Waiting
Login processing...

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

Environment

Полевое измерение эффективного индекса площади листьев с помощью оптического устройства в растительном пологе

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

Быстрая и точная оценка индекса площади листьев (LAI) в наземных экосистемах имеет решающее значение для широкого круга экологических исследований и калибровки продуктов дистанционного зондирования. Здесь представлен протокол использования нового оптического устройства LP 110 для проведения наземных измерений in situ LAI.

Abstract

Индекс площади листьев (LAI) является важной переменной полога, описывающей количество листвы в экосистеме. Параметр служит интерфейсом между зелеными компонентами растений и атмосферой, и там происходят многие физиологические процессы, в первую очередь фотосинтетическое поглощение, дыхание и транспирация. LAI также является входным параметром для многих моделей, включающих углерод, воду и энергетический цикл. Кроме того, наземные измерения in situ служат методом калибровки для LAI, полученного из продуктов дистанционного зондирования. Поэтому для точных и быстрых оценок LAI необходимы простые косвенные оптические методы. В протоколе обсуждались методологический подход, преимущества, противоречия и будущие перспективы недавно разработанного оптического устройства LP 110, основанного на соотношении между излучением, передаваемым через растительный полог и зазоры полога. Кроме того, прибор сравнивался с анализатором растительного козырька мирового стандарта LAI-2200. LP 110 обеспечивает более быструю и простую обработку данных, полученных в полевых условиях, и он более доступен, чем анализатор навеса растений. Новый прибор характеризуется простотой использования как для показаний над, так и под навесом благодаря большей чувствительности датчика, встроенному цифровому инклинометру и автоматическому протоколированию показаний в правильном положении. Таким образом, портативное устройство LP 110 является подходящим гаджетом для выполнения оценки LAI в лесном хозяйстве, экологии, садоводстве и сельском хозяйстве на основе репрезентативных результатов. Кроме того, это же устройство также позволяет пользователю проводить точные измерения интенсивности падающего фотосинтетически активного излучения (PAR).

Introduction

Навесы являются локусами многочисленных биологических, физических, химических и экологических процессов. Большинство из них поражены конструкциями навеса1. Поэтому точная, быстрая, неразрушающая и надежная количественная оценка полога растительности in situ имеет решающее значение для широкого круга исследований, связанных с гидрологией, круговоротом углерода и питательных веществ и глобальным изменением климата2,3. Поскольку листья или хвоя представляют собой активный интерфейс между атмосферой и растительностью4,одной из важнейших структурных характеристик полога является индекс площади листьев (LAI)5,определяемый как половина общей площади поверхности зеленого листа на единицу горизонтальной площади поверхности земли или проекции кроны для особей, выраженный вм2 нам2 как безразмерная переменная6, 7.

Различные инструменты и методологические подходы к оценке земного ЛАИ и их плюсов и минусов в разнообразных экосистемах уже были представлены8,9,10,11,12,13,14,15. Существует две основные категории методов оценки LAI: прямые и косвенные (более подробную информацию см. в комплексных обзорах8,9,10, 11,12). В основном используемые в лесных насаждениях, наземные оценки LAI обычно получаются с использованием косвенных оптических методов из-за отсутствия прямого определения LAI, но они обычно представляют собой трудоемкий, трудоемкий и разрушительный метод9,10,12,16. Кроме того, косвенные оптические методы получают LAI из более легкого измерения связанных параметров (с точки зрения его трудоемкого и трудоемкого характера)17,таких как соотношение между падающим облучением выше и ниже навеса и количественной оценкой зазоров навеса14. Очевидно, что анализаторы растительного навеса также широко использовались для проверки спутниковых извлеченийLAI18; поэтому он считается стандартом для сравнения LP 110 (см. Таблицу материалов для получения более подробной информации об используемых инструментах).

LP 110, как обновленная версия первоначально самодельного простого прибора ALAI-02D19, а затем LP 10020,был разработан в качестве близкого конкурента для анализаторов растительного навеса. Как представитель косвенных оптических методов, устройство является ручным, легким, с батарейным питанием, без необходимости кабельного соединения между датчиком и регистратором данных, которое использует цифровой инклинометр вместо пузырькового уровня и обеспечивает более быстрое и точное позиционирование и считывание значений. Кроме того, устройство было разработано для того, чтобы отмечать немедленные показания. Таким образом, оценка времени, необходимая для сбора данных в полевых условиях, короче для LP 110, чем для анализатора навеса растений, примерно на 1/3. После экспорта считываний на компьютер данные становятся доступными для последующей обработки. Прибор регистрирует излучение в пределах длин волн синего света (т.е. 380-490 нм)21,22 с использованием датчика LAI для выполнения расчета LAI. Датчик LAI замаскирован непрозрачной колпачкой ограничения с полями зрения 16° (ось Z) и 112° (ось X)(рисунок 1). Таким образом, коэффициент пропускания света может быть отмечен с помощью устройства, удерживаемого либо перпендикулярно поверхности земли (т.е. зенитный угол 0°), либо под пятью различными углами 0°, 16°, 32°, 48° и 64°, чтобы иметь возможность также выводить наклон элементов навеса.

Figure 1
Рисунок 1:Физические характеристики LP 110. Клавиша MENU позволяет пользователю перемещаться вверх и вниз по всему дисплею, а кнопка SET служит клавишей Enter (A). Зенитный вид под различными углами наклона (±8 из-за вида сбоку) и горизонтальный вид фиксируется для LP от 110 до 112°(B)аналогично анализатору навеса растений (модифицированному ограничителями). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Благодаря более высокой чувствительности датчика LAI, его ограниченному полю зрения, встроенному цифровому инклинометру, автоматическому регистрации значений показаний в правильном положении, обозначенном звуком без нажатия кнопки, новый прибор также подходит для показаний над навесом в узких долинах или даже на более широких лесных дорогах для измерения широкого диапазона условий неба. Кроме того, он позволяет количественно оценивать зрелые навесы выше относительно высокой регенерации и достигает более высокой точности значений излучения, чем анализатор растительного навеса. Более того, цена LP 110 равна примерно 1/4 plant Canopy Analyzer. Напротив, использование LP 110 в плотных (т.е. LAIe на уровне стенда выше 7,88)23 или очень низких навесах в качестве лугопастбищных угодий ограничено.

