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Misurazione sul campo dell'indice di area fogliare efficace utilizzando un dispositivo ottico nella chioma della vegetazione

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

La stima rapida e precisa dell'indice di area fogliare (LAI) negli ecosistemi terrestri è fondamentale per un'ampia gamma di studi ecologici e per la calibrazione dei prodotti di telerilevamento. Qui è presentato il protocollo per l'utilizzo del nuovo dispositivo ottico LP 110 per effettuare misurazioni LAI in situ a terra.

Abstract

L'indice di area fogliare (LAI) è una variabile essenziale della chioma che descrive la quantità di fogliame in un ecosistema. Il parametro funge da interfaccia tra i componenti verdi delle piante e l'atmosfera, e molti processi fisiologici si verificano lì, principalmente l'assorbimento fotosintetico, la respirazione e la traspirazione. LAI è anche un parametro di input per molti modelli che coinvolgono carbonio, acqua e ciclo energetico. Inoltre, le misurazioni in situ a terra fungono da metodo di calibrazione per LAI ottenuto da prodotti di telerilevamento. Pertanto, sono necessari semplici metodi ottici indiretti per effettuare stime LAI precise e rapide. L'approccio metodologico, i vantaggi, le controversie e le prospettive future del dispositivo ottico LP 110 di nuova concezione basato sulla relazione tra la radiazione trasmessa attraverso la chioma della vegetazione e le lacune della chioma sono state discusse nel protocollo. Inoltre, lo strumento è stato confrontato con lo standard mondiale LAI-2200 Plant Canopy Analyzer. LP 110 consente un'elaborazione più rapida e diretta dei dati acquisiti sul campo ed è più conveniente rispetto al Plant Canopy Analyzer. Il nuovo strumento si caratterizza per la sua facilità d'uso sia per le letture sopra che sotto il baldacchino grazie alla sua maggiore sensibilità del sensore, all'inclinometro digitale integrato e alla registrazione automatica delle letture nella posizione corretta. Pertanto, il dispositivo portatile LP 110 è un gadget adatto per eseguire stime LAI in silvicoltura, ecologia, orticoltura e agricoltura in base ai risultati rappresentativi. Inoltre, lo stesso dispositivo consente anche all'utente di effettuare misurazioni accurate dell'intensità della radiazione fotosinteticamente attiva (PAR) incidente.

Introduction

I baldacchini sono loci di numerosi processi biologici, fisici, chimici ed ecologici. La maggior parte di loro sono affetti da strutture a baldacchino1. Pertanto, una quantificazione accurata, rapida, non distruttiva e affidabile della chioma della vegetazione in situ è fondamentale per una vasta gamma di studi che coinvolgono l'idrologia, il ciclo del carbonio e dei nutrienti e il cambiamento climatico globale2,3. Poiché le foglie o gli aghi rappresentano un'interfaccia attiva tra l'atmosfera e la vegetazione4, una delle caratteristiche strutturali critiche della chioma è l'indice di area fogliare (LAI)5, definito come la metà della superficie totale delle foglie verdi per unità di superficie orizzontale del suolo o proiezione della corona per gli individui, espresso in m2 per m2 come variabile adimensionale6, 7.

Vari strumenti e approcci metodologici per stimare i LAI terrestri e i loro pro e contro in diversi ecosistemi sono già stati presentati8,9,10,11,12,13,14,15. Esistono due categorie principali di metodi di stima LAI: diretti e indiretti (vedere le revisioni complete8,9,10,11,12 per maggiori dettagli). Utilizzate principalmente negli stand forestali, le stime LAI a terra sono ottenute abitualmente utilizzando metodi ottici indiretti a causa della mancanza di determinazione diretta della LAI, ma di solito rappresentavano un metodo dispendioso in termini di tempo, laborioso e distruttivo9,10,12,16. Inoltre, i metodi ottici indiretti derivano LAI da parametri correlati più facilmente misurabili (dal punto di vista della sua natura dispendiosa in termini di tempo e lavoro intenso)17, come il rapporto tra irradiazione incidente sopra e sotto la chioma e la quantificazione degli spazi tra le fessure della chioma14. È evidente che gli analizzatori plantare sono stati ampiamente utilizzati anche per convalidare i recuperi LAI satellitari18; pertanto, è stato considerato uno standard per il confronto LP 110 (vedere Tabella dei materiali per maggiori dettagli sugli strumenti impiegati).

L'LP 110, come versione aggiornata dello strumento semplice inizialmente autoprodotto ALAI-02D19 e successivamente LP 10020,è stato sviluppato come uno stretto concorrente per plant canopy analyzers. Come rappresentante dei metodi ottici indiretti, il dispositivo è portatile, leggero, alimentato a batteria, senza alcuna necessità di un collegamento via cavo tra il sensore e il data-logger che utilizza un inclinometro digitale anziché un livello di bolla e consente un posizionamento e una lettura del valore più rapidi e accurati. Inoltre, il dispositivo è stato progettato per annotare letture immediate. Pertanto, la stima del tempo necessaria per la raccolta dei dati sul campo è più breve per l'LP 110 rispetto a Plant Canopy Analyzer di circa 1/3. Dopo l'esportazione delle letture su un computer, i dati sono disponibili per la successiva elaborazione. Il dispositivo registra l'irraggiamento all'interno delle lunghezze d'onda della luce blu (cioè 380-490 nm)21,22 utilizzando un sensore LAI per effettuare un calcolo LAI. Il sensore LAI è mascherato da un tappo di restrizione opaco con campi visivi di 16° (asse Z) e 112° (asse X) (Figura 1). Pertanto, la trasmittanza luminosa può essere notata utilizzando il dispositivo tenuto perpendicolarmente alla superficie del suolo (cioè angolo zenitale 0 °), o a cinque diversi angoli di 0 °, 16 °, 32 °, 48 ° e 64 ° per essere in grado di dedurre anche l'inclinazione degli elementi del baldacchino.

Figure 1
Figura 1: Caratteristiche fisiche dell'LP 110. Il tasto MENU consente all'utente di spostarsi verso l'alto e verso il basso in tutto il display e il pulsante SET funge da tasto Invio (A). La vista zenitale con diversi angoli di inclinazione (±8 a causa della vista laterale) e la vista orizzontale è fissata per LP da 110 a 112 °(B)in modo simile al Plant Canopy Analyzer (modificato da limitatori). Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Grazie alla maggiore sensibilità del sensore LAI, al suo campo visivo ristretto, all'inclinometro digitale integrato, alla registrazione automatica dei valori di lettura nella posizione corretta indicata dal suono senza premere un pulsante, il nuovo strumento è adatto anche per letture sopra la chioma in valli strette o anche su strade forestali più ampie per misurare una vasta gamma di condizioni del cielo. Oltre a ciò, consente la quantificazione di tettoie mature al di sopra della rigenerazione relativamente elevata e raggiunge una maggiore precisione dei valori di irradianza rispetto a Plant Canopy Analyzer. Inoltre, il prezzo di LP 110 è pari a circa 1/4 del Plant Canopy Analyzer. Al contrario, l'utilizzo di LP 110 in densi (cioè LAIe a livello di stand superiori a 7,88)23 o tettoie molto basse come prateria è limitato.

