מדידת שדה של אינדקס אזור עלה אפקטיבי באמצעות התקן אופטי בחופת הצמחייה
29 ביולי 2021
הערכת מדד אזור עלים מהירה ומדויקת (LAI) במערכות אקולוגיות יבשתיות חיונית למגוון רחב של מחקרים אקולוגיים וכיול מוצרי חישה מרחוק. מוצג כאן הפרוטוקול לשימוש במכשיר האופטי החדש LP 110 לצילום מבוסס קרקע במדידות LAI.
פרוטוקול זה מציג את המכשיר שפותח לאחרונה LaiPen LP 110 להערכת מדד אזור עלה בשיטה אופטית עקיפה, ומשווה אותו עם מנתח החופה הצמחי הסטנדרטי LAI-2200. המכשיר החדש לוקח קריאות חופה מעל ומתחת בקלות, בשל תחושת הרגישות הגדולה יותר שלו, מד הנטיות הדיגיטלי המובנה, ורישום אוטומטי של קריאות במיקום הנכון. גם בקרת ההפעלה היא אינטואיטיבית.
המדריך נחוץ. להכנת תכנון מדידה, סקר מבנה חופה מתוכנן קצר לפני המדידה מומלץ למפעיל. התחל על-ידי הפעלת שני הכלים על-ידי החזקת מקש Set למשך שנייה אחת לפחות.
חפש הגדרות בתפריט הראשי על-ידי לחיצה חוזרת ונשנית על לחצן תפריט והגדרת התאריך והשעה הנוכחיים של שני המכשירים על-ידי הקשה על קבע, שעה, קבע. לאחר מכן, בחרו 'חזור' והחזקו את מקש Set כדי לחזור לתפריט הראשי. לאחר מכן, הגדר את שני המכשירים במצב מדידה בזווית אחת.
בחרו 'הגדרות' שמחזיקות את מקש Set והקשו על 'זוויות', 'קבע', 'יחיד' ואשרו באמצעות מקש Menu. בחרו 'חזור' והחזקו את מקש Set כדי לחזור לתפריט הראשי. לאחר כיול חיישן ה- LAI ומד הנטייה המובנה, כייל את שני התקני LP 110, מכשיר אחד ומכשיר שניים זה עם זה.
בחרו 'הגדרות' בתפריט הראשי על-ידי לחיצה על מקש Set, בחרו 'כיול LAI' ולחצו על הלחצן 'קבע'. לאחר מכן, החזק את שני ההתקנים במישור אופקי במיקום האנכי והתאם את הערך הקבוע המסומן כ- C בתצוגה על-ידי לחיצה חוזרת ונשנית על מקש Set במכשיר אחד, כדי להשיג את אותם ערכים המתוארים על מסך ההתקן במכשיר השני. לאחר מכן, לחץ על לחצן תפריט וחזור לתפריט הראשי.
חבר כלי אנכית חצובה הממוקמת בשטח פתוח או מעל החופה הנלמדת. השג הן קריאות מעל ומתחת לחופה בתנאי אור קבועים עם מעונן סטנדרטי לפני הזריחה או לאחר השקיעה, כדי למנוע קבלת ערכי הקרנה שגויים. תחילה, בחר הגדרות בתפריט הראשי ולאחר מכן בחר מרווח זמן אוטומטי תוך הקשה על מקש Set.
לאחר מכן, הקש שוב ושוב על מקש Set ולאחר מכן החזק את לחצן תפריט כדי לבחור את מרווח הזמן הנדרש לרישום אוטומטי של ערכי הפניה מ- 10 עד 600 שניות. הגדר מרווח זמן קצר יותר אם תנאי האור משתנים במהירות. הקש על מקש Menu, בחר החזר והחזק את לחצן קבע כדי לחזור לתפריט הראשי.
לאחר מכן לחץ על לחצן תפריט שוב ושוב, והחזק את מקש Set כדי בחירה מחדש של מדידה בתפריט הראשי. לאחר מכן, בחר אוטומטי LAI Ref לחיצה על מקש Set כדי לחפש את המיקום הנכון של חיישן LAI. בדוק את הצג, הטה את הכלי הן שמאלה והן ימינה, וקדימה ואחורה.
לאחר הגעה לזווית השיא שהוגדרה על-ידי צירי X ו- Z עם אפס או פחות מערך חמש, תקן את ההתקן בחוזקה במיקום הנדרש שהוזכר לעיל ולאחר מכן הקש על מקש Set. כדי להתחיל למדוד את ההקרנה המשודרת מתחת לחופת הצמחייה באמצעות מכשיר שני, בחרו 'מדידה' בתפריט הראשי. הקש על מקש Set ובחר LAI.
שמור את הכיוון של הכלי שני כמו זה של מכשיר אחד. הקש על מקש Set כדי להפעיל את המצב למדידת ההקרנה המשודרת שלנו מתחת לחופה. לחץ שוב על מקש Set כדי להשיג את הערך של הקרנה משודרת מתחת לחופה, והפעל הן את מד הנטייה המובנה והן את מחוון הקול המשמשים כדי למצוא את מיקום חיישן ה- LAI הנכון.
