Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Environment
Click here for the English version

Environment

מדידת שדה של אינדקס אזור עלה אפקטיבי באמצעות התקן אופטי בחופת הצמחייה

Published: July 29, 2021 doi: 10.3791/62802
Automatic Translation
1,2, 2
1Forestry and Game Management Research Institute, Research Station at Opočno, 2Department of Silviculture, Faculty of Forestry and Wood Technology, Mendel University in Brno

Summary

הערכת מדד אזור עלים מהירה ומדויקת (LAI) במערכות אקולוגיות יבשתיות חיונית למגוון רחב של מחקרים אקולוגיים וכיול מוצרי חישה מרחוק. מוצג כאן הפרוטוקול לשימוש במכשיר האופטי החדש LP 110 לצילום מבוסס קרקע במדידות LAI.

Abstract

מדד אזור העלים (LAI) הוא משתנה חופה חיוני המתאר את כמות העלווה במערכת אקולוגית. הפרמטר משמש כממשק בין רכיבים ירוקים של צמחים לאטמוספירה, ותהליכים פיזיולוגיים רבים מתרחשים שם, בעיקר ספיגה פוטוסינתזה, נשימה ותרחשות. LAI הוא גם פרמטר קלט עבור מודלים רבים הכוללים פחמן, מים ומחזור האנרגיה. יתר על כן, מדידות מיקום מבוססות קרקע משמשות כשיטת הכיול עבור LAI המתקבלת ממוצרי חישה מרחוק. לכן, שיטות אופטיות עקיפות פשוטות נחוצות לביצוע הערכות LAI מדויקות ומהירות. הגישה המתודולוגית, היתרונות, המחלוקות ונקודות המבט העתידיות של המכשיר האופטי LP 110 שפותח לאחרונה, המבוססות על הקשר בין קרינה המועברת דרך חופת הצמחייה לבין פערי החופה נדונו בפרוטוקול. יתר על כן, המכשיר הושווה למנתח החופה הצמחי הסטנדרטי LAI-2200. LP 110 מאפשר עיבוד מהיר ופשוט יותר של נתונים שנרכשו בתחום, והוא זול יותר מאשר מנתח החופה הצמחית. המכשיר החדש מאופיין בקלות השימוש שלו לקריאות מעל ומתחת לחופה בשל רגישות החיישנים הגדולה יותר שלו, מד הנטייה הדיגיטלי המובנה ורישום אוטומטי של קריאות במיקום הנכון. לכן, מכשיר LP 110 המוחזק ביד הוא גאדג'ט מתאים לביצוע הערכת LAI ביערות, אקולוגיה, גננות וחקלאות על סמך התוצאות הייצוגיות. יתר על כן, אותו מכשיר גם מאפשר למשתמש לבצע מדידות מדויקות של עוצמת קרינה פעילה פוטוסינתזה (PAR).

Introduction

חופות הן מוקדיים של תהליכים ביולוגיים, פיזיים, כימיים ואקולוגיים רבים. רובם מושפעים מבני חופה1. לכן, מדויק, מהיר, לא הרסני, ואמין בכימות חופת הצמחייה במקום הוא חיוני עבור מגוון רחב של מחקרים מעורבים הידרוולוגיה, פחמן וחומרים מזינים רכיבה על אופניים, ושינוי האקלים העולמי2,3. מאז עלים או מחטים מייצגים ממשק פעיל בין האטמוספירה לצמחייה4, אחד המאפיינים המבניים החופה הקריטיים הוא מדד שטח עלה (LAI)5, המוגדר כמחצית משטח העלה הירוק הכולל ליחידה של שטח קרקע אופקי או הקרנתכתר ליחידים, המתבטאת ב- m 2למ"ר כמשתנה ללא ממד6, 7.

מכשירים שונים וגישות מתודולוגיות להערכת LAI יבשתי ואת היתרונות והחסרונות שלהם במערכות אקולוגיות מגוונות כבר הוצגו8,9,10,11,12,13,14,15. ישנן שתי קטגוריות עיקריות של שיטות הערכת LAI: ישיר ועקיף (ראה ביקורות מקיפות8,9,10,11,12 לפרטים נוספים). אומדני LAI מבוססי קרקע מתקבלים באופן שגרתי בשיטות אופטיות עקיפות בשל היעדר קביעת LAI ישירה, אך בדרך כלל הן ייצגו שיטה הרסנית וגוזלת זמן רב9,10,12,16. יתר על כן, שיטות אופטיות עקיפות שואבות LAI מפרמטרים קשורים בקלות רבה יותר (מנקודת המבט של אופיו התובעני והעבודה- אינטנסיבי)17, כגון היחס בין הקרנת תקריות מעל ומתחת לחופה וכימות פערי חופה14. ניכר כי מנתחי חופת צמחים שימשו גם באופן נרחב כדי לאמת אחזורי לווין LAI18; לכן, זה נחשב תקן עבור LP 110 השוואה (ראה טבלת חומרים לקבלת פרטים נוספים על מכשירים מועסקים).

LP 110, כגרסה מעודכנת של בתחילה מתוצרת עצמית מכשיר פשוט ALAI-02D19 ומאוחר יותר LP 10020, פותח כמתחרה קרוב עבור מנתחי חופת צמחים. כנציג של שיטות אופטיות עקיפות, המכשיר מוחזק ביד, קל משקל, מופעל באמצעות סוללה, ללא כל צורך בחיבור כבל בין החיישן לבין לוגר הנתונים המשתמש בפלינטומטר דיגיטלי במקום ברמת בועה ומאפשר מיקום מהיר ומדויק יותר וקריאה ערכית. בנוסף, המכשיר תוכנן לציין קריאות מיידיות. לפיכך, אומדן הזמן הדרוש לאיסוף נתונים בשדה קצר יותר עבור LP 110 מאשר מנתח החופה הצמח על ידי כ 1/3. לאחר ייצוא קריאות למחשב, הנתונים זמינים לעיבוד הבא. ההתקן מתעד קרינה באורכי הגל של האור הכחול (כלומר, 380-490 ננומטר)21,22 באמצעות חיישן LAI לביצוע חישוב LAI. חיישן ה-LAI מוסווה על-ידי מכסה הגבלה אטום עם שדות תצוגה של 16° (ציר Z) ו- 112° (ציר X) (איור 1). לפיכך, ניתן לציין העברת אור באמצעות ההתקן המוחזק בניצב אל פני הקרקע (כלומר, זווית זנית 0°), או בחמש זוויות שונות של 0°, 16°, 32°, 48° ו-64° כדי להיות מסוגל גם להסיק את הנטייה של יסודות החופה.

Figure 1
איור 1: תכונות פיזיות של LP 110. מקש MENU מאפשר למשתמש הסטה למעלה ולמטה לאורך הצג, ולחצן SET משמש כמקש Enter (A). תצוגת השיא תחת זוויות נטייה שונות (±8 עקב התצוגה הצדדית) והתצוגה האופקית קבועה עבור LP 110 עד 112 ° (B) בדומה למנתח החופה הצמחית (שונה על ידי מגבילים). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

בשל הרגישות הגבוהה יותר של חיישן ה-LAI, שדה הראייה המוגבל שלו, מד הנטיות הדיגיטלי המובנה, הרישום האוטומטי של ערכי הקריאה במיקום הנכון המצוין בצליל ללא לחיצת כפתור, המכשיר החדש מתאים גם לקריאות מעל החופה בעמקים צרים או אפילו בכבישי יער רחבים יותר כדי למדוד מגוון רחב של תנאי שמיים. חוץ מזה, הוא מאפשר כימות של חופות מעמד בוגרות מעל ההתחדשות הגבוהה יחסית, והוא משיג דיוק גבוה יותר של ערכי הקרנה מאשר מנתח החופה הצמחית. יתר על כן, המחיר של LP 110 שווה בערך 1/4 של מנתח החופה הצמח. לעומת זאת, הניצול של LP 110 בצפיפות (כלומר, LAIe ברמת עמידה מעל 7.88)23 או חופות נמוכות מאוד כמו ערבה מוגבלת.

LP 110 יכול לעבוד בתוך שני מצבי הפעלה: (i) מצב חיישן יחיד שלוקח הן קריאות מתחת לחופה והן קריאות התייחסות (מעל החופה הנחקרת או בקרחת סליקה נרחבת מספיק הממוקמת בקרבת הצמחייה המנותחת) המבוצעת לפני, לאחר, או במהלך מדידות מתחת לחופה שנלקחו עם אותו מכשיר ו- (ii) מצב חיישן כפול באמצעות המכשיר הראשון לביצוע קריאות מתחת לחופה, ואילו השני משמש לרישום אוטומטי של קריאות הפניה בתוך מרווח זמן מוגדר מראש קבוע (מ- 10 עד 600 שניות). ניתן להתאים את LP 110 להתקן GPS תואם (ראה טבלת חומרים) כדי להקליט את הקואורדינטות של כל נקודת מדידה מתחת לחופה עבור שני המצבים שהוזכרו לעיל.

