Waiting
Login processing...

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

Environment

Feltmåling av effektiv bladområdeindeks ved hjelp av optisk enhet i vegetasjonstak

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

Rask og presis estimering av bladområdeindeks (LAI) i terrestriske økosystemer er avgjørende for et bredt spekter av økologiske studier og kalibrering av fjernmålingsprodukter. Presentert her er protokollen for bruk av den nye LP 110 optiske enheten for å ta bakkebaserte in situ LAI-målinger.

Abstract

Leaf area index (LAI) er en essensiell baldakinvariabel som beskriver mengden løvverk i et økosystem. Parameteren fungerer som grensesnittet mellom grønne komponenter av planter og atmosfæren, og mange fysiologiske prosesser forekommer der, først og fremst fotosyntetisk opptak, åndedrett og transpirasjon. LAI er også en inngangsparameter for mange modeller som involverer karbon, vann og energisyklusen. Videre fungerer bakkebaserte in situ-målinger som kalibreringsmetode for LAI hentet fra fjernmålingsprodukter. Derfor er enkle indirekte optiske metoder nødvendige for å gjøre presise og raske LAI-estimater. Den metodologiske tilnærmingen, fordelene, kontroversene og fremtidige perspektivene til den nyutviklede LP 110 optiske enheten basert på forholdet mellom stråling som overføres gjennom vegetasjonstaket og baldakinhullene ble diskutert i protokollen. Videre ble instrumentet sammenlignet med verdensstandarden LAI-2200 Plant Canopy Analyzer. LP 110 muliggjør raskere og enklere behandling av data som er samlet inn i feltet, og det er rimeligere enn Plant Canopy Analyzer. Det nye instrumentet er preget av brukervennlighet for både over- og undertaksavlesninger på grunn av større sensorfølsomhet, innebygd digitalt hellingsmåler og automatisk logging av avlesninger i riktig posisjon. Derfor er den håndholdte LP 110-enheten en egnet gadget for å utføre LAI-estimering i skogbruk, økologi, hagebruk og landbruk basert på de representative resultatene. Videre gjør den samme enheten det også mulig for brukeren å ta nøyaktige målinger av hendelsen fotosyntetisk aktiv stråling (PAR) intensitet.

Introduction

Baldakinene er loci av mange biologiske, fysiske, kjemiske og økologiske prosesser. De fleste av dem påvirkes av baldakinstrukturer1. Derfor er nøyaktig, rask, ikke-destruktiv og pålitelig in situ vegetasjonskanin kvantifisering avgjørende for et bredt spekter av studier som involverer hydrologi, karbon- og næringssykling og globale klimaendringer2,3. Siden blader eller nåler representerer et aktivt grensesnitt mellom atmosfæren og vegetasjonen4, er en av de kritiske baldakinstrukturelle egenskapene bladområdeindeks (LAI)5, definert som halvparten av det totale grønne bladoverflatearealet per enhet av horisontalt bakkeoverflateområde eller kroneprojeksjon for enkeltpersoner, uttrykt i m2 per m2 som en dimensjonsløs variabel6, 7.

Ulike instrumenter og metodologiske tilnærminger for å estimere terrestrisk LAI og deres fordeler og ulemper i forskjellige økosystemer har allerede blitt presentert8,9,10,11,12,13,14,15. Det finnes to hovedkategorier av LAI-estimeringsmetoder: direkte og indirekte (se omfattende gjennomganger8,9,10,11,12 for mer informasjon). Hovedsakelig brukt i skogstativer, oppnås bakkebaserte LAI-estimater rutinemessig ved hjelp av indirekte optiske metoder på grunn av mangel på direkte LAI-bestemmelse, men de representerte vanligvis en tidkrevende, arbeidsintensiv og destruktiv metode9,10,12,16. Videre henter indirekte optiske metoder LAI fra lettere å måle relaterte parametere (fra synspunktet av sin tidkrevende og arbeidskrevende natur)17, for eksempel forholdet mellom hendelsesbestråling over og under baldakinen og kvantifiseringen av baldakinhull14. Det er tydelig at Plant Canopy Analyzers også har blitt mye brukt til å validere satellitt LAI-gjenfinninger18; Derfor har det blitt ansett som en standard for LP 110 sammenligning (se Materialfortegnelser for mer informasjon om anvendte instrumenter).

LP 110, som en oppdatert versjon av opprinnelig selvlagde enkle instrument ALAI-02D19 og senere LP 10020, ble utviklet som en nær konkurrent for Plant Canopy Analyzers. Som representant for indirekte optiske metoder er enheten håndholdt, lett, batteridrevet, uten behov for kabelforbindelse mellom sensoren og dataloggeren som bruker et digitalt inklinometer i stedet for et boblenivå og muliggjør raskere og mer nøyaktig posisjonering og verdiavlesning. I tillegg ble enheten designet for å notere umiddelbare avlesninger. Dermed er tidsestimatet som trengs for å samle inn data i feltet kortere for LP 110 enn Plant Canopy Analyzer med omtrent 1/3. Når du har eksportert avlesninger til en datamaskin, er dataene tilgjengelige for senere behandling. Enheten registrerer bestråling i bølgelengdene med blått lys (dvs. 380-490 nm)21,22 ved hjelp av en LAI-sensor for å foreta en LAI-beregning. LAI-sensoren er maskert av en ugjennomsiktig begrensningshette med 16° (Z-akse) og 112° (X-akse) synsfelt (figur 1). Dermed kan lysoverføring noteres ved hjelp av enheten som holdes enten vinkelrett på bakken (dvs. senitvinkel 0°), eller i fem forskjellige vinkler på 0°, 16°, 32°, 48° og 64° for også å kunne utlede baldakinelementers tilbøyelighet.

Figure 1
Figur 1: Fysiske egenskaper ved LP 110. MENY-tasten gjør det mulig for brukeren å skifte opp og ned gjennom hele skjermen, og SET -knappen fungerer som Enter -tasten (A). Senitvisningen under forskjellige hellingsvinkler (±8 på grunn av sidevisningen) og den horisontale visningen er festet for LP 110 til 112° (B) på samme måte som Plant Canopy Analyzer (modifisert av restriksjoner). Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

På grunn av den høyere følsomheten til LAI-sensoren, det begrensede synsfeltet, innebygd digitalt hellingsmåler, automatisk logging av leseverdier i riktig posisjon indikert av lyd uten knappetrykk, er det nye instrumentet også egnet for overtaksavlesninger i smale daler eller til og med på bredere skogsveier for å måle et bredt spekter av himmelforhold. Dessuten muliggjør det kvantifisering av modne stativtak over den relativt høye regenereringen, og den oppnår høyere nøyaktighet av bestrålingsverdier enn Plant Canopy Analyzer. Videre tilsvarer prisen på LP 110 ca 1/4 av Plant Canopy Analyzer. Motsatt er bruken av LP 110 i tett (dvs. LAIe på standnivå over 7,88)23 eller svært lave baldakitter som gressletter begrenset.

