利用光学装置对植被冠层有效叶面积指数进行野外测量
2021年7月29日
陆地生态系统中快速精确的叶面积指数（LAI）估计对于广泛的生态研究和校准遥感产品至关重要。这里介绍的是使用新型 LP 110 光学器件进行地面 原位 LAI 测量的协议。
该协议介绍了最近开发的用于间接光学方法估计叶面积指数的设备LaiPen LP 110，并将其与标准LAI-2200植物冠层分析仪进行比较。新设备由于其更高的灵敏度，内置的数字测斜仪以及在正确位置自动记录读数，因此可以轻松获取顶篷上方和下方的读数。此外，操作控制也很直观。
手册是必要的。对于测量设计准备，建议操作员在测量之前进行简短的计划顶篷结构调查。首先，通过按住 Set 键至少一秒钟来打开两个乐器。
通过重复按下"菜单"按钮在主菜单中找到"设置"，然后按"设置"、"时间"、"设置"来设置两种乐器的当前日期和时间。然后，选择"返回"并按住"设置"键以返回到主菜单。然后，将两个仪器设置为单角度测量模式。
按住"设置"键选择"设置"，然后按"角度"、"设置"、"单"，然后使用菜单键确认。选择返回并按住设置键返回主菜单。校准 LAI 传感器和内置测斜仪后，分别校准 LP 110 设备、仪器 1 和仪器 2。
通过按设置键在主菜单中选择设置，选择LAI校准，然后按设置按钮。接下来，将两个设备保持在水平面的垂直位置，并通过重复按仪器一上的Set键来调整显示屏上标记为C的常量值，以达到与仪器二上的设备屏幕上描述的相同值。然后，按"菜单"按钮并返回到主菜单。
将仪器垂直连接到放置在空旷区域或所研究的顶篷上方的三脚架上。在日出前或日落后标准阴云的恒定光照条件下获得上方和下方的树冠读数，以避免获得不正确的辐照度值。首先，在主菜单中选择"设置"，然后按"设置"键选择"自动间隔"。
接下来，重复按 Set 键，然后按住"菜单"按钮，选择从 10 秒到 600 秒自动记录参考值所需的间隔。如果光线条件变化迅速，则设置较短的时间间隔。按"菜单"键，选择"返回"，然后按住"设置"按钮返回主菜单。
随后反复按下"菜单"按钮，按住 Set 键以在主菜单中重新选择测量值。然后，选择"自动 LAI 引用"，按 Set 键搜索正确的 LAI 传感器位置。检查显示屏，将仪器向左和向右倾斜，向前和向后倾斜。
达到由 X 轴和 Z 轴定义的天顶角（零或小于 5）后，将设备牢固地固定在上述所需位置，然后按 Set 键。要使用仪器二开始测量植被冠层下方的透射辐照度，请在主菜单中选择测量。按设置键并选择 LAI。
将工具二的方向保持为工具一的方向。按 Set 键激活天篷下方传输辐照度测量的模式。再次按 Set 键可获取顶篷下方的透射辐照度值，并触发内置的测斜仪和声音指示器，以找到正确的 LAI 传感器位置。
然后，使设备垂直于地面服务，使LAI传感器指向天顶。检查显示屏，将仪器向左和向右倾斜，向前和向后倾斜。一旦 X 轴和 Z 轴定义的天顶角达到零或小于 5，则会自动获取并存储所有树冠下方的读数。
哔哔声停止。继续对低于冠层读数的透射辐照度进行进一步测量，并按照上述先前低于冠层读数的步骤进行操作。使用仪器二进行下面的顶篷测量后，重复按"菜单"按钮和"菜单"键，直到选择"返回"以返回到主菜单，然后按"设置"按钮。
每次读取后，数据都会保存在仪器的存储器中。按住"菜单"按钮至少一秒钟，即可在不擦除任何数据的情况下安全关闭设备。对于植物冠层分析仪，在对照图中观察到显着更高的LAI值，在薄图中没有造林干预。
对于LP 110，C和B处理的叶面积指数没有显着差异。对于 LP 110，发现 C 和 A 图之间的叶面积指数值存在显著差异。一般而言，在所研究的姿势中应用变薄处理后，叶面积指数显着降低。
使用LP 110和植物冠层分析仪记录的纯挪威云杉极地的叶面积指数值显示出空间变异性。使用LP 110和植物冠层分析仪对在特定点水平测量的所有叶面积指数数据进行线性回归。确保在合适的天气条件下进行测量，使用足够大的开放区域作为参考读数，并反映支架的异质性和测量设计，以用于下面的顶篷读数。
由于变送器可以记录在不同的传感器视图倾角下，因此可以计算出顶篷元件的角度方向。如果冠层宽度是已知的，那么叶面积密度也可以推导出来。
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概述