מדד אזור העלים האפקטיבי (LAIe)24 משלב את אפקט האינדקס המגושם וניתן לגזור ממנו מדידות של קרינת קרן השמש שנלקחו מעל ומתחת לחופת הצמחייה הנחקרת25. לכן, עבור חישוב LAIe הבא, שידור (t) חייב להיות מחושב מהקרנה הן משודרת מתחת לחופה (I) והן תקרית מעל הצמחייה (Io) נמדד על ידי מכשיר LP 110.

t = I / I0 (1)

מכיוון שעוצמת ההקרנה פוחתת באופן אקספוננציאלי כשהיא עוברת דרך חופת צמחייה, ניתן לחשב את LAIe על פי חוק ההכחדה של באר-למברט ששונה על ידי מונסי וסאקי9,26

LAIe = - ln (I / I0) x k-1 (2),

איפה, k הוא מקדם ההכחדה. מקדם ההכחדה משקף את צורתו, אוריינטציה ומיקום של כל יסוד בחופת הצמחייה עם נטיית יסוד החופה הידועה וכיוון הצפייה9,12. מקדם k (ראה משוואה 2) תלוי בספיגת ההקרנה על ידי עלווה, והוא שונה בין מיני צמחים בהתבסס על הפרמטרים המורפולוגיים של יסודות החופה, הסידור המרחבי שלהם, ומאפיינים אופטיים. מאז מקדם ההכחדה בדרך כלל משתנה סביב 0.59,27, משוואה 2 ניתן לפשט כפי שהוצג על ידי לאנג ואח'28 בצורה שונה במקצת עבור חופות הטרוגניות והומוגניות:

בחופה הטרוגנית

LAIe = 2 x | Equation 1 ב| (3),

או

בחופה הומוגנית

LAIe = 2 x |ln T| (4),

איפה, t: הוא שידור בכל נקודת מדידה מתחת לחופה, ו- T: הוא ההעברה הממוצעת של כל ערכי t לכל חציית או מעמד נמדדים.

ביציעי יער, LAIe חייב להיות מתוקן עוד יותר בשל אפקט מגושם של מנגנון התבוללות בתוךיורה 29,30,31,32,33,34 כדי להשיג את ערך LAI בפועל.

הפרוטוקול מוקדש לניצול המעשי של המכשיר האופטי LP 110 להערכת LAIe בדוגמה נבחרה של דוכני יער מחטים במרכז אירופה (ראה טבלה 2 וטבלה 3 עבור האתר, מאפיינים מבניים ודנדרומטריים). הערכת LAIe בחופת צמחייה באמצעות מכשיר זה מבוססת על שיטה אופטית נפוצה הקשורה להעברת קרינה פעילה פוטוסינתזה ושבר פער חופה. מטרת העיתון היא לספק פרוטוקול מקיף לביצוע הערכת LAIe באמצעות המכשיר האופטי החדש LP 110.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

הערה: לפני שתתחיל לבצע מדידות שדה מתוכננות, טען מספיק את הסוללה של התקן LP 110. חבר את המכשיר (מחבר USB, ראה איור 1) ואת המחשב באמצעות הכבל המצורף. מצב הסוללה מוצג בפינה השמאלית-עליונה של צג ההתקן.

1. כיול לפני המדידה

הערה: עבור LP 110, בצע כיול כהה של חיישן LAI וכיול מד נטייה מובנה לפני תחילת כל קמפיין מדידת שדה.

  1. הכיול הכהה של חיישן LAI
    1. הפעל את הכלי על-ידי לחיצה והחזקה של מקש Set למשך 1 s לפחות.
      הערה: לחצן הגדר משמש כמקש Enter.
    2. בחר הגדרות (מקש התפריט מאפשר הסטה למעלה ולמטה) והקש על הגדר > Lai Cal., הקש על מקש Set ולאחר מכן בדוק אם קבוע הכיול LAI קבוע ל- 1 (כלומר, C = 1.0); אם לא, הקש על מקש Set שוב ושוב כדי להתאים את הקבוע ל- 1.0 ולחזור לתפריט הראשי (הקש על תפריט | | החזרה הגדר).
      הערה: בעת לקיחת מדידות LAI באמצעות מצב חיישן יחיד (ראה סעיף 2), מומלץ ערך קבוע של 1.0 עבור כל המדידות.
    3. בחר הגדרות והקש על הגדרת | לאי זירו | הגדר. לכסות לחלוטין את חיישן LAI באמצעות, למשל, מטלית אטומה או כף יד כדי למנוע הפרעות אור במהלך כל תהליך הכיול. לאחר מכן, הקש על מקש Set כדי לשמור על ערך האפס המופיע בצג.
    4. הקש על מקש Menu שוב ושוב עד לבחירת Return כדי לחזור לתפריט הראשי ולאחר מכן הקש על מקש Set.
  2. כיול מד אינפי
    הערה: כל התקן LP 110 מצויד ב- נטייה אלקטרונית מובנית כדי להבטיח את זווית הנטייה הנכונה של קריאות. מד הנטייה הפנימי חייב להיות (מחדש) מכויל באמצעות מפלס מים.
    1. כיול אנכי
      1. אם ההתקן כבוי, לחץ והחזק את מקש Set למשך 1 s לפחות כדי להפעיל את המכשיר.
      2. בחר הגדרות והקש על הגדרת | | אנכית. הגדר כדי להפעיל את מד הנטייה האלקטרוני.
      3. החזק את ההתקן אנכית והצב מפלס מים בצדו הצדדי יחד עם המכשיר.
      4. איזון ההתקן שמאלה או ימינה בהתאם לבועת מפלס המים כדי להשיג ערך אפס או קרוב לאפס עבור ציר ה- X. אם לא, הקש על מקש Set כדי להתאים את הקריאות עד שאפס עבור ציר ה- X ייקרא.
      5. מקם את מפלס המים לאורך הצד האחורי של ההתקן כדי להשלים את הכיול האנכי.
      6. הטה את ההתקן שוב שמאלה או ימינה ובדוק אם תצוגת ההתקן קוראת אפס עבור ציר ה- X.
      7. החזק את מיקום זווית האפס עבור ציר ה-X ובמקביל הטה את ההתקן קדימה או אחורה (ציר Z) בהתאם לבועת מפלס המים, תוך הקפדה לשמור על ערך הזווית של ציר ה-X באפס או קרוב לאפס.
      8. בדוק אם קריאת ציר Z שווה לאפס או מתקרבת לאפס. אם לא, החזק את מקש Set ו כייל מחדש את ההתקן כדי להגדיר אפס קריאות עבור צירי X ו- Z.
      9. הקש על מקש Menu שוב ושוב עד לבחירת Return כדי לחזור לתפריט הראשי ולאחר מכן הקש על מקש Set.
    2. כיול אופקי
      1. בחר הגדרות והקש על הגדר | | אופקית. הגדר כדי להפעיל את מד הנטייה האלקטרוני.
      2. החזק את ההתקן אופקית. לאחר מכן, הנח את מפלס המים לאורך הצד האחורי של המכשיר.
      3. יישר את ההתקן במצב האופקי בהתאם לבועות מפלס המים. הטה את הכלי שמאלה או ימינה ולמעלה או למטה לאורך צירי X ו- Y, בהתאמה.
      4. לאחר השגת מיקום החיישן הנכון על פי שתי בועות מפלס המים, בדוק כדי לוודא שהקריאה עבור ציר ה- Y היא אפס או קרובה לאפס. אם לא, הקש על מקש Set כדי לכייל מחדש את המיקום האופקי של הכלי.
      5. הקש על מקש Menu שוב ושוב עד לבחירת Return כדי לחזור לתפריט הראשי ולאחר מכן הקש על מקש Set.