L'LP 110 può funzionare all'interno di due modalità operative: (i) una singola modalità sensore che prende sia letture sotto la tettugia che di riferimento (sopra la chioma studiata o in una radura sufficientemente diffusa situata nelle vicinanze della vegetazione analizzata) eseguite prima, dopo o durante le misurazioni sotto la tettugia effettuate con lo stesso strumento e (ii) una modalità a doppio sensore utilizzando il primo strumento per effettuare letture sotto la chioma, mentre il secondo è impiegato per registrare automaticamente le letture di riferimento all'interno di un intervallo di tempo predefinito regolare (da 10 a 600 s). L'LP 110 può essere abbinato a un dispositivo GPS compatibile (vedi Tabella dei materiali)per registrare le coordinate di ciascun punto di misurazione sotto il baldacchino per entrambe le modalità sopra menzionate.

L'indice di area fogliare efficace (LAIe)24 incorpora l'effetto dell'indice di aggregazione e può essere derivato dalle misurazioni dell'irraggiamento del fascio solare prese sopra e sotto la chioma vegetale studiata25. Pertanto, per il seguente calcolo LAIe, la trasmittanza (t) deve essere calcolata dall'irradiazione sia trasmessa sotto la chioma (I) che incidente sopra la vegetazione (Io) misurata dal dispositivo LP 110.

t = I / I0 (1)

Poiché l'intensità dell'irradiazione diminuisce esponenzialmente mentre passa attraverso una chioma di vegetazione, LAIe può essere calcolata secondo la legge di estinzione di Beer-Lambert modificata da Monsi e Saeki9,26

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

Dove, k è il coefficiente di estinzione. Il coefficiente di estinzione riflette la forma, l'orientamento e la posizione di ciascun elemento nella chioma della vegetazione con l'inclinazione nota dell'elemento della chioma e la direzione della vista9,12. Il coefficiente k (vedi equazione 2) dipende dall'assorbimento dell'irraggiamento da parte del fogliame e differisce tra le specie vegetali in base ai parametri morfologici degli elementi della chioma, alla loro disposizione spaziale e alle proprietà ottiche. Poiché il coefficiente di estinzione di solito oscilla intorno a 0,59,27, l'equazione 2 può essere semplificata come presentato da Lang et al.28 in un modo leggermente diverso per baldacchini eterogenei e omogenei:

In una chioma eterogenea

LAIe = 2 x | Equation 1 ln t| (3),

o

In una chioma omogenea

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

Dove, t: è la trasmittanza in ciascun punto di misurazione al di sotto della chioma e T: è la trasmittanza media di tutti i valori t per transetto o supporto misurato.

Nei popolamenti forestali, LAIe deve essere ulteriormente corretto a causa di un effetto aggregante dell'apparato di assimilazione all'interno dei germogli29,30,31,32,33,34 per ottenere il valore LAI effettivo.

Il protocollo è dedicato all'utilizzo pratico del dispositivo ottico LP 110 per la stima del LAIe in un esempio selezionato di popolamenti forestali di conifere dell'Europa centrale (vedi Tabella 2 e Tabella 3 per le caratteristiche del sito, strutturali e dendrometriche). La stima LAIe in una chioma di vegetazione che utilizza questo dispositivo si basa su un metodo ottico ampiamente utilizzato relativo alla trasmissione della radiazione fotosinteticamente attiva e della frazione del gap della chioma. Il documento mira a fornire un protocollo completo per l'esecuzione della stima LAIe utilizzando il nuovo dispositivo ottico LP 110.

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Protocol

NOTA: prima di iniziare a effettuare le misurazioni sul campo pianificate, caricare sufficientemente la batteria del dispositivo LP 110. Collegare lo strumento (connettore USB, vedere Figura 1)e il computer tramite il cavo collegato. Lo stato della batteria viene visualizzato nell'angolo superiore sinistro del display del dispositivo.

1. Calibrazione prima della misurazione

NOTA: per LP 110, eseguire una calibrazione scura del sensore LAI e delle calibrazioni dell'inclinometro integrato prima di iniziare ogni campagna di misurazione sul campo.

  1. Calibrazione scura del sensore LAI
    1. Accendere lo strumento tenendo premuto il tasto Set per almeno 1 s.
      NOTA: il pulsante Imposta funge da tasto Invio.
    2. Selezionare Impostazioni (il tasto Menu consente di spostarsi su e giù) e premere Imposta > Lai Cal., premere il tasto Imposta, quindi verificare se la costante di calibrazione LAI è fissata a 1 (ad esempio, C = 1.0); in caso contrario, premere ripetutamente il tasto Imposta per regolare la costante su 1.0 e tornare al menu principale (premere Menu | | di ritorno Imposta).
      NOTA: quando si effettuano misurazioni LAI utilizzando la modalità sensore singolo (vedere paragrafo 2), si consiglia un valore costante di 1,0 per tutte le misurazioni.
    3. Seleziona Impostazioni e premi Imposta | Lai zero | Imposta. Coprire completamente il sensore LAI utilizzando, ad esempio, un panno opaco o un palmo per evitare interferenze luminose durante l'intero processo di calibrazione. Successivamente, premere il tasto Imposta per mantenere il valore zero visualizzato sul display.
    4. Premere ripetutamente il tasto Menu finché non viene selezionato Invio per tornare al menu principale, quindi premere il tasto Imposta.
  2. Calibrazioni dell'inclinometro
    NOTA: Ogni dispositivo LP 110 è dotato di un inclinometro elettronico integrato per garantire il corretto angolo di inclinazione delle letture. L'inclinometro interno deve essere (ri)calibrato utilizzando un livello dell'acqua.
    1. Calibrazione verticale
      1. Se il dispositivo è spento, tenere premuto il tasto Set per almeno 1 s per accendere lo strumento.
      2. Seleziona Impostazioni e premi Imposta | | verticale Impostare per attivare l'inclinometro elettronico.
      3. Tenere il dispositivo verticalmente e posizionare un livello dell'acqua sul lato laterale insieme allo strumento.
      4. Bilanciare il dispositivo a sinistra o a destra in base alla bolla del livello dell'acqua per ottenere un valore zero o vicino allo zero per l'asse X. In caso contrario, premere il tasto Imposta per regolare le letture fino a quando non viene letto lo zero per l'asse X.
      5. Posizionare il livello dell'acqua lungo il lato posteriore del dispositivo per completare la calibrazione verticale.
      6. Inclinare nuovamente il dispositivo a sinistra o a destra e verificare se il display del dispositivo legge zero per l'asse X.
      7. Mantenere la posizione dell'angolo zero per l'asse X e contemporaneamente inclinare il dispositivo in avanti o indietro (l'asse Z) in base alla bolla del livello dell'acqua, assicurandosi di mantenere il valore dell'angolo dell'asse X a zero o vicino allo zero.
      8. Verificare se la lettura dell'asse Z è uguale a zero o si avvicina a zero. In caso contrario, tenere premuto il tasto Set e ricalibrare il dispositivo per impostare zero letture per entrambi gli assi X e Z.
      9. Premere ripetutamente il tasto Menu finché non viene selezionato Invio per tornare al menu principale, quindi premere il tasto Imposta.
    2. Calibrazione orizzontale
      1. Seleziona Impostazioni e premi il pulsante Imposta | | cal. Impostare per attivare l'inclinometro elettronico.
      2. Tenere il dispositivo in orizzontale. Quindi, posizionare il livello dell'acqua lungo il lato posteriore del dispositivo.
      3. Livellare il dispositivo in posizione orizzontale in base alle bolle del livello dell'acqua. Inclinare lo strumento a sinistra o a destra e su o giù lungo gli assi X e Y, rispettivamente.
      4. Dopo aver raggiunto la corretta posizione del sensore in base a entrambe le bolle del livello dell'acqua, verificare che la lettura per l'asse Y sia zero o vicina allo zero. In caso contrario, premere il tasto Set per ricalibrare la posizione orizzontale dello strumento.
      5. Premere ripetutamente il tasto Menu finché non viene selezionato Invio per tornare al menu principale, quindi premere il tasto Imposta.