לאחר מכן, שמור את המכשיר בניצב לשירות הקרקע כדי להיות חיישן LAI הצביע עד השיא. בדוק את הצג, הטה את הכלי הן שמאלה והן ימינה, וקדימה ואחורה. כל קריאות החופה שמתחת נרכשות ומאוחסנות באופן אוטומטי ברגע שזווית השיא המוגדרת על ידי צירי X ו- Z מגיעה לאפס או פחות מחמש.
צליל הצפצוף נפסק. המשך בלקיחת מדידות נוספות של קרינה משודרת שנמצאת מתחת לקריאות החופה, בעקבות צעדים לקריאות קודמות מתחת לחופה שהוזכרו לעיל. לאחר לקיחת מדידות החופה שלהלן באמצעות מכשיר שני, לחץ על לחצן תפריט ועל מקש Menu שוב ושוב עד שהחזרה תיבחר לחזור לתפריט הראשי ולאחר מכן לחץ על לחצן קבע.
הנתונים נשמרים בזיכרון המכשיר לאחר כל קריאה. החזק את לחצן תפריט למשך שנייה אחת לפחות כדי לכבות את ההתקן בבטחה מבלי למחוק נתונים. עבור מנתח החופה הצמחית, ערכי LAI גבוהים משמעותית נצפו בחלקת הבקרה, ללא התערבות סילבי תרבותית בדקים.
עבור LP 110, מדד אזור העלים לא היה שונה באופן משמעותי בטיפולי C ו- B. עבור LP 110, נמצא הבדל משמעותי בערכי מדד שטח העלה בין החלקות C ו- A. בדרך כלל, מדד אזור העלים ירד באופן משמעותי לאחר החלת טיפולים דילול בתנוחה הנחקרת.
ערכי אינדקס אזור העלים המתעדים באמצעות LP 110 ומנתח חופת צמחים עבור כל טיפול דילול בעמוד אשוחית נורווגיה טהורה עומד הציג שונות מרחבית. רגרסיה ליניארית בוצעה עבור כל נתוני מדד שטח העלה שנמדדו ברמת נקודה מסוימת באמצעות LP 110 ומנתח החופה הצמחית. ודא מדידה בתנאים סינופטיים מתאימים, השתמש בשטח פתוח גדול מספיק לקריאות התייחסות, ושקף הטרוגניות מעמד ועיצוב מדידה לקריאות מתחת לחופה.
מכיוון שניתן להקליט משדרים בזוויות נטייה שונות לתצוגת חיישן, ניתן לחשב את כיוון הזווית של רכיבי החופה. אם רוחב שכבת החופה ידוע, אז צפיפות שטח העלה ניתן להסיק גם כן.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
פרוטוקול זה מציג את ה-LaiPen LP 110, מכשיר חדש להערכת מדד שטח עלה (LAI) באמצעות שיטה אופטית עקיפה. הוא משווה בין ה-LP 110 לבין ה-LAI-2200 Plant Canopy Analyzer הסטנדרטי, ומדגיש את ייתרונותיו ברגישות ובקלות השימוש.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום מדע
- אקולוגיה
- חמולת שלטון (Remote Sensing)
- פיזיולוגיה של צמחים
רקע
- מדד שטח עלה (LAI) הוא קריטי עבור מחקרים אקולוגיים.
- מדידות מדויקות של LAI משפרות את כיול מוצרי החישה מרחוק.
- מדידות in situ קרקעיות מספקות נתונים מהימנים.
- מכשיר ה-LP 110 מציע פונקציונליות משופרת בהשוואה לשיטות מסורתיות.
מטרת המחקר
- להצגת פרוטוקול לשימוש ב-LP 110 להערכת LAI.
- להדגמת היתרונות של ה-LP 110 על פני מכשירים קיימים.
- לסייע בהערכות אקולוגיות מדויקות באמצעות טכניקות מדידה משופרות.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- שימוש ב-LaiPen LP 110 למדידות LAI.
- השוואה למנתח חופת הצמחים LAI-2200.
- מדידות in situ מעל החופה ומתחתיה.
- הכנת תכנון המדידה באמצעות סקר מבנה החופה.
תוצאות עיקריות
- ה-LP 110 מספק רגישות גבוהה יותר בקריאות.
- רישום אוטומטי של הקריאות משפר את דיוק הנתונים.
- בקרים אינטואיטיביים מפשטים את תהליך המדידה.
- יעיל למדידות הן מעל והן מתחת לחופת העצים.
מסקנות
- ה-LP 110 הוא כלי בעל ערך להערכת LAI.
- הוא עולה על שיטות מסורתיות מבחינת קלות השימוש והדיוק.
