Summary
Snelle en nauwkeurige schatting van de bladoppervlakte-index (LAI) in terrestrische ecosystemen is cruciaal voor een breed scala aan ecologische studies en het kalibreren van teledetectieproducten. Hier wordt het protocol gepresenteerd voor het gebruik van het nieuwe LP 110 optische apparaat voor het uitvoeren van grondgebaseerde in situ LAI-metingen.
Abstract
Leaf area index (LAI) is een essentiële canopy variabele die de hoeveelheid gebladerte in een ecosysteem beschrijft. De parameter dient als de interface tussen groene componenten van planten en de atmosfeer, en veel fysiologische processen vinden daar plaats, voornamelijk fotosynthetische opname, ademhaling en transpiratie. LAI is ook een inputparameter voor veel modellen met betrekking tot koolstof, water en de energiecyclus. Bovendien dienen grondgebaseerde in situ-metingen als de kalibratiemethode voor LAI verkregen uit teledetectieproducten. Daarom zijn eenvoudige indirecte optische methoden nodig om nauwkeurige en snelle LAI-schattingen te maken. De methodologische benadering, voordelen, controverses en toekomstperspectieven van het nieuw ontwikkelde LP 110 optische apparaat op basis van de relatie tussen straling die wordt overgedragen door het bladerdak van de vegetatie en gaten in het bladerdak werden besproken in het protocol. Verder werd het instrument vergeleken met de wereldstandaard LAI-2200 Plant Canopy Analyzer. De LP 110 maakt een snellere en eenvoudigere verwerking van in het veld verkregen gegevens mogelijk en is betaalbaarder dan de Plant Canopy Analyzer. Het nieuwe instrument wordt gekenmerkt door zijn gebruiksgemak voor zowel boven- als onderluifelmetingen vanwege de grotere sensorgevoeligheid, ingebouwde digitale inclinometer en automatische registratie van metingen op de juiste positie. Daarom is het draagbare LP 110-apparaat een geschikte gadget voor het uitvoeren van LAI-schattingen in bosbouw, ecologie, tuinbouw en landbouw op basis van de representatieve resultaten. Bovendien stelt hetzelfde apparaat de gebruiker ook in staat om nauwkeurige metingen te doen van de intensiteit van invallende fotosynthetisch actieve straling (PAR).
Introduction
Luifels zijn loci van tal van biologische, fysische, chemische en ecologische processen. De meeste van hen worden beïnvloed door luifelstructuren1. Daarom is nauwkeurige, snelle, niet-destructieve en betrouwbare kwantificering van vegetatiedaken cruciaal voor een breed scala aan studies met hydrologie, koolstof- en nutriëntencycli en wereldwijde klimaatverandering2,3. Aangezien bladeren of naalden een actieve interface tussen de atmosfeer en de vegetatie vertegenwoordigen4, is een van de kritische structurele kenmerken van het bladerdak de bladoppervlakte-index(LAI) 5, gedefinieerd als de helft van het totale groene bladoppervlak per eenheid horizontaal grondoppervlak of kroonprojectie voor individuen, uitgedrukt in m2 per m2 als een dimensieloze variabele6, 7.
Verschillende instrumenten en methodologische benaderingen voor het schatten van terrestrische LAI en hun voor- en nadelen in diverse ecosystemen zijn al gepresenteerd8,9,10,11,12,13,14,15. Er zijn twee hoofdcategorieën van LAI-schattingsmethoden: direct en indirect (zie uitgebreide beoordelingen8,9,10,11,12 voor meer details). Voornamelijk gebruikt in bosopstanden, worden op de grond gebaseerde LAI-schattingen routinematig verkregen met behulp van indirecte optische methoden vanwege het ontbreken van directe LAI-bepaling, maar ze vertegenwoordigden meestal een tijdrovende, arbeidsintensieve en destructieve methode9,10,12,16. Bovendien leiden indirecte optische methoden LAI af van gemakkelijker te meten gerelateerde parameters (vanuit het oogpunt van het tijdsintensieve en arbeidsintensieve karakter ervan)17, zoals de verhouding tussen invallende bestraling boven en onder het bladerdak en de kwantificering van luifelspleten14. Het is duidelijk dat Plant Canopy Analyzers ook op grote schaal zijn gebruikt om satelliet LAI-opvragingen te valideren18; daarom is het beschouwd als een standaard voor LP 110-vergelijking (zie tabel met materialen voor meer informatie over gebruikte instrumenten).
De LP 110, als een bijgewerkte versie van aanvankelijk zelfgemaakte eenvoudige instrument ALAI-02D19 en later LP 10020, werd ontwikkeld als een naaste concurrent voor Plant Canopy Analyzers. Als vertegenwoordiger van indirecte optische methoden is het apparaat in de hand gehouden, lichtgewicht, op batterijen, zonder dat er een kabelverbinding tussen de sensor en de datalogger nodig is die een digitale inclinometer gebruikt in plaats van een bellenniveau en een snellere en nauwkeurigere positionering en waardemeting mogelijk maakt. Bovendien is het apparaat ontworpen om onmiddellijke uitlezingen te noteren. De tijdsschatting die nodig is voor het verzamelen van gegevens in het veld is dus ongeveer 1/3 korter voor de LP 110 dan Plant Canopy Analyzer. Na het exporteren van uitlezingen naar een computer zijn de gegevens beschikbaar voor verdere verwerking. Het apparaat registreert bestraling binnen de golflengten van blauw licht (d.w.z. 380-490 nm)21, 22 met behulp van een LAI-sensor voor het maken van een LAI-berekening. De LAI-sensor wordt gemaskeerd door een ondoorzichtige beperkingskap met gezichtsvelden van 16° (Z-as) en 112° (X-as)(figuur 1). De lichtdoorlatendheid kan dus worden opgemerkt met behulp van het apparaat dat loodrecht op het grondoppervlak wordt gehouden (d.w.z. zenithoek 0 °), of onder vijf verschillende hoeken van 0 °, 16 °, 32 °, 48 ° en 64 ° om ook de helling van de overkappingselementen te kunnen afleiden.
Figuur 1: Fysieke kenmerken van de LP 110. Met de MENU-toets kan de gebruiker op en neer schakelen op het hele scherm en de KNOP SET dient als enter-toets (A). Het zenitbeeld onder verschillende hellingshoeken (±8 vanwege het zijaanzicht) en het horizontale zicht is voor LP 110 tot 112 ° (B) bevestigd op dezelfde manier als de Plant Canopy Analyzer (gewijzigd door restrictoren). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Vanwege de hogere gevoeligheid van de LAI-sensor, het beperkte gezichtsveld, de ingebouwde digitale inclinometer, automatische registratie van leeswaarden op de juiste positie die door geluid wordt aangegeven zonder een druk op de knop, is het nieuwe instrument ook geschikt voor metingen boven het bladerdak in smalle valleien of zelfs op bredere boswegen om een breed scala aan hemelomstandigheden te meten. Daarnaast maakt het kwantificering van volwassen standluifels boven de relatief hoge regeneratie mogelijk en bereikt het een hogere nauwkeurigheid van bestralingswaarden dan Plant Canopy Analyzer. Bovendien is de prijs van LP 110 gelijk aan ongeveer 1/4 van de Plant Canopy Analyzer. Daarentegen is het gebruik van LP 110 in dichte (d.w.z. LAIe op standniveau boven 7,88)23 of zeer lage luifels als grasland beperkt.