LP 110 может работать в двух режимах работы: (i) режим с одним датчиком, принимающий как показания ниже навеса, так и эталонные показания (над исследуемым навесом или в достаточно широко распространенной поляне, расположенной в непосредственной близости от анализируемой растительности), выполняемый до, после или во время измерений ниже навеса, выполненных с помощью одного и того же прибора, и (ii) режим двойного датчика с использованием первого прибора для снятия показаний ниже навеса, в то время как второй используется для автоматического регистрации контрольных показаний в пределах регулярного заданного интервала времени (от 10 до 600 с). LP 110 может быть сопоставлен с совместимым GPS-устройством (см. Таблицу материалов)для записи координат каждой точки измерения ниже навеса для обоих режимов, упомянутых выше.

Эффективный индекс площади листьев (LAIe)24 включает в себя эффект индекса слипания и может быть получен из измерений излучения солнечного пучка, взятых выше и ниже исследуемого растительного полога25. Таким образом, для следующего расчета LAIe коэффициент пропускания (t) должен рассчитываться на основе облучения, передаваемого как под навесом (I), так и падающего над растительностью(Io),измеренного устройством LP 110.

t = I / I0 (1)

Поскольку интенсивность облучения экспоненциально уменьшается по мере его прохождения через растительный полог, LAIe может быть рассчитан в соответствии с законом вымирания Бира-Ламберта, модифицированным Монси и Саэки9,26

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

Где, k — коэффициент вымирания. Коэффициент вымирания отражает форму, ориентацию и положение каждого элемента в растительном пологе с известным наклоном элемента полога и направлением обзора9,12. Коэффициент k (см. уравнение 2) зависит от поглощения излучения листвой и различается у разных видов растений исходя из морфологических параметров элементов полога, их пространственного расположения и оптических свойств. Поскольку коэффициент вымирания обычно колеблется в районе0,5 9,27,уравнение 2 может быть упрощено, как представлено Lang et al.28 несколько иным образом для гетерогенных и однородных навесов:

В гетерогенном навесе

LAIe = 2 x | Equation 1 лн т| (3),

или

В однородном навесе

LAIe = 2 x |лн Т| (4),

Где, t: - коэффициент пропускания в каждой точке измерения ниже навеса, а T: - средний коэффициент пропускания всех значений t на измеренный трансект или стенд.

В лесных насаждениях LAIe должен быть дополнительно скорректирован из-за эффекта слипания ассимиляционного аппарата в побегах29,30,31,32,33,34 для получения фактического значения LAI.

Протокол посвящен практическому использованию оптического устройства LP 110 для оценки LAIe в избранном примере среднеевропейских хвойных лесных насаждений (см. Таблицу 2 и Таблицу 3 для участка, структурных и дендрометрических характеристик). Оценка LAIe в растительном пологе с помощью этого прибора основана на широко используемом оптическом методе, связанном с коэффициентом пропускания фотосинтетически активного излучения и фракцией зазора навеса. Целью статьи является предоставление комплексного протокола для выполнения оценки LAIe с использованием нового оптического устройства LP 110.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

ПРИМЕЧАНИЕ: Прежде чем приступать к плановым полевым измерениям, достаточно зарядите аккумулятор устройства LP 110. Подключите прибор (разъем USB, см. рисунок 1)к компьютеру через подключенный кабель. Состояние батареи отображается в левом верхнем углу дисплея устройства.

1. Калибровка перед измерением

ПРИМЕЧАНИЕ: Для LP 110 выполните темную калибровку датчика LAI и встроенные калибровки инклинометра перед началом каждой кампании полевых измерений.

  1. Темная калибровка датчика LAI
    1. Включите инструмент, нажав и удерживая клавишу Set не менее 1 с.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Кнопка Set служит клавишей Enter.
    2. Выберите Настройки (клавиша Menu позволяет перемещаться вверх и вниз) и нажмите Set > Lai Cal.,нажмите клавишу Set, а затем проверьте, зафиксирована ли калибровочная константа LAI на 1 (т.е. C = 1.0); Если нет, нажмите клавишу Set несколько раз, чтобы установить константу на 1.0 и вернитесь обратно в главное меню (нажмите Меню | Возврат | Набор).
      ПРИМЕЧАНИЕ: При проведении измерений LAI в режиме одного датчика (см. раздел 2) для всех измерений рекомендуется постоянное значение 1,0.
    3. Выберите Настройки и нажмите Установить | Лай ноль | Набор. Полностью накройте датчик LAI, используя, например, непрозрачную ткань или ладонь, чтобы избежать световых помех во время всего процесса калибровки. После этого нажмите клавишу Set, чтобы сохранить нулевое значение, отображаемое на дисплее.
    4. Нажмите клавишу Menu несколько раз, пока не будет выбран параметр Return, чтобы вернуться в главное меню, а затем нажмите клавишу Set.
  2. Калибровка инклинометра
    ПРИМЕЧАНИЕ: Каждое устройство LP 110 оснащено встроенным электронным инклинометром для обеспечения правильного угла наклона показаний. Внутренний инклинометр должен быть (повторно)откалиброван с использованием уровня воды.
    1. Вертикальная калибровка
      1. Если устройство выключено, нажмите и удерживайте клавишу Set не менее 1 с, чтобы включить прибор.
      2. Выберите Настройки и нажмите Установить | Вертикальная cal. | Устанавливается для активации электронного инклинометра.
      3. Держите устройство вертикально и поместите уровень воды на его боковую сторону вместе с инструментом.
      4. Сбалансируйте устройство слева или справа в соответствии с пузырьком уровня воды, чтобы достичь нулевого или близкого к нулю значения для оси X. Если нет, нажмите клавишу Set, чтобы настроить показания до тех пор, пока не будет считан ноль для оси X.
      5. Поместите уровень воды вдоль задней стороны устройства, чтобы завершить вертикальную калибровку.
      6. Снова наклоните устройство влево или вправо и проверьте, считывает ли дисплей устройства ноль для оси X.
      7. Удерживайте нулевой угол для оси X и одновременно наклоняйте устройство вперед или назад (ось Z) в соответствии с пузырьком уровня воды, следя за тем, чтобы значение угла оси X оставалось равным нулю или близкому к нулю.
      8. Проверьте, равно ли показание по оси Z нулю или приближается к нулю. Если нет, удерживайте клавишу Set и повторно откалибруйте устройство, чтобы установить нулевые показания для осей X и Z.
      9. Нажимайте клавишу Menu несколько раз, пока не будет выбран параметр Return, чтобы вернуться в главное меню, а затем нажмите клавишу Set.
    2. Горизонтальная калибровка
      1. Выберите Настройки и нажмите установить | Горизонтальный cal. | Настроен на срабатывание электронного инклинометра.
      2. Держите устройство горизонтально. Затем поместите уровень воды вдоль задней стороны устройства.
      3. Выровняйте устройство в горизонтальном положении в соответствии с пузырьками уровня воды. Наклоните инструмент влево или вправо и вверх или вниз по осям X и Y соответственно.
      4. После достижения правильного положения датчика в соответствии с обоими пузырьками уровня воды убедитесь, что показания для оси Y равны нулю или близки к нулю. Если нет, нажмите клавишу Set, чтобы повторно откалибровать горизонтальное положение инструмента.
      5. Нажимайте клавишу Menu несколько раз, пока не будет выбран параметр Return, чтобы вернуться в главное меню, а затем нажмите клавишу Set.