2. מצב חיישן יחיד להערכת LAIe

  1. אם ההתקן כבוי, הקש על מקש Set עבור 1 s לפחות כדי להפעיל את המכשיר.
  2. כייל את המכשיר לפני תחילת כל קמפיין מדידת שדה לפי שלבים 1.1 ו- 1.2.
    הערה: אם הכיול כבר בוצע, דלג לשלב 2.3.
  3. לאחר מכן, הגדר את התאריך והשעה הנוכחיים (מצא את הגדרות בתפריט הראשי על-ידי הקשה חוזרת ונשנית על מקש Menu. לאחר מכן, הקש על הגדרת | זמן; לחץ שוב על לחצן הגדר) וחזר לתפריט הראשי (בחר החזר והחזק את מקש Set).
    הערה: עבור הגדרת זמן מדויקת, התאם את השעה למחשב כפי שמוצג בתוכנה הרלוונטית (חבר את התקן LP 110 למחשב באמצעות הכבל המצורף. פתח את התוכנה, הקש על | ההתקנה | מזהה התקן התקן. בחירה | שליטה מקוונת ולחץ עליה זמן. לאחר מכן, סמן את האפשרות סנכרן עם זמן מחשב והקש על ערוך.
  4. הגדר את הכלי למצב מדידה בזווית אחת באמצעות הגדרות. הקש על הגדרת | זוויות | הגדרת | יחיד (אשר שימוש במקש התפריט) וחזר לתפריט הראשי (בחר החזר והחזק את מקש Set).
    1. אם יש להעריך את נטיית זווית העלים, הגדר את מצב המדידה מרובת הזווית. הגדרות | זוויות | ריבוי (לחץ על לחצן תפריט) וחזר לתפריט הראשי (בחר החזר והחזק את מקש Set).
  5. אם יש צורך ברשומה בנוגע למיקום המדידות, הפעל את התקן ה- GPS הרלוונטי (עיין בסעיפים שלהלן לקבלת הוראות מפורטות וטבלת החומרים); אם לא, דלג לשלב 2.6.
    1. ודא שזמן ההתקן תואם למחשב.
      הערה: יש להגדיר את השעה כראוי כדי לשקף את אזור הזמן במיקום הנלמד.
    2. תדליק את התקן ה-GPS והמתן רגע עד למציאת המיקום הנוכחי. בדוק את המיקום בתצוגה של מכשיר ה- GPS.
      הערה: הדיוק מותנה בצפיפות החופה של הצמחייה הנחקרת.
    3. לשאת הן את LP 110 ואת התקן GPS בעת ביצוע כל מדידות השדה.
    4. לאחר ביצוע כל מדידות השדה, חבר את שני ההתקנים למחשב, הורד ועיבוד הנתונים בתוכנה הרלוונטית (ראה טבלת חומרים) בהתאם למדריך LP 110 ומדריך למשתמש, הוראות הפעולה סעיף35.
  6. קח מדידת ייחוס בשטח פתוח או מעל הצמחייה הנמדדת (כלומר, קריאה מעל החופה). במזג אוויר שטוף שמש, מנעו מהאור להיכנס ישירות לכוס הגבלת הנוף (ראו איור 1).
    הערה: עבור מצב מדידת חיישן יחיד, יש לבצע קריאות מעל ומתחת לחופה בתנאי תאורה קבועים במהלך שידור מעונן סטנדרטי, לפני הזריחה או לאחר השקיעה (איור 2) כדי להימנע מהשגת ערכי הקרנה שגויים.

Figure 2
איור 2: תנאי מזג אוויר אופטימליים למדידת LAIe באמצעות LP 110. תנאי מזג האוויר האופטימליים בעת השימוש ב- LP 110 הם שמיים מעוננים באופן אחיד ללא קרינת שמש ישירה (A), או להשתמש לפני הזריחה או לאחר השקיעה (B). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

  1. בחרו 'מדידה' בתפריט הראשי (הקש/י על מקש 'קבע') ולאחר מכן בחרו 'לאי שופט'. לאחר הקשה על מקש Set, מצב מדידת ההפניה מופעל.
    הערה: ערך ההקרנה הנוכחי מופיע בתצוגה. ערך זה עדיין אינו מאוחסן בזיכרון הפנימי של ההתקן (מצב המדידה מופעל כעת).
  2. לאחר מכן, הקש שוב על מקש Set כדי להתחיל בחיפוש אחר מיקום חיישן ה- LAI הנכון (כלומר, זווית זנית 0°), ולהפעיל הן את מד הנטייה המובנה והן את מחוון הצליל.
    הערה: בו-זמנית, המיקום הנוכחי של חיישן ה-LAI מופיע על הצג עבור צירי X ו- Z.
  3. לאחר מכן, החזק את המכשיר בניצב לקרקע וודא כי חיישן ה- LAI מכוון כלפי מעלה לכיוון השיא.
    הערה: מחוון הצליל מגביר את עוצמת הקול כשהוא מתקרב לזווית השיא הנכונה.
  4. בדוק את הצג, הטה את הכלי הן שמאלה והן ימינה, וקדימה ואחורה. ערך ההפניה נרכש באופן אוטומטי ומאוחסן מיד לאחר שזווית השיא המוגדרת הן על-ידי צירי X ו- Z מגיעה לאפס או פחות מ- 5 (צליל הצפצוף נעצר).
    הערה: בהתחשב בעמדה הנכונה יש להשיג בטווח צר מאוד (כלומר, מ"מ), שלב זה יכול להיות מייגע.
  1. לאחר לקיחת מדידות הפניה, חזור לתפריט המדידה על-ידי הקשה על מקש Menu. לאחר מכן, להתחיל למדוד את רמת ההקרנה המועברת מתחת לחופה.
    1. הגדר את המיקומים לצילום קריאות מתחת לחופה והתחל לבצע מדידות ערך העברת אור באמצעות חיישן ה- LAI של ההתקן.
      הערה: התבנית של מדידות שדה LAIe במבני חופה שונים מוזכרת בפירוט על ידי Černý et al.36 ו Fleck ואח'37.
    2. בחרו 'לאי' בתפריט המדידה. הקש על מקש Set כדי להפעיל את המצב למדידת הקרנה משודרת מתחת לחופה.
      הערה: ערך ההקרנה הנוכחי מופיע בתצוגה. ערך זה עדיין אינו מאוחסן בזיכרון הפנימי של ההתקן (מצב המדידה מופעל כעת).
    3. הקש שוב על מקש Set כדי להקליט את קריאות החופה שמתחת לחופה. מד הנטייה המובנה ומחוון הקול מופעלים כדי להשיג את מיקום חיישן ה- LAI הנכון (כלומר, זווית זנית 0°).
      הערה: בו-זמנית, המיקום הנוכחי של חיישן ה-LAI מופיע על הצג עבור צירי X ו- Z.
    4. לאחר מכן, החזק את המכשיר בניצב לקרקע וודא כי חיישן LAI מכוון כלפי מעלה לכיוון השיא.
      הערה: מחוון הצליל מגביר את עוצמת הקול כשהוא מתקרב לזווית השיא הנכונה.
    5. בדוק את הצג, הטה את הכלי הן שמאלה והן ימינה, וקדימה ואחורה. כל קריאות מתחת לחופה נרכשות ומאוחסנות באופן אוטומטי ברגע שזווית השיא המוגדרת על ידי צירי X ו- Z מגיעה לאפס או פחות מ - 5 (צליל הצפצוף נעצר).
      הערה: בהתחשב בעמדה הנכונה יש להשיג בטווח צר מאוד (מ"מ), צעד זה יכול להיות מייגע.
  2. המשך עם לקיחת מדידות נוספות של הקרנה משודרת מתחת לחופת הצמחייה, בעקבות שלבים 2.7.3-2.7.5.
    הערה: ניתן גם נקט קריאות הפניה בכל עת בין מדידות מתחת לחופה. לדוגמה, לאחר השלמת כל טרנסג'נדר, לחץ על לחצן תפריט, בחר Lai Ref (החזק את מקש Set) והמשיך בהתאם לשלבים 2.6.2-2.6.4.ככל שיותר קריאות מעל החופה שנלקחו במהלך מדידות מתחת לחופה, הדיוק הגדול יותר של חישובי הפניה.
  3. מיד לאחר סיום ביצוע מדידות מתחת לחופה (לחץ על לחצן תפריט, בחר Lai Ref והחזק את מקש Set), בצע מדידה של ההקרנה בשטח פתוח כדי לקבל את ערך ההפניה האחרון, לאחר שלבים 2.6.2. ל-2.6.4.
  4. הקש על מקש Menu שוב ושוב עד לבחירת Return כדי לחזור לתפריט הראשי ולאחר מכן לחץ על לחצן קבע.
  5. לאחר כל מדידה, הנתונים מאוחסנים בזיכרון הפנימי של ההתקן. החזק את לחצן תפריט למשך 1 s לפחות כדי לכבות את ההתקן בבטחה מבלי למחוק נתונים.
  6. חבר את המכשיר למחשב; הורד ועיבוד הנתונים. דוגמה למדידת שדה ולחישוב LAIe מתוארת בסעיף 4.