2. Modalità sensore singolo per la stima LAIe

  1. Se il dispositivo è spento, premere il tasto Set per almeno 1 s per accendere lo strumento.
  2. Calibrare lo strumento prima di iniziare ogni campagna di misurazione sul campo secondo i passaggi 1.1 e 1.2.
    NOTA: se la calibrazione è già stata eseguita, andare al passaggio 2.3.
  3. Successivamente, imposta la data e l'ora correnti (trova Impostazioni nel menu principale premendo ripetutamente il tasto Menu. Quindi, premere Imposta | Tempo; premere nuovamente il pulsante Imposta) e tornare al menu principale (selezionare Invio e tenere premuto il tasto Imposta).
    NOTA: per un'impostazione dell'ora esatta, abbinare l'ora al computer come visualizzato nel software pertinente (collegare il dispositivo LP 110 al computer tramite il cavo collegato. Aprire il software, premere il | ID dispositivo | Dispositivo. Scegliere e premere Controllo online | Tempo. Quindi, seleziona l'opzione Sincronizza con l'ora del computer e premi Modifica).
  4. Impostare lo strumento sulla modalità di misurazione ad angolo singolo utilizzando Impostazioni. Premere Set | Angoli | Imposta | Singolo (confermare utilizzando il tasto Menu) e tornare al menu principale (selezionare Invio e tenere premuto il tasto Set).
    1. Se è necessario stimare l'inclinazione dell'angolo foglia, impostare la modalità di misurazione multiangolo. Impostazioni | Angoli | Multi (premere il pulsante Menu) e tornare al menu principale (selezionare Invio e tenere premuto il tasto Imposta).
  5. Se è necessario un record relativo alle posizioni delle misurazioni, accendere il relativo dispositivo GPS (vedere le sezioni seguenti per istruzioni dettagliate e la Tabella dei materiali); in caso contrario, andare al passaggio 2.6.
    1. Verificare che l'ora del dispositivo corrisponda al computer.
      NOTA: l'ora deve essere impostata correttamente per riflettere il fuso orario nel luogo studiato.
    2. Accendi il dispositivo GPS e attendi un momento fino a quando non viene trovata la posizione corrente. Controllare la posizione sul display del dispositivo GPS.
      NOTA: La precisione dipende dalla densità della chioma della vegetazione studiata.
    3. Trasportare sia l'LP 110 che il dispositivo GPS quando si effettuano tutte le misurazioni sul campo.
    4. Dopo aver effettuato tutte le misurazioni sul campo, collegare entrambi i dispositivi al computer, scaricare ed elaborare i dati nel software pertinente (vedere Tabella dei materiali)secondo il Manuale LP 110 e la Guida per l'utente, Istruzioni per l'uso sezione35.
  6. Effettuare una misurazione di riferimento in un'area aperta o sopra la vegetazione misurata (ad esempio, una lettura sopra la chioma). In caso di tempo soleggiato, evitare che la luce penetri direttamente nella tazza di restrizione della vista (vedere figura 1).
    NOTA: per la modalità di misurazione a sensore singolo, eseguire letture sia sopra che sotto il baldacchino in condizioni di luce costante durante il cielo coperto standard, prima dell'alba o dopo il tramonto (Figura 2) per evitare di ottenere valori di irraggiamento errati.

Figure 2
Figura 2: Condizioni meteorologiche ottimali per effettuare misurazioni LAIe utilizzando LP 110. Le condizioni meteorologiche ottimali quando si utilizza l'LP 110 sono cieli uniformemente nuvolosi senza radiazione solare diretta (A), o utilizzare prima dell'alba o dopo il tramonto (B). Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