De LP 110 kan binnen twee bedrijfsmodi werken: (i) een enkele sensormodus die zowel onder het bladerdak als referentiemetingen neemt (boven de bestudeerde luifel of in een voldoende wijdverspreide open plek in de buurt van de geanalyseerde vegetatie) uitgevoerd vóór, na of tijdens metingen onder het bladerdak die met hetzelfde instrument zijn uitgevoerd en (ii) een dubbele sensormodus met behulp van het eerste instrument voor het nemen van metingen onder het bladerdak, terwijl de tweede wordt gebruikt voor het automatisch registreren van referentiemetingen binnen een regelmatig vooraf gedefinieerd tijdsinterval (van 10 tot 600 s). De LP 110 kan worden gekoppeld aan een compatibel GPS-apparaat (zie Materiaaltabel)om de coördinaten van elk meetpunt onder de luifel voor beide hierboven genoemde modi vast te leggen.
De effectieve bladoppervlakte-index (LAIe)24 omvat het klonterende indexeffect en kan worden afgeleid uit metingen van zonnestraalstraling boven en onder het bestudeerde vegetatiedak25. Voor de volgende LAIe-berekening moet de transmissie (t) dus worden berekend op basis van bestraling die zowel onder het bladerdak (I) als boven de vegetatie(Io)wordt uitgezonden, gemeten door het LP 110-apparaat.
t = I / I0 (1)
Omdat de bestralingsintensiteit exponentieel afneemt als deze door een vegetatiedak gaat, kan LAIe worden berekend volgens de Beer-Lambert-uitstervingswet gewijzigd door Monsi en Saeki9,26
LAIe = - ln (I / I0) x k-1 (2),
Waarbij k de extinctiecoëfficiënt is. De extinctiecoëfficiënt weerspiegelt de vorm, oriëntatie en positie van elk element in het bladerdak van de vegetatie met de bekende helling van het bladerdakelement en de kijkrichting9,12. De k-coëfficiënt (zie vergelijking 2) hangt af van de absorptie van bestraling door gebladerte en verschilt tussen plantensoorten op basis van de morfologische parameters van bladerdakelementen, hun ruimtelijke rangschikking en optische eigenschappen. Aangezien de extinctiecoëfficiënt meestal rond de 0,59,27schommelt, kan vergelijking 2 worden vereenvoudigd zoals gepresenteerd door Lang et al.28 op een iets andere manier voor heterogene en homogene luifels:
In een heterogene luifel
LAIe = 2 x | 
ln t| (3),
of
In een homogene luifel
LAIe = 2 x |ln T| (4),
Waarbij t: de transmissie is op elk meetpunt onder het bladerdak en T: de gemiddelde transmissie is van alle t-waarden per gemeten transect of stand.
In bosopstanden moet LAIe verder worden gecorrigeerd vanwege een klonterend effect van het assimilatieapparaat in de scheuten29,30,31,32,33,34 om de werkelijke LAI-waarde te verkrijgen.
Het protocol is gewijd aan het praktische gebruik van het optische lp 110-apparaat voor het schatten van LAIe in een geselecteerd voorbeeld van Midden-Europese naaldbosopstanden (zie tabel 2 en tabel 3 voor de locatie-, structurele en dendrometrische kenmerken). LAIe-schatting in een vegetatiedak met behulp van dit apparaat is gebaseerd op een veelgebruikte optische methode met betrekking tot de transmissie van fotosynthetisch actieve straling en canopy gap fraction. Het artikel is bedoeld om een uitgebreid protocol te bieden voor het uitvoeren van LAIe-schattingen met behulp van het nieuwe LP 110 optische apparaat.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
OPMERKING: Voordat u begint met het uitvoeren van geplande veldmetingen, moet u de batterij van het LP 110-apparaat voldoende opladen. Sluit het instrument (USB-connector, zie figuur 1)en de computer aan via de aangesloten kabel. De batterijstatus wordt weergegeven in de linkerbovenhoek van het apparaatdisplay.
1. Kalibratie vóór de meting
OPMERKING: Voer voor de LP 110 een donkere kalibratie van de LAI-sensor en ingebouwde inclinometerkalibraties uit voordat u aan elke veldmeetcampagne begint.
- Donkere kalibratie van de LAI-sensor
- Schakel het instrument in door de Set-toets ten minste 1 s ingedrukt te houden.
OPMERKING: De knop Instellen dient als enter-toets. - Selecteer Instellingen (met de menutoets kunt u omhoog en omlaag schakelen) en druk op Instellen > Lai Cal.,druk op de toets Instellen en controleer vervolgens of de LAI-kalibratieconstante is ingesteld op 1 (d.w.z. C = 1,0); Als dit niet het geval is, drukt u herhaaldelijk op de toets Instellen om de constante aan te passen op 1,0 en keert u terug naar het hoofdmenu (druk op Menu | Retour | Instellen).
OPMERKING: Bij het uitvoeren van LAI-metingen met behulp van de modus voor één sensor (zie rubriek 2) wordt een constante waarde van 1,0 aanbevolen voor alle metingen. - Selecteer Instellingen en druk op | instellen Lai nul | Stel in. Bedek de LAI-sensor volledig met bijvoorbeeld een ondoorzichtige doek of handpalm om lichtinterferentie tijdens het hele kalibratieproces te voorkomen. Druk daarna op de toets Instellen om de nulwaarde te behouden die op het display wordt weergegeven.
- Druk herhaaldelijk op de menutoets totdat Return is geselecteerd om terug te keren naar het hoofdmenu en druk vervolgens op de toets Instellen.
- Schakel het instrument in door de Set-toets ten minste 1 s ingedrukt te houden.
- Inclinometer kalibraties
OPMERKING: Elk LP 110-apparaat is uitgerust met een ingebouwde elektronische inclinometer om de juiste hellingshoek van metingen te garanderen. De interne inclinometer moet worden (her)gekalibreerd met behulp van een waterniveau.- Verticale kalibratie
- Als het apparaat is uitgeschakeld, houdt u de toets Instellen ten minste 1 s ingedrukt om het instrument in te schakelen.
- Selecteer Instellingen en druk op | instellen Verticaal Cal. | Stel in om de elektronische inclinometer te activeren.
- Houd het apparaat verticaal en plaats een waterniveau aan de zijkant samen met het instrument.
- Balanceer het apparaat naar links of rechts op basis van de waterniveaubel om een nul- of bijna-nulwaarde voor de X-as te bereiken. Als dit niet het geval is, drukt u op de toets Instellen om de metingen aan te passen totdat nul voor de X-as is gelezen.
- Plaats het waterniveau langs de achterkant van het apparaat om de verticale kalibratie te voltooien.
- Kantel het apparaat opnieuw naar links of rechts en controleer of het display van het apparaat nul voor de X-as leest.
- Houd de nulhoekpositie voor de X-as ingedrukt en kantel het apparaat tegelijkertijd naar voren of naar achteren (de Z-as) volgens de waterniveaubel, zorg ervoor dat de waarde van de X-ashoek op nul of dicht bij nul blijft.
- Controleer of de Z-asstand gelijk is aan nul of nul nadert. Als dit niet het geval is, houdt u de settoets ingedrukt en kalibreert u het apparaat opnieuw om nulwaarden in te stellen voor zowel X- als Z-assen.
- Druk herhaaldelijk op de menutoets totdat Return is geselecteerd om terug te keren naar het hoofdmenu en druk vervolgens op de toets Instellen.
- Horizontale kalibratie
- Selecteer Instellingen en druk op de | Instellen Horizontale Cal. | Stel in om de elektronische inclinometer te activeren.