LP 110 kan fungere i to driftsmoduser: (i) en enkelt sensormodus som tar både undertak og referanseavlesninger (over den studerte baldakinen eller i en tilstrekkelig utbredt rydding som ligger i nærheten av den analyserte vegetasjonen) utført før, etter eller under undertaksmålinger tatt med samme instrument og (ii) en dobbel sensormodus ved hjelp av det første instrumentet for å ta under-baldakinavlesninger, mens den andre brukes til automatisk logging av referanseavlesninger innenfor et regelmessig forhåndsdefinert tidsintervall (fra 10 til 600 s). LP 110 kan matches med en kompatibel GPS-enhet (se Materialfortegnelse) for å registrere koordinatene til hvert undertaksmålpunkt for begge modusene nevnt ovenfor.

Den effektive bladområdeindeksen (LAIe)24 inkorporerer klumpeindekseffekten og kan avledes fra målinger av solstrålebestråling tatt over og under den studerte vegetasjonsmarkisen25. For følgende LAIe-beregning må derfor overføring (t) beregnes fra bestråling både som overføres under kalesial (I) og hendelse over vegetasjonen (Io) målt av LP 110-enheten.

t = I / I0 (1)

Siden bestrålingsintensiteten eksponentielt avtar når den passerer gjennom et vegetasjonstak, kan LAIe beregnes i henhold til Beer-Lambert utryddelsesloven modifisert av Monsi og Saeki9,26

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

Hvor, k er utryddelseskoeffisienten. Utryddelseskoeffisienten gjenspeiler hvert elements form, orientering og posisjon i vegetasjonstaket med den kjente baldakinelementhelingen og visningsretningen9,12. K-koeffisienten (se ligning 2) avhenger av absorpsjonen av bestråling ved løvverk, og den varierer blant plantearter basert på de morfologiske parametrene til baldakinelementer, deres romlige arrangement og optiske egenskaper. Siden utryddelseskoeffisienten vanligvis svinger rundt 0,59,27, kan ligning 2 forenkles som presentert av Lang et al.28 på en litt annen måte for heterogene og homogene baldakiker:

I en heterogen baldakin

LAIe = 2 x | Equation 1 I alt| (3),

eller

I en homogen baldakin

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

Hvor, t: er overføring på hvert under-baldakin målepunkt, og T: er gjennomsnittlig overføring av alle t verdier per målt transekt eller stativ.

I skogstativer må LAIe korrigeres ytterligere på grunn av en klumpende effekt av assimileringsapparatet i skuddene29,30,31,32,33,34 for å oppnå den faktiske LAI-verdien.

Protokollen er viet til praktisk utnyttelse av LP 110 optisk enhet for estimering av LAIe i et valgt eksempel på sentraleuropeiske nåletreskogstativer (se tabell 2 og tabell 3 for området, strukturelle og dendrometriske egenskaper). LAIe-estimering i et vegetasjonstak ved hjelp av denne enheten er basert på en mye brukt optisk metode relatert til overføring av fotosyntetisk aktiv stråling og baldakin gapfraksjon. Artikkelen tar sikte på å gi en omfattende protokoll for å utføre LAIe-estimering ved hjelp av den nye LP 110 optiske enheten.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

MERK: Før du begynner å ta planlagte feltmålinger, må du lade batteriet på LP 110-enheten tilstrekkelig. Koble instrumentet (USB-kontakten, se figur 1) og datamaskinen via den tilkoblede kabelen. Batteristatus vises i venstre øvre hjørne av enhetsdisplayet.

1. Kalibrering før måling

MERK: For LP 110 må du utføre en mørk kalibrering av LAI-sensoren og innebygde hellingsmålerkalibreringer før du starter hver feltmålingskampanje.

  1. LAI-sensorens mørke kalibrering
    1. Slå på instrumentet ved å trykke og holde inne Set-tasten i minst 1 s.
      MERK: Angi-knappen fungerer som Enter-tasten.
    2. Velg Innstillinger (menytasten gjør det mulig å skifte opp og ned) og trykk på Set > Lai Cal., trykk på Set-tasten, og kontroller deretter om LAI-kalibreringskonstanten er festet til 1 (dvs. C = 1.0); Hvis ikke, trykker du gjentatte ganger på Set-tasten for å justere konstanten til 1.0 og gå tilbake til hovedmenyen (trykk på Meny | Gå tilbake | Angi).
      MERK: Når du tar LAI-målinger med én sensormodus (se avsnitt 2), anbefales en konstant verdi på 1,0 for alle målinger.
    3. Velg Innstillinger, og trykk Angi | Lai null | Angi. Dekk LAI-sensoren fullstendig ved hjelp av for eksempel en ugjennomsiktig klut eller håndflate for å unngå lysforstyrrelser under hele kalibreringsprosessen. Etterpå trykker du på Set-tasten for å beholde nullverdien som vises på displayet.
    4. Trykk menytasten gjentatte ganger til Retur er valgt for å gå tilbake til hovedmenyen, og trykk deretter Påsett-tasten.
  2. Inclinometer kalibreringer
    MERK: Hver LP 110-enhet er utstyrt med et innebygd elektronisk hellingsmåler for å sikre riktig hellingsvinkel for avlesninger. Det interne hellingsmåleren må (re-)kalibreres ved hjelp av et vannstandsnivå.
    1. Vertikal kalibrering
      1. Hvis apparatet er slått av, trykker du på og holder inne Set-tasten i minst 1 s for å slå på instrumentet.
      2. Velg Innstillinger, og trykk Angi | Loddrett | Still inn for å aktivere det elektroniske hellingsmåleren.
      3. Hold enheten vertikalt og plasser et vannstand på sidesiden sammen med instrumentet.
      4. Balanser enheten til venstre eller høyre i henhold til vannstandsboblen for å oppnå en null- eller nær-til-null-verdi for X-aksen. Hvis ikke, trykker du på Set-tasten for å justere avlesningene til null for X-aksen leses.
      5. Plasser vannstanden langs enhetens bakside for å fullføre den vertikale kalibreringen.
      6. Vipp enheten på nytt til venstre eller høyre, og kontroller om enhetsvisningen viser null for X-aksen.
      7. Hold nullvinkelposisjonen for X-aksen og vipp enheten samtidig fremover eller bakover (Z-aksen) i henhold til vannstandsboblen, og sørg for å holde X-aksevinkelverdien på null eller nær null.
      8. Kontroller om Z-akseavlesningen er lik null eller nærmer seg null. Hvis ikke, holder du inne Set-tasten og kalibrerer enheten på nytt for å angi nullavlesninger for både X- og Z-akser.
      9. Trykk menytasten gjentatte ganger til Retur er valgt for å gå tilbake til hovedmenyen, og trykk deretter Angi-tasten.
    2. Horisontal kalibrering
      1. Velg Innstillinger, og trykk angi | Vannrett beregning | Sett til å utløse det elektroniske hellingsmåleren.
      2. Hold enheten vannrett. Plasser deretter vannstanden langs enhetens bakside.
      3. Niveller enheten i horisontal stilling i henhold til vannstandsboblene. Vipp instrumentet til venstre eller høyre og opp eller ned langs henholdsvis X- og Y-aksene.
      4. Etter å ha oppnådd riktig sensorposisjon i henhold til begge vannstandsboblene, må du kontrollere at avlesningen for Y-aksen er null eller nær null. Hvis ikke, trykker du på Set-tasten for å kalibrere instrumentets horisontale posisjon på nytt.
      5. Trykk menytasten gjentatte ganger til Retur er valgt for å gå tilbake til hovedmenyen, og trykk deretter Angi-tasten.