3. מצב חיישן כפול להערכת LAIe

  1. הפעל את שני המכשירים על-ידי החזקת מקש Set למשך 1 s לפחות.
    הערה: Instrument_1 Instrument_2 מיועדים לקריאות לעיל (התייחסות) ומתחת לחופה, בהתאמה. במצב מדידת חיישנים כפול, מכשיר אחד (Instrument_1) מותקן על חצובה בשטח פתוח (או בחלק העליון של תורן אקלימי מעל החופה), ואילו התקן אחד (Instrument_2) משמש לנטילת מדידות מתחת לחופה של קרינה משודרת. Instrument_1 רושם באופן אוטומטי את אות ההפניה במרווח זמן מוגדר מראש (מ- 10 s עד 600 s). גישה זו אוספת כמות משמעותית של נתוני ייחוס, ובכך מגדילה את הדיוק בעת חישוב ערכי ייחוס עבור מדידות בודדות מתחת לחופה.
  2. הגדר את התאריך והשעה הנוכחיים של שני המכשירים (חפש את הגדרות בתפריט הראשי על-ידי לחיצה חוזרת ונשנית על לחצן תפריט. לאחר מכן, הקש על הגדרת | זמן | הגדר. חזור לתפריט הראשי (בחר החזר והחזק את מקש Set).
    הערה: עבור הגדרת זמן מדויקת, התאם את השעה למחשב כפי שמוצג בתוכנה הרלוונטית (חבר את ההתקן למחשב באמצעות הכבל המצורף. פתח את התוכנה ולאחר מכן הקש על תוכנית ההתקנה | | מזהה התקן התקן. לאחר מכן, בחר והקש | שליטה מקוונת זמן. סמן את האפשרות סנכרן עם זמן מחשב והקש על ערוך.
  3. לאחר מכן, הגדר את שני המכשירים למצב המדידה בזווית אחת. בחירת הגדרות (החזק את מקש Set) | זוויות | הגדרת | יחיד (אשר באמצעות מקש התפריט). חזור לתפריט הראשי (בחר החזר והחזק את מקש Set).
    1. אם יש להעריך את נטיית זווית העלים בחופת הצמחייה הנחקרת, הגדר Instrument_2 (קריאות מתחת לחופה) למצב המדידה מרובת הזווית. בחירת הגדרות (הקש על מקש Set) | זוויות (לחץ על לחצן הגדר). לאחר מכן, בחרו 'מספר' (אשרו באמצעות מקש התפריט) ולאחר מכן חזרו לתפריט הראשי (בחרו 'חזור' והחזקו את מקש Set).
  4. אם נדרשת רשומה בנוגע למיקומים של מדידות מתחת לחופה, הפעל את מכשיר ה- GPS הרלוונטי (עיין בסעיפים שלהלן לקבלת הוראות מפורטות וטבלת החומרים); אם לא, דלג לשלב 3.5.
    1. ודא שהשעה המוצגת בהתקן המשמש לצילום קריאות מתחת לחופה (Instrument_2) תואמת למחשב.
      הערה: יש להגדיר את השעה כראוי כדי לשקף את אזור הזמן במיקום הנלמד.
    2. תדליק את התקן ה-GPS והמתן לרגע עד למציאת המיקום הנוכחי. בדוק את המיקום המוצג בהתקן ה- GPS.
      הערה: הדיוק מותנה בצפיפות החופה של הצמחייה הנחקרת.
    3. לשאת הן את LP 110 המשמש לקיחת קריאות מתחת לחופה (Instrument_2) ואת התקן ה- GPS בעת ביצוע כל מדידות השדה.
    4. לאחר לקיחת כל מדידות השדה, חבר את שני ההתקנים (Instrument_2 והתקן ה- GPS) למחשב. הורד ועיבוד הנתונים בתוכנה הרלוונטית (ראה טבלת חומרים) על פי מדריך למשתמש LP 110, הוראות פעולה סעיף35.
  5. כייל את שני המכשירים לפני תחילת כל קמפיין מדידת שדה לפי מקטעים 1.1 ו- 1.2.
    הערה: אם הכיול כבר בוצע, דלג לשלב 3.5.1.
    1. לאחר כיול חיישן ה-LAI ומד הנטייה המובנה, כייל את שני התקני LP 110 (Instrument_1 ו-Instrument_2) זה עם זה.
      1. עבור שני ההתקנים, בחר הגדרות בתפריט הראשי (הקש על מקש Set) ובחר כיול לאי (לחץ על לחצן קבע). לאחר מכן, החזק את שני ההתקנים במישור אופקי במיקום האנכי והתאם את הערך הקבוע (המסומן כ- C בתצוגה) על-ידי לחיצה חוזרת ונשנית על מקש Set ב- Instrument_1 (קריאות הפניה) כדי להשיג את אותם ערכים המתוארים על מסך ההתקן Instrument_2. לאחר מכן, לחץ על לחצן תפריט וחזר לתפריט הראשי (בחר חזור והחזק את מקש Set).
  6. במזג אוויר שטוף שמש, מנעו מאור שמש ישיר להיכנס לכוס הגבלת הנוף בעת לקיחת כל קריאות מעל החופה (ראו איור 1).
    הערה: עבור מצב מדידת חיישנים כפול, יש לבצע קריאות מעל ומתחת לחופה בתנאי תאורה קבועים עם מעונן סטנדרטי, לפני הזריחה או לאחר השקיעה (איור 2) כדי להימנע מהשגת ערכי הקרנה שגויים.
  7. חבר Instrument_1 אנכית לחצובה הממוקמת בשטח פתוח או מעל החופה הנלמדת (למשל, בחלק העליון של תורן אקלימי).
    הערה: התקן זה ירשום ברציפות ערכי ייחוס (כלומר, קריאות מעל החופה).
    1. תחילה, בחר הגדרות בתפריט הראשי (הקש על מקש Set) ולאחר מכן בחר מרווח זמן אוטומטי (הקש שוב על מקש Set). לאחר מכן, הקש שוב ושוב על מקש Set ולאחר מכן החזק את לחצן תפריט כדי לבחור את מרווח הזמן הנדרש לרישום אוטומטי של ערכי הפניה (מ- 10 עד 600 שניות).
      הערה: הגדר מרווח זמן קצר יותר כדי לרשום באופן אוטומטי קריאות הפניה כדי להגביר את דיוק המדידות אם תנאי האור משתנים במהירות.
    2. הקש על מקש Menu, בחר החזרוהחזק את לחצן קבע כדי לחזור לתפריט הראשי.
    3. לאחר מכן, לחץ על לחצן תפריט (החזק את מקש Set) שוב ושוב כדי לבחור מדידה בתפריט הראשי. לאחר מכן, בחר אוטומטי Lai Ref. (הקש על מקש Set) כדי להתחיל לחפש את מיקום חיישן LAI הנכון (כלומר, זווית זנית 0°).
      הערה: ערך ההקרנה הנוכחי מופיע בתצוגה. ערך זה עדיין אינו מאוחסן בזיכרון הפנימי של ההתקן (מצב המדידה מופעל כעת).
    4. בדוק את הצג, הטה את הכלי הן שמאלה והן ימינה, וקדימה ואחורה. לאחר הגעה לזווית השיא שהוגדרה על-ידי צירי X ו- Z עם אפס או פחות מערך 5 (כלומר, צירי X ו- Z מתחת לערך של 5), תקן את ההתקן בחוזקה במיקום הנדרש שהוזכר לעיל ולאחר מכן הקש על מקש Set.
      הערה: בשלב זה, ערכי הפניה (כלומר, קריאות מעל החופה) נרשמים ומאוחסנים באופן אוטומטי במרווח הזמן המוגדר מראש (כל קריאה מלווה בצפצוף). הימנע מכל סטייה מהמיקום שנקבע של Instrument_1; אחרת, מדידת ההפניה תופרע. בהתחשב בעמדה הנכונה חייב להיות מושגת בטווח צר מאוד (מ"מ), צעד זה יכול להיות מייגע.
  8. לאחר מכן, להתחיל למדוד הקרנה מועברת מתחת לחופת הצמחייה (קריאות מתחת לחופה) באמצעות Instrument_2.
    הערה: במהלך כל קריאות מתחת לחופה, שמור על אותו כיוון של שדה הראייה של חיישן LAI (Instrument_2) כחיישן ה- LAI של קריאות הייחוס (Instrument_1), למשל, בניצב מצפון.
    1. הגדר את המיקומים עבור קריאות מתחת לחופה והתחל את מדידות ערך העברת האור באמצעות חיישן ה- LAI של ההתקן.
      הערה: התבנית של מדידות שדה LAIe במבני חופה שונים מתוארת באופן מקיף ב Černý et al.36 ו Fleck ואח'37.
    2. בתפריט הראשי, בחרו 'מדידה' (הקש/י על מקש Set) ובחרו 'לאי'. הקש על מקש Set כדי להפעיל את המצב למדידת הקרנה משודרת מתחת לחופה.
      הערה: ערך ההקרנה הנוכחי מופיע בתצוגה. ערך זה עדיין אינו מאוחסן בזיכרון הפנימי של ההתקן (רק מצב המדידה מופעל כעת).
    3. לחץ שוב על מקש Set כדי להשיג את הערך של הקרנה משודרת מתחת לחופה ולהפעיל הן את מד הנטייה המובנה והן מחוון הקול המשרתים כדי למצוא את מיקום חיישן ה- LAI הנכון (כלומר, זווית זנית 0°).
      הערה: בו-זמנית, המיקום הנוכחי של חיישן ה-LAI מוצג הן עבור צירי X והן עבור צירי Z.
    4. לאחר מכן, שמור את המכשיר בניצב על פני הקרקע כדי להיות חיישן LAI הצביע עד השיא.
      הערה: מחוון הצליל מגביר את הטון שלו על ידי התקרבות לזווית השיא הנכונה.
    5. בדוק את הצג, הטה את הכלי הן שמאלה והן ימינה וקדימה ואחורה. כל קריאות מתחת לחופה נרכשות ומאוחסנות באופן אוטומטי ברגע שזווית השיא המוגדרת על ידי צירי X ו- Z מגיעה לאפס או פחות מ - 5 (צליל הצפצוף נעצר).
      הערה: בהתחשב בעמדה הנכונה יש להשיג בטווח צר מאוד (מ"מ), צעד זה יכול להיות מייגע.
  9. המשך בלקיחת מדידות נוספות של קרינה משודרת (כלומר, קריאות מתחת לחופה), בעקבות שלבים 3.8.3-3.8.5.
  10. לאחר לקיחת מדידות מתחת לחופה (Instrument_2), לחץ על לחצן תפריט ועל מקש Menu שוב ושוב עד לבחירת Return כדי לחזור לתפריט הראשי ולאחר מכן לחץ על לחצן קבע.
    הערה: לאחר השלמת כל קריאות ההפניה (Instrument_1), השתמש באותו אופן כמו עבור Instrument_2.
  11. הנתונים נשמרים בזיכרון המכשיר לאחר כל קריאה. החזק את לחצן תפריט למשך 1 s לפחות כדי לכבות את ההתקן בבטחה מבלי למחוק נתונים.
  12. חבר את המכשיר למחשב; הורד ועיבוד הנתונים. דוגמה למדידת שדה ולחישוב LAIe מתוארת בסעיף 4.