- אימוץ מכשיר זה יכול לשפר את תוצאות המחקר האקולוגי.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
מדידה מדויקת של מדד שטח העלה (LAI) תומכת במידול חיזוי של תהליכים פיזיולוגיים בצמחים, כגון קליטה פוטוסינתטית ותעתוע, שהם קריטיים לחיזוי יבול חקלאי ולהערכת פריון של מערכות אקולוגיות. המכשיר האופטי LP 110 מאפשר אומדן LAI מהיר שניתן להפעלה בשטח, עם רגישות משופרת ותיעוד נתונים אוטומטי, ובכך מפחית את השונות בנתוני קרקע (ground-truth) המשמשים לכיול של מוצרי חישוש מרחוק. דבר זה משפר את מהימנות הנתונים לניטור צמחייה בקנה מידה רחב בחקלאות, ביערות ובתוכניות מו"פ סביבתיות.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביופארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: מאפשר כימות של מבנה החופה לתמיכה בסריקה פנוטיפית במערכות ביו-ייצור מבוססות צמחים.
- ערך תפעולי: מספק מדידות LAI סטנדרטיות וניתנות לשחזור, להשגת תנאי ניסוי עקביים בתאי גידול ובניסויים בשטח.
סריקה ופיתוח בדיקות
- ערך מדעי: מאפשר סריקה בשקיפות גבוהה (high-throughput screening) של גנוטיפים של צמחים על ידי קורלציה בין LAI לבין יעילות פוטוסינתטית והצטברות מסה ביולוגית.
- ערך תפעולי: תומך בסטנדרטיזציה של הבדיקה באמצעות רישום אוטומטי ומיקום מונחה מד-שיפוע (inclinometer), ובכך מצמצם שונות התלויה במפעיל.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- ערך מדעי: מקשר בין תכונות מבניות של חופת העלים לתוצאות תפקודיות, כגון התנקסות וקיבוע פחמן, במודלים של צמחים הרלוונטיים למחלות.
- ערך תפעולי: מאפשר ניטור ארוך טווח של בריאות הצמח במחקרי יעילות פרה-קליניים באמצעות הערכות LAI חוזרות ולא פולשניות.
שילוב תהליכי עבודה ומסלולי עיבוד
ה-LP 110 משתלב בתהליכי עבודה של פנוטיפיקה של צמחים, החל מהערכת גדילה מוקדמת ועד לניבוי ביומסה, ובכך הוא תומך בקבלת החלטות מבוססות נתונים בשיפור גידולים ובמסלולי ייצור של תרכובות מבוססות ביולוגיה.
- ביולוגיה של תגליות: תומך בבדיקת השערות על קשרי גנוטיפ-פנוטיפ באמצעות אספקת נתונים כמותיים על ארכיטקטורת החופה.
- סקר (Screening): מספק פלטי LAI כמותיים הניתנים לשחזור, המאפשרים השוואה של השפעות גנטיות או השפעות של טיפולים על התפתחות הצמח.
- אנליטיקה: מייצר נתוני נשלפות (transmissivity) וזווית זניט שניתן להשתמש בהם להסקת מודלים של צפיפות שטח עלים ולכידת אור.
- מחקר תרגומי: מקשר בין מדידות מבניות בשלב מוקדם לבין פנוטיפים של יבול סופי ותגובה לעקה בביולוגיה תרגומית של צמחים.
- שימוש חוזר ארגוני: משמש ככלי נייד, רב-פלטפורמי לניסויי שדה רב-אתריים ולסטנדרטיזציה של מתקני גידול.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: משפר את ביטחון הניבוי במודלים של צמיחת צמחים על ידי הפחתת אי-הוודאות במדידה של משתני חופה מרכזיים.
- ערך תפעולי: מגביר את התפוקה ומפחית את נטל ההכשרה באמצעות בקרים אינטואיטיביים ולכידת נתונים אוטומטית.
- ערך אסטרטגי: מאפשר קבלת החלטות מהירה יותר לגבי המשך התהליך (go/no-go) בבחירת זנים או גנוטיפים, באמצעות אספקת נתונים פנוטיפיים אמינים ובזמן אמת.
- השפעה על הפורטפוליו: תומך בקידום מועמדים לביו-ייצור מבוסס צמחים מותאם סיכון, באמצעות הערכה סטנדרטית של סביבת הצמיחה.
שיקולי יישום
- נדרשת הכשרה בעקרונות מדידה אופטית ובגיאומטריה של חופה (canopy) לצורך פרשנות נכונה של הנתונים.
- תלוי בתנאי תאורה עקביים (למשל, שמיים מעוננים) כדי למנוע ארטיפקטים של קרינה במהלך קריאות מתחת לחופה.
- מחייב כיול בין מכשירים שונים כדי להבטיח עקביות במדידות בין צוותי השטח.
- דורש אזורי ייחוס פתוחים לצורך קריאות בסיס, מה שמגביל את השימוש באתרים עם יערות סבוכים או חסומים.
- הביצועים עשויים להשתנות בהתאם להתקבצות העלים (clumping) ולהתפלגות זווית העלים, מה שמחייב תיקונים ספציפיים למודל לצורך הפוך (inversion) מדויק של LAI.