2. Enkeltsensormodus for LAIe-estimering

  1. Hvis enheten er slått av, trykker du på Set-tasten i minst 1 s for å slå på instrumentet.
  2. Kalibrer instrumentet før du starter hver feltmålingskampanje i henhold til trinn 1.1 og 1.2.
    MERK: Hvis kalibrering allerede er utført, går du til trinn 2.3.
  3. Deretter angir du gjeldende dato og klokkeslett (finn Innstillinger i hovedmenyen ved å trykke gjentatte ganger på Meny-tasten. Trykk deretter på Angi | Klokkeslett; trykk på Set-knappen igjen) og gå tilbake til hovedmenyen (velg Retur og hold inne Set-tasten).
    MERK: For en nøyaktig tidsinnstilling må du samsvare tiden med datamaskinen som vist i den aktuelle programvaren (koble LP 110-enheten til datamaskinen via den tilkoblede kabelen. Åpne programvaren, trykk på Setup | | for enhets-ID Enhet. Velg og trykk Online Control | Klokkeslett. Merk deretter av for Synkroniser med datamaskintid og trykk Rediger).
  4. Sett instrumentet til målemodus for én vinkel ved hjelp av Innstillinger. Trykk Angi | Vinkler | Angi | Enkel (bekreft ved hjelp av menytasten) og gå tilbake til hovedmenyen (velg Retur og hold inne Set-tasten).
    1. Hvis stigningen av bladvinkelen må estimeres, angir du målemodusen for flere vinkler. Innstillinger | Vinkler | Multi (trykk på menyknappen) og gå tilbake til hovedmenyen (velg Retur og hold inne Set-tasten).
  5. Hvis det er behov for en oversikt over posisjonene til målingene, slår du på den aktuelle GPS-enheten (se avsnittene nedenfor for detaljerte instruksjoner og materialtabellen); Hvis ikke, går du til trinn 2.6.
    1. Kontroller at enhetens tid samsvarer med datamaskinen.
      MERK: Tiden må stilles inn riktig for å gjenspeile tidssonen på det studerte stedet.
    2. Slå på GPS-enheten og vent et øyeblikk til gjeldende posisjon er funnet. Kontroller plasseringen på GPS-enhetens visning.
      MERK: Presisjon er betinget av tettheten av baldakinen til den studerte vegetasjonen.
    3. Bær både LP 110 og GPS-enheten når du tar alle feltmålingene.
    4. Når du har tatt alle feltmålene, kobler du begge enhetene til datamaskinen, laster ned og behandler dataene i den aktuelle programvaren (se Materialfortegnelse) i henhold til LP 110 Manual and User Guide, Bruksanvisning avsnitt35.
  6. Ta en referansemåling i et åpent område eller over den målte vegetasjonen (dvs. en overtaksavlesning). I solfylt vær må du forhindre at lys kommer direkte inn i visningsbegrensningskoppen (se figur 1).
    MERK: For målemodus for én sensor må du ta både over- og undertaksavlesninger under konstante lysforhold under standard overskyet, før soloppgang eller etter solnedgang (figur 2) for å unngå å oppnå feil bestrålingsverdier.

Figure 2
Figur 2: Optimale værforhold for å ta LAIe-målinger ved hjelp av LP 110. De optimale værforholdene ved bruk av LP 110 er jevnt overskyet himmel uten direkte solstråling (A), eller brukes enten før soloppgang eller etter solnedgang (B). Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