  1. Selezionare Misurazione nel menu principale (premere il tasto Imposta), quindi scegliere Lai Ref. Dopo aver premuto il tasto Set, viene attivata la modalità di misurazione di riferimento.
    NOTA: il valore di irradianza corrente viene visualizzato sul display. Questo valore non è ancora memorizzato nella memoria interna del dispositivo (la modalità di misurazione viene attivata in questo momento).
  2. Successivamente, premere nuovamente il tasto Set per iniziare a cercare la corretta posizione del sensore LAI (ad esempio, angolo zenitale 0°) e per attivare sia l'inclinometro integrato che l'indicatore sonoro.
    NOTA: contemporaneamente, la posizione corrente del sensore LAI viene visualizzata sul display per entrambi gli assi X e Z.
  3. Successivamente, tenere il dispositivo perpendicolarmente a terra e assicurarsi che il sensore LAI sia rivolto verso l'alto verso lo zenit.
    NOTA: l'indicatore sonoro aumenta di volume man mano che si avvicina all'angolo zenitale corretto.
  4. Controlla il display, inclina lo strumento sia a sinistra che a destra, e avanti e indietro. Il valore di riferimento viene acquisito automaticamente e memorizzato immediatamente una volta che l'angolo zenitale definito da entrambi gli assi X e Z raggiunge zero o meno di 5 (il segnale acustico si interrompe).
    NOTA: Considerando che la posizione corretta deve essere raggiunta in un intervallo molto ristretto (cioè mm), questo passaggio può essere faticoso.
  1. Dopo aver preso le misure di riferimento, tornare al menu di misurazione premendo il tasto Menu. Quindi, inizia a misurare il livello di irradianza trasmessa sotto la chioma.
    1. Definire le posizioni per effettuare letture al di sotto del baldacchino e iniziare a prendere misure del valore di trasmissione della luce utilizzando il sensore LAI del dispositivo.
      NOTA: Il modello delle misurazioni del campo LAIe in diverse strutture di baldacchino è menzionato in dettaglio da Černý et al.36 e Fleck et al.37.
    2. Selezionare Lai nel menu di misurazione. Premere il tasto Imposta per attivare la modalità per effettuare misurazioni dell'irraggiamento trasmesso sotto la tettoia.
      NOTA: il valore di irradianza corrente viene visualizzato sul display. Questo valore non è ancora memorizzato nella memoria interna del dispositivo (la modalità di misurazione viene attivata in questo momento).
    3. Premere nuovamente il tasto Imposta per registrare le letture sotto il baldacchino. L'inclinometro integrato e l'indicatore sonoro vengono attivati per ottenere la corretta posizione del sensore LAI (ad esempio, angolo zenitale 0°).
      NOTA: contemporaneamente, la posizione corrente del sensore LAI viene visualizzata sul display per entrambi gli assi X e Z.
    4. Successivamente, tenere il dispositivo perpendicolarmente a terra e assicurarsi che il sensore LAI sia puntato verso l'alto verso lo zenit.
      NOTA: l'indicatore sonoro aumenta di volume man mano che si avvicina all'angolo zenitale corretto.
    5. Controlla il display, inclina lo strumento sia a sinistra che a destra, e avanti e indietro. Tutte le letture sotto il baldacchino vengono acquisite automaticamente e memorizzate immediatamente una volta che l'angolo zenitale definito da entrambi gli assi X e Z raggiunge zero o meno di 5 (il segnale acustico si interrompe).
      NOTA: Considerando che la posizione corretta deve essere raggiunta in un intervallo molto ristretto (mm), questo passaggio può essere faticoso.
  2. Procedere con ulteriori misurazioni dell'irraggiamento trasmesso al di sotto della chioma della vegetazione, seguendo i passaggi 2.7.3-2.7.5.
    NOTA: le letture di riferimento possono anche essere prese in qualsiasi momento tra le misurazioni sotto la tettoia. Ad esempio, dopo aver completato ogni transetto, premere il pulsante Menu, selezionare Lai Ref (tenere premuto il tasto Set) e continuare secondo i passaggi 2.6.2-2.6.4.Più letture sopra il baldacchino prese durante le misurazioni sotto la chioma, maggiore è l'accuratezza dei calcoli di riferimento.
  3. Subito dopo aver terminato le misurazioni sotto la tettoia (premere il pulsante Menu, selezionare Lai Ref e tenere premuto il tasto Set), effettuare una misurazione dell'irraggiamento in un'area aperta per ottenere l'ultimo valore di riferimento, seguendo i passaggi 2.6.2. al 2.6.4.
  4. Premere ripetutamente il tasto Menu finché non viene selezionato Invio per tornare al menu principale, quindi premere il pulsante Imposta.
  5. Dopo ogni misurazione, i dati vengono memorizzati nella memoria interna del dispositivo. Tieni premuto il pulsante Menu per almeno 1 s per spegnere il dispositivo in modo sicuro senza cancellare alcun dato.
  6. Collegare lo strumento al computer; scaricare ed elaborare i dati. Un esempio di misurazione sul campo e calcolo LAIe è descritto nella sezione 4.