2. Режим одного датчика для оценки LAIe

  1. Если устройство выключено, нажмите клавишу Set не менее 1 с, чтобы включить прибор.
  2. Откалибруйте прибор перед началом каждой полевой измерительной кампании в соответствии с шагами 1.1 и 1.2.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Если калибровка уже выполнена, перейдите к шагу 2.3.
  3. После этого установите текущую дату и время (найдите Настройки в главном меню, многократно нажав клавишу Меню. Затем нажмите Set | Время; нажмите кнопку Set еще раз) и вернитесь в главное меню (выберите Return и удерживайте клавишу Set).
    ПРИМЕЧАНИЕ: Для точной настройки времени сопоставьте время с компьютером, как показано в соответствующем программном обеспечении (подключите устройство LP 110 к компьютеру через подключенный кабель. Откройте программное обеспечение, нажмите | | идентификатора устройства Устройство. Выберите и нажмите | Управления в Интернете Время. Затем установите флажок Синхронизировать с компьютерным временем и нажмите Изменить).
  4. Установите прибор в режим измерения одного угла с помощью настроек. Нажмите установить | Углы | Набор | Одиночный (подтвердите с помощью клавиши Menu) и вернитесь в главное меню (выберите Return и удерживайте клавишу Set).
    1. Если необходимо оценить наклон листа, установите режим измерения с несколькими углами. Настройки | Углы | Multi (нажмите кнопку Menu) и вернитесь в главное меню (выберите Return и удерживайте клавишу Set).
  5. Если требуется запись о положении измерений, включите соответствующее устройство GPS (см. разделы ниже для получения подробных инструкций и таблицы материалов); если нет, перейдите к шагу 2.6.
    1. Убедитесь, что время устройства совпадает с временем компьютера.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Время должно быть установлено правильно, чтобы отразить часовой пояс в исследуемом месте.
    2. Включите gps-устройство и подождите некоторое время, пока не будет найдено текущее положение. Проверьте местоположение на дисплее устройства GPS.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Точность зависит от плотности полога исследуемой растительности.
    3. Возьмите с собой LP 110 и GPS-устройство при проведении всех полевых измерений.
    4. После проведения всех полевых измерений подключите оба устройства к компьютеру, загрузите и обработайте данные в соответствующем программном обеспечении (см. Таблицу материалов)в соответствии с руководством LP 110 и руководством пользователя, инструкции по эксплуатации, раздел35.
  6. Проведите контрольное измерение на открытой местности или над измеренной растительностью (т.е. показания над навесом). В солнечную погоду предотвратите попадание света непосредственно в чашку ограничения зрения (см. рисунок 1).
    ПРИМЕЧАНИЕ: Для режима измерения с одним датчиком снимите показания как выше, так и ниже навеса при постоянных условиях освещения во время стандартной пасмурной погоды, до восхода солнца или после захода солнца(рисунок 2),чтобы избежать получения неправильных значений излучения.

Figure 2
Рисунок 2:Оптимальные погодные условия для проведения измерений LAIe с использованием LP 110. Оптимальными погодными условиями при использовании LP 110 являются равномерно пасмурное небо без прямого солнечного излучения(A),или использование либо до восхода солнца, либо после захода солнца(B). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