  1. Velg Mål på hovedmenyen (trykk på Angi-tasten), og velg deretter Lai Ref. Når du har trykket på Still inn-tasten, aktiveres referansemålingsmodusen.
    MERK: Gjeldende bestrålingsverdi vises på displayet. Denne verdien er ennå ikke lagret i enhetens interne minne (målemodusen utløses for øyeblikket).
  2. Trykk deretter på Set-tasten igjen for å starte et søk etter riktig LAI-sensorposisjon (dvs. senitvinkel 0°), og for å aktivere både det innebygde hellingsmåleren og lydindikatoren.
    MERK: Samtidig vises den nåværende posisjonen til LAI-sensoren på displayet for både X- og Z-akser.
  3. Hold deretter enheten vinkelrett mot bakken og sørg for at LAI-sensoren peker opp mot senit.
    MERK: Lydindikatoren øker i volum når den nærmer seg riktig senitvinkel.
  4. Kontroller displayet, vipp instrumentet både til venstre og høyre, og fremover og bakover. Referanseverdien hentes automatisk og lagres umiddelbart når senitvinkelen som er definert av både X- og Z-aksene, når null eller mindre enn 5 (pipetonen stopper).
    MERK: Med tanke på riktig posisjon må oppnås i et svært smalt område (dvs. mm), kan dette trinnet være slitsomt.
  1. Når du har tatt referansemåling(er), går du tilbake til målemenyen ved å trykke på Meny-tasten. Begynn deretter å måle nivået av overført bestråling under baldakinen.
    1. Definer posisjonene for å ta avlesninger under kalesje og begynn å ta verdimålinger for lysoverføring ved hjelp av enhetens LAI-sensor.
      MERK: Mønsteret av LAIe feltmålinger i forskjellige baldakin strukturer er nevnt i detalj av Černý et al.36 og Fleck et al.37.
    2. Velg Lai i målemenyen. Trykk på Set-tasten for å aktivere modusen for å ta overførte bestrålingsmålinger under kalesialen.
      MERK: Gjeldende bestrålingsverdi vises på displayet. Denne verdien er ennå ikke lagret i enhetens interne minne (målemodusen utløses for øyeblikket).
    3. Trykk på Set-tasten igjen for å registrere avlesningene nedenfor. Det innebygde hellingsmåleren og lydindikatoren utløses for å oppnå riktig LAI-sensorposisjon (dvs. senitvinkel 0°).
      MERK: Samtidig vises den nåværende posisjonen til LAI-sensoren på displayet for både X- og Z-akser.
    4. Hold deretter enheten vinkelrett mot bakken og sørg for at LAI-sensoren peker opp mot senit.
      MERK: Lydindikatoren øker i volum når den nærmer seg riktig senitvinkel.
    5. Kontroller displayet, vipp instrumentet både til venstre og høyre, og fremover og bakover. Alle undertaksavlesninger innhentes og lagres automatisk umiddelbart når senitvinkelen som er definert av både X- og Z-aksene, når null eller mindre enn 5 (pipetonen stopper).
      MERK: Med tanke på riktig posisjon må oppnås i et svært smalt område (mm), kan dette trinnet være slitsomt.
  2. Fortsett med å ta ytterligere målinger av overført bestråling under vegetasjonstaket, etter trinn 2.7.3-2.7.5.
    MERK: Referanseavlesninger kan også tas når som helst mellom målinger under kalesjer. Når du for eksempel har fullført hver transekt, trykker du på Meny-knappen, velger Lai Ref (hold inne Set-tasten) og fortsetter i henhold til trinn 2.6.2-2.6.4.Jo mer over-baldakinavlesninger tatt under målingene under baldakin, jo større nøyaktighet av referanseberegninger.
  3. Umiddelbart etter at du er ferdig med å ta mål under baldakinen (trykk på menyknappen, velg Lai Ref og hold inne Set-tasten), ta en måling av bestrålingen i et åpent område for å få den siste referanseverdien, etter trinn 2.6.2. til 2.6.4.
  4. Trykk menytasten gjentatte ganger til Retur er valgt for å gå tilbake til hovedmenyen, og trykk deretter på Angi-knappen.
  5. Etter hver måling lagres dataene i enhetens interne minne. Hold menyknappen i minst 1 s for å slå av enheten på en sikker måte uten å slette data.
  6. Koble instrumentet til datamaskinen; laste ned og behandle dataene. Et eksempel på feltmåling og LAIe-beregning er beskrevet i del 4.