3. Modalità a doppio sensore per la stima di LAIe

  1. Accendere entrambi gli strumenti tenendo premuto il tasto Set per almeno 1 s.
    NOTA: Instrument_1 e Instrument_2 sono designati rispettivamente per le letture sopra (riferimento) e sotto il baldacchino. Nella modalità di misurazione a doppio sensore, un dispositivo (Instrument_1) è montato su un treppiede in un'area aperta (o nella parte superiore di un albero climatico sopra la tettoia), mentre il secondo (Instrument_2) serve per effettuare misurazioni sotto la chioma dell'irraggiamento trasmesso. Instrument_1 registra automaticamente il segnale di riferimento in un intervallo di tempo predefinito (da 10 s fino a 600 s). Questo approccio raccoglie una quantità significativa di dati di riferimento, aumentando così l'accuratezza nel calcolo dei valori di riferimento per le singole misurazioni sotto la chioma.
  2. Imposta la data e l'ora correnti di entrambi gli strumenti (trova Impostazioni nel menu principale premendo ripetutamente il pulsante Menu. Quindi, premere Imposta | | del tempo Imposta. Torna al menu principale (scegli Invio e tieni premuto il tasto Imposta).
    NOTA: per un'impostazione dell'ora esatta, abbinare l'ora al computer come visualizzato nel software pertinente (collegare il dispositivo al computer tramite il cavo collegato. Aprire il software e quindi premere Setup | ID dispositivo | Dispositivo. Quindi, scegli e premi Controllo online | Tempo. Spuntare l'opzione Sincronizza con l'ora del computer e premere Modifica).
  3. Successivamente, impostare entrambi gli strumenti sulla modalità di misurazione ad angolo singolo. Seleziona Impostazioni (tieni premuto il tasto Imposta) | Angoli | Imposta | Singolo (confermare con il tasto Menu). Torna al menu principale (scegli Invio e tieni premuto il tasto Imposta).
    1. Se è necessario stimare l'inclinazione dell'angolo fogliare all'interno della chioma vegetale studiata, impostare Instrument_2 (letture sotto la chioma) alla modalità di misurazione multi-angolo. Seleziona Impostazioni (premi il tasto Imposta) | Angoli (premere il pulsante Imposta). Quindi, scegli Multi (conferma con il tasto Menu), quindi torna al menu principale (scegli Invio e tieni premuto il tasto Imposta).
  4. Se è richiesta una registrazione relativa alle posizioni delle misurazioni sotto la tettoia, accendere il dispositivo GPS pertinente (vedere le sezioni seguenti per istruzioni dettagliate e la tabella dei materiali); in caso contrario, andare al passaggio 3.5.
    1. Assicurarsi che l'ora visualizzata sul dispositivo utilizzato per eseguire le letture sotto il baldacchino (Instrument_2) corrisponda al computer.
      NOTA: l'ora deve essere impostata correttamente per riflettere il fuso orario nel luogo studiato.
    2. Accendi il dispositivo GPS e attendi un momento fino a quando non viene trovata la posizione corrente. Controllare la posizione visualizzata sul dispositivo GPS.
      NOTA: La precisione dipende dalla densità della chioma della vegetazione studiata.
    3. Trasportare sia l'LP 110 utilizzato per prendere letture sotto il baldacchino (Instrument_2) che il dispositivo GPS quando si effettuano tutte le misurazioni sul campo.
    4. Dopo aver effettuato tutte le misurazioni sul campo, collegare entrambi i dispositivi (Instrument_2 e il dispositivo GPS) al computer. Scaricare ed elaborare i dati nel software pertinente (vedere Tabella dei materiali)secondo il Manuale LP 110 e la Guida per l'utente, istruzioni per l'uso sezione35.
  5. Calibrare entrambi gli strumenti prima di iniziare ogni campagna di misurazione sul campo secondo i punti 1.1 e 1.2.
    NOTA: se la calibrazione è già stata eseguita, andare al passaggio 3.5.1.
    1. Dopo aver calibrato sia il sensore LAI che l'inclinometro integrato, calibrare entrambi i dispositivi LP 110 (Instrument_1 e Instrument_2) tra loro.
      1. Per entrambi i dispositivi, selezionare Impostazioni nel menu principale (premere il tasto Imposta) e scegliere Calibrazione Lai (premere il pulsante Imposta). Quindi, tenere entrambi i dispositivi su un piano orizzontale in posizione verticale e regolare il valore costante (contrassegnato come C sul display) premendo ripetutamente il tasto Imposta su Instrument_1 (letture di riferimento) per ottenere gli stessi valori raffigurati sullo schermo del dispositivo sul Instrument_2. Quindi, premi il pulsante Menu e torna al menu principale (scegli Invio e tieni premuto il tasto Imposta).
  6. In caso di tempo soleggiato, evitare che la luce solare diretta entri nella tazza di restrizione della vista quando si prendono tutte le letture sopra il baldacchino (vedere figura 1).
    NOTA: per la modalità di misurazione a doppio sensore, eseguire letture sia sopra che sotto il baldacchino in condizioni di luce costante con cielo coperto standard, prima dell'alba o dopo il tramonto (Figura 2) per evitare di ottenere valori di irraggiamento errati.
  7. Attaccare Instrument_1 verticalmente a un treppiede posto in un'area aperta o sopra la chioma studiata (ad esempio, nella parte superiore di un albero climatico).
    NOTA: questo dispositivo registrerà continuamente i valori di riferimento (ad esempio, le letture sopra il baldacchino).
    1. Innanzitutto, seleziona Impostazioni nel menu principale (premi il tasto Imposta), quindi scegli Intervallo automatico (premi di nuovo il tasto Imposta). Quindi, premere ripetutamente il tasto Imposta, quindi tenere premuto il pulsante Menu per selezionare l'intervallo richiesto per la registrazione automatica dei valori di riferimento (da 10 a 600 s).
      NOTA: impostare un intervallo di tempo più breve per registrare automaticamente le letture di riferimento per aumentare l'accuratezza delle misurazioni se le condizioni di luce cambiano rapidamente.
    2. Premere il tasto Menu, selezionare Invioe tenere premuto il pulsante Imposta per tornare al menu principale.
    3. Successivamente, premere ripetutamente il pulsante Menu (tenere premuto il tasto Set) per selezionare Misurazione nel menu principale. Quindi, scegli Auto Lai Ref. (premi il tasto Imposta) per iniziare a cercare la posizione corretta del sensore LAI (ad esempio, angolo zenitale 0 °).
      NOTA: il valore di irradianza corrente viene visualizzato sul display. Questo valore non è ancora memorizzato nella memoria interna del dispositivo (la modalità di misurazione viene attivata in questo momento).
    4. Controlla il display, inclina lo strumento sia a sinistra che a destra, e avanti e indietro. Dopo aver raggiunto l'angolo zenitale definito dagli assi X e Z con zero o inferiore al valore di 5 (cioè entrambi gli assi X e Z al di sotto del valore di 5), fissare saldamente il dispositivo nella posizione richiesta sopra menzionata, quindi premere il tasto Imposta.
      NOTA: da questo passaggio, i valori di riferimento (ad esempio, le letture sopra il baldacchino) vengono automaticamente registrati e memorizzati nell'intervallo di tempo predefinito (ogni lettura è accompagnata da un segnale acustico). Evitare qualsiasi deviazione dalla posizione impostata di Instrument_1; in caso contrario, la misurazione di riferimento verrà interrotta. Considerando che la posizione corretta deve essere raggiunta in un intervallo molto ristretto (mm), questo passaggio può essere stancante.
  8. Successivamente, inizia a misurare l'irraggiamento trasmesso sotto la chioma della vegetazione (letture sotto la chioma) usando Instrument_2.
    NOTA: durante tutte le letture sotto il baldacchino, mantenere lo stesso orientamento del campo visivo (Instrument_2) del sensore LAI (Instrument_2) del sensore LAI (Instrument_1) delle letture di riferimento, ad esempio, perpendicolarmente a nord.
    1. Definire le posizioni per le letture sotto il baldacchino e avviare le misurazioni del valore di trasmissione della luce utilizzando il sensore LAI del dispositivo.
      NOTA: Il modello delle misurazioni del campo LAIe in diverse strutture di baldacchino è descritto in modo completo in Černý et al.36 e Fleck et al.37.
    2. Nel menu principale, scegli Misurazione (premi il tasto Imposta) e seleziona Lai. Premere il tasto Imposta per attivare la modalità per la misurazione dell'irraggiamento trasmesso sotto la tettoia.
      NOTA: il valore di irraggiamento corrente viene visualizzato sul display. Questo valore non è ancora memorizzato nella memoria interna del dispositivo (al momento viene attivata solo la modalità di misurazione).
    3. Premere nuovamente il tasto Set per ottenere il valore dell'irraggiamento trasmesso sotto la chioma e attivare sia l'inclinometro integrato che l'indicatore sonoro che servono a trovare la corretta posizione del sensore LAI (cioè l'angolo zenitale 0 °).
      NOTA: contemporaneamente, la posizione corrente del sensore LAI viene visualizzata sul display per entrambi gli assi X e Z.
    4. Quindi, mantenere il dispositivo perpendicolarmente alla superficie del terreno in modo che sia il sensore LAI puntato verso l'alto allo zenit.
      NOTA: l'indicatore sonoro aumenta il tono avvicinandosi all'angolo zenitale corretto.
    5. Controllare il display, inclinare lo strumento sia a sinistra che a destra e avanti e indietro. Tutte le letture sotto il baldacchino vengono acquisite automaticamente e memorizzate immediatamente una volta che l'angolo zenitale definito da entrambi gli assi X e Z raggiunge zero o meno di 5 (il segnale acustico si interrompe).
      NOTA: Considerando che la posizione corretta deve essere raggiunta in un intervallo molto ristretto (mm), questo passaggio può essere faticoso.
  9. Procedere con ulteriori misurazioni dell'irraggiamento trasmesso (cioè letture al di sotto della chioma), seguendo i passaggi 3.8.3-3.8.5.
  10. Dopo aver effettuato le misurazioni sotto la tettoia (Instrument_2), premere ripetutamente il pulsante Menu e il tasto Menu fino a selezionare Invio per tornare al menu principale, quindi premere il pulsante Imposta.
    NOTA: dopo aver completato tutte le letture di riferimento (Instrument_1), utilizzare lo stesso modo di Instrument_2.
  11. I dati vengono salvati nella memoria dello strumento dopo ogni lettura. Tieni premuto il pulsante Menu per almeno 1 s per spegnere il dispositivo in modo sicuro senza cancellare alcun dato.
  12. Collegare lo strumento al computer; scaricare ed elaborare i dati. Un esempio di misurazione sul campo e calcolo LAIe è descritto nella sezione 4.