- Houd het apparaat horizontaal. Plaats vervolgens het waterniveau langs de achterkant van het apparaat.
- Plaats het apparaat in de horizontale positie op basis van de waterniveaubellen. Kantel het instrument naar links of rechts en omhoog of omlaag langs respectievelijk de X- en Y-as.
- Nadat u de juiste sensorpositie volgens beide waterniveaubellen hebt bereikt, controleert u of de aflezing voor de Y-as nul of dicht bij nul is. Als dit niet het geval is, drukt u op de toets Instellen om de horizontale positie van het instrument opnieuw te kalibreren.
- Druk herhaaldelijk op de menutoets totdat Return is geselecteerd om terug te keren naar het hoofdmenu en druk vervolgens op de toets Instellen.
- Verticale kalibratie
2. Enkele sensormodus voor LAIe-schatting
- Als het apparaat is uitgeschakeld, drukt u ten minste 1 s op de toets Set om het instrument in te schakelen.
-
Kalibreer het instrument voordat u met elke veldmeting begint volgens stap 1.1 en 1.2.
OPMERKING: Als de kalibratie al is uitgevoerd, gaat u verder met stap 2.3. - Stel daarna de huidige datum en tijd in (zoek Instellingen in het hoofdmenu door herhaaldelijk op de menutoets te drukken. Druk vervolgens op | instellen Tijd; druk nogmaals op de knop Instellen) en ga terug naar het hoofdmenu (selecteer Return en houd de Set-toets ingedrukt).
OPMERKING: Voor een exacte tijdinstelling stemt u de tijd af op de computer zoals weergegeven in de relevante software (sluit het LP 110-apparaat aan op de computer via de aangesloten kabel. Open de software, druk op de | Apparaat-ID | Apparaat. Kies en druk op Online Control | Tijd. Vink vervolgens de optie Synchroniseren met computertijd aan en druk op Bewerken). - Stel het instrument in op de meetmodus met één hoek met behulp van Instellingen. Druk op Set | Hoeken | | instellen Eén keer (bevestig met de menutoets) en keer terug naar het hoofdmenu (selecteer Return en houd de Set-toets ingedrukt).
- Als de helling van de bladhoek moet worden geschat, stelt u de meetmodus met meerdere hoeken in. Instellingen | Hoeken | Multi (druk op de menuknop) en ga terug naar het hoofdmenu (selecteer Return en houd de Set-toets ingedrukt).
- Als een registratie met betrekking tot de posities van de metingen nodig is, schakelt u het relevante GPS-apparaat in (zie de onderstaande secties voor gedetailleerde instructies en de tabel met materialen); Zo niet, ga dan verder met stap 2.6.
- Controleer of de tijd van het apparaat overeenkomt met de computer.
OPMERKING: De tijd moet correct worden ingesteld om de tijdzone op de bestudeerde locatie weer te geven. - Schakel het GPS-apparaat in en wacht even tot de huidige positie is gevonden. Controleer de locatie op het display van het GPS-apparaat.
OPMERKING: Precisie is afhankelijk van de dichtheid van het bladerdak van de bestudeerde vegetatie. - Draag zowel de LP 110 als het GPS-apparaat bij het uitvoeren van alle veldmetingen.
- Na het uitvoeren van alle veldmetingen, sluit u beide apparaten aan op de computer, downloadt en verwerkt u de gegevens in de relevante software (zie Materiaaltabel)volgens de LP 110 Handleiding en gebruikershandleiding, Bedieningsinstructies sectie35.
- Controleer of de tijd van het apparaat overeenkomt met de computer.
- Voer een referentiemeting uit in een open gebied of boven de gemeten vegetatie (d.w.z. een meting boven het bladerdak). Voorkom bij zonnig weer dat licht rechtstreeks in de zichtbegrenzingsbeker komt (zie figuur 1).
OPMERKING: Voor de meetmodus met één sensor, neemt u zowel boven- als onderluifelmetingen onder constante lichtomstandigheden tijdens standaard bewolking, vóór zonsopgang of na zonsondergang(figuur 2)om te voorkomen dat onjuiste instralingswaarden worden verkregen.
Figuur 2: Optimale weersomstandigheden voor het uitvoeren van LAIe-metingen met behulp van de LP 110. De optimale weersomstandigheden bij gebruik van de LP 110 zijn gelijkmatig bewolkte luchten zonder directe zonnestraling(A),of gebruik voor zonsopgang of na zonsondergang(B). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
- Selecteer Meting in het hoofdmenu (druk op de toets Instellen) en kies vervolgens Lai Ref. Nadat u op de toets Instellen hebt gedrukt, wordt de referentiemeetmodus geactiveerd.
OPMERKING: De huidige bestralingswaarde verschijnt op het display. Deze waarde is nog niet opgeslagen in het interne geheugen van het apparaat (de meetmodus wordt op dit moment geactiveerd). - Druk vervolgens nogmaals op de toets Set om te zoeken naar de juiste positie van de LAI-sensor (d.w.z. zenithoek 0°) en om zowel de ingebouwde inclinometer als de geluidsindicator te activeren.
OPMERKING: Tegelijkertijd verschijnt de huidige positie van de LAI-sensor op het display voor zowel X- als Z-assen. - Houd het apparaat daarna loodrecht op de grond en zorg ervoor dat de LAI-sensor naar het zenit is gericht.
OPMERKING: De geluidsindicator neemt in volume toe naarmate deze de juiste zenithoek nadert. - Controleer het display, kantel het instrument zowel naar links als naar rechts, en vooruit en achteruit. De referentiewaarde wordt automatisch verkregen en onmiddellijk opgeslagen zodra de zenithoek gedefinieerd door zowel de X- als de Z-as nul of minder dan 5 bereikt (de pieptoon stopt).
OPMERKING: Aangezien de juiste positie in een zeer smal bereik (d.w.z. mm) moet worden bereikt, kan deze stap vermoeiend zijn.
- Nadat u referentiemeting(en) hebt uitgevoerd, keert u terug naar het meetmenu door op de menutoets te drukken. Begin vervolgens met het meten van het niveau van doorgelaten straling onder het bladerdak.
- Definieer de posities voor het nemen van metingen onder de luifel en begin met het meten van de lichtdoorlatendheidswaarde met behulp van de LAI-sensor van het apparaat.
OPMERKING: Het patroon van LAIe-veldmetingen in verschillende luifelstructuren wordt in detail genoemd door Černý et al.36 en Fleck et al.37. - Selecteer Lai in het meetmenu. Druk op de toets Set om de modus te activeren voor het uitvoeren van verzonden stralingsmetingen onder de luifel.
OPMERKING: De huidige bestralingswaarde verschijnt op het display. Deze waarde is nog niet opgeslagen in het interne geheugen van het apparaat (de meetmodus wordt op dit moment geactiveerd). - Druk nogmaals op de toets Instellen om de metingen onder de luifel op te nemen. De ingebouwde inclinometer en geluidsindicator worden geactiveerd om de juiste LAI-sensorpositie te verkrijgen (d.w.z. zenithoek 0°).
OPMERKING: Tegelijkertijd verschijnt de huidige positie van de LAI-sensor op het display voor zowel X- als Z-assen. - Houd het apparaat vervolgens loodrecht op de grond en zorg ervoor dat de LAI-sensor naar het zenit is gericht.
OPMERKING: De geluidsindicator neemt in volume toe naarmate deze de juiste zenithoek nadert. - Controleer het display, kantel het instrument zowel naar links als naar rechts, en vooruit en achteruit. Alle metingen onder de luifel worden automatisch verkregen en onmiddellijk opgeslagen zodra de zenithoek gedefinieerd door zowel de X- als de Z-as nul of minder dan 5 bereikt (de pieptoon stopt).
