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方法文章

利用光学仪器在植被冠层中测定有效叶面积指数的野外测量方法

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DOI：

10.3791/62802

⸱

2021年7月29日

 , 
1Forestry and Game Management Research Institute, Research Station at Opočno, 2Department of Silviculture, Faculty of Forestry and Wood Technology, Mendel University in Brno

本文内容

摘要

陆地生态系统中快速而精确的叶面积指数（LAI）估算对于广泛的生态学研究及遥感产品校准至关重要。本文介绍了使用新型LP 110光学仪器进行地面测量的实验方案 原位 LAI 测量

摘要

叶面积指数（LAI）是描述生态系统中植被叶量的一个关键冠层参数。该参数表征植物绿色部分与大气之间的界面，许多生理过程在此发生，主要包括光合作用的碳吸收、呼吸作用和蒸腾作用。LAI 也是众多涉及碳循环、水循环和能量循环模型的输入参数。此外，基于地面的 原位 测量结果可作为遥感产品获取叶面积指数（LAI）的校准方法。因此，需要简便的间接光学方法以实现精确且快速的LAI估算。本方案讨论了新型LP 110光学仪器的方法学原理、优势、争议及未来发展方向，该仪器基于植被冠层透射辐射与冠层空隙之间的关系。此外，还将该仪器与国际标准LAI-2200植物冠层分析仪进行了比较。LP 110在野外数据采集后的处理更为快速和简便，且成本低于植物冠层分析仪。由于该仪器传感器灵敏度更高，内置数字倾角仪，并能自动在正确位置记录读数，因此在冠层上方和下方测量时均具有良好的易用性。因此，手持式LP 110设备基于代表性实验结果，适用于林业、生态学、园艺学和农业中的LAI估算。此外，同一设备还可用于准确测量入射光合有效辐射（PAR）强度。

引言

树冠是众多生物、物理、化学和生态过程的发生场所。这些过程大多受到树冠结构的影响1因此，准确、快速、无损且可靠的 原位 植被冠层量化对于涉及水文学、碳和养分循环以及全球气候变化的广泛研究至关重要2,3由于叶片或针叶是大气与植被之间的一个活跃界面4，冠层结构的关键特征之一是叶面积指数（LAI）5，定义为个体单位水平地面面积或树冠投影面积上总绿色叶面积的一半，以 m 表示2 每米2 作为一个无量纲变量6,7.

已有研究介绍了多种用于估算陆地叶面积指数（LAI）的仪器和方法学途径，以及它们在不同生态系统中的优缺点8,9,10,11,12,13,14,15。LAI估算方法主要分为两类：直接法和间接法（详见参考文献8,9,10,11,12）。在森林群落中，地面LAI估算主要采用间接光学方法，因为直接测定LAI通常难以实现，但这些方法往往耗时较长、劳动强度大且具有破坏性9,10,12,16。此外，间接光学方法通过测量与LAI相关且更易获取的参数来推导LAI值（从耗时和劳动强度角度考虑）17，例如冠层上方与下方入射辐射的比值以及冠层空隙的量化指标14。显然，植物冠层分析仪也已广泛用于验证卫星反演的LAI数据18；因此，该仪器被视为LP 110比较的标准工具（有关所用仪器的更多细节，请参见材料表）。

LP 110 是最初自制简易仪器 ALAI-02D 的升级版本19 以及后续的 LP 10020，被开发为植物冠层分析仪的一个强有力竞争产品。作为间接光学方法的代表，该设备为手持式，重量轻，由电池供电，传感器与数据记录仪之间无需电缆连接，采用数字倾角仪替代气泡水平仪，可实现更快、更精确的定位与数值读取。此外，该设备设计支持即时读数，因此在野外采集数据所需的时间比使用植物冠层分析仪缩短约三分之一。读数导出至计算机后，数据即可用于后续处理。该设备记录蓝光波长范围内的辐照度（即380–490 nm）21,22 使用LAI传感器进行LAI计算。该LAI传感器被一个不透光的限流帽遮蔽 16° （Z轴）和 112° （横轴）视野图1）。因此，可使用设备在垂直于地面的方向（即天顶角）测量光的透射率 0°），或在五个不同的角度 0°, 16°, 32°, 48°，以及 64° 从而能够推断冠层元素的倾斜角度。

叶面积指数传感器与PAR光合有效辐射计；示意图显示测量角度及探头帽位置。
图1：LP 110 的物理特征。 MENU 键用于在显示屏上上下移动选项，SET 按钮相当于回车键（A）。由于侧面观测的影响，在不同倾斜角度下的天顶视角（±8°）以及水平视角在 LP 110 上均固定为 112°（B），类似于植物冠层分析仪（通过限位器改进）。 请点击此处查看该图的放大版本。

由于LAI传感器具有更高的灵敏度、受限的视场角、内置数字倾角仪，以及无需按键即可通过声音提示在正确位置自动记录读数的功能，这种新型仪器也适用于狭窄山谷甚至较宽阔的林区道路进行树冠上方测量，以获取多种天空条件下的数据。此外，该仪器能够量化相对较高更新层之上的成熟林分树冠，并且在辐射值测量精度上高于植物冠层分析仪。而且，LP 110的价格约为植物冠层分析仪的四分之一。相反，LP 110在郁闭度极高（即林分水平LAIe超过7.88）23或植被层极低（如草地）的冠层中应用受限。

LP 110 可在两种工作模式下运行：（i）单传感器模式，使用同一仪器在测量冠层下数据之前、之后或期间，分别获取冠层下的测量值和参考值（参考值位于被研究冠层上方或分析植被附近足够开阔的空地）；（ii）双传感器模式，其中第一台仪器用于获取冠层下的测量值，第二台仪器则用于在预设的固定时间间隔（从 10 至 600 秒）内自动记录参考值。LP 110 可与兼容的 GPS 设备（见材料表）配合使用，为上述两种模式下的每个冠层下测量点记录坐标。

有效叶面积指数（LAIe）24 考虑了冠层叶片聚集效应，可通过测量研究植被冠层上方和下方的太阳直射辐照度来推导25。因此，在进行以下 LAIe 计算时，需利用 LP 110 设备测得的冠层下方透射的辐照度（I）和植被上方的入射辐照度（Io）来计算透射率（t）。

t = I / I0 (1)

由于辐射强度在穿过植被冠层时呈指数级衰减，因此可依据Monsi和Saeki修正的比尔-朗伯消光定律计算有效叶面积指数（LAIe）9,26

LAIe = - ln (I / I0) × k-1 (2)，

其中，k 为消光系数。消光系数反映了在已知冠层元素倾角和观测方向的情况下，各元素在植被冠层中的形状、取向和位置9,12。k 系数（见公式 2）取决于冠层叶片对辐照度的吸收，其值因植物种类而异，取决于冠层元素的形态参数、空间排列方式以及光学特性。由于消光系数通常在 0.5 附近波动9,27，因此公式 2 可以按照 Lang 等人28 提出的方法，针对非均质和均质冠层以略有不同的方式简化表示：

在异质冠层中

LAIe = 2 × |静力平衡；ΣFx=0，MA=0；示意图；滑轮系统装置；受力平衡分析。ln t| (3)，

或

在均匀的冠层中

LAIe = 2 × |ln T| (4)，

其中，t：为各冠层下测量点的透射率，T：为所有测量点透射率的平均值 t 每次测量样线或样地的数值。

在森林林分中，由于枝条内同化器官存在聚集效应，必须对LAIe进一步校正，以获得实际的LAI值29,30,31,32,33,34。

本方案旨在介绍LP 110光学仪器在中欧针叶林分样地（参见表2和表3中的样地、结构及测树特征）中估算有效叶面积指数（LAIe）的实际应用。利用该仪器对植被冠层中的LAIe进行估算，基于一种广泛应用的光学方法，该方法与光合有效辐射的透射率及冠层空隙率相关。本文旨在提供一套利用新型LP 110光学仪器进行LAIe估算的完整操作流程。

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方案

注意：在开始进行计划的野外测量之前，请确保 LP 110 设备的电池已充分充电。使用附带的电缆将仪器（USB 接口，参见图 1）与计算机连接。电池状态显示在设备屏幕的左上角。

1. 测量前的校准

注意：对于 LP 110，在每次野外测量活动开始之前，应对叶面积指数（LAI）传感器进行暗校准，并对内置倾角计进行校准。

  1. 叶面积指数（LAI）传感器的暗校准
    1. 按住 Set 键至少 1 秒以开启仪器。
      注意：Set 键同时用作确认键（Enter 键）。
    2. 选择 Settings （使用 Menu 键可上下移动），按下 Set > Lai Cal.，再按 Set 键，然后检查叶面积指数（LAI）校准常数是否固定为 1（即 C = 1.0）；如果不是，请反复按 Set 键将常数调整至 1.0，然后返回主菜单（按 Menu | Return | Set）。
      注意：在使用单传感器模式进行叶面积指数（LAI）测量时（见第 2 节），建议所有测量均采用 1.0 的固定值。
    3. 选择 Settings ，然后按下 Set | Lai zero | Set。使用不透光的布料或手掌完全覆盖叶面积指数（LAI）传感器，以确保整个校准过程中无光线干扰。随后按下 Set 键，以保存显示屏上出现的零值。
    4. 反复按下 Menu 键，直到选中 Return 以返回主菜单，然后按下 Set 键。
  2. 倾角仪校准
    注意：每台 LP 110 设备均配备内置电子倾角仪，以确保读数时具有正确的倾斜角度。内部倾角仪必须使用水平仪进行（重新）校准。
    1. 垂直校准
      1. 若设备已关闭，请按住 Set 键至少 1 秒以开启仪器。
      2. 选择 Settings ，然后按下 Set | Vertical Cal. | Set 以激活电子倾角仪。
      3. 将设备垂直握持，并将水平仪放置于设备的侧面，与仪器对齐。
      4. 根据水平仪中的气泡，向左或向右调整设备，使 X 轴读数为零或接近零。若未达到，按下 Set 键调整读数，直至 X 轴显示为零。
      5. 将水平仪沿设备后侧放置，以完成垂直校准。
      6. 再次向左或向右倾斜设备，检查设备显示屏上 X 轴读数是否为零。
      7. 保持 X 轴为零角度位置，同时根据水平仪气泡向前或向后倾斜设备（即调整 Z 轴），并确保 X 轴角度值保持为零或接近零。
      8. 检查 Z 轴读数是否为零或接近零。若非如此，请按住 Set 键，重新校准设备，使 X 轴和 Z 轴读数均为零。
      9. 反复按下 Menu 键，直到选中 Return 以返回主菜单，然后按下 Set 键。
    2. 水平校准
      1. 选择 Settings ，然后按下 Set | Horizontal Cal. | Set 以启动电子倾角仪。
      2. 将设备水平握持，然后将水平仪沿设备后侧放置。
      3. 根据水平仪中的气泡，将设备调至水平位置。分别沿 X 轴和 Y 轴方向向左或向右、向上或向下倾斜仪器。
      4. 当两个水平仪气泡均显示正确位置后，检查 Y 轴读数是否为零或接近零。若非如此，按下 Set 键，重新校准仪器的水平位置。
      5. 反复按下 Menu 键，直到选中 Return 以返回主菜单，然后按下 Set 键。

2. 用于LAIe估算的单传感器模式

  1. 如果设备已关闭，请按下 设置 至少按下按键1 s以启动仪器。
  2. 校准 每次开展野外测量工作前，按照步骤1.1和1.2校准仪器。
    注意：如果校准已完成，请跳至步骤 2.3。
  3. 随后，设置当前日期和时间（查找 设置 通过反复按主菜单中的 菜单 键，然后按 设置 | 时间；按下 设置 按钮，然后返回主菜单（选择 返回 并握住 设置 关键）。
    注意：为精确设置时间，请将时间与相关软件中显示的计算机时间同步（使用附带的电缆将 LP 110 设备连接到计算机。打开软件，按下 设置 | 设备ID | 设备选择并按下 在线控制，时间。然后，勾选 与计算机时间同步 选项并按下 编辑).
  4. 将仪器设置为单角度测量模式 设置。按压 设置 | 角度 | 设置 | 单个 （使用以下方法确认） 菜单 键）并返回主菜单（选择 返回 并握住 设置 关键）
    1. 如果需要估算叶片倾角，请设置多角度测量模式。 设置 | 角度 | 多点 （按下 菜单 按钮）并返回主菜单（选择 返回 并握住 设置 关键）。
  5. 如果需要记录测量位置的信息，请打开相应的GPS设备（详见下文的详细说明以及 材料表）；若否，则跳至步骤 2.6。
    1. 检查设备的时间是否与计算机一致。
      注意：必须正确设置时间，以反映研究地点所在时区的时间。
    2. 打开GPS设备，等待片刻，直到找到当前位置。在GPS设备的显示屏上检查位置。
      注意：精度取决于所研究植被冠层的密度。
    3. 进行所有野外测量时，需同时携带LP 110和GPS设备。
    4. 完成所有野外测量后，将两个设备连接到计算机，在相应软件中下载并处理数据（参见 材料表）根据 LP 110 手册和用户指南中的操作说明部分35.
  6. 在开阔区域或所测植被上方（即冠层上方读数）进行参考测量。在晴天条件下，防止光线直接进入视场限制杯（参见 图1).
    注意：在单传感器测量模式下，应在标准阴天、日出前或日落后光照条件稳定的条件下，分别进行冠层上方和冠层下方的测量图2以避免获得不正确的辐照度值。

阴天条件下森林冠层对比示意图，突出显示树木密度和冠层结构。
图2：使用LP 110进行LAIe测量的最佳天气条件。 使用LP 110时的最佳天气条件为均匀阴天，无直射太阳辐射（A），或在日出前或日落后进行测量（B）。 请点击此处查看此图的放大版本。

  1. 在主菜单中选择测量（按下设置键），然后选择Lai 参考。按下设置键后，参考测量模式将被激活。
    注意：当前的辐照度值会显示在屏幕上。此值尚未存储在设备的内部存储器中（此时已触发测量模式）。
  2. 随后再次按下设置键，以开始搜索正确的LAI传感器位置（即天顶角0°），并同时激活内置倾角计和声音指示器。
    注意：X轴和Z轴上LAI传感器的当前位置将同时显示在屏幕上。
  3. 之后，将设备垂直于地面持稳，并确保LAI传感器朝上指向天顶方向。
    注意：当接近正确的天顶角时，声音指示器的音量会逐渐增大。
  4. 观察显示屏，将仪器向左、右、前、后轻微倾斜。当X轴和Z轴定义的天顶角均达到零或小于5时，参考值将被自动获取并立即存储（蜂鸣声停止）。
    注意：由于必须在非常狭窄的范围内（即毫米级）达到正确位置，此步骤可能较为繁琐。
  1. 完成参考测量后，按 Menu 键返回测量菜单。然后开始测量冠层下方的透射辐照度水平。
    1. 确定冠层下方读数的测量位置，并使用设备的LAI传感器开始测量光透射值。
      注：Černý 等人36 和 Fleck 等人37 已详细描述了不同冠层结构中LAIe野外测量的模式。
    2. 在测量菜单中选择 Lai ，然后按 Set 键，以激活冠层下方透射辐照度测量模式。
      注：当前辐照度值将显示在屏幕上。此值尚未存储在设备的内部存储器中（此时已触发测量模式）。
    3. 再次按下 Set 键以记录冠层下方的读数。内置倾角计和声音指示器将被触发，以确保LAI传感器处于正确位置（即天顶角为0°）。
      注：同时，LAI传感器在X轴和Z轴上的当前位置将同时显示在屏幕上。
    4. 随后，将设备垂直于地面持稳，并确保LAI传感器朝上指向天顶。
      注：当接近正确的天顶角时，声音指示器的音量会逐渐增大。
    5. 查看屏幕显示，将仪器向左、向右以及向前、向后轻微倾斜。当X轴和Z轴定义的天顶角均达到零或小于5时，所有冠层下方读数将自动获取并立即存储（蜂鸣声停止）。
      注：由于必须在非常狭窄的范围内（毫米级）达到正确位置，此步骤可能较为繁琐。
  2. 按照步骤2.7.3–2.7.5继续进行植被冠层下方透射辐照度的更多测量。
    注：在冠层下方测量过程中，也可随时进行参考读数。例如，在完成每条样线后，按下 Menu 按钮，选择 Lai Ref（按住 Set 键），然后按照步骤2.6.2–2.6.4继续操作。在冠层下方测量期间获取的冠层上方读数越多，参考计算的准确性越高。
  3. 在完成冠层下方测量后（按下 Menu 按钮，选择 Lai Ref 并按住 Set 键），立即在开阔区域测量辐照度，以获取最终参考值，操作步骤参照2.6.2至2.6.4。
  4. 反复按下 Menu 键，直到选中 Return 以返回主菜单，然后按下 Set 按钮。
  5. 每次测量后，数据将存储在设备的内部存储器中。按住 Menu 按钮至少1秒，以安全关闭设备，且不丢失任何数据。
  6. 将仪器连接至计算机，下载并处理数据。第4节中描述了一个野外测量及LAIe计算的示例。

3. 用于估算LAIe的双传感器模式

  1. 长按 设置 键至少 1 秒，以开启两台仪器。
    注意：仪器_1 和仪器_2 分别用于冠层上方（参考）和冠层下方的测量。在双传感器测量模式下，一台设备（仪器_1）安装在开阔区域的三脚架上（或安装在冠层上方的气象桅杆顶部），而另一台设备（仪器_2）用于测量透过冠层的辐射通量。仪器_1 会以预设的时间间隔（从 10 秒到 600 秒）自动记录参考信号。该方法可收集大量参考数据，从而在计算单个冠层下方测量值的参考值时提高准确性。
  2. 设置两台仪器的当前日期和时间（通过反复按下 菜单 按钮，在主菜单中找到 设置 。然后按下 设置 | 时间 | 设置。返回主菜单（选择 返回 并长按 设置 键）。
    注意：为精确设置时间，请将仪器时间与计算机显示的时间同步（使用附带的电缆将设备连接至计算机。打开软件，然后按下 设置 | 设备 ID | 设备。接着选择并按下 在线控制 | 时间。勾选 与计算机时间同步 选项，然后按下 编辑）。
  3. 随后，将两台仪器均设置为单角度测量模式。选择 设置 （长按 设置 键）| 角度 | 设置 | 单角度（使用 菜单 键确认）。返回主菜单（选择 返回 并长按 设置 键）。
    1. 如果需要估算研究植被冠层内叶片的倾角，请将仪器_2（冠层下方测量）设置为多角度测量模式。选择 设置（按下 设置 键）| 角度（按下 设置 按钮）。接着选择 多角度（使用 菜单 键确认），然后返回主菜单（选择 返回 并长按 设置 键）。
  4. 如果需要记录冠层下方测量点的位置信息，请开启相应的 GPS 设备（详见下文说明及 材料表）；否则，跳至步骤 3.5。
    1. 确保用于冠层下方测量的设备（仪器_2）显示的时间与计算机一致。
      注意：必须正确设置时间以反映研究地点所在时区。
    2. 开启 GPS 设备，并等待片刻直至确定当前位置。检查 GPS 设备上显示的位置。
      注意：定位精度取决于所研究植被冠层的密度。
    3. 进行所有野外测量时，随身携带用于冠层下方测量的 LP 110（仪器_2）和 GPS 设备。
    4. 完成所有野外测量后，将两台设备（仪器_2 和 GPS 设备）连接至计算机。根据 LP 110 手册和用户指南中的操作说明部分，在相应软件中下载并处理数据（参见 材料表）35。
  5. 每次野外测量开始前，根据第 1.1 和 1.2 节对两台仪器进行校准。
    注意：若已完成校准，则跳至步骤 3.5.1。
    1. 在完成叶面积指数传感器和内置倾角仪的校准后，需对两台 LP 110 设备（仪器_1 和仪器_2）进行相互校准。
      1. 对于两台设备，均在主菜单中选择 设置 （按下 设置 键），然后选择 叶面积指数校准（按下 设置 按钮）。接着将两台设备垂直保持在水平面内，并通过反复按下仪器_1（参考测量）上的 设置 键来调整常数（显示中标记为 C），使仪器_1 的读数与仪器_2 屏幕上显示的数值一致。然后按下 菜单 按钮并返回主菜单（选择 返回 并长按 设置 键）。
  6. 在晴天条件下，进行所有冠层上方测量时，应防止直射阳光进入视场限制杯（参见 图 1）。
    注意：在双传感器测量模式下，应在光照条件稳定的阴天、日出前或日落后进行冠层上方和冠层下方的测量（参见 图 2），以避免获得不准确的辐照度值。
  7. 将仪器_1 垂直固定在开阔区域的三脚架上，或固定在研究冠层上方（例如，气象桅杆顶部）。
    注意：该设备将持续记录参考值（即冠层上方读数）。
    1. 首先，在主菜单中选择 设置 （按下 设置 键），然后选择 自动间隔（再次按下 设置 键）。接着反复按下 设置 键，然后长按 菜单 按钮，以选择自动记录参考值所需的时间间隔（从 10 秒到 600 秒）。
      注意：若光照条件变化迅速，应设置较短的时间间隔以自动记录参考读数，从而提高测量准确性。
    2. 按下 菜单 键，选择 返回，并长按 设置 按钮返回主菜单。
    3. 随后，反复按下 菜单 按钮（长按 设置 键）以在主菜单中选择 测量 。然后选择 自动叶面积指数参考（按下 设置 键），以开始搜索正确的叶面积指数传感器位置（即天顶角为 0°）。
      注意：当前辐照度值将显示在屏幕上。此值尚未存储在设备的内部存储器中（此时仅触发了测量模式）。
    4. 查看屏幕，将仪器向左、右、前、后倾斜。当 X 轴和 Z 轴定义的天顶角达到零或小于 5（即 X 轴和 Z 轴均低于 5）时，将设备牢固地固定在上述所需位置，然后按下 设置 键。
      注意：从此时起，参考值（即冠层上方读数）将以预设时间间隔自动记录并存储（每次读数均伴有蜂鸣声）。避免仪器_1 的位置发生任何偏移，否则参考测量将被中断。由于正确位置必须在极小的范围内（毫米级）实现，此步骤可能较为繁琐。
  8. 随后，使用仪器_2 开始测量植被冠层下方的透射辐照度（即冠层下方读数）。
    注意：在所有冠层下方测量过程中，应保持叶面积指数传感器视场方向（仪器_2）与参考测量的叶面积指数传感器（仪器_1）方向一致，例如，垂直朝向北方。
    1. 确定冠层下方测量点的位置，并使用设备的叶面积指数传感器开始测量透光率值。
      注意：不同冠层结构中叶面积指数有效值（LAIe）野外测量的方法在 Černý 等36 和 Fleck 等37 的研究中有详细描述。
    2. 在主菜单中选择 测量（按下 设置 键），然后选择 叶面积指数。按下 设置 键以激活冠层下方透射辐照度测量模式。
      注意：当前辐照度值将显示在屏幕上。此值尚未存储在设备的内部存储器中（此时仅触发了测量模式）。
    3. 再次按下 设置 键，以获取冠层下方的透射辐照度值，并同时触发内置倾角仪和声音指示器，用于确定正确的叶面积指数传感器位置（即天顶角为 0°）。
      注意：此时，叶面积指数传感器在 X 轴和 Z 轴上的当前位置将同时显示在屏幕上。
    4. 然后，将设备保持与地面垂直，使叶面积指数传感器朝向天顶。
      注意：当接近正确的天顶角时，声音指示器的音调会逐渐升高。
    5. 查看屏幕，将仪器向左、右、前、后倾斜。一旦由 X 轴和 Z 轴定义的天顶角达到零或小于 5（蜂鸣声停止），冠层下方的所有读数将自动获取并立即存储。
      注意：由于正确位置必须在极小的范围内（毫米级）实现，此步骤可能较为繁琐。
  9. 继续按照步骤 3.8.3 至 3.8.5 进行后续透射辐照度测量（即冠层下方读数）。
  10. 完成冠层下方测量（仪器_2）后，反复按下 菜单 按钮和 菜单 键，直至选择 返回 以返回主菜单，然后按下 设置 按钮。
    注意：完成所有参考测量（仪器_1）后，采用与仪器_2 相同的操作方式。
  11. 每次测量后，数据将自动保存在仪器内存中。长按 菜单 按钮至少 1 秒，以安全关闭设备，且不丢失任何数据。
  12. 将仪器连接至计算机，下载并处理数据。第 4 节中描述了野外测量及叶面积指数有效值（LAIe）计算的示例。

4. 实例：野外测量与LAIe计算

  1. 确定进行冠层下测量的测量点。以样线（或规则网格）形式布置测量布局，各测量点间距相等，以捕捉因不同大小林隙导致的植被冠层异质性。
    注意：对于成行种植且冠层均一的植被，适用的样线布局如图3所示。有关测量布局的更多细节，请参考 Černý 等人36 和 Fleck 等人37 的研究。

显示样带 I-IV 和行 1-10 的生态采样网格示意图，用于生物多样性分析。
图 3：用于估算均一植被覆盖下有效叶面积指数（LAIe）的样带布局。样带 I-IV：样带编号；Χ：用于获取冠层下方读数的测量点。前十个位置已标注（1Χ–10Χ）。样带必须垂直于植物行的方向布设。请点击此处查看该图的放大版本。

  1. 根据第2节或第3节所述，使用单传感器模式或双传感器模式分别进行冠层上方和冠层下方的测量。
  2. 完成所有野外测量后，将用于单传感器或双传感器模式的LP 110设备中的数据下载至计算机，以估算LAIe。
    注意：在双传感器模式下，需对两台仪器（即Instrument_1和Instrument_2）均执行以下步骤。
    1. 通过附带的电缆将仪器连接至计算机。
      注意：在双传感器模式下，应首先连接用于获取参考测量值（即冠层上方读数）的设备。
    2. 打开相应的软件（参见材料表），点击主菜单中的Setup键，然后选择并点击Device ID。
      注意：Device: LaiPen将显示在屏幕左下角。
    3. 点击Device按钮，随后点击Download。
      注意：软件还允许用户在左下角显示的名为Notes的表格中填写备注。软件会根据测量时间自动将冠层上方读数与每个冠层下方（透射率）读数进行匹配。
    4. 在主菜单中点击File图标，选择并点击Export。然后勾选ALAI并点击OK以导出数据。
      注意：在导出的文件（txt.、xls.）中，冠层上方和冠层下方的读数（透射辐射）分别标记为Ref. Intensity和transmittance。
  3. 根据公式1计算样线（或网格）内每个测量点的透射率（t）值：t = I / Io（冠层下方透射的辐照度除以植被上方的入射辐照度），得到t1、t2、...、tn，其中n为冠层下方测量点的数量。
  4. 计算所研究植被冠层的平均透射率（T），例如在第一条样线中（T1）：T1 = (t1 + t2 + ... + tn) / n，其中n为第一条样线内冠层下方测量点的数量。
    注意：若在多个样线中进行了测量，则以相同方式处理所有样线（T2、T3和T4）。
  5. 由于辐射强度在穿过所研究冠层时呈指数衰减，因此应根据修正的比尔-朗伯消光定律（见公式2）计算LAIe。
    1. 首先，求所研究植被冠层平均透射率值（T）的对数，例如在第一条样线中（T_I）：T_I = - ln T1。
      注意：若在多个样线中进行了测量，则以相同方式处理所有样线（即T_II = - ln T2；T_III = - ln T3；T_IV = - ln T4）。
      1. 计算所有独立样线的平均透射率值（T）：T = [(- ln T_I) + (- ln T_II) + (- ln T_III) + (- ln T_IV)] / 4。
    2. 随后，根据公式2，使用针对每种植物物种指定的消光系数计算最终的LAIe值。
      注意：主要树种的消光系数列于Bréda9中。在林分中，由于枝条内同化器官存在聚集效应，必须对LAIe进行校正29,30,31,32,33,34，以获得实际的LAI值。

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结果

两种测试设备在所有研究样地（即上层疏伐（A）、下层疏伐（B）以及未进行任何森林抚育干预的对照样地（C））中获得的空间结构明显不同（详见表2）。在林分尺度上，通过ANOVA和Tukey检验确认了LP 110与植物冠层分析仪在不同疏伐密度样地（A与B）之间测得的叶面积指数（LAI）存在类似差异。对于植物冠层分析仪，未进行森林抚育干预的对照样地（C）中的LAI值显著高于经过疏伐处理的样地（A、B）。然而，该仪器在对照样地测得的LAI值显著高于LP 110所测得的值。而对于LP 110，C和B处理之间的LAI值无显著差异；相反，在C和A样地之间发现了LAI值的显著差异。总体而言，在所研究的林分中，实施疏伐处理后LAI显著降低。使用LP 110（LaiPen LP110）估算的LAI在样地A中下降更为明显，而使用分析仪（LAI-2200 PCA）测得的LAI在样地B中下降更多。然而，这些记录到的差异程度较小（图4）。

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讨论

作为一种新推出的用于估算叶面积指数（LAI）或测量光合有效辐射（PAR）强度的设备，LP 110 与作为前代标准 LAI-2000 PCA 改进版本的 LAI-2200 PCA 之间存在哪些差异？除了植物冠层分析仪的价格约为 LP 110 的四倍之外，还可从输出参数数量、测量条件、方法学途径、针对不同类型冠层估算 LAI 的能力、结果准确性等方面进行比较。

在比较硬件时，LP 110 似乎更易于使用。LP 110 是一种重量较轻的设备，传感器与数据记录仪之间无需任何电缆连接。两个传感器（即用于叶面积指数（LAI）和光合有效辐射（PAR）测量的传感器；见图1）均集成在设备本体内，使操作者能够在所研究的生态系统中（例如灌木丛或密林中）轻松移动。为确保读数的准确性，正确的传感器位置和数值存储至关重要。当传感器接近或远离目标位置时，设备会通过变化的音调频率提示当前位置（无论是天顶方向还是预设角度）。即使在最响亮的提示音下（音量可调节），LP 110 也会自动保存读数。相反，使用植物冠层分析仪时，必须依靠手持杆上的手动气泡水平仪来确...

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披露

作者无任何利益冲突需要披露。代表性结果来自文章 Černý, J., Krejza, J., Pokorný, R., Bednář, P. LaiPen LP 100 - 一种用于估算森林生态系统叶面积指数的新设备与标准方法的比较：一项方法学案例研究。森林科学杂志。64 (11), 455-468 (2018)。DOI: 10.17221/112/2018-JFS，经《森林科学杂志》编辑委员会许可使用。

致谢

作者感谢《森林科学杂志》编辑委员会鼓励并授权我们使用该杂志已发表文章中本方案的代表性结果。

本研究由捷克共和国农业部提供经费支持，项目编号为MZE-RO0118，国家农业研究局（项目编号：QK21020307）以及欧盟“地平线2020”研究与创新计划（资助协议编号：952314）。

作者还衷心感谢三位匿名审稿人提出的建设性意见，这些意见改进了本文手稿。此外，感谢Dusan Bartos、Alena Hvezdova和Tomas Petr在野外测量方面的协助，以及Photon Systems Instruments Ltd.公司提供的合作和设备照片。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
AccuPARMETER Group, Inc., 普尔曼, 华盛顿州, 美国AccuPaR LP-80https://www.metergroup.com/environment/products/accupar-lp-80-leaf-area-index/
DEMONCSIRO, 澳大利亚堪培拉DEMON
文件查看器LI-COR Biosciences Inc., 内布拉斯加州, 美国FV2200C 软件https://www.licor.com/env/products/leaf_area/LAI-2200C/software.html
FluorPenPhoton System Instruments Ltd. (PSI), 捷克共和国FluorPen 1.1.2.3 软件https://handheld.psi.cz/products/laipen/#download
手持式 GPS 设备Garmin Ltd., 捷克共和国Garmin eTrex 32x Europe46https://www.garmin.cz/garmin-etrex-32x-europe46/80117
用于叶面积指数估算的手持设备（LP 110）Photon System Instruments Ltd. (PSI) 捷克共和国LaiPen LP 110https://handheld.psi.cz/products/laipen/#info
植物冠层分析仪LI-COR Biosciences Inc., 内布拉斯加州, 美国LAI-2000 PCALAI-2200 PCA 或 LAI-2200C 可作为 LAI-2000 PCA 的改进版本使用，详见：https://www.licor.com/env/products/leaf_area/LAI-2200C/
统计分析软件Systat Software Inc., 加利福尼亚州, 美国SigmaPlot 13.0https://systatsoftware.com/products/sigmaplot/sigmaplot-version-13/?gclid=Cj0KCQjwzYGGBhCTARIs
AHdMTQzgfb42vv0mWmcbVcflNO
UvrLl802Lrhkfh23Qie2mIZfw4O8kp
7p0aAsoiEALw_wcB
统计分析软件StatSoft Inc., 俄克拉荷马州, 美国STATISTICA 10.0为实现叶面积指数（LAI）的可视化，采用了 STATISTICA 10.0 中的晶圆图（wafer-plots）。
SunScanDelta-T Devices, Ltd., 剑桥, 英国SS1 SunScanhttps://www.delta-t.co.uk/product/sunscan
TRAC3rd Wave Engineering, 安大略省加拿大冠层辐射与结构追踪系统http://faculty.geog.utoronto.ca/Chen/Chen's%20homepage/res_trac.htm
三脚架任意品牌NA带标准螺母的三脚架
水平仪任意品牌NA

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光学测量叶面积指数估算植物冠层分析仪间接光学方法冠层结构调查光合有效辐射冠层空隙率野外叶面积指数测量
利用光学仪器在植被冠层中测定有效叶面积指数的野外测量方法
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