3. Dobbel sensormodus for estimering av LAIe

  1. Slå på begge instrumentene ved å holde inne Set-tasten i minst 1 s.
    MERK: Instrument_1 og Instrument_2 er beregnet på henholdsvis målinger over og under baldakin. I målemodus med to sensorer er en enhet (Instrument_1) montert på et stativ i et åpent område (eller på toppen av en klimatisk mast over baldakinen), mens den andre (Instrument_2) tjener til å ta undertaksmålinger av overført bestråling. Instrument_1 logger automatisk referansesignalet i et forhåndsdefinert tidsintervall (fra 10 s opp til 600 s). Denne tilnærmingen samler inn en betydelig mengde referansedata, og øker dermed nøyaktigheten ved beregning av referanseverdier for individuelle målinger under baldakin.
  2. Still inn gjeldende dato og klokkeslett for begge instrumentene (finn Innstillinger i hovedmenyen ved å trykke gjentatte ganger på menyknappen. Trykk deretter på Angi | Tid | Angi. Gå tilbake til hovedmenyen (velg Gå tilbake og hold nede Angi-tasten).
    MERK: For en nøyaktig tidsinnstilling må du samsvare tiden med datamaskinen som vist i den aktuelle programvaren (koble enheten til datamaskinen via den tilkoblede kabelen. Åpne programvaren, og trykk deretter Konfigurer | | for enhets-ID Enhet. Deretter velger og trykker du Online Control | Klokkeslett. Merk av for Synkroniser med datamaskintid , og trykk Rediger).
  3. Deretter setter du begge instrumentene i målemodus for én vinkel. Velg Innstillinger (hold nede Angi-tasten) | Vinkler | Angi | Enkel (bekreft med menytasten). Gå tilbake til hovedmenyen (velg Gå tilbake og hold nede Angi-tasten).
    1. Hvis bladvinkelhelingen i den studerte vegetasjonstaket må estimeres, sett Instrument_2 (under baldakinavlesninger) til målemodus for flere vinkler. Velg Innstillinger (trykk på Angi-tasten) | Vinkler (trykk på Still inn-knappen). Velg deretter Multi (bekreft med menytasten), og gå deretter tilbake til hovedmenyen (velg Retur og hold inne Set-tasten).
  4. Hvis det er nødvendig med en registrering om posisjonene til undertaksmålinger, slår du på den aktuelle GPS-enheten (se avsnittene nedenfor for detaljerte instruksjoner og materialtabellen); Hvis ikke, går du til trinn 3.5.
    1. Kontroller at tiden som vises på enheten som brukes til å ta avlesninger under baldakin (Instrument_2), samsvarer med datamaskinen.
      MERK: Tiden må stilles inn riktig for å gjenspeile tidssonen på det studerte stedet.
    2. Slå på GPS-enheten og vent et øyeblikk til gjeldende posisjon er funnet. Kontroller plasseringen som vises på GPS-enheten.
      MERK: Presisjon er betinget av tettheten av baldakinen til den studerte vegetasjonen.
    3. Bær både LP 110 som brukes til å ta undertaksavlesninger (Instrument_2) og GPS-enheten når du tar alle feltmålinger.
    4. Når du har tatt alle feltmålinger, kobler du begge enhetene (Instrument_2 og GPS-enheten) til datamaskinen. Last ned og behandle dataene i den aktuelle programvaren (se Materialfortegnelse) i henhold til LP 110 Manual and User Guide, Bruksanvisninger avsnitt35.
  5. Kalibrer begge instrumentene før du starter hver feltmålingskampanje i henhold til avsnittene 1.1 og 1.2.
    MERK: Hvis kalibrering allerede er utført, går du til trinn 3.5.1.
    1. Etter kalibrering av både LAI-sensoren og det innebygde hellingsmåleren kalibrerer du både LP 110-enheter (Instrument_1 og Instrument_2) med hverandre.
      1. For begge enhetene velger du Innstillinger i hovedmenyen (trykk på Set-tasten) og velger Lai Calibration (trykk på Set-knappen). Hold deretter begge enhetene i et horisontalt plan i vertikal posisjon, og juster konstantverdien (merket som C på displayet) ved å trykke gjentatte ganger på Set-tasten på Instrument_1 (referanseavlesninger) for å oppnå de samme verdiene som vist på enhetens skjerm på Instrument_2. Trykk deretter på Meny-knappen og gå tilbake til hovedmenyen (velg Retur og hold inne Set-tasten).
  6. I solfylt vær må du forhindre at direkte sollys kommer inn i visningsbegrensningskoppen når du tar alle avlesningene ovenfor (se figur 1).
    MERK: For målemodus med to sensorer må du ta både over- og undertaksavlesninger under konstante lysforhold med standard overskyet, før soloppgang eller etter solnedgang (figur 2) for å unngå å oppnå feil bestrålingsverdier.
  7. Fest Instrument_1 vertikalt enten til et stativ plassert i et åpent område eller over det studerte baldakinen (f.eks. øverst på en klimatisk mast).
    MERK: Denne enheten registrerer kontinuerlig referanseverdier (dvs. avlesninger over baldakin).
    1. Velg først Innstillinger i hovedmenyen (trykk på Angi-tasten), og velg deretter Automatisk intervall (trykk deretter på Set-tasten igjen). Deretter trykker du gjentatte ganger på Set-tasten, og deretter holder du inne Meny-knappen for å velge ønsket intervall for automatisk logging av referanseverdier (fra 10 til 600 s).
      MERK: Still inn et kortere tidsintervall for å logge referanseavlesninger automatisk for å øke målingens nøyaktighet hvis lysforholdene endrer seg raskt.
    2. Trykk Meny -tasten, velg Retur, og hold inne Angi -knappen for å gå tilbake til hovedmenyen.
    3. Trykk deretter på Meny-knappen (hold inne Set-tasten) gjentatte ganger for å velge Måling i hovedmenyen. Velg deretter Auto Lai Ref. (trykk på Set-tasten) for å begynne å søke etter riktig LAI-sensorposisjon (dvs. senitvinkel 0°).
      MERK: Gjeldende bestrålingsverdi vises på displayet. Denne verdien er ennå ikke lagret i enhetens interne minne (målemodusen utløses for øyeblikket).
    4. Kontroller displayet, vipp instrumentet både til venstre og høyre, og fremover og bakover. Etter å ha nådd zenith-vinkelen definert av X- og Z-akser med null eller mindre enn verdien av 5 (dvs. både X- og Z-aksene under verdien av 5), fest enheten fast i ønsket posisjon nevnt ovenfor, og trykk deretter på Set-tasten.
      MERK: Fra dette trinnet registreres og lagres referanseverdier (dvs. over baldakinavlesninger) automatisk i det forhåndsdefinerte tidsintervallet (hver avlesning ledsages av pipelyd). Unngå avvik fra den angitte posisjonen til Instrument_1; Hvis ikke, avbrytes referansemålet. Tatt i betraktning riktig posisjon må oppnås i et svært smalt område (mm), kan dette trinnet være slitsomt.
  8. Etterpå begynner du å måle overført bestråling under vegetasjonstaket (under baldakinavlesninger) ved hjelp av Instrument_2.
    MERK: Under alle undertaksavlesninger må du holde samme retning for LAI-sensorens synsfelt (Instrument_2) som referanseavlesningenes LAI-sensor (Instrument_1), for eksempel vinkelrett mot nord.
    1. Definer posisjonene for undertaksavlesninger og start målingene av lysoverføringsverdi ved hjelp av enhetens LAI-sensor.
      MERK: Mønsteret av LAIe feltmålinger i forskjellige baldakin strukturer er omfattende beskrevet i Černý et al.36 og Fleck et al.37.
    2. Velg Måling på hovedmenyen (trykk på Angi-tasten) og velg Lai. Trykk på Set-tasten for å aktivere modusen for overføring av bestrålingsmåling under kalesialen.
      MERK: Gjeldende bestrålingsverdi vises på displayet. Denne verdien er ennå ikke lagret i enhetens interne minne (bare målemodus utløses for øyeblikket).
    3. Trykk på Set-tasten igjen for å oppnå verdien av overført bestråling under kalesjen og utløse både det innebygde hellingsmåleren og lydindikatoren for å finne riktig LAI-sensorposisjon (dvs. senitvinkel 0°).
      MERK: Samtidig vises den nåværende posisjonen til LAI-sensoren på skjermen for både X- og Z-akser.
    4. Hold deretter enheten vinkelrett på bakken for å være LAI-sensoren som peker opp mot senit.
      MERK: Lydindikatoren øker tonen ved å nærme seg riktig senitvinkel.
    5. Kontroller displayet, vipp instrumentet både til venstre og til høyre og fremover og bakover. Alle undertaksavlesninger innhentes og lagres automatisk umiddelbart når senitvinkelen som er definert av både X- og Z-aksene, når null eller mindre enn 5 (pipetonen stopper).
      MERK: Med tanke på riktig posisjon må oppnås i et svært smalt område (mm), kan dette trinnet være slitsomt.
  9. Fortsett med å ta ytterligere målinger av overført bestråling (dvs. under baldakinavlesninger), ved å følge trinn 3.8.3-3.8.5.
  10. Etter å ha tatt målingene nedenfor (Instrument_2), trykker du på Meny-knappen og Meny-tasten gjentatte ganger til Retur er valgt for å gå tilbake til hovedmenyen, og deretter trykker du på Angi-knappen.
    MERK: Etter å ha fullført alle referanseavlesningene (Instrument_1), bruk på samme måte som for Instrument_2.
  11. Dataene lagres i instrumentets minne etter hver lesing. Hold menyknappen i minst 1 s for å slå av enheten trygt uten å slette data.
  12. Koble instrumentet til datamaskinen; laste ned og behandle dataene. Et eksempel på feltmåling og LAIe-beregning er beskrevet i del 4.

4. Et eksempel på feltmåling og LAIe-beregning

  1. Definer målepunktene for å ta målinger under baldakin. Ordne måleoppsettet i transekt (eller et vanlig rutenett) med likeverdige målepunkter for å fange vegetasjonstakets heterogenitet forårsaket av forskjellige størrelser av hull.
    MERK: Et transektoppsett som passer for vegetasjon plantet i rader med homogen baldakin, er avbildet i figur 3. Hvis du vil ha mer informasjon om måleoppsett, følger du Černý et al.36 og Fleck et al.37.

