Name: 純粋な落葉スタンドにおける3つの異なる方法を用いてリーフエリア指数推定 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-08-29T13:00:00.000+00:00
Duration: 9 s
Description: 学ぶ 落葉トラップ、針法、PCAを用いた葉面積指数推定法。植物生態系の物質・エネルギー流動を理解するための正確で簡便な測定手法を解説し、研究者が容易に実装できる視覚的デモンストレーションを提供する。

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私たちは、林業研究ジャーナルの編集委員会に対し、このプロトコルの代表的な結果を使用することを奨励し、承認し、そこに掲載された記事からお世話になりました。また、2人の匿名のレビュアーの貴重なコメントに感謝します。研究は、チェコ共和国の農業省、機関支援MZE-RO0118と農業研究の国家機関(プロジェクトNo.QK1810126)。

著者は何も開示していない。代表的な結果は、ヨーロッパのブナとシカモアメープルスタンドの直接、準直接、間接法によって推定された記事チェルニーJ、ハニネックP、ポコルニーR(2018)リーフエリア指数から使用されました。森林研究のジャーナル.doi: 10.1007/s11676-018-0809-0 (オンライン版) 林業研究ジャーナル編集委員会の親切な許可に基づいて.

リッタートラップは、LAI推定8を実行するための最も正確な方法の一つとみなされますが、このプロトコルに組み込まれた間接方法35、64よりも労働集約的で時間がかかります。ごみトラップを使用したLAI推定手順全体では、SLAは植物種65、日付と年、トラップの時間の長さ、天候66、およびサイトによって異なる可能性があるため、SLAの正確な推定は最も重要なポイント10です。不妊67 .ゴミトラップは通常基準レベルと見なされ、間接方法38、49のキャリブレーションツールと見なされますが、風の流れ、数、および間接トラップを使用したLAI推定の可能性のある不一致が発生する可能性があり...