  1. Выберите Измерение в главном меню (нажмите клавишу Set), а затем выберите Lai Ref. После нажатия клавиши Set активируется режим эталонного измерения.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Текущее значение излучения отображается на дисплее. Это значение еще не хранится во внутренней памяти устройства (в это время срабатывает режим измерения).
  2. Затем снова нажмите клавишу Set, чтобы начать поиск правильного положения датчика LAI (т.е. зенитного угла 0°), а также активировать встроенный инклинометр и звуковой индикатор.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Одновременно текущее положение датчика LAI отображается на дисплее для осей X и Z.
  3. После этого держите устройство перпендикулярно земле и убедитесь, что датчик LAI направлен вверх к зениту.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Звуковой индикатор увеличивается в громкости по мере приближения к правильному зенитному углу.
  4. Проверьте дисплей, наклоните инструмент как влево, так и вправо, а также вперед и назад. Эталонное значение автоматически получается и сохраняется сразу после того, как зенитный угол, определенный осями X и Z, достигнет нуля или меньше 5 (звуковой сигнал останавливается).
    ПРИМЕЧАНИЕ: Учитывая, что правильное положение должно быть достигнуто в очень узком диапазоне (т.е. мм), этот шаг может быть утомительным.
  1. После выполнения эталонных измерений вернитесь в меню измерения, нажав клавишу Menu. Затем начинают измерять уровень передаваемого излучения ниже полога.
    1. Определите позиции для снятия показаний ниже навеса и начните измерять величину пропускания света с помощью датчика LAI устройства.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Структура измерений поля LAIe в различных структурах навеса подробно упоминается Černý et al.36 и Fleck et al.37.
    2. Выберите Lai в меню измерения. Нажмите клавишу Set, чтобы активировать режим измерения передаваемого излучения под навесом.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Текущее значение излучения отображается на дисплее. Это значение еще не хранится во внутренней памяти устройства (в это время срабатывает режим измерения).
    3. Нажмите клавишу Set еще раз, чтобы записать показания навеса ниже. Встроенный инклинометр и звуковой индикатор срабатывают для получения правильного положения датчика LAI (т.е. зенитного угла 0°).
      ПРИМЕЧАНИЕ: Одновременно текущее положение датчика LAI отображается на дисплее для осей X и Z.
    4. Затем удерживайте устройство перпендикулярно земле и убедитесь, что датчик LAI направлен вверх к зениту.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Звуковой индикатор увеличивается в громкости по мере приближения к правильному зенитному углу.
    5. Проверьте дисплей, наклоните инструмент как влево, так и вправо, а также вперед и назад. Все показания под навесом автоматически получаются и сохраняются сразу же, как только зенитный угол, определенный как X-, так и Z-осями, достигает нуля или меньше 5 (звуковой сигнал останавливается).
      ПРИМЕЧАНИЕ: Учитывая, что правильное положение должно быть достигнуто в очень узком диапазоне (мм), этот шаг может быть утомительным.
  2. Приступить к проведению дальнейших измерений передаваемого излучения под растительным пологом в соответствии с этапами 2.7.3-2.7.5.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Контрольные показания также могут быть получены в любое время между измерениями ниже навеса. Например, после завершения каждого трансекта нажмите кнопку Меню, выберите Lai Ref (удерживайте клавишу Set) и продолжайте в соответствии с шагами 2.6.2-2.6.4.Чем больше показаний выше навеса, сделанных во время измерений ниже навеса, тем выше точность эталонных расчетов.
  3. Сразу после завершения измерений ниже навеса (нажмите кнопку Меню, выберите Lai Ref и удерживайте клавишу Set), проведите измерение излучения на открытой местности для получения последнего контрольного значения, следуя шагам 2.6.2. к пункту 2.6.4.
  4. Нажимайте клавишу Меню несколько раз, пока не будет выбран параметр Return, чтобы вернуться в главное меню, а затем нажмите кнопку Set.
  5. После каждого измерения данные сохраняются во внутренней памяти устройства. Удерживайте кнопку Меню не менее 1 с, чтобы безопасно выключить устройство без стирания данных.
  6. Подключите прибор к компьютеру; загружать и обрабатывать данные. Пример измерения поля и расчета LAIe описан в разделе 4.