OPMERKING: Aangezien de juiste positie in een zeer smal bereik (mm) moet worden bereikt, kan deze stap vermoeiend zijn.
- Definieer de posities voor het nemen van metingen onder de luifel en begin met het meten van de lichtdoorlatendheidswaarde met behulp van de LAI-sensor van het apparaat.
- Ga verder met het uitvoeren van verdere metingen van de doorstraalde straling onder het bladerdak van de vegetatie, volgens de stappen 2.7.3-2.7.5.
OPMERKING: Referentiemetingen kunnen ook op elk moment worden genomen tussen metingen onder de luifel. Druk bijvoorbeeld na het voltooien van elk transect op de menuknop, selecteer Lai Ref (houd de set-toets ingedrukt) en ga verder volgens stappen 2.6.2-2.6.4.Hoe meer boven-canopy-metingen worden uitgevoerd tijdens metingen onder de luifel, hoe groter de nauwkeurigheid van referentieberekeningen. - Onmiddellijk na het voltooien van het nemen van metingen onder de luifel (druk op de menuknop, selecteer Lai Ref en houd de set-toets ingedrukt), voert u een meting uit van de bestraling in een open gebied om de laatste referentiewaarde te verkrijgen, volgens stap 2.6.2. tot 2.6.4.
- Druk herhaaldelijk op de menutoets totdat Return is geselecteerd om terug te keren naar het hoofdmenu en druk vervolgens op de knop Instellen.
- Na elke meting worden de gegevens opgeslagen in het interne geheugen van het apparaat. Houd de menuknop minstens 1 s ingedrukt om het apparaat veilig uit te schakelen zonder gegevens te wissen.
- Sluit het instrument aan op de computer; de gegevens te downloaden en te verwerken. Een voorbeeld van veldmeting en LAIe-berekening wordt beschreven in paragraaf 4.
3. Dubbele sensormodus voor het schatten van LAIe
- Schakel beide instrumenten in door de settoets ten minste 1 s ingedrukt te houden.
OPMERKING: Instrument_1 en Instrument_2 zijn aangewezen voor respectievelijk boven- (referentie) en onder-luifel metingen. In de meetmodus met dubbele sensor wordt één apparaat (Instrument_1) op een statief in een open ruimte (of aan de bovenkant van een klimaatmast boven de luifel) gemonteerd, terwijl het tweede apparaat (Instrument_2) dient voor het nemen van metingen onder het bladerdak van de uitgezonden straling. Instrument_1 registreert automatisch het referentiesignaal in een vooraf gedefinieerd tijdsinterval (van 10 s tot 600 s). Deze aanpak verzamelt een aanzienlijke hoeveelheid referentiegegevens, waardoor de nauwkeurigheid bij het berekenen van referentiewaarden voor individuele metingen onder het bladerdak toeneemt. - Stel de huidige datum en tijd van beide instrumenten in (zoek Instellingen in het hoofdmenu door herhaaldelijk op de menuknop te drukken. Druk vervolgens op | instellen Tijd | Stel in. Ga terug naar het hoofdmenu (kies Return en houd de Set-toets ingedrukt).
OPMERKING: Voor een exacte tijdinstelling moet u de tijd afstemmen op de computer zoals weergegeven in de relevante software (sluit het apparaat aan op de computer via de aangesloten kabel. Open de software en druk op Setup | Apparaat-ID | Apparaat. Kies vervolgens en druk op Online Control | Tijd. Vink de optie Synchroniseren met computertijd aan en druk op Bewerken). - Stel daarna beide instrumenten in op de meetmodus met één hoek. Selecteer Instellingen (houd de settoets ingedrukt) | Hoeken | | instellen Single (bevestig met de Menu-toets). Ga terug naar het hoofdmenu (kies Return en houd de Set-toets ingedrukt).
- Als de helling van de bladhoek binnen het bestudeerde vegetatiedak moet worden geschat, stelt u Instrument_2 (onder het bladerdak) in op de meetmodus met meerdere hoeken. Selecteer Instellingen (druk op de toets Instellen) | Hoeken (druk op de knop Instellen). Kies vervolgens Multi (bevestig met de menutoets) en ga vervolgens terug naar het hoofdmenu (kies Return en houd de Set-toets ingedrukt).
- Als een registratie met betrekking tot de posities van metingen onder de luifel vereist is, schakelt u het relevante GPS-apparaat in (zie de onderstaande secties voor gedetailleerde instructies en de tabel met materialen); Zo niet, ga dan verder met stap 3.5.
- Zorg ervoor dat de tijd die wordt weergegeven op het apparaat dat wordt gebruikt voor het nemen van metingen onder de luifel (Instrument_2) overeenkomt met de computer.
OPMERKING: De tijd moet correct worden ingesteld om de tijdzone op de bestudeerde locatie weer te geven. - Schakel het GPS-apparaat in en wacht even tot de huidige positie is gevonden. Controleer de locatie die wordt weergegeven op het GPS-apparaat.
OPMERKING: Precisie is afhankelijk van de dichtheid van het bladerdak van de bestudeerde vegetatie. - Draag zowel de LP 110 die wordt gebruikt voor het nemen van onder-canopy metingen (Instrument_2) als het GPS-apparaat bij het uitvoeren van alle veldmetingen.
- Nadat u alle veldmetingen hebt uitgevoerd, sluit u beide apparaten (Instrument_2 en het GPS-apparaat) aan op de computer. Download en verwerk de gegevens in de relevante software (zie Materiaaltabel)volgens de LP 110 Handleiding en Gebruikershandleiding, Bedieningsinstructies sectie35.
- Zorg ervoor dat de tijd die wordt weergegeven op het apparaat dat wordt gebruikt voor het nemen van metingen onder de luifel (Instrument_2) overeenkomt met de computer.
- Kalibreer beide instrumenten voordat u met elke veldmetingscampagne begint overeenkomstig de punten 1.1 en 1.2.
OPMERKING: Als de kalibratie al is uitgevoerd, gaat u verder met stap 3.5.1.- Na het kalibreren van zowel de LAI-sensor als de ingebouwde inclinometer, kalibreer je beide LP 110-apparaten (Instrument_1 en Instrument_2) met elkaar.
- Voor beide apparaten selecteert u Instellingen in het hoofdmenu (druk op de toets Instellen) en kiest u Lai-kalibratie (druk op de knop Instellen). Houd vervolgens beide apparaten in een horizontaal vlak in de verticale positie en pas de constante waarde (gemarkeerd als C op het display) aan door herhaaldelijk op de settoets op Instrument_1 te drukken (referentiewaarden) om dezelfde waarden te bereiken als weergegeven op het scherm van het apparaat op Instrument_2. Druk vervolgens op de menuknop en ga terug naar het hoofdmenu (kies Return en houd de Set-toets ingedrukt).
- Na het kalibreren van zowel de LAI-sensor als de ingebouwde inclinometer, kalibreer je beide LP 110-apparaten (Instrument_1 en Instrument_2) met elkaar.
- Voorkom bij zonnig weer dat direct zonlicht de zichtbeperkingsbeker binnendringt bij het nemen van alle metingen boven de luifel (zie figuur 1).