Figure 3
Figur 3: Transektens oppsett for estimering av LAIe i homogen vegetasjonsdekke. Transekt I-IV: transektens nummer; Χ: målepunkt for å ta undertaksavlesningen. De ti første posisjonene er merket (1Χ-10Χ). Transekter må orienteres vinkelrett på planteradene. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

  1. Ta både over- og undertaksmålinger ved hjelp av en eller dobbel sensormodus i henhold til henholdsvis avsnitt 2 eller avsnitt 3.
  2. Når du har fullført alle feltmålingene, laster du ned dataene til datamaskinen fra LP 110-enheten(e) som brukes i en eller tosensormodus for å beregne LAIe.
    MERK: For dobbel sensormodus, følg trinnene som er nevnt nedenfor for begge instrumentene (dvs. Instrument_1 og Instrument_2).
    1. Koble instrumentet til datamaskinen via den tilkoblede kabelen.
      MERK: For dobbel sensormodus må du først koble til enheten som brukes til å ta referansemålinger (dvs. avlesninger over baldakin).
    2. Åpne den aktuelle programvaren (se Materialfortegnelser) og trykk på installasjonstasten i hovedfeltet. Deretter velger og trykker du enhets-ID.
      MERK: Enhet: LaiPen vises nederst til venstre.
    3. Trykk på Enhet -knappen og klikk deretter Last ned.
      MERK: Programvaren gjør det også mulig for brukeren å skrive ned eventuelle kommentarer i arket med tittelen Notater som vises nederst til venstre. Programvaren samsvarer automatisk med ovennevnte baldakinavlesninger med hver under-baldakin (overføring) lesing basert på måletiden.
    4. Trykk filikonet i hovedmenyen. velg og klikk Eksporter. Merk deretter av for ALAI og trykk OK for å eksportere dataene.
      MERK: I den eksporterte filen (txt., xls.), er over- og undertaksavlesninger (overført bestråling) merket som Ref. Intensitet og overføring, henholdsvis.
  3. Beregn overføringsverdien (t) for hvert målepunkt i transekten (eller rutenettet) i henhold til ligningen 1: t = I / Io (bestråling som overføres under baldakinen delt på hendelsesbestråling over vegetasjonen) som resulterer i t1, t2,..., tn, der n: er antall målepunkter under baldakin.
  4. Beregn gjennomsnittlig overføring (T) av den studerte vegetasjonstaket, for eksempel i den første transekten (T1): T1 = (t1 + t2...+ tn) / n, hvor n: er antall målepunkter under baldakin innenfor den første transekten.
    MERK: Hvis det foretas målinger i flere transekter, fortsetter du med alle transekter (T2,T3og T4) på samme måte.
  5. Siden bestrålingsintensiteten eksponentielt reduseres når den passerer gjennom den studerte baldakinen, beregner du LAIe etter den modifiserte Beer-Lambert-utryddelsesloven (se ligning 2).
    1. Først finner du logaritmen til gjennomsnittlig overføringsverdi (T) av den studerte vegetasjonstaket, for eksempel i den første transekten (T_I): T_I = - ln T1.
      MERK: Hvis målinger tas i flere transekter, fortsett med alle transektene på samme måte (dvs. T_II = - ln T2; T_III = - ln T3; T_IV = - ln T4).
      1. Beregn gjennomsnittlig overføringsverdi (T) fra alle individuelle transekter: T = [(- ln T_I) + (- ln T_II) + (- ln T_III) + (- ln T_IV)] / 4.
    2. Deretter beregner du den endelige LAIe-verdien ved hjelp av en utryddelseskoeffisient spesifisert for hver planteart i henhold til ligning 2.
      MERK: Utryddelseskoeffisienter for hovedtreartene er oppført i Bréda9. I skogstativer må LAIe korrigeres på grunn av en klumpende effekt av assimileringsapparatet i skuddene29,30,31,32,33,34 for å oppnå den faktiske LAI-verdien.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Den romlige strukturen oppnådd fra begge testede enheter var åpenbart forskjellig i alle studerte tomter, det vil si tynnet ovenfra (A), tynnet nedenfra (B) og en kontroll uten silvicultural intervensjon (C; se tabell 2 for mer informasjon). På standnivå ble lignende forskjeller i LAI-verdier hentet fra LP 110 og Plant Canopy Analyzer bekreftet mellom tynne tomter med forskjellige tettheter (A vs.B) ved hjelp av ANOVA og Tukeys test. For Plant Canopy Analyzer ble det observert betydelig høyere LAI-verdier i kontrollplottet uten silvicultural intervensjon enn i de tynne (A, B). Imidlertid oversteg verdiene betydelig LAI hentet fra LP 110 i kontrollplottet. For LP 110 var LAI ikke signifikant forskjellig i C- og B-behandlingene. Motsatt ble det funnet en betydelig forskjell i LAI-verdier mellom C- og A-plottene. Generelt gikk LAI betydelig ned etter anvendt tynning behandlinger i de studerte stativene. LAI estimert ved hjelp av LP 110 (LaiPen LP110) redusert tydeligere i plott A, mens LAI-verdiene hentet fra analysatoren (LAI-2200 PCA) reduserte mer i plott B. Likevel var disse registrerte forskjellene små (figur 4).

Figure 4
Figur 4: LAI-verdier estimert ved hjelp av LP 110 og Plant Canopy Analyzer optiske enheter i Norge granstang står under ulike silviculturale behandlinger. For å estimere LAI ble det tatt 81 undertaksavlesninger i hvert studerte stativ. Svar: Tynning ovenfra; B: Tynning nedenfra; C: Kontrollplott. Prikkene angir den gjennomsnittlige LAI-verdien. Whiskers viser standardavvikene. Ulike bokstaver indikerer signifikante forskjeller (p < 0,05) blant silviculturalbehandlingene og forskjellige optiske instrumenter ved hjelp av Tukeys Post-hoc-test. Denne figuren er endret fra Černý et al.20. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

LAI-verdienes romlige variasjon er illustrert i figur 5 for hver tynningsbehandling i rene norske granstangstativer.