3. Режим двойного датчика для оценки LAIe

  1. Включите оба инструмента, удерживая клавишу Set не менее 1 с.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Instrument_1 и Instrument_2 предназначены для вышеуказанных (справочных) и ниже навесных показаний, соответственно. В режиме измерения с двумя датчиками одно устройство (Instrument_1) устанавливается на штатив на открытой местности (или в верхней части климатической мачты над навесом), а второе (Instrument_2) служит для проведения измерений передаваемого излучения ниже навеса. Instrument_1 автоматически регистрирует опорный сигнал в заданном временном интервале (от 10 с до 600 с). Этот подход собирает значительный объем справочных данных, тем самым повышая точность расчета эталонных значений для отдельных измерений ниже навеса.
  2. Установите текущую дату и время обоих инструментов (найдите Настройки в главном меню, многократно нажав кнопку Меню. Затем нажмите Set | Время | Набор. Вернитесь в главное меню (выберите Return и удерживайте клавишу Set).
    ПРИМЕЧАНИЕ: Для точной настройки времени сопоставьте время с компьютером, как показано в соответствующем программном обеспечении (подключите устройство к компьютеру через подключенный кабель. Откройте программное обеспечение и нажмите кнопку Настройка | | идентификатора устройства Устройство. Затем выберите и нажмите управление в Интернете | Время. Установите флажок Синхронизировать с компьютерным временем и нажмите Редактировать).
  3. После этого переведите оба прибора в режим измерения одного угла. Выберите Настройки (удерживайте клавишу Set) | Углы | Набор | Одиночный (подтвердите с помощью клавиши Menu). Вернитесь в главное меню (выберите Return и удерживайте клавишу Set).
    1. Если необходимо оценить наклон листа в пределах исследуемого растительного полога, установите Instrument_2 (показания ниже полога) в режим многоугольного измерения. Выберите Настройки (нажмите клавишу Set) | Углы (нажмите кнопку Set). Затем выберите Multi (подтвердите с помощью клавиши Menu), а затем вернитесь в главное меню (выберите Return и удерживайте клавишу Set).
  4. Если требуется запись о положениях измерений ниже навеса, включите соответствующее устройство GPS (подробные инструкции см. в разделах ниже и в Таблице материалов); если нет, перейдите к шагу 3.5.
    1. Убедитесь, что время, отображаемое на устройстве, используемом для снятия показаний под навесом (Instrument_2), соответствует компьютеру.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Время должно быть установлено правильно, чтобы отразить часовой пояс в исследуемом месте.
    2. Включите GPS-устройство и подождите некоторое время, пока не будет найдено текущее положение. Проверьте местоположение, отображаемое на устройстве GPS.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Точность зависит от плотности полога исследуемой растительности.
    3. При проведении всех полевых измерений используйте LP 110, используемый для снятия показаний под навесом (Instrument_2), и устройство GPS.
    4. После выполнения всех полевых измерений подключите оба устройства (Instrument_2 и устройство GPS) к компьютеру. Загрузите и обработайте данные в соответствующем программном обеспечении (см. Таблицу материалов)в соответствии с Руководством по эксплуатации LP 110 и Руководством пользователя, раздел35инструкций по эксплуатации.
  5. Откалибруйте оба прибора перед началом каждой кампании полевых измерений в соответствии с разделами 1.1 и 1.2.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Если калибровка уже выполнена, перейдите к шагу 3.5.1.
    1. После калибровки датчика LAI и встроенного инклинометра откалибруйте оба устройства LP 110 (Instrument_1 и Instrument_2) друг с другом.
      1. Для обоих устройств выберите Настройки в главном меню (нажмите клавишу Set) и выберите Lai Calibration (нажмите кнопку Set). Затем удерживайте оба устройства в горизонтальной плоскости в вертикальном положении и отрегулируйте постоянное значение (помеченное как C на дисплее), многократно нажав клавишу Set на Instrument_1 (контрольные показания), чтобы достичь тех же значений, которые изображены на экране устройства на Instrument_2. Затем нажмите кнопку Меню и вернитесь в главное меню (выберите Вернуть и удерживайте клавишу Set).
  6. В солнечную погоду предотвратите попадание прямых солнечных лучей в чашку ограничения зрения при снятии всех показаний над навесом (см. Рисунок 1).
    ПРИМЕЧАНИЕ: Для режима измерения с двумя датчиками снимите показания как над, так и под навесом при постоянных условиях освещения при стандартной пасмурной погоде, до восхода солнца или после захода солнца(рисунок 2),чтобы избежать получения неправильных значений излучения.
  7. Прикрепите Instrument_1 вертикально либо к штативу, размещенному на открытой местности, либо над исследуемым навесом (например, в верхней части климатической мачты).
    ПРИМЕЧАНИЕ: Это устройство будет непрерывно регистрировать контрольные значения (т.е. показания над навесом).
    1. Сначала выберите Настройки в главном меню (нажмите клавишу Set), а затем выберите Автоматический интервал (снова нажмите клавишу Set). Затем несколько раз нажмите клавишу Set, а затем удерживайте кнопку Menu, чтобы выбрать необходимый интервал для автоматического ведения журнала эталонных значений (от 10 до 600 с).
      ПРИМЕЧАНИЕ: Установите более короткий временной интервал для автоматического регистрации контрольных показаний для повышения точности измерений при быстром изменении условий освещения.
    2. Нажмите клавишу Меню, выберите Returnи удерживайте кнопку Set, чтобы вернуться в главное меню.
    3. Затем нажмите кнопку Меню (удерживайте клавишу Set) несколько раз, чтобы выбрать Измерение в главном меню. Затем выберите Auto Lai Ref. (нажмите клавишу Set), чтобы начать поиск правильного положения датчика LAI (т. Е. Зенитный угол 0°).
      ПРИМЕЧАНИЕ: Текущее значение излучения отображается на дисплее. Это значение еще не хранится во внутренней памяти устройства (в это время срабатывает режим измерения).
    4. Проверьте дисплей, наклоните инструмент как влево, так и вправо, а также вперед и назад. Достигнув зенитного угла, определенного Осями X и Z с нулем или меньшим значения 5 (т.е. как X-, так и Z-осей ниже значения 5), зафиксируйте устройство твердо в требуемом положении, упомянутом выше, а затем нажмите клавишу Set.
      ПРИМЕЧАНИЕ: На этом этапе контрольные значения (т.е. показания над навесом) автоматически записываются и сохраняются в заданном временном интервале (каждое считывание сопровождается звуковым сигналом). Избегайте любых отклонений от заданного положения Instrument_1; в противном случае эталонное измерение будет прервано. Учитывая, что правильное положение должно быть достигнуто в очень узком диапазоне (мм), этот шаг может быть утомительным.
  8. После этого начните измерять передаваемое излучение ниже растительного полога (показания ниже полога), используя Instrument_2.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Во время всех показаний под навесом сохраняйте ту же ориентацию поля зрения датчика LAI (Instrument_2), что и датчик LAI (Instrument_1) опорных показаний, например, перпендикулярно северу.
    1. Определите положения показаний ниже навеса и начните измерение значения пропускания света с помощью датчика LAI устройства.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Структура измерений поля LAIe в различных структурах полога всесторонне описана в Černý et al.36 и Fleck et al.37.
    2. В главном меню выберите Измерение (нажмите клавишу Set) и выберите Lai. Нажмите клавишу Set, чтобы активировать режим измерения передаваемого излучения под навесом.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Текущее значение излучения отображается на дисплее. Это значение еще не хранится во внутренней памяти устройства (в это время срабатывает только режим измерения).
    3. Нажмите клавишу Set еще раз, чтобы получить значение передаваемого излучения ниже навеса и запустить встроенный инклинометр и звуковой индикатор, служащий для поиска правильного положения датчика LAI (т. Е. Зенитный угол 0°).
      ПРИМЕЧАНИЕ: Одновременно текущее положение датчика LAI отображается на дисплее для осей X и Z.
    4. Затем держите устройство перпендикулярно поверхности земли, чтобы датчик LAI был направлен вверх к зениту.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Звуковой индикатор увеличивает свой тон, приближаясь к правильному зенитному углу.
    5. Проверьте дисплей, наклоните инструмент как влево, так и вправо, вперед и назад. Все показания под навесом автоматически получаются и сохраняются сразу же, как только зенитный угол, определенный как X-, так и Z-осями, достигает нуля или меньше 5 (звуковой сигнал останавливается).
      ПРИМЕЧАНИЕ: Учитывая, что правильное положение должно быть достигнуто в очень узком диапазоне (мм), этот шаг может быть утомительным.
  9. Приступить к проведению дальнейших измерений передаваемого излучения (т.е. показаний ниже навеса) в соответствии с этапами 3.8.3-3.8.5.
  10. После выполнения измерений ниже навеса (Instrument_2) нажмите кнопку Меню и клавишу Меню несколько раз, пока не будет выбран параметр Return для возврата в главное меню, а затем нажмите кнопку Set.
    ПРИМЕЧАНИЕ: После завершения всех справочных показаний (Instrument_1) используйте так же, как и для Instrument_2.
  11. Данные сохраняются в памяти прибора после каждого считывания. Удерживайте кнопку Меню не менее 1 с, чтобы безопасно выключить устройство без стирания данных.
  12. Подключите прибор к компьютеру; загружать и обрабатывать данные. Пример измерения поля и расчета LAIe описан в разделе 4.

4. Пример полевого измерения и расчета LAIe

  1. Определите точки измерения для проведения измерений ниже навеса. Расположите схему измерения в трансекте (или обычной сетке) с равноудаленными точками измерения, чтобы уловить неоднородность растительного полога, вызванную различными размерами зазоров.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Трансектная компоновка, подходящая для растительности, посаженной рядами с однородным навесом, изображена на рисунке 3. Для получения более подробной информации о компоновке измерений следуйте Černý et al.36 и Fleck et al.37.

