldere for sine verdifulle kommentarer, som har vesentlig forbedret manuskriptet. Forskningen ble finansiert av Landbruksdepartementet i den tsjekkiske republikk, institusjonell støtte MZE-RO0118 og National Agency of Agricultural Research (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/ |