4. דוגמה למדידת שדה וחישוב LAIe

  1. הגדר את נקודות המדידה למדידת מדידות מתחת לחופה. סדר את פריסת המדידה בטרנסקט (או רשת רגילה) עם נקודות מדידה שוות כדי ללכוד את ההטרוגניות של חופת הצמחייה הנגרמת על ידי גדלים שונים של פערים.
    הערה: פריסה טרנסקטית המתאימה לצמחייה הנטועה בשורות עם חופה הומוגנית מתוארת באיור 3. לקבלת פרטים נוספים על פריסת מדידה, בצע את Černý et al.36 ו Fleck ואח '37.

Figure 3
איור 3: הפריסה של טרנסקט להערכת LAIe בכיסוי צמחייה הומוגנית. טרנסקט I-IV: המספר של טרנסקט; נקודת המדידה לצילום הקריאה מתחת לחופה. עשרת העמדות הראשונות מסומנות (1Χ-10Χ). חוצה חייב להיות מכוון בניצב לשורות הצמחים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

  1. בצע מדידות מעל ומתחת לחופה באמצעות מצב חיישן יחיד או כפול בהתאם לסעיף 2 או סעיף 3, בהתאמה.
  2. לאחר השלמת כל מדידות השדה, הורד את הנתונים למחשב מההתקן LP 110 המשמש במצב חיישן יחיד או כפול להערכת LAIe.
    הערה: עבור מצב חיישן כפול, בצע את השלבים המוזכרים להלן עבור שני המכשירים (כלומר, Instrument_1 ו- Instrument_2).
    1. חבר את המכשיר למחשב באמצעות הכבל המצורף.
      הערה: עבור מצב חיישן כפול, חבר תחילה את ההתקן המשמש למדידות ייחוס (כלומר, קריאות מעל החופה).
    2. פתח את התוכנה הרלוונטית(ראה טבלת חומרים ) והקש על מקש ההתקנה בסרגל הראשי. לאחר מכן, בחר והקש על מזהה התקן.
      הערה: התקן: LaiPen מופיע בפינה הימנית התחתונה.
    3. לחץ על לחצן ההתקן ולאחר מכן לחץ על הורד.
      הערה: התוכנה גם מאפשרת למשתמש לרשום את כל ההערות בתוך הגיליון שכותרתו הערות המוצגות בפינה הימנית התחתונה. התוכנה מתאימה באופן אוטומטי את קריאות החופה לעיל עם כל קריאה מתחת לחופה (שידור) בהתבסס על זמן המדידה.
    4. לחץ על סמל קובץ בתפריט הראשי; בחר ולחץ על ייצוא. לאחר מכן, סמן את ALAI ולחץ על אישור כדי לייצא את הנתונים.
      הערה: בקובץ המיוצא (txt., xls.), קריאות מעל ומתחת לחופה (הקרנה משודרת) מסומנות כנציג עוצמה ושידור, בהתאמה.
  3. חשב את ערך ההמשדרות (t) עבור כל נקודת מדידה בתוך הטרנסקט (או הרשת) לפי משוואה 1: t = I / Io (הקרנה המועברת מתחת לחופה חלקי קרינת תקרית מעל הצמחייה) וכתוצאה מכך t1, t2,..., tn, כאשר n: הוא מספר נקודות המדידה מתחת לחופה.
  4. חשב את ההמשדר הממוצע (T) של חופת הצמחייה הנחקרת, למשל, בטרנסקט הראשון (T1): T1 = (t1 + t2...+ tn) / n, כאשר n: הוא מספר נקודות המדידה מתחת לחופה בתוך הטרנסקט הראשון.
    הערה: אם מדידות נלקחות בפריטים מרובים, המשך עם כל הטרנס-ects (T2, T3ו- T4) באותו אופן.
  5. מכיוון שעוצמת ההקרנה פוחתת באופן אקספוננציאלי כשהיא עוברת דרך החופה הנחקרת, חישבו את LAIe בהתאם לחוק ההכחדה המשונה של באר-למברט (ראו משוואה 2).
    1. ראשית, מצא את הלוגריתם של ערך ההמשדר הממוצע (T) של חופת הצמחייה הנחקרת, למשל, בטרנסקט הראשון (T_I): T_I = - ln T1.
      הערה: אם מדידות נלקחות במספר טרנסג'ים, המשך עם כל הטרנס-ects באותו אופן (כלומר, T_II = - ln T2; T_III = - ln T3; T_IV = - ln T4).
      1. חשב את ערך השידור הממוצע (T) מכל ההעברות הבודדות: T = [(- ln T_I) + (- ln T_II) + (- ln T_III) + (- ln T_IV)] / 4.
    2. לאחר מכן, חשב את ערך LAIe הסופי באמצעות מקדם הכחדה שצוין עבור כל מיני צמחים על פי משוואה 2.
      הערה: מקדמי הכחדה עבור מיני העצים העיקריים רשומים בברדה9. ביציעי יער, LAIe חייב להיות מתוקן בשל אפקט מגושם של מנגנון ההטמעה בתוךיורה 29,30,31,32,33,34 כדי להשיג את ערך LAI בפועל.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

המבנה המרחבי המתקבל משני המכשירים שנבדקו היה ברור שונה בכל החלקות הנחקרות, כלומר, דליל מלמעלה (A), דליל מלמטה (B) ובקרה ללא כל התערבות סילבי תרבותית (ג; ראה טבלה 2 לקבלת פרטים נוספים). ברמת המעמד, הבדלים דומים בערכי LAI שהתקבלו מ- LP 110 ומנתח החופה של הצמח אושרו בין חלקות דלילות עם צפיפות שונה (A לעומת .B) באמצעות הבדיקה של ANOVA ו- Tukey. עבור מנתח החופה הצמחית, ערכי LAI גבוהים משמעותית נצפו בחלקת הבקרה ללא התערבות סילבי תרבותית מאשר אלה דליל (A, B). עם זאת, הערכים עלו באופן משמעותי על LAI שהתקבלו מ- LP 110 בתכנון הבקרה. עבור LP 110, LAI לא היה שונה באופן משמעותי בטיפולי C ו- B. לעומת זאת, נמצא הבדל משמעותי בערכי ה-LAI בין החלקות C ו- A. בדרך כלל, LAI ירד באופן משמעותי לאחר יישומי טיפולי דילול ביציעים הנחקרים. LAI המשוער באמצעות LP 110 (LaiPen LP110) ירד ככל הנראה יותר בעלילה A, ואילו ערכי LAI שהתקבלו מהמנתח (LAI-2200 PCA) ירדו יותר בעלילה B. עם זאת, הבדלים מתועדים אלה היו קלים(איור 4).

Figure 4
איור 4: ערכי LAI המוערך באמצעות LP 110 ואת המכשירים האופטיים מנתח החופה הצמחית בקוטב האשוחית בנורבגיה עומד תחת טיפולים סילבי תרבותיים שונים. להערכת LAI, 81 קריאות מתחת לחופה נלקחו בכל דוכן שנחקר. ת: דילול מלמעלה; ב: דילול מלמטה; ג: עלילת בקרה. הנקודות מסמלות את ערך ה- LAI הממוצע. השפם מציג את סטיות התקן. אותיות שונות מצביעות על הבדלים משמעותיים (p < 0.05) בין הטיפולים הסילבי תרבותיים ומכשירים אופטיים שונים באמצעות הבדיקה הפוסט הוק של טוקי. נתון זה שונה מ Černý et al.20. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

השונות המרחבית של ערכי ה-LAI מודגפת באיור 5 עבור כל טיפול מדלל בעמודי עמוד האשוחית הטהורים של נורבגיה.