Figure 3
Рисунок 3:Компоновка Transect для оценки LAIe в однородном растительном покрове. Трансект I-IV: число трансекта; Χ: точка измерения для получения показаний ниже навеса. Первые десять позиций обозначены (1Χ-10Χ). Трансекты должны быть ориентированы перпендикулярно рядам растений. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

  1. Проведите измерения как над, так и под навесом, используя режим с одним или двумя датчиками в соответствии с разделом 2 или разделом 3 соответственно.
  2. После завершения всех полевых измерений загрузите данные в компьютер с устройства (устройств) LP 110, используемого в режиме одного или двух датчиков для оценки LAIe.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Для режима с двумя датчиками выполните действия, описанные ниже для обоих приборов (т.е. Instrument_1 и Instrument_2).
    1. Подключите прибор к компьютеру через подключенный кабель.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Для режима с двумя датчиками сначала подключите устройство, используемое для проведения эталонных измерений (т.е. показаний над навесом).
    2. Откройте соответствующее программное обеспечение (см. Таблица материалов)и нажмите клавишу Setup на главной панели. Затем выберите и нажмите Идентификатор устройства.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Устройство: LaiPen отображается в левом нижнем углу.
    3. Нажмите кнопку «Устройство» и впоследствии нажмите «Загрузить».
      ПРИМЕЧАНИЕ: Программное обеспечение также позволяет пользователю записывать любые замечания на листе под названием «Примечания», отображаемом в левом нижнем углу. Программное обеспечение автоматически сопоставляет показания верхнего навеса с каждым показанием ниже навеса (коэффициент пропускания) в зависимости от времени измерения.
    4. Нажмите на иконку Файл в главном меню; выберите и нажмите Экспорт. Затем установите флажок ALAI и нажмите OK, чтобы экспортировать данные.
      ПРИМЕЧАНИЕ: В экспортируемом файле (txt., xls.) показания выше и ниже навеса (передаваемое излучение) помечаются как Ref. Интенсивность и коэффициент пропусканиясоответственно.
  3. Рассчитайте значение коэффициента пропускания(t)для каждой точки измерения в пределах трансекта (или сетки) в соответствии с уравнением 1: t = I / Io (излучение, передаваемое ниже навеса, деленное на падающее излучение над растительностью), в результате чего получается t1, t2,..., tn, где n: - количество точек измерения ниже навеса.
  4. Рассчитайте средний коэффициент пропускания(T)исследуемого растительного полога, например, в первом трансекте(T1):T1 = (t1 + t2...+ tn)/ n, где n: - количество точек измерения ниже полога в пределах первого трансекта.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Если измерения проводятся в нескольких трансектах, действуйте со всеми трансектами(Т2,Т3иТ4)таким же образом.
  5. Поскольку интенсивность облучения экспоненциально уменьшается по мере его прохождения через исследуемый навес, рассчитайте LAIe в соответствии с модифицированным законом вымирания Бира-Ламберта (см. уравнение 2).
    1. Во-первых, найдите логарифм среднего значения пропускания(T)исследуемого растительного полога, например, в первом трансекте (T_I): T_I = - ln T1.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Если измерения проводятся в нескольких трансектах, действуйте со всеми трансектами одинаково (т.е. T_II = - lnT2; T_III = - ln T3; T_IV = - ln T4).
      1. Рассчитайте среднее значение коэффициента пропускания(T)из всех отдельных трансектов: T = [(- ln T_I) + (- ln T_II) + (- ln T_III) + (- ln T_IV)] / 4.
    2. После этого рассчитайте окончательное значение LAIe, используя коэффициент вымирания, указанный для каждого вида растений в соответствии с уравнением 2.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Коэффициенты вымирания для основных пород деревьев перечислены в Bréda9. В лесных насаждениях LAIe должен быть скорректирован из-за эффекта слипания ассимиляционного аппарата в побегах29,30,31,32,33,34 для получения фактического значения LAI.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Пространственная структура, полученная от обоих испытуемых устройств, очевидно, различалась на всех изученных участках, т.е. истонченных сверху (А), истонченных снизу (В) и контроле без какого-либо лесоводческого вмешательства (С; см. Таблицу 2 для более подробной информации). На уровне стенда аналогичные различия в значениях LAI, полученные из LP 110 и анализатора растительного навеса, были подтверждены между истонченными участками с различной плотностью (A против .B) с использованием теста ANOVA и Tukey. Для анализатора навеса растений на контрольном участке без лесоводческого вмешательства наблюдались значительно более высокие значения LAI, чем на истонченных (A, B). Однако значения значительно превышали значения LAI, полученные из LP 110 на контрольном графике. Для LP 110 LAI существенно не отличался в лечении C и B. Напротив, была обнаружена существенная разница в значениях LAI между графиками C и A. Как правило, LAI значительно снижался после применения методов прореживания в исследуемых стендах. LAI, оцененный с использованием LP 110 (LaiPen LP110), уменьшился более очевидно на графике A, тогда как значения LAI, полученные от анализатора (LAI-2200 PCA), уменьшились больше на участке B. Тем не менее, эти зарегистрированные различия были незначительными(рисунок 4).

Figure 4
Рисунок 4:Значения LAI, оцененные с использованием оптических приборов LP 110 и Plant Canopy Analyzer в Норвегии, еловые столбы подвергаются различным лесоводческим обработкам. Для оценки LAI на каждом исследуемом стенде было взято 81 показания ниже навеса. О: Истончение сверху; B: Истончение снизу; C: Контрольный участок. Точки обозначают среднее значение LAI. Усы отображают стандартные отклонения. Различные буквы указывают на значительные различия (p < 0,05) между лесоводческими обработками и различными оптическими инструментами с использованием теста Туки Post-hoc. Эта цифра была изменена с Černý et al.20. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Пространственная изменчивость значений LAI проиллюстрирована на рисунке 5 для каждой обработки прореживания в чисто норвежских еловых столбах.