Figure 5
Figur 5: Romlig heterogenitet av LAI estimert ved hjelp av LP 110 og Plant Canopy Analyzer på nivået av individuelle målepunkter under studert gran baldakin. Svar: Tynning ovenfra; B: Tynning nedenfra; C: Kontrollplott. Tallene over pilene angir sidelengden og avstanden mellom målepunktene i det vanlige rutenettet. Denne figuren er endret fra Černý et al.20. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

LP 110 undervurderte LAI med henholdsvis 7,4% og 10,6% i tomtene A og C. Motsatt overvurderte denne enheten LAI-stativverdien oppnådd fra Plant Canopy Analyzer i plott B med 3,7%. Hvis de totale gjennomsnittene fra alle LAI-verdier uavhengig av tynningsbehandlingen som ble brukt, ble beregnet og deretter sammenlignet (LP 110 vs. Plant Canopy Analyzer), undervurderte LP 110-enheten LAI oppnådd av Plant Canopy Analyzer med 5,8%. Deretter ble det beregnet forskjeller i spesifikke LAI-verdier målt over enkeltpunkter i det vanlige nettet for begge instrumentene, og disse avvikene ble senere uttrykt i prosent. Under disse omstendighetene varierte LAI-verdiene målt ved LP 110 og Plant Canopy Analyzer dypt (tabell 1).

Silvicultural behandling Skogsstativ LAI Relative forskjeller (%) blant LAI fra LaiPen LP 110 sammenlignet med LAI-2200 PCA på nivået av individuelle målepunkter
LaiPen LP 110 (m2 m-2) LAI-2200 PCA (m2 m-2)
En 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)

Tabell 1: Gjennomsnittlig LAI på stativnivå og LAI-forskjeller uttrykt som en % mellom LP 110 og Plant Canopy Analyser på nivået av individuelle målepunkter. Svar: Tynning ovenfra; B: Tynning nedenfra; C: Kontrollplott. Denne tabellen er endret fra Černý et al.20.

For alle LAI-data målt på et bestemt punktnivå ved hjelp av LP 110 og Plant Canopy Analyzer ble lineær regresjon mellom begge de anvendte enhetene utført. Den lineære regresjonen av y = 0,8954x (R2 = 0,94; RMSE = 2.11438) ble funnet for alle LAI-data fra begge de testede instrumentene (figur 6).

Figure 6
Figur 6: Den lineære regresjonen blant LAI-verdier som kommer fra LP 110 og Plant Canopy Analyzer på nivået av individuelle målepunkter i studerte norske granstangstativer. Denne figuren er endret fra Černý et al.20. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Geografiske koordinater 49°29'31" N, 16°43'30" E
Høyde 610-625 m.h.
Gjennomsnittlig årlig lufttemperatur 6,5 °C
Gjennomsnittlig årlig nedbør 717 mm

Tabell 2: Kjennetegn ved studiestedet. Denne tabellen er endret fra Černý et al.20.

Komplott Alder på stand (år) Stativtetthet (trær ha-1) Høyde (m) DBH (cm) BA1.3 (m2·ha-1) Voksende lager (m3·ha-1)
En 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

Tabell 3: Dendrometriske og strukturelle egenskaper ved de studerte stativene som dekker et areal på 25 m x 25 m i 2014. I hvert studerte stativ ble 81 undertaksavlesninger tatt innenfor et vanlig rutenett (3 m x 3 m) under standard overskyet himmel (for mer informasjon, følg Černý et al.20). Alle LAI-målinger ble utført i juli og august når LAI-verdiene er mest stabile9,38. Svar: Tynning ovenfra; B: Tynning nedenfra; C: Kontrollplott; DBH: stammediameter i brysthøyde; BA1.3: basalområdet i brysthøyde. For BA1.3 på standnivå ble basale områder av hvert tre presentert i det studerte stativet, beregnet som: BA1,3 = (∏ * DBH2)/4, oppsummert. Denne tabellen er endret fra Černý et al.20.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Hva er forskjellene mellom LP 110 som en nylig presentert enhet for å estimere LAI (eller ta PAR-intensitetsmålinger) og LAI-2200 PCA som en forbedret versjon av den forrige standard LAI-2000 PCA for å estimere LAI via en indirekte metode? Utover at prisen er omtrent firedoblet høyere for Plant Canopy Analyzer sammenlignet med LP 110, kan antall utgangsparametere, måleforhold, metodologiske tilnærminger og muligheter for å estimere LAI for forskjellige baldakiner, nøyaktighet av resultater, etc., sammenlignes.

Når du sammenligner maskinvaren, ser LP 110 ut til å være mer brukervennlig. LP 110 er en lettere enhet og krever ingen kabeltilkoblinger mellom sensorene og dataloggeren. Begge sensorene (dvs. for LAI- og PAR-målinger, se figur 1) er integrert i enhetens kropp, slik at operatøren enkelt kan bevege seg gjennom det studerte økosystemet (f.eks. i busker eller tette skoger). For å sikre nøyaktigheten av leseverdien er det viktig med riktig sensorposisjon og verdilagring. Denne posisjonen (enten i zenith eller forhåndsinnstilte vinkler) identifiseres av en skiftende lydfrekvens hvis sensoren er nær eller langt fra målposisjonen. Selv under den mest intensive lyden (volumet kan korrigeres), lagrer LP 110 holdt automatisk leseverdien. Motsatt må det gjøres å finne riktig sensorposisjon for Plant Canopy Analyzer med et manuelt boblenivå på en håndholdt pinne. Operatøren må trykke på knappen for å lagre leseverdien samtidig mens du kontrollerer boblenivået. Riktig sensorposisjon går imidlertid rutinemessig tapt når du trykker på knappen, noe som resulterer i redusert nøyaktighet av leseverdien. Siden visuelt kontroll av et boblenivå ikke er nødvendig for å ta LP 110-avlesninger, er det også mulighet for å holde instrumentet på en forlengelsesstang, slik at brukeren kan måle over baldakiner av naturlig eller kunstig regenerering, høye urte- eller busklag. I dette tilfellet kan riktig sensorposisjon ganske enkelt bli funnet basert på den skiftende lydfrekvensen.

Det er forskjeller mellom LP 110 og Plant Canopy Analyzer når det gjelder LAI-sensorkonstruksjon, spesielt med hensyn til sensorfølsomhet og sensorens synsfelt (FOV). Hvis LAI-sensoren til Plant Canopy Analyzer blir utsatt for friluft, kan den tåke opp under høye luftfuktighetsforhold, som vanligvis forekommer tidlig om morgenen i åpne områder. På motsatt måte er LAI-sensoren til LP 110 tåkefri, da den ligger inne i begrensningsvisningskoppen (figur 1). Selv om begrensning av LP 110s LAI-sensor er flyttbar, har den en fast FOV; Imidlertid kan FOV-en til LAI-sensoren til Plant Canopy Analyzer endres både i azimuthal- og zenith-retningene ved hjelp av forskjellige begrensninger (ugjennomsiktige visningshetter) og ved å bruke en maskeringsprosedyre under henholdsvis etterbehandling av data. Selv om FOV på LP 110s LAI-sensor (figur 1) er relativt smal og ikke kan manipuleres sammenlignet med Plant Canopy Analyzer, er følsomheten til denne sensoren omtrent ti ganger høyere. Denne høyere LAI-sensorfølsomheten gjør det mulig for brukeren å ta målinger ved hjelp av LP 110 under forhold med lav bestråling og også å ta over-baldakin (referanse) avlesninger på ekstremt smale åpne tomter, for eksempel på smale skogsveier eller linjer. Videre er forholdet mellom ovennevnte og under baldakinavlesningene høyere, noe som fører til økt nøyaktighet av den målte overføringen og dermed bedre LAIe-estimering. På den annen side er det nødvendig å øke antall undertaksavlesninger per transekt på grunn av den smale FOV-en til LP 110s LAI-sensor.