4. Un esempio di misurazione sul campo e calcolo LAIe

  1. Definire i punti di misurazione per effettuare misurazioni al di sotto della chioma. Disporre il layout di misurazione in transetto (o una griglia regolare) con punti di misurazione equidistanti per catturare l'eterogeneità della chioma della vegetazione causata da diverse dimensioni di spazi vuoti.
    NOTA: un layout del transetto appropriato per la vegetazione piantata in file con una chioma omogenea è raffigurato nella Figura 3. Per maggiori dettagli sul layout di misurazione, seguire Černý et al.36 e Fleck et al.37.

Figure 3
Figura 3: Layout del transetto per la stima del LAIe in una copertura vegetale omogenea. Transetto I-IV: numero del transetto; Χ: punto di misurazione per la lettura sotto il baldacchino. Le prime dieci posizioni sono etichettate (1Χ-10Χ). I transetti devono essere orientati perpendicolarmente alle file di piante. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

  1. Effettuare misurazioni sia sopra che sotto il baldacchino utilizzando la modalità sensore singolo o doppio in base alla sezione 2 o alla sezione 3, rispettivamente.
  2. Dopo aver completato tutte le misurazioni sul campo, scaricare i dati nel computer dai dispositivi LP 110 utilizzati in modalità sensore singolo o doppio per stimare LAIe.
    NOTA: per la modalità a doppio sensore, attenersi alla seguente procedura per entrambi gli strumenti (ad esempio, Instrument_1 e Instrument_2).
    1. Collegare lo strumento al computer tramite il cavo collegato.
      NOTA: per la modalità a doppio sensore, collegare prima il dispositivo utilizzato per effettuare misurazioni di riferimento (ad esempio, letture sopra il baldacchino).
    2. Aprire il software pertinente (vedere Tabella dei materiali)e premere il tasto Setup nella barra principale. Quindi, selezionare e premere ID dispositivo.
      NOTA: Dispositivo: LaiPen viene visualizzato nell'angolo in basso a sinistra.
    3. Premere il pulsante Dispositivo e successivamente fare clic su Download.
      NOTA: Il software consente inoltre all'utente di annotare eventuali osservazioni all'interno del foglio intitolato Note visualizzato nell'angolo in basso a sinistra. Il software abbina automaticamente le letture sopra il baldacchino con ogni lettura sotto il baldacchino (trasmittanza) in base al tempo di misurazione.
    4. Premere l'icona File nel menu principale; scegli e fai clic su Esporta. Quindi, selezionare ALAI e premere OK per esportare i dati.
      NOTA: Nel file esportato (txt., xls.), le letture sopra e sotto la chioma (irradianza trasmessa) sono contrassegnate rispettivamente come Intensità e trasmittanzarif.
  3. Calcola il valore di trasmittanza(t)per ogni punto di misura all'interno del transetto (o griglia) secondo l'equazione 1: t = I / Io (irraggiamento trasmesso sotto la chioma diviso per l'irraggiamento incidente sopra la vegetazione) risultante in t1, t2,..., tn, dove n: è il numero di punti di misurazione sotto la chioma.
  4. Calcola la trasmittanza media (T) della chioma vegetale studiata, ad esempio, nel primo transetto (T1): T 1 = (t1 + t2 ...+ tn) / n, dove n: è il numero di punti di misurazione sotto la chioma all'interno del primo transetto.
    NOTA: se le misurazioni vengono effettuate in più transetti, procedere con tutti i transetti (T2, T3e T4) allo stesso modo.
  5. Poiché l'intensità dell'irradiazione diminuisce esponenzialmente mentre passa attraverso la chioma studiata, calcola LAIe seguendo la legge di estinzione di Beer-Lambert modificata (vedi equazione 2).
    1. Per prima cosa, trova il logaritmo del valore medio di trasmittanza (T) della chioma vegetale studiata, ad esempio, nel primo transetto (T_I): T_I = - ln T1.
      NOTA: Se le misurazioni vengono effettuate in più transetti, procedere con tutti i transetti nello stesso modo (cioè T_II = - ln T2; T_III = - ln T3; T_IV = - ln T4).
      1. Calcola il valore medio di trasmittanza (T) da tutti i singoli transetti: T = [(- ln T_I) + (- ln T_II) + (- ln T_III) + (- ln T_IV)] / 4.
    2. Successivamente, calcola il valore FINALE DI LAIe utilizzando un coefficiente di estinzione specificato per ciascuna specie vegetale secondo l'equazione 2.
      NOTA: I coefficienti di estinzione per le principali specie arboree sono elencati in Bréda9. Nei popolamenti forestali, LAIe deve essere corretto a causa di un effetto aggregante dell'apparato di assimilazione all'interno dei germogli29,30,31,32,33,34 per ottenere il valore LAI effettivo.

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Representative Results

La struttura spaziale ottenuta da entrambi i dispositivi testati differiva ovviamente in tutti gli appezzamenti studiati, cioè assottigliati dall'alto (A), assottigliati dal basso (B) e un controllo senza alcun intervento selvicolturale (C; vedi Tabella 2 per maggiori dettagli). A livello di stand, differenze simili nei valori LAI ottenuti dall'LP 110 e dal Plant Canopy Analyzer sono state confermate tra appezzamenti assottigliati con varie densità (A vs.B) utilizzando il test ANOVA e Tukey. Per il Plant Canopy Analyzer, sono stati osservati valori LAI significativamente più elevati nel terreno di controllo senza intervento selvicolturale rispetto a quelli diradati (A, B). Tuttavia, i valori hanno superato significativamente il LAI ottenuto dall'LP 110 nel terreno di controllo. Per l'LP 110, LAI non differiva significativamente nei trattamenti C e B. Al contrario, è stata riscontrata una differenza significativa nei valori LAI tra i grafici C e A. Generalmente, la LAI è diminuita significativamente dopo l'applicazione di trattamenti di diradamento negli stand studiati. Il LAI stimato utilizzando l'LP 110 (LaiPen LP110) è diminuito più evidentemente nel grafico A, mentre i valori LAI ottenuti dall'analizzatore (LAI-2200 PCA) sono diminuiti di più nel grafico B. Tuttavia, queste differenze registrate erano lievi (Figura 4).

Figure 4
Figura 4: Valori LAI stimati utilizzando i dispositivi ottici LP 110 e Plant Canopy Analyzer in Norvegia il palo dell'abete rosso si trova sotto diversi trattamenti selvicolturali. Per stimare la LAI, sono state prese 81 letture sotto la chioma in ogni stand studiato. A: Diradamento dall'alto; B: Diradamento dal basso; C: Trama di controllo. I punti indicano il valore LAI medio. I baffi mostrano le deviazioni standard. Varie lettere indicano differenze significative (p < 0,05) tra i trattamenti selvicolturali e i diversi strumenti ottici che utilizzano il test post-hoc di Tukey. Questa cifra è stata modificata da Černý et al.20. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

La variabilità spaziale dei valori LAI è illustrata nella Figura 5 per ogni trattamento di diradamento in supporti per pali di abete rosso norvegese puro.