Figure 5
Рисунок 5:Пространственная неоднородность LAI, оцененная с помощью LP 110 и анализатора растительного полога на уровне отдельных точек измерения под исследуемым еловым навесом. О: Истончение сверху; B: Истончение снизу; C: Контрольный участок. Цифры над стрелками обозначают длину боковой стороны и расстояние между точками измерения в пределах обычной сетки. Эта цифра была изменена с Černý et al.20. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

LP 110 занижал LAI на 7,4% и 10,6% на участках A и C соответственно. Напротив, это устройство завышало значение стенда LAI, полученное от анализатора растительного навеса на участке B, на 3,7%. Если были рассчитаны и впоследствии сопоставлены суммарные средние значения всех значений LAI независимо от применяемой обработки прореживания (LP 110 против анализатора навеса растений), то прибор LP 110 занижал LAI, полученный анализатором растительного навеса, на 5,8%. Впоследствии для обоих инструментов были рассчитаны различия в конкретных значениях LAI, измеренных выше отдельных точек, расположенных в пределах обычной сетки, и эти отклонения впоследствии были выражены в процентах. В этих условиях значения LAI, измеренные LP 110 и анализатором растительного козырька, сильно различались(таблица 1).

Лесоводческое лечение Лесной насаждевание LAI Относительные различия (%) между LAI от LaiPen LP 110 по сравнению с LAI-2200 PCA на уровне отдельных точек измерения
LaiPen LP 110(м 2 м -2) LAI-2200 PCA(м 2 м -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)

Таблица 1: Среднее значение LAI на уровне стенда и различия LAI, выраженные в % между LP 110 и анализатором навеса растений на уровне отдельных точек измерения. О: Истончение сверху; B: Истончение снизу; C: Контрольный участок. Эта таблица была изменена по сравнению с Černý et al.20.

Для всех данных LAI, измеренных на определенном уровне точки с использованием LP 110 и Plant Canopy Analyzer, была выполнена линейная регрессия между обоими используемыми устройствами. Линейная регрессия y = 0,8954x (R2 = 0,94; RMSE = 2.11438) был найден для всех данных LAI с обоих тестируемых приборов(рисунок 6).

Figure 6
Рисунок 6:Линейная регрессия между значениями LAI, поступающими от LP 110 и анализатора растительного козырька на уровне отдельных точек измерения в исследованных еловых столбах Норвегии. Эта цифра была изменена с Černý et al.20. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Географические координаты 49°29'31" с.ш., 16°43'30" в.д.
Высота 610-625 м а. с. л.
Среднегодовая температура воздуха 6.5 °С
Среднегодовое количество осадков 717 мм

Таблица 2: Характеристики места исследования. Эта таблица была изменена по сравнению с Černý et al.20.

Участок Возраст стенда (лет) Плотность древостоя (деревья га-1) Высота (м) ДБХ (см) БА1,3 (м 2·га-1) Поголовье(м 3·га-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

Таблица 3: Дендрометрические и структурные характеристики исследуемых насаждений площадью 25 м х 25 м в 2014 г. На каждом исследуемом стенде было получено 81 показания ниже навеса в пределах обычной сетки (3 м х 3 м) под стандартным пасмурным небом (для получения более подробной информации см. Černý et al.20). Все измерения LAI проводились в июле и августе, когда значения LAI были наиболее стабильными9,38. О: Истончение сверху; B: Истончение снизу; C: Контрольный участок; DBH: диаметр стебля на высоте груди; БА1.3:базальная область на высоте груди. Для БА1.3 на уровне древостоя суммировались базальные площади каждого дерева, представленного в исследуемом древостое, рассчитанные как: БА1,3 = (∏*DBH 2)/4. Эта таблица была изменена по сравнению с Černý et al.20.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Каковы различия между LP 110 в качестве недавно представленного устройства для оценки LAI (или проведения измерений интенсивности PAR) и LAI-2200 PCA в качестве улучшенной версии предыдущего стандарта LAI-2000 PCA для оценки LAI косвенным методом? Помимо того, что цена анализатора навеса завода примерно в четыре раза выше по сравнению с LP 110, можно сравнить количество выходных параметров, условия измерения, методологические подходы и возможности оценки LAI для различных навесов, точность результатов и т. Д.

При сравнении аппаратного обеспечения LP 110 кажется более удобным для пользователя. LP 110 является более легким устройством и не требует каких-либо кабельных соединений между датчиками и регистратором данных. Оба датчика (т.е. для измерений LAI и PAR; см. Рисунок 1)интегрированы в корпус устройства, что позволяет оператору легко перемещаться по всей исследуемой экосистеме (например, в кустарниках или густых лесах). Для обеспечения точности считывания значений необходимо правильное положение датчика и хранение значений. Это положение (либо в зените, либо под заданными углами) определяется изменяющейся частотой звука, если датчик находится близко или далеко от целевого положения. Даже при самом интенсивном звуке (громкость может быть скорректирована) LP 110 удерживается автоматически сохраняет значение чтения. Напротив, поиск правильного положения датчика для анализатора растительного навеса должен быть выполнен с помощью ручного уровня пузырьков на ручной палочке. Оператор должен нажать кнопку, чтобы сохранить значение чтения одновременно при проверке уровня пузырьков. Однако правильное положение датчика обычно теряется при нажатии кнопки, что приводит к снижению точности значения показаний. Поскольку для снятия показаний LP 110 визуально проверять уровень пузырьков не требуется, существует также возможность удерживать инструмент на удлинительном стержне, что позволяет пользователю измерять над навесами естественной или искусственной регенерации, высокие травянистые или кустарниковые слои. В этом случае правильное положение датчика может быть просто найдено на основе изменения частоты звука.

Существуют различия между LP 110 и Plant Canopy Analyzer в отношении конструкции датчика LAI, особенно в отношении чувствительности датчика и полей зрения датчиков (FOV). Если датчик LAI анализатора растительного навеса подвергается воздействию открытого воздуха, он может запотевать в условиях высокой влажности воздуха, которые обычно происходят ранним утром на открытых площадках. Напротив, датчик LAI LP 110 не затуманен, так как он расположен внутри чашки обзора ограничителя(рисунок 1). Хотя ограничитель датчика LAI LP 110 является съемным, он имеет фиксированный FOV; однако FOV датчика LAI анализатора plant Canopy Analyzer может быть модифицирован как в азимутальном, так и в зенитном направлениях с использованием различных ограничителей (непрозрачных колпачков обзора) и с помощью процедуры маскировки во время постобработки данных, соответственно. Несмотря на то, что FOV датчика LAI LP 110(рисунок 1)относительно узкий и им нельзя манипулировать по сравнению с plant Canopy Analyzer, чувствительность этого датчика примерно в десять раз выше. Эта более высокая чувствительность датчика LAI позволяет пользователю проводить измерения с использованием LP 110 в условиях низкого излучения, а также снимать показания над навесом (эталонные) на чрезвычайно узких открытых участках, например, на узких лесных дорогах или линиях. Кроме того, соотношение показаний выше к показаниям ниже навеса выше, что приводит к повышению точности измеренного коэффициента пропускания и, следовательно, к лучшей оценке LAIe. С другой стороны, необходимо увеличить количество показаний ниже навеса на трансект из-за узкого FOV датчика LAI LP 110.