OPMERKING: Voor de meetmodus met dubbele sensor, neemt u zowel boven- als onderluifelmetingen onder constante lichtomstandigheden met standaard bewolking, vóór zonsopgang of na zonsondergang(figuur 2)om te voorkomen dat onjuiste instralingswaarden worden verkregen. - Bevestig Instrument_1 verticaal aan een statief dat in een open ruimte of boven de bestudeerde luifel is geplaatst (bijvoorbeeld aan de bovenkant van een klimatologische mast).
OPMERKING: Dit apparaat registreert continu referentiewaarden (d.w.z. metingen boven de luifel).- Selecteer eerst Instellingen in het hoofdmenu (druk op de toets Instellen) en kies vervolgens Automatisch interval (druk nogmaals op de toets Instellen). Druk vervolgens herhaaldelijk op de settoets en houd vervolgens de menuknop ingedrukt om het vereiste interval te selecteren voor het automatisch registreren van referentiewaarden (van 10 tot 600 s).
OPMERKING: Stel een korter tijdsinterval in om referentiemetingen automatisch te registreren om de nauwkeurigheid van de metingen te vergroten als de lichtomstandigheden snel veranderen. - Druk op de menutoets, selecteer Returnen houd de knop Instellen ingedrukt om terug te keren naar het hoofdmenu.
- Druk vervolgens herhaaldelijk op de menuknop (houd de settoets ingedrukt) om Meting in het hoofdmenu te selecteren. Kies vervolgens Auto Lai Ref. (druk op de Set-toets) om te beginnen met zoeken naar de juiste LAI-sensorpositie (d.w.z. zenithoek 0°).
OPMERKING: De huidige bestralingswaarde verschijnt op het display. Deze waarde is nog niet opgeslagen in het interne geheugen van het apparaat (de meetmodus wordt op dit moment geactiveerd). - Controleer het display, kantel het instrument zowel naar links als naar rechts, en vooruit en achteruit. Nadat u de zenithoek hebt bereikt die wordt gedefinieerd door X- en Z-assen met nul of minder dan de waarde van 5 (d.w.z. zowel X- als Z-assen onder de waarde van 5), bevestigt u het apparaat stevig op de hierboven genoemde vereiste positie en drukt u vervolgens op de settoets.
OPMERKING: Vanuit deze stap worden referentiewaarden (d.w.z. metingen boven het bladerdak) automatisch geregistreerd en opgeslagen in het vooraf gedefinieerde tijdsinterval (elke meting gaat gepaard met piepen). Vermijd elke afwijking van de ingestelde positie van Instrument_1; anders wordt de referentiemeting onderbroken. Aangezien de juiste positie in een zeer smal bereik (mm) moet worden bereikt, kan deze stap vermoeiend zijn.
- Selecteer eerst Instellingen in het hoofdmenu (druk op de toets Instellen) en kies vervolgens Automatisch interval (druk nogmaals op de toets Instellen). Druk vervolgens herhaaldelijk op de settoets en houd vervolgens de menuknop ingedrukt om het vereiste interval te selecteren voor het automatisch registreren van referentiewaarden (van 10 tot 600 s).
- Begin daarna met het meten van de uitgezonden straling onder het bladerdak van de vegetatie (metingen onder het bladerdak) met behulp van Instrument_2.
OPMERKING: Houd tijdens alle metingen onder de luifel dezelfde oriëntatie van het gezichtsveld van de LAI-sensor (Instrument_2) als de LAI-sensor (Instrument_1) van de referentiemetingen, bijvoorbeeld loodrecht op het noorden.- Definieer de posities voor metingen onder de luifel en start de metingen van de lichtdoorlatendheidswaarde met behulp van de LAI-sensor van het apparaat.
OPMERKING: Het patroon van LAIe-veldmetingen in verschillende luifelstructuren wordt uitgebreid beschreven in Černý et al.36 en Fleck et al.37. - Kies in het hoofdmenu Meting (druk op de toets Instellen) en selecteer Lai. Druk op de toets Set om de modus voor de verzonden stralingsmeting onder de luifel te activeren.
OPMERKING: De huidige bestralingswaarde wordt weergegeven. Deze waarde is nog niet opgeslagen in het interne geheugen van het apparaat (alleen de meetmodus wordt op dit moment geactiveerd). - Druk nogmaals op de settoets om de waarde van de verzonden straling onder de luifel te verkrijgen en activeer zowel de ingebouwde inclinometer als de geluidsindicator om de juiste LAI-sensorpositie te vinden (d.w.z. zenithoek 0 °).
OPMERKING: Tegelijkertijd verschijnt de huidige positie van de LAI-sensor op het display voor zowel X- als Z-assen. - Houd het apparaat vervolgens loodrecht op het grondoppervlak om de LAI-sensor naar het zenit te richten.
OPMERKING: De geluidsindicator verhoogt zijn toon door de juiste zenithoek te benaderen. - Controleer het display, kantel het instrument zowel naar links als naar rechts en naar voren en naar achteren. Alle metingen onder de luifel worden automatisch verkregen en onmiddellijk opgeslagen zodra de zenithoek gedefinieerd door zowel de X- als de Z-as nul of minder dan 5 bereikt (de pieptoon stopt).
OPMERKING: Aangezien de juiste positie in een zeer smal bereik (mm) moet worden bereikt, kan deze stap vermoeiend zijn.
- Definieer de posities voor metingen onder de luifel en start de metingen van de lichtdoorlatendheidswaarde met behulp van de LAI-sensor van het apparaat.
- Ga verder met het uitvoeren van verdere metingen van de overgedragen bestraling (d.w.z. metingen onder het bladerdak), volgens de stappen 3.8.3-3.8.5.
- Nadat u de metingen onder de luifel (Instrument_2) hebt uitgevoerd, drukt u herhaaldelijk op de menuknop en de menutoets totdat Return is geselecteerd om terug te keren naar het hoofdmenu en drukt u vervolgens op de knop Instellen.
OPMERKING: Gebruik na het voltooien van alle referentiemetingen (Instrument_1) dezelfde manier als voor Instrument_2. - De gegevens worden na elke lezing opgeslagen in het geheugen van het instrument. Houd de menuknop ten minste 1 s ingedrukt om het apparaat veilig uit te schakelen zonder gegevens te wissen.
- Sluit het instrument aan op de computer; de gegevens te downloaden en te verwerken. Een voorbeeld van veldmeting en LAIe-berekening wordt beschreven in paragraaf 4.
4. Een voorbeeld van veldmeting en LAIe-berekening
- Definieer de meetpunten voor het uitvoeren van metingen onder de luifel. Rangschik de meetlay-out in transect (of een regulier raster) met equidistante meetpunten om de heterogeniteit van het vegetatiedak vast te leggen die wordt veroorzaakt door verschillende groottes van openingen.
OPMERKING: Een transect lay-out die geschikt is voor vegetatie die in rijen met een homogeen bladerdak is geplant, is afgebeeld in figuur 3. Voor meer details over de lay-out van de metingen, volg Černý et al.36 en Fleck et al.37.
Figuur 3: Transect's lay-out voor het schatten van LAIe in homogene vegetatiebedekking. Transect I-IV: transect's nummer; Χ: meetpunt voor het nemen van de aflezing onder de luifel. De eerste tien posities zijn gelabeld (1Χ-10Χ). Transects moeten loodrecht op de rijen planten worden georiënteerd. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
- Voer zowel metingen boven als onder de luifel uit met behulp van een enkele of dubbele sensormodus volgens respectievelijk sectie 2 of sectie 3.
- Nadat u alle veldmetingen hebt voltooid, downloadt u de gegevens naar de computer van de LP 110-apparaten die worden gebruikt in de modus met één of dubbele sensor om LAIe te schatten.