Figure 5
איור 5: הטרוגניות המרחבית של LAI מוערכת באמצעות LP 110 ומנתח החופה הצמחית ברמה של נקודות מדידה בודדות תחת חופת אשוחית שנחקרה. ת: דילול מלמעלה; ב: דילול מלמטה; ג: עלילת בקרה. המספרים מעל החצים מסמלים את אורך הצד לרוחב ואת המרווח של נקודות המדידה בתוך הרשת הרגילה. נתון זה שונה מ Černý et al.20. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

LP 110 העריך את LAI ב-7.4% וב-10.6% בחלקות A ו-C, בהתאמה. לעומת זאת, התקן זה העריך יתר על המידה את ערך מעמד LAI שהתקבל ממנתח החופה הצמחית בחלקה B ב-3.7%. אם הממוצעים הכוללים מכל ערכי ה- LAI ללא קשר לטיפול הדילול שהוחלו חושבו ולאחר מכן הושוו (LP 110 לעומת מנתח החופה של הצמח), מכשיר LP 110 המעיט ב- LAI שהושג על ידי מנתח החופה הצמחית ב -5.8%. לאחר מכן, הבדלים בערכי LAI ספציפיים שנמדדו מעל נקודות בודדות המסודרות בתוך הרשת הרגילה חושבו עבור שני המכשירים, וחריגות אלה באו לידי ביטוי לאחר מכן כאחוז. בנסיבות אלה, ערכי LAI שנמדדו על ידי LP 110 ומנתח החופה הצמח היה שונה עמוקות (טבלה 1).

טיפול סילבי תרבותי דוכן יער LAI הבדלים יחסיים (%) בקרב LAI מ LaiPen LP 110 לעומת LAI-2200 PCA ברמה של נקודות מדידה בודדות
LaiPen LP 110 (m2 מ'-2) LAI-2200 PCA (m2 מ'-2)
A 7.05 ± 1.73 7.61 ± 2.29 1 ± 37 (-58; 156)
B 7.76 ± 1.36 7.48 ± 1.75 8 ± 30 (-33; 183)
C 8.35 ± 1.23 9.34 ± 2.51 -5 ± 26 (-48; 115)

טבלה 1: ממוצע LAI ברמת המעמד והבדלי LAI המבוטאים כאחוז בין LP 110 לבין ניתוח חופת הצמח ברמה של נקודות מדידה בודדות. ת: דילול מלמעלה; ב: דילול מלמטה; ג: עלילת בקרה. טבלה זו שונתה מ Černý et al.20.

עבור כל נתוני LAI שנמדדו ברמת נקודה מסוימת באמצעות LP 110 ומנתח החופה הצמח, רגרסיה ליניארית בין שני המכשירים המועסקים בוצעה. הרגרסיה הליניארית של y = 0.8954x (R2 = 0.94; RMSE = 2.11438) נמצא עבור כל נתוני ה- LAI משני המכשירים שנבדקו(איור 6).

Figure 6
איור 6: הרגרסיה הליניארית בין ערכי LAI המגיעה מ-LP 110 וממנתח החופה של הצמח ברמה של נקודות מדידה בודדות במוט האשוחית הנחקר של נורבגיה. נתון זה שונה מ Černý et al.20. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

קואורדינטות גיאוגרפיות 49°29'31" N, 16°43'30" E
גובה 610-625 מ'.
טמפרטורת אוויר שנתית ממוצעת 6.5 °C (70 °F)
משקעים שנתיים ממוצעים 717 מ"מ

טבלה 2: מאפייני אתר הלימוד. טבלה זו שונתה מ Černý et al.20.

מגרש גיל המעמד (שנים) צפיפות מעמד (עצים חה-1) גובה (מ') DBH (ס"מ) BA1.3 (מ'2·הא-1) מניה צומחת (מ'3·ha-1)
A 36 1.930 14.14 ± 3.73 14.84 ± 6.13 36.60 ± 0.25 250.02 ± 2.00
B 36 1.915 16.33 ± 2.37 15.81 ± 4.47 43.41 ± 0.17 290.07 ± 1.32
C 36 4.100 12.72 ± 2.68 10.97 ± 4.81 36.96 ± 0.19 287.12 ± 1.39

טבלה 3: מאפיינים דנדרומטריים ומבניים של הדוכנים הנחקרים המכסים שטח של 25 מ 'x 25 מ 'בשנת 2014. בכל דוכן שנחקר, 81 קריאות מתחת לחופה נלקחו בתוך רשת רגילה (3 מ 'x 3 מ ') תחת שמי מעונן סטנדרטי (לקבלת פרטים נוספים, בצע Černý et al.20). כל מדידות LAI נערכו בחודשים יולי ואוגוסט כאשר ערכי LAI הם היציבים ביותר9,38. ת: דילול מלמעלה; ב: דילול מלמטה; ג: התוויית בקרה; DBH: קוטר גזע בגובה השד; BA1.3: אזור הבזל בגובה השד. עבור BA1.3 ברמת המעמד, אזורי הבזל של כל עץ המוצגים במעמד הנלמד, מחושבים כ: BA1.3 = (∏ * DBH2)/4, סוכם. טבלה זו שונתה מ Černý et al.20.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

מהם ההבדלים בין LP 110 כהתקן שהוצג לאחרונה להערכת LAI (או לקיחת מדידות עוצמת PAR) לבין LAI-2200 PCA כגרסה משופרת של התקן הקודם LAI-2000 PCA להערכת LAI בשיטה עקיפה? מעבר למחיר הגבוה פי ארבעה עבור מנתח החופה הצמחית בהשוואה ל- LP 110, ניתן להשוות את מספר פרמטרי הפלט, תנאי המדידה, הגישות המתודולוגיות והאפשרויות להערכת LAI לחופות שונות, דיוק התוצאות וכו '.

בעת השוואת החומרה, נראה כי LP 110 ידידותי יותר למשתמש. LP 110 הוא התקן קל יותר ואינו דורש חיבורי כבלים בין החיישנים לבין לוגר הנתונים. שני החיישנים (כלומר, למדידות LAI ו-PAR; ראו איור 1) משולבים בגוף המכשיר, ומאפשרים למפעיל לנוע בקלות בכל המערכת האקולוגית הנחקרת (למשל, שיחים או יערות צפופים). כדי להבטיח את דיוק ערך הקריאה, מיקום חיישן ואחסון ערך נכונים הם חיוניים. מיקום זה (בזוויות השיא או שנקבעו מראש) מזוהה על-ידי תדר צליל משתנה אם החיישן קרוב או רחוק ממיקום היעד. אפילו תחת הצליל האינטנסיבי ביותר (ניתן לתקן את עוצמת הקול), LP 110 המוחזק שומר באופן אוטומטי את ערך הקריאה. בניגוד לכך, מציאת מיקום החיישן הנכון עבור מנתח החופה הצמח חייב להיעשות עם רמת בועה ידנית על מקל ידני. האופרטור חייב ללחוץ על הלחצן כדי לשמור את ערך הקריאה בו-זמנית בעת בדיקת רמת הבועה. עם זאת, מיקום החיישן הנכון הולך לאיבוד באופן שגרתי בעת לחיצה על הכפתור, וכתוצאה מכך ירידה בדיוק של ערך הקריאה. מאז חזותית בדיקה רמת בועה אין צורך לקחת קריאות LP 110, יש גם את האפשרות להחזיק את המכשיר על מוט הרחבה, המאפשר למשתמש למדוד מעל חופות של התחדשות טבעית או מלאכותית, שכבות עשב גבוה או שיח. במקרה זה, ניתן למצוא את מיקום החיישן הנכון על סמך תדר הקול המשתנה.

ישנם הבדלים בין LP 110 לבין מנתח החופה הצמחית ביחס לבניית חיישן LAI, במיוחד לגבי רגישות החיישנים ושדות הראייה של החיישנים (FOV). אם חיישן LAI של מנתח החופה הצמח נחשף לאוויר הפתוח, הוא יכול לערפל בתנאי לחות אוויר גבוהים, אשר מתרחשים בדרך כלל בשעות הבוקר המוקדמות בשטחים פתוחים. לעומת זאת, חיישן ה-LAI של ה-LP 110 נטול ערפל מכיוון שהוא ממוקם בתוך התצוגה המגבילה(איור 1). למרות המגבלה של חיישן LAI של LP 110 הוא נשלף, יש לו FOV קבוע; עם זאת, ניתן לשנות את ה- FOV של חיישן ה- LAI של מנתח החופה הצמחית הן בכיווני הזימוטאל והן בכיווני זניט באמצעות מגבילים שונים (כובעי תצוגה אטומים) ובאמצעות הליך מיסוך במהלך עיבוד נתונים, בהתאמה. למרות שה-FOV של חיישן ה-LAI של LP 110(איור 1)צר יחסית ולא ניתן לתמרן אותו בהשוואה למנתח החופה הצמחית, הרגישות של חיישן זה גבוהה פי עשרה. רגישות גבוהה יותר זו של חיישן LAI מאפשרת למשתמש לבצע מדידות באמצעות LP 110 בתנאים של קרינה נמוכה וגם לקחת קריאות מעל החופה (התייחסות) על חלקות פתוחות צרות במיוחד, למשל, בכבישי יער צרים או בקווים. יתר על כן, יחס הקריאות הנ"ל עד מתחת לחופה גבוה יותר, מה שמוביל לדיוק מוגבר של ההמשדר הנמדד ובכך הערכת LAIe טובה יותר. מצד שני, יש צורך להגדיל את מספר קריאות מתחת לחופה לכל transect בשל FOV הצר של חיישן LP 110 של LAI.