本方案介绍了LaiPen LP 110，这是一种利用间接光学方法估算叶面积指数（LAI）的新设备。该方案将LP 110与标准的LAI-2200植物冠层分析仪进行比较，突出了其在灵敏度和操作便捷性方面的优势。
关键研究组成部分
科学领域
- 生态学
- 遥感
- 植物生理学
背景
- 叶面积指数（LAI）对生态学研究至关重要。
- 准确的LAI测量可提高遥感产品校准的精度。
- 基于地面的原位测量可提供可靠的数据。
- LP 110设备相较于传统方法具有更优的功能。
研究目的
- 介绍使用LP 110进行叶面积指数（LAI）估算的实验方案。
- 展示LP 110相较于现有设备的优势。
- 通过改进的测量技术，促进生态评估的准确性。
使用的方法
- 使用 LaiPen LP 110 进行叶面积指数（LAI）测量。
- 与 LAI-2200 植物冠层分析仪的比较。
- 在冠层上方和下方进行原位测量。
- 通过冠层结构调查设计测量方案。
主要结果
- LP 110 在读数方面提供更高的灵敏度。
- 读数自动记录可提高数据准确性。
- 直观的控制设计简化了测量过程。
- 适用于冠层上方和下方的测量。
结论
- LP 110 是进行叶面积指数（LAI）估算的一种重要工具。
- 与传统方法相比，该设备在使用便捷性和测量准确性方面表现更优。
- 采用此设备可提升生态学研究的成果质量。
常见问题
行业重要性概述
准确的叶面积指数（LAI）测量有助于对光合作用吸收和蒸腾等植物生理过程进行预测建模，这对于农业产量预测和生态系统生产力评估至关重要。LP 110 光学设备能够快速、便捷地在野外估算 LAI，具有更高的灵敏度和自动数据记录功能，减少了用于校准遥感产品的地面实测数据的变异性。这提高了农业、林业以及环境研发项目中大范围植被监测的数据可靠性。
生物制药研发中的战略应用
早期发现与靶点验证
- 科学价值：能够量化冠层结构，以支持基于植物的生物生产系统中的表型筛选。
- 操作价值：提供标准化且可重复的叶面积指数（LAI）测量，确保在不同生长箱和田间试验中保持一致的实验条件。
筛选与检测方法开发
- 科学价值：通过将叶面积指数（LAI）与光合效率和生物量积累相关联，促进植物基因型的高通量筛选。
- 操作价值：通过自动记录和倾角仪引导定位支持检测标准化，最大限度减少操作者依赖性变异。
转化与临床前研究
- 科学价值：将结构冠层性状与疾病相关植物模型中的蒸腾作用和碳固定等功能结果关联起来。
- 操作价值：通过非破坏性、重复的叶面积指数（LAI）评估，实现对临床前药效研究中植物健康状况的长期监测。
流程与工作流整合
LP 110 可整合到植物表型分析工作流程中，从早期生长评估到生物量预测，支持作物改良和基于生物的化合物生产流程中的数据驱动决策。
- Discovery Biology：通过提供定量的冠层结构数据，支持对基因型-表型关系的假设验证。
- Screening：提供可重复的定量叶面积指数（LAI）输出结果，可用于比较遗传因素或处理措施对植物发育的影响。
- Analytics：生成透光率和天顶角数据，可用于推导叶面积密度和光截获模型。
- Translational Research：在转化植物生物学研究中，将早期结构测量结果与最终产量及胁迫响应表型相联系。
- Enterprise Reuse：作为便携式跨平台工具，适用于多地点田间试验和生长设施的标准化。
运营与企业影响
- 科学价值：通过降低关键冠层变量的测量不确定性，提高植物生长模型的预测可信度。
- 操作价值：通过直观的控制方式和自动数据采集，提高通量并减轻培训负担。
- 战略价值：通过提供及时、可靠的表型数据，加快品系或基因型筛选中的推进/终止决策。
- 项目组合影响：通过标准化生长环境评估，支持基于植物的生物生产候选对象进行风险调整后的推进。
实施注意事项
- 需要接受光学测量原理和冠层几何结构方面的培训，才能正确解读数据。
- 依赖稳定的光照条件（例如阴天），以避免冠层下测量时出现辐照度伪影。
- 需要在不同设备之间进行交叉校准，以确保不同野外团队间测量结果的一致性。
- 需要开阔的参考区域以获取基线读数，限制了其在密林或遮挡严重区域的应用。
- 冠层叶片聚集性和叶角分布可能影响仪器性能，需采用针对特定模型的校正方法以实现准确的叶面积指数（LAI）反演。