Det er noen likheter mellom LP 110 og Plant Canopy Analyzer, For eksempel, under måleforhold og i modifikasjoner av LAI-sensorens senitvinkelvisning (i retninger på 0°, 16°, 32°, 48° og 64° for LP 110; og 7°, 23°, 38°, 53° og 68° for Plant Canopy Analyzer) for å kvantifisere hellingsvinkelen til baldakinelementer. I likhet med Plant Canopy Analyzer, reduserer LP 110 effekten av lysreflektans og måler en ekte lysabsorpsjonsdel av lyset ved løvverk på grunn av spesifikke sensorbølgelengdeegenskaper. Andre optiske instrumenter som SunScan, AccuPAR, TRAC39eller DEMON9,40 (for mer informasjon, se Tabell over materialer) måles under relativt bredere lysintervaller uavhengig av lysrefleksen. I dobbel sensormodus er det mulig å ta automatiske målinger med en sensor som vanligvis er plassert i et åpent område for å ta over-baldakin (referanse) avlesninger i tidsintervaller fra henholdsvis 10-360 s og 5-3600 s for LP 110 og Plant Canopy Analyzer, og det er mulighet for å legge til GPS-posisjoner til individuelle målinger. For begge instrumentene er det umulig å måle LAIe: i) under og umiddelbart etter regnforhold, da våte baldakinelementer, inkludert stilker, forbedrer både lysreflekterings- og overføringsverdier under baldakinen; Dermed er faktisk LAIe undervurdert under slike forhold; ii) under vindfulle forhold når baldakinelementer beveger seg, og overføringsverdiene varierer sterkt selv om sensorposisjonen er stabil, og iii) under ustabile synoptiske situasjoner når lysforholdene endrer seg raskt. Den siste tilstanden er ikke så begrensende for LP 110 på grunn av sensorens smale FOV. Også en avstand av hindringer må vurderes. En passende sensororientering reduserer imidlertid problemet. For begge enhetene er det også mulig å estimere LAIe i løpet av en solrik dag, hovedsakelig nær soloppgang eller solnedgang. Bortsett fra midt på dagen når direkte solstråler kan komme inn i LAI-sensoren gjennom begrensningshettesporet, er det mulig å ta LAIe-målinger gjennom hele dagen; selv om LAI-sensoren er vinkelrett rettet mot solen (relevant for LP 110) eller baksiden av operatøren (relevant for Plant Canopy Analyzer). Noen korreksjonsprosedyrer presentert av Leblanc og Chen41 må imidlertid brukes. Hvis ovennevnte baldakinavlesninger varierer med mer enn ±20% i løpet av en kort tidsperiode (ca. 1-2 min), er det ubrukelig å fortsette å ta LAIe-målinger på grunn av den forventede ekstremt høye LAIe-estimeringsfeilen. Dette problemet kan unngås med en presis synkron estimering av over- og undertaksavlesninger i dobbel sensormodus som bruker to enheter med samme nøyaktige tidsoppsett og kalibrering. Det neste kritiske trinnet for å estimere LAIe ved hjelp av LP 110 er et utvalg av et passende åpent område for overtaksavlesninger, spesielt for enkeltsensormodus (maksimal tidsforsinkelse mellom over- og undertaksavlesninger, det vil si skogstativ og åpen tomt, må være 15-20 min), der størrelsen på det åpne området må respektere sensoren FOV. Dessuten ligner LP 110 på Plant Canopy Analyzer, ikke egnet for nøyaktig estimering av LAIe i for tett (dvs. LAIe på standnivå over 7,88)23, svært lave baldakine gressletter eller overføring under 1%.

Alle oppnådde verdier av hendelseslys og lysoverføring under baldakinen med en tidsoppføring blir etterbehandlet ved hjelp av spesifikk programvare, og gir mange utgangsparametere, spesielt med Plant Canopy Analyzer. Motsatt må programvaren for behandling av dataene som er hentet fra LP 110 forbedres for å være mer automatisk og brukervennlig, for eksempel programvaren som er relevant for Plant Canopy Analyzer. Videre er det tilrådelig å endre begrensningskoppen for LP 110 av produsenten for å endre eller justere sensoren FOV.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ingenting å avsløre. De representative resultatene ble brukt fra artikkelen Černý, J., Krejza, J., Pokorný, R., Bednář, P. LaiPen LP 100 - en ny enhet for estimering av skogøkosystembladområdeindeks sammenlignet med etalon: En metodisk casestudie. Tidsskrift for skogvitenskap. 64 (11), 455-468 (2018). DOI: 10.17221/112/2018-JFS basert på Journal of Forest Science-redaksjonens vennlige tillatelse.

Acknowledgments

Forfatterne står i gjeld til Journal of Forest Science-redaksjonen for å oppmuntre og autorisere oss til å bruke de representative resultatene i denne protokollen fra artikkelen som er publisert der.

Forskningen ble finansielt støttet av Landbruksdepartementet i Tsjekkia, institusjonell støtte MZE-RO0118, National Agency of Agricultural Research (Prosjektnr. QK21020307) og EUs forsknings- og innovasjonsprogram Horizon 2020 (tilskuddsavtale nr. 952314).

Forfatterne takker også tre anonyme anmeldere for deres konstruktive kritikk, noe som forbedret manuskriptet. I tillegg, takk gå til Dusan Bartos, Alena Hvezdova, og Tomas Petr for å hjelpe med feltmålinger og Photon Systems Instruments Ltd. selskap for deres samarbeid og tilby enhetsbilder.

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

Miljøvitenskap Utgave 173 indirekte optisk metode enkeltsensormodus dobbel sensormodus lysoverføring vegetasjonstak senitvinkel Øl-Lambert-lov
Feltmåling av effektiv bladområdeindeks ved hjelp av optisk enhet i vegetasjonstak
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