OPMERKING: Volg voor de modus met dubbele sensor de onderstaande stappen voor beide instrumenten (d.w.z. Instrument_1 en Instrument_2).- Sluit het instrument aan op de computer via de aangesloten kabel.
OPMERKING: Sluit voor de modus met dubbele sensor eerst het apparaat aan dat wordt gebruikt voor het uitvoeren van referentiemetingen (d.w.z. metingen boven de luifel). - Open de relevante software (zie Tabel met materialen) en druk op de Setup-toets in de hoofdbalk. Selecteer vervolgens apparaat-iden druk erop .
OPMERKING: Apparaat: LaiPen verschijnt in de linkerbenedenhoek. - Druk op de knop Apparaat en klik vervolgens op Downloaden.
OPMERKING: De software stelt de gebruiker ook in staat om eventuele opmerkingen op te schrijven in het blad met de titel Notities dat in de linkerbenedenhoek wordt weergegeven. De software stemt automatisch de metingen boven de luifel af op elke meting onder de luifel (transmissie) op basis van de meettijd. - Druk op het pictogram Bestand in het hoofdmenu; kies en klik op Exporteren. Vink vervolgens ALAI aan en druk op OK om de gegevens te exporteren.
OPMERKING: In het geëxporteerde bestand (txt., xls.) worden boven- en onderluifelmetingen (verzonden bestraling) gemarkeerd als respectievelijk Ref. Intensiteit en transmissie.
- Sluit het instrument aan op de computer via de aangesloten kabel.
- Bereken de transmissiewaarde (t) voor elk meetpunt binnen het transect (of raster) volgens vergelijking 1: t = I / Io (bestralingssterkte die wordt doorgegeven onder het bladerdak gedeeld door invallende bestraling boven de vegetatie), resulterend in t1, t2,..., tn, waarbij n: het aantal meetpunten onder het bladerdak is.
- Bereken de gemiddelde transmissie (T) van het bestudeerde vegetatiedak, bijvoorbeeld in het eerste transect (T1): T1 = (t1 + t2...+ tn) / n, waarbij n: het aantal meetpunten onder het bladerdak binnen het eerste transect is.
OPMERKING: Als metingen in meerdere transects worden uitgevoerd, ga dan op dezelfde manier verder met alle transects (T2,T3en T4). - Aangezien de bestralingsintensiteit exponentieel afneemt naarmate deze door het bestudeerde bladerdak gaat, berekent u LAIe volgens de gewijzigde Beer-Lambert-extinctiewet (zie vergelijking 2).
- Zoek eerst de logaritme van de gemiddelde transmissiewaarde (T) van het bestudeerde vegetatiedak, bijvoorbeeld in het eerste transect (T_I): T_I = - ln T1.
OPMERKING: Als metingen in verschillende transects worden uitgevoerd, ga dan op dezelfde manier verder met alle transects (d.w.z. T_II = - ln T2; T_III = - ln T3; T_IV = - ln T4).- Bereken de gemiddelde transmissiewaarde (T) van alle afzonderlijke transects: T = [(- ln T_I) + (- ln T_II) + (- ln T_III) + (- ln T_IV)] / 4.
- Bereken daarna de uiteindelijke LAIe-waarde met behulp van een extinctiecoëfficiënt die voor elke plantensoort is gespecificeerd volgens vergelijking 2.
OPMERKING: Uitstervingscoëfficiënten voor de belangrijkste boomsoorten zijn opgenomen in Bréda9. In bosopstanden moet LAIe worden gecorrigeerd vanwege een klonterend effect van het assimilatieapparaat in de scheuten29,30,31,32,33,34 om de werkelijke LAI-waarde te verkrijgen.
- Zoek eerst de logaritme van de gemiddelde transmissiewaarde (T) van het bestudeerde vegetatiedak, bijvoorbeeld in het eerste transect (T_I): T_I = - ln T1.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
De ruimtelijke structuur die uit beide beproefde inrichtingen werd verkregen, verschilde duidelijk in alle bestudeerde percelen, d.w.z. van bovenaf uitgedund (A), van onderaf verdund (B) en een controle zonder enig bosbouwkundig ingrijpen (C; zie tabel 2 voor meer details). Op standniveau werden vergelijkbare verschillen in LAI-waarden verkregen uit de LP 110 en de Plant Canopy Analyzer bevestigd tussen verdunde percelen met verschillende dichtheden (A vs.B) met behulp van de test van ANOVA en Tukey. Voor de Plant Canopy Analyzer werden significant hogere LAI-waarden waargenomen in het controleperceel zonder bosbouwkundige interventie dan in de verdunde (A, B). De waarden overschreden echter aanzienlijk de LAI verkregen uit de LP 110 in de controleplot. Voor de LP 110 verschilde LAI niet significant in de C- en B-behandelingen. Daarentegen werd een significant verschil in LAI-waarden tussen de C- en A-percelen gevonden. Over het algemeen nam LAI significant af na het toepassen van verdunningsbehandelingen in de bestudeerde stands. LAI schatte met behulp van de LP 110 (LaiPen LP110) duidelijker af in plot A, terwijl de LAI-waarden verkregen uit de Analyzer (LAI-2200 PCA) meer daalden in plot B. Niettemin waren deze geregistreerde verschillen gering(figuur 4).
Figuur 4: LAI-waarden geschat met behulp van de LP 110 en de Plant Canopy Analyzer optische apparaten in fijnsparenstokopstanden onder verschillende bosbouwkundige behandelingen. Voor het schatten van LAI werden 81 onder-luifelmetingen genomen in elke bestudeerde stand. A: Dunner worden van bovenaf; B: Dunner worden van onderaf; C: Controleplot. De stippen geven de gemiddelde LAI-waarde aan. De snorharen geven de standaarddeviaties weer. Verschillende letters wijzen op significante verschillen (p < 0,05) tussen de bosbouwkundige behandelingen en verschillende optische instrumenten met behulp van Tukey's Post-hoc test. Dit cijfer is gewijzigd van Černý et al.20. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
De ruimtelijke variabiliteit van de LAI-waarden wordt geïllustreerd in figuur 5 voor elke verdunningsbehandeling in zuivere fijnsparrenstokopstanden.
Figuur 5: Ruimtelijke heterogeniteit van LAI geschat met behulp van de LP 110 en de Plant Canopy Analyzer op het niveau van individuele meetpunten onder bestudeerd sparrendak. A: Dunner worden van bovenaf; B: Dunner worden van onderaf; C: Controleplot. De getallen boven de pijlen geven de zijdelingse zijdelengte en afstand van meetpunten binnen het reguliere raster aan. Dit cijfer is gewijzigd van Černý et al.20. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
De LP 110 onderschatte LAI met respectievelijk 7,4% en 10,6% in de percelen A en C. Integendeel, dit apparaat overschatte de LAI-standwaarde verkregen uit de Plant Canopy Analyzer in perceel B met 3,7%. Als de totale gemiddelden van alle LAI-waarden, ongeacht de toegepaste verdunningsbehandeling, werden berekend en vervolgens vergeleken (LP 110 vs. Plant Canopy Analyzer), onderschatte het LP 110-apparaat de LAI verkregen door de Plant Canopy Analyzer met 5,8%. Vervolgens werden voor beide instrumenten verschillen in specifieke LAI-waarden gemeten boven afzonderlijke punten die binnen het reguliere raster waren gerangschikt, berekend en deze afwijkingen werden vervolgens uitgedrukt als een percentage. Onder deze omstandigheden verschilden de LAI-waarden gemeten door de LP 110 en de Plant Canopy Analyzer sterk(tabel 1).
| Bosbouwkundige behandeling | Bosstand LAI | Relatieve verschillen (%) tussen LAI van LaiPen LP 110 in vergelijking met LAI-2200 PCA op het niveau van individuele meetpunten | |
| LaiPen LP 110 (m2 m-2) | LAI-2200 PCA (m2 m-2) | ||
| Een | 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) |
Tabel 1: Gemiddelde LAI op standniveau en LAI-verschillen uitgedrukt in % tussen de LP 110 en de Plant Canopy Analyser op het niveau van de afzonderlijke meetpunten. A: Dunner worden van bovenaf; B: Dunner worden van onderaf; C: Controleplot. Deze tabel is gewijzigd van Černý et al.20.