ישנם כמה קווי דמיון בין LP 110 לבין מנתח החופה הצמח, למשל, בתנאי מדידה ובשינויים של תצוגת זווית זנית של חיישן LAI (בכיוונים של 0°, 16°, 32°, 48°, ו 64° עבור LP 110; ו 7 °, 23 °, 38 °, 53°, ו 68° עבור מנתח החופה הצמח) כדי לכמת את זווית הנטייה של אלמנטים חופה. בדומה לניתוח החופה הצמחית, LP 110 מפחית את ההשפעה של רפלקטיביות האור ומודד חלק ספיגת אור אמיתי של האור על ידי עלווה בשל מאפיינים ספציפיים אורך גל חיישן. מכשירים אופטיים אחרים כגון SunScan, AccuPAR, TRAC39, או DEMON9,40 (לקבלת פרטים נוספים, ראה טבלת חומרים) מודדים תחת מרווחי אור רחבים יחסית ללא קשר להשתקפות האור. במצב חיישן כפול, ניתן לבצע מדידות אוטומטיות עם חיישן אחד הממוקם בדרך כלל בשטח פתוח כדי לקחת קריאות מעל החופה (התייחסות) במרווחי זמן הנעים בין 10-360 s ו 5-3,600 s עבור LP 110 ואת מנתח החופה הצמח, בהתאמה, ויש אפשרות להוסיף עמדות GPS למדידות בודדות. עבור שני המכשירים, אי אפשר למדוד LAIe: i) במהלך ומיד לאחר תנאי הגשם, כמו אלמנטים חופה רטובה, כולל גבעולים לשפר הן את רפלקטיביות האור ואת ערכי ההמשכה מתחת לחופה; לפיכך, LAIe בפועל הוא לזלזל בתנאים כאלה; ii) במהלך תנאים סוערים כאשר אלמנטים חופה נעים, וערכי ההמשכה משתנים מאוד למרות מיקום החיישן יציב, ו- iii) במצבים סינופטיים לא יציבים כאשר תנאי האור משתנים במהירות. התנאי האחרון אינו מגביל כל כך עבור LP 110 בשל FOV הצר של החיישן. כמו כן, יש לקחת בחשבון מרחק של מכשולים. עם זאת, כיוון חיישן מתאים מפחית את הבעיה. עבור שני המכשירים, ניתן גם להעריך LAIe במהלך יום שמש, בעיקר קרוב לזריחה או שקיעה. למעט הצהריים כאשר קרני שמש ישירות יכולות להיכנס לחיישן ה- LAI דרך חריץ כובע המגבילה, נטילת מדידות LAIe אפשרית לאורך כל היום; גם אם חיישן LAI מכוון בניצב לכיוון השמש (רלוונטי עבור LP 110) או האחורי של המפעיל (רלוונטי עבור מנתח החופה הצמח). עם זאת, יש להחיל כמה הליכי תיקון שהוצגו על ידי לבלנק וחן41. אם קריאות החופה לעיל משתנות ביותר מ-±20% בפרק זמן קצר (כ-1-2 דקות), המשך מדידת LAIe הוא חסר תועלת בשל שגיאת ההערכה הגבוהה ביותר של LAIe. ניתן היה להימנע מבעיה זו עם הערכה סינכרונית מדויקת של קריאות מעל ומתחת לחופה במצב חיישן כפול המעסיק שתי יחידות עם אותה הגדרת זמן וכיול מדויקים. השלב הקריטי הבא להערכת LAIe באמצעות LP 110 הוא מבחר של שטח פתוח מתאים לקריאות מעל החופה, במיוחד עבור מצב חיישן יחיד (פיגור הזמן המרבי בין קריאות מעל ומתחת לחופה, כלומר, מעמד יער וחלקה פתוחה, חייב להיות 15-20 דקות), שבו גודל השטח הפתוח חייב לכבד את החיישן FOV. חוץ מזה, LP 110 דומה מנתח החופה הצמח, לא מתאים דווקא להערכת LAIe בצפיפות מדי (כלומר, LAIe ברמת עמידה מעל 7.88)23, דשא חופות נמוכות מאוד, או ההעברה מתחת 1%.

כל הערכים המתקבלים של אור תקרית והעברת אור מתחת לחופה עם הזנת זמן מעובדים לאחר עיבוד באמצעות תוכנה ספציפית, ומספקים פרמטרי פלט רבים, במיוחד עם מנתח החופה הצמח. לעומת זאת, התוכנה לעיבוד הנתונים המתקבלים מ- LP 110 צריכה להשתפר כדי להיות אוטומטית וידידותית יותר למשתמש, כגון התוכנה הרלוונטית למנתח החופה הצמחית. יתר על כן, מומלץ לשנות את ההגבלה עבור LP 110 על ידי היצרן כדי לשנות או להתאים את החיישן FOV.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

למחברים אין מה לחשוף. התוצאות הייצוגיות שימשו מהמאמר Černý, J., Krejza, J., Pokorný, R., Bednář, P. LaiPen LP 100 - מכשיר חדש להערכת מדד אזור עלה המערכת האקולוגית של היער בהשוואה לאטלון: מקרה מבחן מתודולוגי. כתב העת של מדעי היער. 64 (11), 455-468 (2018). DOI: 10.17221/112/2018-JFS בהתבסס על אישורו האדיב של כתב העת למדעי היער.

Acknowledgments

המחברים חבים למערכת Journal of Forest Science על כך שעודדה אותנו ואישרה לנו להשתמש בתוצאות הייצוגיות בפרוטוקול זה מהמאמר שפורסם שם.

המחקר נתמך כלכלית על ידי משרד החקלאות של הרפובליקה הצ'כית, תמיכה מוסדית MZE-RO0118, הסוכנות הלאומית למחקר חקלאי (פרויקט לא. QK21020307) ותוכנית המחקר והחדשנות Horizon 2020 של האיחוד האירופי (הסכם מענק מס' 952314).

המחברים גם מודים בחביבות לשלושה סוקרים אנונימיים על הביקורת הבונה שלהם, ששיפרה את כתב היד. בנוסף, תודה לדוסאן ברטוס, אלנה חבזדובה ותומאס פטר על שעזרו במדידות שטח ובחברת פוטון מערכות מכשירים בע"מ על שיתוף הפעולה שלהם ואספקת תמונות מכשירים.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
AccuPAR METER Group, Inc., Pullman, WA, USA AccuPaR LP-80 https://www.metergroup.com/environment/products/accupar-lp-80-leaf-area-index/
DEMON CSIRO, Canberra, Australia DEMON
File Viewer LI-COR Biosciences Inc., NE, USA FV2200C Software https://www.licor.com/env/products/leaf_area/LAI-2200C/software.html
FluorPen Photon System Instruments Ltd. (PSI), Czech Republic FluorPen 1.1.2.3 Sofware https://handheld.psi.cz/products/laipen/#download
Hand-held GPS device Garmin Ltd., Czech Republic Garmin eTrex 32x Europe46 https://www.garmin.cz/garmin-etrex-32x-europe46/80117
Hand-held device for leaf area index estimation(LP 110) Photon System Instruments Ltd. (PSI) Czech Republic LaiPen LP 110 https://handheld.psi.cz/products/laipen/#info
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/
Statistical software Systat Software Inc., CA, USA SigmaPlot 13.0 https://systatsoftware.com/products/sigmaplot/sigmaplot-version-13/?gclid=Cj0KCQjwzYGGBhCTARIs
AHdMTQzgfb42vv0mWmcbVcflNO
UvrLl802Lrhkfh23Qie2mIZfw4O8kp
7p0aAsoiEALw_wcB
Statistical software StatSoft Inc., OK, USA STATISTICA 10.0 For LAI visualization, wafer-plots in STATISTICA 10.0 were employed.
SunScan Delta-T Devices, Ltd., Cambridge, UK SS1 SunScan https://www.delta-t.co.uk/product/sunscan
TRAC 3rd Wave Engineering, Ontarion Canada Tracing Radiation and Architecture of Canopies http://faculty.geog.utoronto.ca/Chen/Chen's%20homepage/res_trac.htm
Tripod Any NA Tripod with standard nut
Water level Any NA