Figure 5
Figura 5: Eterogeneità spaziale del LAI stimata utilizzando l'LP 110 e il Plant Canopy Analyzer a livello dei singoli punti di misura sotto la chioma di abete rosso studiata. A: Diradamento dall'alto; B: Diradamento dal basso; C: Trama di controllo. I numeri sopra le frecce indicano la lunghezza laterale laterale e la spaziatura dei punti di misurazione all'interno della griglia regolare. Questa cifra è stata modificata da Černý et al.20. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

L'LP 110 ha sottovalutato la LAI del 7,4% e del 10,6% rispettivamente nei lotti A e C. Al contrario, questo dispositivo ha sovrastimato del 3,7% il valore di stand LAI ottenuto dal Plant Canopy Analyzer nel grafico B. Se le medie totali di tutti i valori LAI indipendentemente dal trattamento di diradamento applicato sono state calcolate e successivamente confrontate (LP 110 vs Plant Canopy Analyzer), il dispositivo LP 110 ha sottovalutato il LAI ottenuto dal Plant Canopy Analyzer del 5,8%. Successivamente, per entrambi gli strumenti sono state calcolate differenze nei valori LAI specifici misurati al di sopra dei singoli punti disposti all'interno della griglia regolare, e queste deviazioni sono state successivamente espresse in percentuale. In queste circostanze, i valori LAI misurati dall'LP 110 e dal Plant Canopy Analyzer differivano profondamente (Tabella 1).

Trattamento silvicolo Stand forestale LAI Differenze relative (%) tra LAI da LaiPen LP 110 rispetto a LAI-2200 PCA a livello di singoli punti di misura
LaiPen LP 110 (m2 m-2) LAI-2200 PCA (m2 m-2)
Un 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)

Tabella 1: LAI medio a livello di stand e differenze LAI espresse in % tra LP 110 e Plant Canopy Analyser a livello di singoli punti di misurazione. A: Diradamento dall'alto; B: Diradamento dal basso; C: Trama di controllo. Questa tabella è stata modificata da Černý et al.20.

Per tutti i dati LAI misurati a un particolare livello di punto utilizzando LP 110 e Plant Canopy Analyzer, è stata eseguita la regressione lineare tra i due dispositivi impiegati. La regressione lineare di y = 0,8954x (R2 = 0,94; RMSE = 2.11438) è stato trovato per tutti i dati LAI da entrambi gli strumenti testati (Figura 6).

Figure 6
Figura 6: La regressione lineare tra i valori LAI provenienti dall'LP 110 e dal Plant Canopy Analyzer a livello dei singoli punti di misura nei supporti studiati per i pali dell'abete rosso norvegese. Questa cifra è stata modificata da Černý et al.20. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Coordinate geografiche 49°29'31" N, 16°43'30" E
Altitudine 610-625 m s.l.m.
Temperatura media annua dell'aria 6,5 °C
Precipitazioni medie annue 717 millimetri

Tabella 2: Caratteristiche del sito di studio. Questa tabella è stata modificata da Černý et al.20.

Trama Età del supporto (anni) Densità stand (alberi ha-1) Altezza (m) DBH (cm) BA1,3 (m2·ha-1) Stock in crescita (m3·ha-1)
Un 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

Tabella 3: Caratteristiche dendrometriche e strutturali degli stand studiati che coprono un'area di 25 m x 25 m nel 2014. In ogni stand studiato, 81 letture sotto la chioma sono state prese all'interno di una griglia regolare (3 m x 3 m) sotto cieli nuvolosi standard (per maggiori dettagli, seguire Černý et al.20). Tutte le misurazioni LAI sono state condotte in luglio e agosto quando i valori LAI sono più stabili9,38. A: Diradamento dall'alto; B: Diradamento dal basso; C: Trama di controllo; DBH: diametro dello stelo all'altezza del seno; BA1.3: l'area basale all'altezza del seno. Per BA1.3 a livello di stand, sono state riassunte le aree basali di ciascun albero presentate nello stand studiato, calcolate come: BA1.3 = (∏*DBH2)/4. Questa tabella è stata modificata da Černý et al.20.

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Discussion

Quali sono le differenze tra l'LP 110 come dispositivo appena presentato per stimare il LAI (o prendere misure di intensità PAR) e il LAI-2200 PCA come versione migliorata del precedente standard LAI-2000 PCA per la stima del LAI tramite un metodo indiretto? Oltre al fatto che il prezzo è circa quattro volte superiore per il Plant Canopy Analyzer rispetto all'LP 110, è possibile confrontare il numero di parametri di output, le condizioni di misurazione, gli approcci metodologici e le possibilità di stimare LAI per diverse chiome, l'accuratezza dei risultati, ecc.

Quando si confronta l'hardware, l'LP 110 sembra essere più user-friendly. L'LP 110 è un dispositivo più leggero e non richiede alcun collegamento via cavo tra i sensori e il data-logger. Entrambi i sensori (ad esempio, per le misurazioni LAI e PAR; vedi Figura 1) sono integrati all'interno del corpo del dispositivo, consentendo all'operatore di muoversi facilmente in tutto l'ecosistema studiato (ad esempio, in arbusti o fitte foreste). Per garantire l'accuratezza del valore di lettura, sono essenziali una corretta posizione del sensore e la memorizzazione del valore. Questa posizione (negli angoli zenitali o preimpostati) è identificata da una frequenza sonora mutevole se il sensore è vicino o lontano dalla posizione target. Anche sotto il suono più intenso (il volume può essere corretto), l'LP 110 tenuto automaticamente salva il valore di lettura. Al contrario, la ricerca della posizione corretta del sensore per l'analizzatore della chioma delle piante deve essere eseguita con un livello manuale di bolle su un bastone portatile. L'operatore deve premere il pulsante per salvare contemporaneamente il valore di lettura mentre controlla il livello della bolla. Tuttavia, la corretta posizione del sensore viene regolarmente persa quando si preme il pulsante, con conseguente diminuzione della precisione del valore di lettura. Poiché il controllo visivo del livello di una bolla non è necessario per prendere letture LP 110, c'è anche la possibilità di tenere lo strumento su un'asta di estensione, consentendo all'utente di misurare sopra baldacchini di rigenerazione naturale o artificiale, alti strati erbacei o arbustivi. In questo caso, la posizione corretta del sensore può essere semplicemente trovata in base alla frequenza del suono che cambia.