Voor alle LAI-gegevens gemeten op een bepaald puntniveau met behulp van de LP 110 en de Plant Canopy Analyzer, werd lineaire regressie tussen beide gebruikte apparaten uitgevoerd. De lineaire regressie van y = 0,8954x (R2 = 0,94; RMSE = 2,11438) werd gevonden voor alle LAI-gegevens van beide geteste instrumenten(figuur 6).
Figuur 6: De lineaire regressie tussen LAI-waarden afkomstig van de LP 110 en de Plant Canopy Analyzer op het niveau van individuele meetpunten in bestudeerde fijnsparrenstokstandaards. Dit cijfer is gewijzigd van Černý et al.20. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
| Geografische coördinaten | 49°29'31" N, 16°43'30" O |
| Hoogte | 610-625 m boven zeeniveau |
| Gemiddelde jaarlijkse luchttemperatuur | 6,5 °C |
| Gemiddelde jaarlijkse neerslag | 717 mm |
Tabel 2: Kenmerken van de onderzoekslocatie. Deze tabel is gewijzigd van Černý et al.20.
| Intrige | Leeftijd stand (jaren) | Standdichtheid (bomen ha-1) | Hoogte (m) | DBH (cm) | BA1.3 (m2·ha-1) | Groeibouillon (m3·ha-1) |
| Een | 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 |
Tabel 3: Dendrometrische en structurele kenmerken van de bestudeerde stands met een oppervlakte van 25 m x 25 m in 2014. In elke bestudeerde stand werden 81 metingen onder de luifel genomen binnen een regulier raster (3 m x 3 m) onder standaard bewolkte hemelen (voor meer details, volg Černý et al.20). Alle LAI-metingen zijn uitgevoerd in juli en augustus, toen de LAI-waarden het meest stabiel zijn9,38. A: Dunner worden van bovenaf; B: Dunner worden van onderaf; C: Controleperceel; DBH: steeldiameter op borsthoogte; BA1.3: het basale gebied op borsthoogte. Voor BA1.3 op standniveau werden de basale gebieden van elke boom die in de bestudeerde stand werden gepresenteerd, berekend als: BA1.3 = (∏*DBH2)/4, samengevat. Deze tabel is gewijzigd van Černý et al.20.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Wat zijn de verschillen tussen de LP 110 als nieuw gepresenteerd apparaat voor het schatten van LAI (of het uitvoeren van PAR-intensiteitsmetingen) en de LAI-2200 PCA als een verbeterde versie van de vorige standaard LAI-2000 PCA voor het schatten van LAI via een indirecte methode? Naast het feit dat de prijs ongeveer vier keer hoger is voor de Plant Canopy Analyzer in vergelijking met de LP 110, kan het aantal uitgangsparameters, meetomstandigheden, methodologische benaderingen en mogelijkheden om LAI te schatten voor verschillende luifels, nauwkeurigheid van resultaten, enz., Worden vergeleken.
Bij het vergelijken van de hardware lijkt de LP 110 gebruiksvriendelijker. De LP 110 is een lichter apparaat en vereist geen kabelverbindingen tussen de sensoren en de datalogger. Beide sensoren (d.w.z. voor LAI- en PAR-metingen; zie figuur 1)zijn geïntegreerd in het lichaam van het apparaat, waardoor de operator zich gemakkelijk door het bestudeerde ecosysteem kan bewegen (bijvoorbeeld in struiken of dichte bossen). Om de nauwkeurigheid van de afleeswaarde te garanderen, zijn een juiste sensorpositie en waardeopslag essentieel. Deze positie (in het zenit of vooraf ingestelde hoeken) wordt geïdentificeerd door een veranderende geluidsfrequentie als de sensor zich dichtbij of ver van de doelpositie bevindt. Zelfs bij het meest intensieve geluid (het volume kan worden gecorrigeerd), slaat de LP 110 die wordt vastgehouden automatisch de leeswaarde op. Daarentegen moet het vinden van de juiste sensorpositie voor de Plant Canopy Analyzer worden gedaan met een handmatig bellenniveau op een draagstok. De operator moet op de knop drukken om de afleeswaarde tegelijkertijd op te slaan terwijl het bellenniveau wordt gecontroleerd. De juiste sensorpositie gaat echter routinematig verloren bij het indrukken van de knop, wat resulteert in een verminderde nauwkeurigheid van de afleeswaarde. Omdat het visueel controleren van een bellenniveau niet nodig is voor het nemen van LP 110-metingen, is er ook de mogelijkheid om het instrument op een verlengstaaf te houden, zodat de gebruiker boven luifels van natuurlijke of kunstmatige regeneratie, hoge kruidachtige of struiklagen kan meten. In dit geval kan eenvoudig de juiste sensorpositie worden gevonden op basis van de veranderende geluidsfrequentie.
Er zijn verschillen tussen de LP 110 en de Plant Canopy Analyzer met betrekking tot de LAI-sensorconstructie, met name met betrekking tot sensorgevoeligheid en de gezichtsvelden van de sensoren (FOV). Als de LAI-sensor van de Plant Canopy Analyzer wordt blootgesteld aan open lucht, kan deze beslaan onder omstandigheden met een hoge luchtvochtigheid, die vaak in de vroege ochtend in open ruimtes voorkomen. Daarentegen is de LAI-sensor van de LP 110 mistvrij omdat deze zich in de restrictor view cup bevindt(figuur 1). Hoewel de restrictor van de LAI-sensor van de LP 110 verwijderbaar is, heeft deze een vaste FOV; de FOV van de LAI-sensor van de Plant Canopy Analyzer kan echter zowel in de azimuthal- als de zenitrichting worden gewijzigd met behulp van verschillende restrictoren (ondoorzichtige weergavekappen) en door een maskeringsprocedure te gebruiken tijdens de nabewerking van gegevens. Hoewel de FOV van de LAI-sensor van de LP110 (figuur 1)relatief smal is en niet kan worden gemanipuleerd in vergelijking met de Plant Canopy Analyzer, is de gevoeligheid van deze sensor ongeveer tien keer hoger. Deze hogere LAI-sensorgevoeligheid stelt de gebruiker in staat om met de LP 110 metingen uit te voeren onder omstandigheden met een lage instraling en ook om boven het bladerdak (referentie) metingen te doen op extreem smalle open percelen, bijvoorbeeld op smalle boswegen of lijnen. Bovendien is de verhouding tussen bovenstaande en onderluifelmetingen hoger, wat leidt tot een grotere nauwkeurigheid van de gemeten transmissie en dus een betere LAIe-schatting. Aan de andere kant is het noodzakelijk om het aantal onder-kap metingen per transect te verhogen vanwege de smalle FOV van de LAI-sensor van de LP 110.