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Muiruri, E. W., et al. Forest diversity effects on insect herbivores: Do leaf traits matter. New Phytologist. 221 (4), 2250-2260 (2018).
  2. Macfarlane, C., et al. Estimation of leaf area index in eucalypt forest using digital photography. Agricultural and Forest Meteorology. 143 (3-4), 176-188 (2007).
  3. Easlon, H. M., Bloom, A. J. Easy leaf area: Automated digital image analysis for rapid and accurate measurements of leaf area. Applications in Plant Sciences. 2 (7), 1400033 (2014).
  4. Asner, G. P., Scurlock, J. M. O., Hicke, J. A. Global synthesis of leaf area index observations: implications for ecological and remote sensing studies. Global Ecology and Biogeography. 12, 191-205 (2003).
  5. Vicari, M. B., et al. Leaf and wood classification framework for terrestrial LiDAR point clouds. Methods in Ecology and Evolution. 10 (5), 680-694 (2019).
  6. Watson, D. J. Comparative physiological studies in the growth of field crops. I. Variation in net assimilation rate and leaf area between species, varieties, and within and between years. Annals of Botany. 11, 41-76 (1947).
  7. Chen, J. M., Black, T. A. Defining leaf-area index for non-flat leaves. Plant, Cell and Environment. 15 (4), 421-429 (1992).
  8. Welles, J. M., Cohen, S. Canopy structure measurement by gap fraction analysis using commercial instrumentation. Journal of Experimental Botany. 47 (9), 1335-1342 (1996).
  9. Bréda, N. J. J. Ground-based measurements of leaf area index: a review of methods, instruments, and current controversies. Journal of Experimental Botany. 54 (392), 2403-2417 (2003).
  10. Jonckheere, I., et al. Review of methods for in situ leaf area index determination. Part I: Theories, sensors and hemispherical photography. Agricultural and Forest Meteorology. 121 (1-2), 19-35 (2004).
  11. Weiss, M., Baret, F., Smith, G. J., Jonckheere, I., Coppin, P. Review of methods for in situ leaf area index (LAI) determination. Part II. Estimation of LAI, errors and sampling. Agricultural and Forest Meteorology. 121 (1-2), 37-53 (2004).
  12. Fang, H., Baret, F., Plummer, S., Schaepman-Strub, G. An overview of global leaf area index (LAI): Methods, products, validation, and applications. Reviews of Geophysics. 57 (3), 739-799 (2019).
  13. Yan, G., et al. Review of indirect optical measurements of leaf area index: Recent advances, challenges, and perspectives. Agricultural and Forest Meteorology. 265, 390-411 (2019).
  14. Parker, G. G. Tamm review: Leaf Area Index (LAI) is both a determinant and a consequence of important processes in vegetation canopies. Forest Ecology and Management. 477, 118496 (2020).
  15. Jiapaer, G., Yi, Q., Yao, F., Zhang, P. Comparison of non-destructive LAI determination methods and optimization of sampling schemes in an open Populus euphratica ecosystem. Urban Forestry and Urban Greening. 26, 114-123 (2017).
  16. Grotti, M., et al. An intensity, image-based method to estimate gap fraction, canopy openness and effective leaf area index from phase-shift terrestrial laser scanning. Agricultural and Forest Meteorology. 280, 107766 (2020).
  17. Gower, S. T., Kucharik, C. J., Norman, J. M. Direct and indirect estimation of leaf area index, fAPAR, and net primary production of terrestrial ecosystems. Remote Sensing of Environment. 70 (1), 29-51 (1999).
  18. Morisette, J. T., et al. Validation of global moderate-resolution LAI products: a framework proposed within the CEOS land product validation subgroup. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 44 (7), 1804-1817 (2006).
  19. Pokorný, R., Šalanská, P., Janouš, D., Pavelka, M. ALAI-02D - a new instrument in forest practice. Journal of Forest Science. 47, 164-169 (2001).
  20. Černý, J., Krejza, J., Pokorný, R., Bednář, P. LaiPen LP 100 - a new device for estimating forest ecosystem leaf area index compared to the etalon: A methodologic case study. Journal of Forest Science. 64 (11), 455-468 (2018).
  21. Larcher, W. Physiological plant ecology. Ecophysiology and Stress Physiology of Functional Groups. , Springer-Verlag. Berlin Heidelberg. (2003).
  22. Taiz, L., Zeiger, E. Plant Physiology. 5th edition. , Sinauer Associates. Sunderland, Mass. 623 (2010).
  23. Pokorný, R., Tomášková, I., Havránková, K. Temporal variation and efficiency of leaf area index in young mountain Norway spruce stand. European Journal of Forest Research. 127, 359-367 (2008).
  24. Chen, J. M., Black, T. A., Adams, R. S. Evaluation of hemispherical photography for determining plant area index and geometry of a forest stand. Agricultural and Forest Meteorology. 56, 129-143 (1991).
  25. Black, T. A., Chen, J. M., Lee, X. H., Sagar, R. M. Characteristics of shortwave and longwave irradiances under a Douglas-fir forest stand. Canadian Journal of Forest Research. 21 (7), 1020-1028 (1991).
  26. Hirose, T. Development of the Monsi-Saeki theory on canopy structure and function. Annals of Botany. 95 (3), 483-494 (2005).
  27. Pierce, L., Running, S. rapid estimation of coniferous forest leaf area index using a portable integrating radiometer. Ecology. 69 (6), 1762-1767 (1988).
  28. Lang, A. R. G., McMurtrie, R. E., Benson, M. L. Validity of surface-area indexes of Pinus radiata estimated from transmittance of sun's beam. Agricultural and Forest Meteorology. 57 (1-3), 157-170 (1991).
  29. Zou, J., Yan, G., Zhu, L., Zhang, W. Woody-to-total area ratio determination with a multispectral canopy imager. Tree Physiology. 29 (8), 1069-1080 (2009).
  30. Stenberg, P. Correcting LAI-2000 estimates for the clumping of needles in shoots of conifer. Agricultural and Forest Meteorology. 79 (1-2), 1-8 (1996).
  31. Chianucci, F., MacFarlane, C., Pisek, J., Cutini, A., Casa, R. Estimation of foliage clumping from the LAI-2000 Plant Canopy Analyser: effect of view caps. Trees-Structure and Function. 29, 355-366 (2015).
  32. Zou, J., Yan, G., Chen, L. Estimation of canopy and woody components clumping indices at three mature Picea crassifolia forest stands. IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing. 8 (4), 1413-1422 (2015).
  33. Bao, Y., et al. Effects of tree trunks on estimation of clumping index and LAI from HemiView and Terrestrial LiDAR. Forests. 9 (3), 144 (2018).
  34. Zhu, X., et al. Improving leaf area index (LAI) estimation by correcting for clumping and woody effects using terrestrial laser scanning. Agricultural and Forest Meteorology. 263, 276-286 (2018).
  35. Photon Systems Instruments Ltd. PSI LaiPen LP 110 Manual and User Guide. , 45 (2016).
  36. Černý, J., Pokorný, R., Haninec, P., Bednář, P. Leaf area index estimation using three distinct methods in pure deciduous stands. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (150), e59757 (2019).
  37. Fleck, S., et al. Leaf area measurements. Manual Part XVII. In: UNECE ICP Forests Programme Co-ordinating Centre (Ed.) Manual of methods and criteria for harmonized sampling, assessment, monitoring and analysis of the effects of air pollution on forests. Thünen Institute of Forest Ecosystems. , Eberswalde, Germany. (2016).
  38. Černý, J., Pokorný, R., Haninec, P. Leaf area index estimated by direct, semi-direct, and indirect methods in European beech and sycamore maple stands. Journal of Forestry Research. 31, 827-836 (2020).
  39. Leblanc, S. G., Chen, J. M., Kwong, M. Tracing radiation and architecture of canopies. TRAC MANUAL Version 2.1.3. , Ottawa, Centre for Remote Sensing Ottawa. Ottawa. 25 (2002).
  40. Sommer, K. J., Lang, A. R. G. Comparative analysis of two indirect methods of measuring leaf area index as applied to minimal and spur pruned grape vines. Australian Journal of Plant Physiology. 21 (2), 197-206 (1994).
  41. Leblanc, S. G., Chen, J. M. A practical scheme for correcting multiple scattering effects on optical LAI measurements. Agricultural and Forest Meteorology. 110 (2), 125-139 (2001).

Tags

מדעי הסביבה גיליון 173 שיטה אופטית עקיפה מצב חיישן יחיד מצב חיישן כפול העברת אור חופת צמחייה זווית זנית חוק בירה-למברט
מדידת שדה של אינדקס אזור עלה אפקטיבי באמצעות התקן אופטי בחופת הצמחייה
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Černý, J., Pokorný,… More

Černý, J., Pokorný, R. Field Measurement of Effective Leaf Area Index using Optical Device in Vegetation Canopy. J. Vis. Exp. (173), e62802, doi:10.3791/62802 (2021).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter