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

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

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....

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）。

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.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
AccuPAR	METER Group, Inc., 普尔曼, 华盛顿州, 美国	AccuPaR LP-80	https://www.metergroup.com/environment/products/accupar-lp-80-leaf-area-index/
DEMON	CSIRO, 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
FluorPen	Photon 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 Europe46	https://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 110	https://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 PCA	LAI-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 13.0	https://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）。
SunScan	Delta-T Devices, Ltd., 剑桥, 英国	SS1 SunScan	https://www.delta-t.co.uk/product/sunscan
TRAC	3rd 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
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