Er zijn enkele overeenkomsten tussen de LP 110 en de Plant Canopy Analyzer, bijvoorbeeld in meetomstandigheden en in aanpassingen van de LAI-sensor zenithoekweergave (in richtingen van 0°, 16°, 32°, 48° en 64° voor de LP 110; en 7°, 23°, 38°, 53°en 68° voor de Plant Canopy Analyzer) om de hellingshoek van canopy elementen te kwantificeren. Net als de Plant Canopy Analyzer vermindert de LP 110 het effect van lichtreflectie en meet een echt lichtabsorptiedeel van het licht door gebladerte vanwege specifieke sensorgolflengte-eigenschappen. Andere op optische instrumenten zoals SunScan, AccuPAR, TRAC39of DEMON9,40 (voor meer details, zie Tabel met materialen)meten onder relatief bredere lichtintervallen, ongeacht de lichtreflectie. In de dubbele sensormodus is het mogelijk om automatische metingen uit te voeren met één sensor die gewoonlijk in een open ruimte is geplaatst om boven het bladerdak (referentie) metingen te doen in tijdsintervallen variërend van 10-360 s en 5-3.600 s voor respectievelijk de LP 110 en de Plant Canopy Analyzer, en er is de mogelijkheid om GPS-posities toe te voegen aan individuele metingen. Voor beide instrumenten is het onmogelijk om LAIe te meten: i) tijdens en onmiddellijk na regenomstandigheden, omdat natte luifelelementen, inclusief stengels, zowel de lichtreflectie als de transmissiewaarden onder de luifel verbeteren; de werkelijke LAIe wordt dus onder dergelijke omstandigheden onderschat; ii) tijdens winderige omstandigheden wanneer de elementen van de kap bewegen en de transmissiewaarden sterk variëren, ook al is de sensorpositie stabiel, en iii) tijdens onstabiele synoptische situaties wanneer de lichtomstandigheden snel veranderen. De laatste voorwaarde is niet zo beperkend voor de LP 110 vanwege de smalle FOV van de sensor. Ook moet rekening worden gehouden met een afstand van obstakels. Een geschikte sensororiëntatie vermindert echter het probleem. Voor beide apparaten is het ook mogelijk om LAIe te schatten tijdens een zonnige dag, voornamelijk dicht bij zonsopgang of zonsondergang. Behalve 's middags, wanneer directe zonnestralen de LAI-sensor kunnen binnendringen via de sleuf voor de restrictordop, is het nemen van LAIe-metingen de hele dag mogelijk; zelfs als de LAI-sensor loodrecht op de zon is gericht (relevant voor de LP 110) of de achterkant van de operator (relevant voor de Plant Canopy Analyzer). Sommige correctieprocedures die door Leblanc en Chen41 worden voorgesteld, moeten echter worden toegepast. Als de metingen boven de luifel gedurende een korte periode (ongeveer 1-2 minuten) met meer dan ±20% variëren, is het nutteloos om LAIe-metingen te blijven uitvoeren vanwege de verwachte extreem hoge LAIe-schattingsfout. Dat probleem kan worden vermeden met een nauwkeurige synchrone schatting van boven- en onderkappingsmetingen in dubbele sensormodus met behulp van twee eenheden met dezelfde nauwkeurige tijdinstelling en kalibratie. De volgende cruciale stap voor het schatten van LAIe met behulp van de LP 110 is een selectie van een geschikt open gebied voor metingen boven het bladerdak, vooral voor de modus met één sensor (de maximale tijdsvertraging tussen boven- en onderluifelmetingen, d.w.z. bosopstand en open perceel, moet 15-20 minuten zijn), waarbij de grootte van het open gebied de sensor FOV moet respecteren. Daarnaast is de LP 110 vergelijkbaar met de Plant Canopy Analyzer, niet geschikt voor het nauwkeurig schatten van LAIe in te dicht (d.w.z. LAIe op standniveau boven 7,88)23, zeer lage luifels grasland, of de transmissie onder 1%.
Alle verkregen waarden van invallend licht en lichtdoorlatendheid onder de overkapping met een tijdinvoer worden nabewerkt met behulp van specifieke software, die veel uitvoerparameters biedt, vooral met de Plant Canopy Analyzer. Integendeel, de software voor het verwerken van de gegevens verkregen uit LP 110 moet worden verbeterd om automatischer en gebruiksvriendelijker te zijn, zoals de software die relevant is voor Plant Canopy Analyzer. Bovendien is het raadzaam om de beperkingsbeker voor de LP 110 door de producent aan te passen om de sensor FOV te wijzigen of aan te passen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben niets te onthullen. De representatieve resultaten werden gebruikt uit het artikel Černý, J., Krejza, J., Pokorný, R., Bednář, P. LaiPen LP 100 - een nieuw apparaat voor het schatten van de bladoppervlakte-index van het bosecosysteem in vergelijking met de etalon: een methodologische casestudy. Tijdschrift voor Boswetenschap. 64 (11), 455-468 (2018). DOI: 10.17221/112/2018-JFS op basis van de vriendelijke toestemming van de redactieraad van journal of Forest Science.
Acknowledgments
De auteurs zijn dank verschuldigd aan de redactieraad van het Journal of Forest Science voor het aanmoedigen en autoriseren van ons om de representatieve resultaten in dit protocol uit het daar gepubliceerde artikel te gebruiken.
Het onderzoek werd financieel ondersteund door het Ministerie van Landbouw van de Tsjechische Republiek, institutionele ondersteuning MZE-RO0118, Nationaal Agentschap voor Landbouwkundig Onderzoek (Projectnr. QK21020307) en het onderzoeks- en innovatieprogramma Horizon 2020 van de Europese Unie (subsidieovereenkomst nr. 952314).
De auteurs bedanken ook drie anonieme recensenten voor hun opbouwende kritiek, die het manuscript verbeterde. Daarnaast gaat de dank uit naar Dusan Bartos, Alena Hvezdova en Tomas Petr voor het helpen met veldmetingen en Photon Systems Instruments Ltd. bedrijf voor hun samenwerking en het leveren van apparaatfoto's.
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 |
References
- Muiruri, E. W., et al. Forest diversity effects on insect herbivores: Do leaf traits matter. New Phytologist. 221 (4), 2250-2260 (2018).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Chen, J. M., Black, T. A. Defining leaf-area index for non-flat leaves. Plant, Cell and Environment. 15 (4), 421-429 (1992).
- Welles, J. M., Cohen, S. Canopy structure measurement by gap fraction analysis using commercial instrumentation. Journal of Experimental Botany. 47 (9), 1335-1342 (1996).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Pokorný, R., Šalanská, P., Janouš, D., Pavelka, M. ALAI-02D - a new instrument in forest practice. Journal of Forest Science. 47, 164-169 (2001).
- 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).
- Larcher, W. Physiological plant ecology. Ecophysiology and Stress Physiology of Functional Groups. , Springer-Verlag. Berlin Heidelberg. (2003).
- Taiz, L., Zeiger, E. Plant Physiology. 5th edition. , Sinauer Associates. Sunderland, Mass. 623 (2010).
- 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).
- 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).
- 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).
- Hirose, T. Development of the Monsi-Saeki theory on canopy structure and function. Annals of Botany. 95 (3), 483-494 (2005).
- Pierce, L., Running, S. rapid estimation of coniferous forest leaf area index using a portable integrating radiometer. Ecology. 69 (6), 1762-1767 (1988).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Photon Systems Instruments Ltd. PSI LaiPen LP 110 Manual and User Guide. , 45 (2016).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