Существует некоторое сходство между LP 110 и plant Canopy Analyzer, например, в условиях измерения и в модификациях зенитного угла датчика LAI (в направлениях 0°, 16°, 32°, 48° и 64° для LP 110; и 7°, 23°, 38°, 53° и 68° для анализатора растительного козырька) для количественной оценки угла наклона элементов навеса. Подобно анализатору растительного навеса, LP 110 уменьшает эффект отражения света и измеряет реальную часть поглощения света листвой благодаря специфическим характеристикам длины волны датчика. Другие оптические приборы, такие как SunScan, AccuPAR, TRAC39или DEMON9,40 (для получения более подробной информациисм. Таблицу материалов), измеряют при относительно более широких световых интервалах независимо от отражения света. В режиме с двумя датчиками можно проводить автоматические измерения с помощью одного датчика, обычно размещаемого на открытой местности, для получения показаний над навесом (эталонными) во временных интервалах в диапазоне от 10 до 360 с и 5-3 600 с для LP 110 и Plant Canopy Analyzer, соответственно, и есть возможность добавлять позиции GPS к индивидуальным измерениям. Для обоих приборов невозможно измерить LAIe: i) во время и сразу после дождя, поскольку элементы мокрого навеса, включая стебли, повышают как коэффициенты отражения света, так и коэффициент пропускания ниже навеса; таким образом, фактическая LAIe недооценивается в таких условиях; ii) во время ветреных условий, когда элементы навеса движутся, и значения пропускания сильно варьируются, даже если положение датчика стабильно, и iii) во время нестабильных синоптических ситуаций, когда условия освещения быстро меняются. Последнее условие не является столь ограничивающим для LP 110 из-за узкого FOV датчика. Кроме того, необходимо учитывать расстояние препятствий. Однако подходящая ориентация датчика уменьшает проблему. Для обоих устройств также можно оценить LAIe в солнечный день, в основном близко к восходу или закату солнца. За исключением полудня, когда прямые солнечные лучи могут проникать в датчик LAI через слот ограничителя, проведение измерений LAIe возможно в течение всего дня; даже если датчик LAI перпендикулярно ориентирован на солнце (актуально для LP 110) или на заднюю часть оператора (актуально для анализатора навеса установки). Тем не менее, некоторые процедуры исправления, представленные Лебланом иЧеном 41, должны быть применены. Если показания навеса изменяются более чем на ±20% в течение короткого промежутка времени (примерно 1-2 мин), продолжение измерений LAIe бесполезно из-за ожидаемой чрезвычайно высокой погрешности оценки LAIe. Этой проблемы можно было бы избежать с помощью точной синхронной оценки показаний над и под навесом в режиме с двумя датчиками с использованием двух блоков с одинаковой точной настройкой времени и калибровкой. Следующим критическим шагом для оценки LAIe с использованием LP 110 является выбор подходящей открытой площадки для показаний выше навеса, особенно для режима одного датчика (максимальный временной лаг между показаниями выше и ниже навеса, т.е. древостоя и открытого участка, должен составлять 15-20 мин), где размер открытой местности должен соответствовать датчику FOV. Кроме того, LP 110 похож на анализатор растительного навеса, не подходит для точной оценки LAIe в слишком плотной (т.е. LAIe на уровне стенда более 7,88)23,очень низких пологах лугов или коэффициент пропускания ниже 1%.

Все полученные значения падающего света и светопропускания ниже навеса с записью времени перерабатываются с помощью специального программного обеспечения, обеспечивающего множество выходных параметров, особенно с помощью Plant Canopy Analyzer. Напротив, программное обеспечение для обработки данных, полученных из LP 110, должно быть улучшено, чтобы быть более автоматическим и удобным для пользователя, например, программное обеспечение, относящееся к Plant Canopy Analyzer. Кроме того, желательно модифицировать ограничительную чашку для LP 110 производителем, чтобы изменить или отрегулировать датчик FOV.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Авторам нечего раскрывать. Репрезентативные результаты были использованы из статьи Černý, J., Krejza, J., Pokorný, R., Bednář, P. LaiPen LP 100 - нового устройства для оценки индекса площади листьев лесной экосистемы по сравнению с эталоном: методологическое тематическое исследование. Журнал лесной науки. 64 (11), 455-468 (2018). DOI: 10.17221/112/2018-JFS на основании любезного разрешения редакционной коллегии Journal of Forest Science.

Acknowledgments

Авторы в долгу перед редакционной коллегией Journal of Forest Science за поощрение и разрешение нам использовать репрезентативные результаты в этом протоколе из опубликованной там статьи.

Исследование было финансово поддержано Министерством сельского хозяйства Чешской Республики, институциональной поддержкой MZE-RO0118, Национальным агентством сельскохозяйственных исследований (проект No. QK21020307) и исследовательская и инновационная программа Европейского Союза Horizon 2020 (грантовое соглашение No 952314).

Авторы также любезно благодарят трех анонимных рецензентов за их конструктивную критику, которая улучшила рукопись. Кроме того, спасибо Душану Бартошу, Алене Хвездовой и Томасу Петру за помощь в полевых измерениях и компании Photon Systems Instruments Ltd. за сотрудничество и предоставление фотографий устройств.

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

Науки об окружающей среде выпуск 173 непрямой оптический метод режим одного датчика режим двойного датчика коэффициент пропускания света растительный полог зенитный угол закон Бира-Ламберта
Полевое измерение эффективного индекса площади листьев с помощью оптического устройства в растительном пологе
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