Esistono differenze tra LP 110 e Plant Canopy Analyzer per quanto riguarda la costruzione del sensore LAI, in particolare per quanto riguarda la sensibilità del sensore e i campi visivi (FOV) dei sensori. Se il sensore LAI del Plant Canopy Analyzer è esposto all'aria aperta, può appannarsi in condizioni di elevata umidità dell'aria, che si verificano comunemente al mattino presto in aree aperte. Al contrario, il sensore LAI dell'LP 110 è privo di nebbia in quanto si trova all'interno della coppa di visualizzazione del limitatore (Figura 1). Sebbene il limitatore del sensore LAI dell'LP 110 sia rimovibile, ha un FOV fisso; tuttavia, il FOV del sensore LAI del Plant Canopy Analyzer può essere modificato sia nella direzione azimutale che zenitale utilizzando diversi limitatori (cappucci di vista opachi) e utilizzando una procedura di mascheramento durante la post-elaborazione dei dati, rispettivamente. Anche se il FOV del sensore LAI dell'LP 110 (Figura 1) è relativamente stretto e non può essere manipolato rispetto al Plant Canopy Analyzer, la sensibilità di questo sensore è circa dieci volte superiore. Questa maggiore sensibilità del sensore LAI consente all'utente di effettuare misurazioni utilizzando LP 110 in condizioni di bassa irradianza e anche di effettuare letture sopra la chioma (riferimento) su appezzamenti aperti estremamente stretti, ad esempio su strade forestali strette o linee. Inoltre, il rapporto tra le letture di cui sopra e sotto la chioma è più alto, portando a una maggiore precisione della trasmittanza misurata e quindi a una migliore stima DELLA LAIe. D'altra parte, è necessario aumentare il numero di letture sotto il baldacchino per transetto a causa dello stretto FOV del sensore LAI dell'LP 110.

Ci sono alcune somiglianze tra l'LP 110 e il Plant Canopy Analyzer, ad esempio, nelle condizioni di misurazione e nelle modifiche della visione angolare zenitale del sensore LAI (in direzioni di 0°, 16°, 32°, 48° e 64° per LP 110; e 7°, 23°, 38°, 53° e 68° per il Plant Canopy Analyzer) per quantificare l'angolo di inclinazione degli elementi della chioma. Simile al Plant Canopy Analyzer, l'LP 110 diminuisce l'effetto della riflettanza della luce e misura una parte di assorbimento della luce reale da parte del fogliame a causa delle specifiche caratteristiche della lunghezza d'onda del sensore. Altri strumenti basati su ottica come SunScan, AccuPAR, TRAC39o DEMON9,40 (per maggiori dettagli, vedere Tabella dei materiali)misurano a intervalli di luce relativamente più ampi indipendentemente dalla riflettanza della luce. In modalità dual sensor, è possibile effettuare misurazioni automatiche con un sensore normalmente posizionato in un'area aperta per effettuare letture sopra la chioma (riferimento) in intervalli di tempo che vanno da 10-360 s e 5-3.600 s per LP 110 e Plant Canopy Analyzer, rispettivamente, e c'è la possibilità di aggiungere posizioni GPS alle singole misurazioni. Per entrambi gli strumenti, è impossibile misurare LAIe: i) durante e immediatamente dopo le condizioni di pioggia, poiché gli elementi del baldacchino bagnato, compresi gli steli, migliorano sia la riflettanza della luce che i valori di trasmittanza al di sotto del baldacchino; pertanto, l'effettivo LAIe è sottovalutato in tali condizioni; ii) in condizioni di vento quando gli elementi del baldacchino sono in movimento e i valori di trasmittanza variano notevolmente anche se la posizione del sensore è stabile, e iii) durante situazioni sinottiche instabili quando le condizioni di luce cambiano rapidamente. L'ultima condizione non è così limitante per l'LP 110 a causa dello stretto FOV del sensore. Inoltre, è necessario considerare una distanza di ostacoli. Tuttavia, un adeguato orientamento del sensore riduce il problema. Per entrambi i dispositivi, è anche possibile stimare LAIe durante una giornata di sole, principalmente vicino all'alba o al tramonto. Ad eccezione di mezzogiorno quando i raggi solari diretti possono entrare nel sensore LAI attraverso lo slot del tappo del limitatore, è possibile effettuare misurazioni LAIe durante l'intera giornata; anche se il sensore LAI è orientato perpendicolarmente verso il sole (rilevante per l'LP 110) o verso la parte posteriore dell'operatore (rilevante per l'analizzatore plantare). Tuttavia, devono essere applicate alcune procedure di correzione presentate da Leblanc e Chen41. Se le letture sopra la chioma variano di oltre ±20% durante un breve lasso di tempo (circa 1-2 minuti), continuare a prendere le misurazioni LAIe è inutile a causa dell'errore di stima LAIe estremamente elevato previsto. Questo problema potrebbe essere evitato con una stima sincrona precisa delle letture sopra e sotto il baldacchino in modalità doppio sensore che impiega due unità con la stessa accurata configurazione e calibrazione dell'ora. Il prossimo passo critico per stimare LAIe utilizzando LP 110 è una selezione di un'area aperta adatta per le letture sopra il baldacchino, in particolare per la modalità sensore singolo (il ritardo temporale massimo tra le letture sopra e sotto il baldacchino, cioè il supporto forestale e la trama aperta, deve essere di 15-20 minuti), dove la dimensione dell'area aperta deve rispettare il FOV del sensore. Oltre a ciò, l'LP 110 è simile al Plant Canopy Analyzer, non adatto per stimare con precisione LAIe in terreni troppo densi (cioè LAIe a livello di stand oltre 7,88)23,praterie di tettoie molto basse o la trasmittanza inferiore all'1%.

Tutti i valori ottenuti di luce incidente e di trasmissione luminosa sotto la tettoia con un time entry vengono post-elaborati utilizzando software specifici, fornendo molti parametri di output, in particolare con il Plant Canopy Analyzer. Al contrario, il software per l'elaborazione dei dati ottenuti da LP 110 deve essere migliorato per essere più automatico e facile da usare, come il software relativo a Plant Canopy Analyzer. Inoltre, è consigliabile modificare la coppa di restrizione per l'LP 110 da parte del produttore per cambiare o regolare il foV del sensore.

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Disclosures

Gli autori non hanno nulla da rivelare. I risultati rappresentativi sono stati utilizzati dall'articolo Černý, J., Krejza, J., Pokorný, R., Bednář, P. LaiPen LP 100 - un nuovo dispositivo per stimare l'indice dell'area fogliare dell'ecosistema forestale rispetto all'etalon: un caso di studio metodologico. Giornale di scienza forestale. 64 (11), 455-468 (2018). DOI: 10.17221/112/2018-JFS basato sul gentile permesso del comitato editoriale del Journal of Forest Science.

Acknowledgments

Gli autori sono in debito con il comitato editoriale del Journal of Forest Science per averci incoraggiato e autorizzato a utilizzare i risultati rappresentativi in questo protocollo dall'articolo pubblicato lì.

La ricerca è stata sostenuta finanziariamente dal Ministero dell'Agricoltura della Repubblica Ceca, supporto istituzionale MZE-RO0118, Agenzia Nazionale di Ricerca Agricola (Progetto No. QK21020307) e il programma di ricerca e innovazione Horizon 2020 dell'Unione Europea (convenzione di sovvenzione n. 952314).

Gli autori ringraziano anche tre revisori anonimi per le loro critiche costruttive, che hanno migliorato il manoscritto. Inoltre, i ringraziamenti vanno a Dusan Bartos, Alena Hvezdova e Tomas Petr per l'aiuto con le misurazioni sul campo e la società Photon Systems Instruments Ltd. per la loro collaborazione e la fornitura di foto del dispositivo.

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).

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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).

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