LAIは、水平地表面積1の単位当たりの総葉面面積の半分として定義され、炭素および水流束2、3に焦点を当てた多くの生物地球物理学および化学的交流モデルで使用される重要な変数である。4.LAIは、一次生産(光合成)、蒸散、エネルギー交換、および植物の生態系プロセスの範囲に関連するその他の生理学的属性を駆動する葉の活性表面に直接比例しています。コミュニティ5.
LAI推定を行うための多数のアプローチと機器が開発され、現在市場で6、7、8、9で利用可能です。LAI 推定を実行するための地上ベースの方法は、(i) 直接、および (ii) 間接メソッド10、11、12の 2 つの主要なカテゴリに分類できます。最初のグループは葉面積を直接測定する方法を含み、間接的な方法は、放射伝達理論(時間、労働集約性、および技術の観点から)を使用して、より容易に測定可能なパラメータの測定からLAIを推論する13 、14.
このプロトコルは、非破壊的な半直接方法10として、ゴミトラップと針技術の実用化を扱います。中央ヨーロッパの温帯落葉林から選択したサンプルに対してLAI推定を行うための間接方法6、7としての光学デバイス植物キャノピーアナライザ(その構造および樹状特性を参照してください。付録Aと付録B)。
落葉樹林および作物において、キャノピー層15の下に分布するゴミトラップ11を用いて非破壊半直接LAI推定を行うことができる。ごみトラップは、LAIが成長期内に高原に到達する落葉種の正確なLAI値を提供します。しかし、ポプラのような成長期に葉を置き換えることができる種については、この方法はLAI11を過大評価する。この方法は、トラップの内容物が、特に秋の間に、スタンド16の葉の落下期間中に落ちる葉の平均量を表すと仮定します。トラップは、所定の十分なサイズ(最小0.18m2、好ましくは0.25m2以上)10、17、風が葉を吹き飛ばすことを防ぐ、所定の十分なサイズで開いた箱またはネット(図1)である。トラップ、および葉の分解を避ける穴がたれた底を持つ。これは、研究されたスタンドの天蓋層の下に位置していますが、地上11の上にあります。トラップの分布は、トランセクト19または通常の間隔グリッド20でランダム18または系統的のいずれかであり続けることができる。トラップの数と分布は、ユニークなスタンド構造、空間均質性、予想される風速と方向、特にまばらなスタンド(または路地と路地)を反映して正確なLAI推定を行うための重要な方法論的ステップです。果樹園)、およびデータを評価するための作業能力。LAI推定の精度は、研究範囲内のトラップの上昇頻度に伴って増加します11,21 (図 2参照)。
各トラップからごみ落下のサンプルを収集する推奨頻度は、少なくとも毎月10回、さらには大雨と一致する可能性のある激しい秋の期間に週に2回です。化学分析の場合、雨エピソード中にトラップ内のゴミの分解や材料からの栄養素の浸出を防ぐ必要があります。畑で葉を採取した後、混合サブサンプルは、特定の葉面積(SLA、cm2 g-1)22を推定するために使用され、その乾燥質量重量比に葉の新鮮な投影面積として定義される。収集されたゴミの残りの部分は一定の重量に乾燥し、実験室でg cm-2としてごみの乾燥質量を計算するために使用されます。各回収日の葉乾燥質量は、収集したバイオマスを領域当たりのSLAまたは葉乾燥質量(LMA、g cm-2)でSLA23,24に逆パラメータとして乗算して葉面積に変換する。特定の葉の新鮮な投影面積は、平面的アプローチを使用して決定することができます。平面法は、特定のリーフの面積と水平面のリーフで覆われた領域との間の依存関係に基づいています。リーフはスキャン画面に水平に固定され、その平均はリーフエリアメーターを使用して測定されます。次に、その面積が計算されます。異なった測定の原則に基づく多くの葉の区域メートルは市場で利用できる。その中には、直交投影法を用いたLI-3000Cポータブルリーフエリアメーターや、蛍光光源と半導式走査カメラを用いて葉の平均を測定するLI-3100Cエリアメーターなどがあります。次の装置、CI-202ポータブルレーザーリーフエリアメーターは、コードリーダーを使用して葉の長さをコードします。それに加えて、AM350およびBSLM101の携帯葉区域メートルはまた正確な葉区域の推定を行う場合に一般的に使用される。
さらに、映像を解析するシステムに基づくリーフエリアメーターが存在します。これらのリーフエリアメーターは、ビデオカメラ、デジタル化フレーム、画面、およびPCから構成され、WD3 WinDIASリーフ画像解析システム11などのデータ解析を行うための適切なソフトウェアを含む。現在、PCに接続された従来のスキャナは、葉面積の推定に使用することができる。その後、リーフ領域は黒ピクセル数の倍数として計算され、そのサイズは選択した解像度(1インチあたりのドット – dpi)に依存するか、リーフ領域は特定のソフトウェア(例えばWinFOLIA)を通じて測定されます。最後に、既知の地表面積内で収集された葉の総乾燥質量は、SLAと収縮係数25を乗算してLAIに変換され、新鮮な葉と乾燥した葉の領域の変化を反映します。収縮は、樹種、水分含有量、葉の柔らかさに依存します。長さと幅の葉の収縮(投影面積に影響するもの)は、通常、10%26までであり、例えば、オーク27の場合は2.6から6.8%の範囲である。合計LAI28に対する各種の寄与度を決定するためには、特定の葉面積比を計量し確立するための種別の葉の選別が必要である。
針技術によるLAI判定は、傾斜点四分円法29、30、31、32に由来する安価な方法である。落葉スタンドでは、完全な葉の落下20の後に土壌表面に集められたものと同じ総葉数とその面積が等しいという仮定に基づいて、トラップ10を使用せずにLAI推定を行うための代替手段です。 .薄い鋭い針は、葉が落ちる10の直後に地面に横たわっているゴミに垂直に突き刺される。完全な葉の落下の後、葉は、垂直プローブの針に地面から収集され、接触番号に関連し、実際のLAI値と等しい。針技術による集中的なサンプリング(フィールドプローブあたり100〜300サンプリングポイント)は、平均接触数を定量化し、LAI値を正しく10、20、33導き出すために必要とされます。
植物キャノピーアナライザ(例えば、LAI-2000またはLAI-2200 PCA)は、天蓋全体の光透過の測定を取ることによって間接的なLAI推定を行うための一般的に使用されるポータブル機器です。7光スペクトルのフィルタリングされた青色部分内(320-490 nm)34,35葉を通過した光の寄与を最小限に抑えるために、天蓋によって散乱され、葉を通り抜けている7,34.光スペクトルの青い部分では、葉と空の最大コントラストが達成され、葉は空に対して黒く見えます34.したがって、キャノピーギャップ分率分析に基づいています。7.この器具は、作物などの植物コミュニティにおける生態生理学的研究に広く使用されている。36草原37、コンフィラススタンド8、および落葉樹のスタンド38.植物の天蓋の検光子は148°のFOVが付いている魚眼光学センサーを使用する35キャノピーの半球画像をシリコン検出器に投影し、それらを5つの同心円状リングに配置する397°、23°、38°、53°および68°の中央天頂角で9,40,41.5つのビューキャップ(すなわち。,270°、180°、90°、45°、10°)を使用して、光学センサーの方位角図を制限できます。27オープンエリア(上記参照読み取り用)またはLAI推定中のセンサーのFOVのオペレータによるシェーディングを避けるために、FOVセンサーを上の天蓋の読み取りのために開いた領域に調整することができます。植物の天蓋の検光子を使用した測定は、研究された天蓋の上(または十分に拡張されたオープンエリア)と下で行われる7.ギャップ分率推定のバイアスを避けるために、上下の読み取り値の両方に同じビューキャップを使用する必要があります。34.LAI-2000 PCAは、Chenらによって導入された効果的なリーフエリア指数(LAIe)を生成します。42、またはむしろ木質要素として有効な植物面積指数(PAIe)がセンサ読み取り値に含まれる。平らな葉を持つ落葉の立場では、LAIeはヘミ表面LAIと同じである。常緑林の場合、LAIeは撮影レベルでの凝集効果を修正する必要があります(SPAR,STAR)43、撮影よりも大きいスケールでの束指数(ΩE)44、茎や枝を含む木質要素の寄与(すなわち。,木質対総面積比)45体系的なLAI過小評価を引き起こす20.シュートまたはリーフよりも高い空間スケールの束指数は、見かけの集まり指数(ACF)として定量化することができ、より制限的なビューキャップを使用する場合に植物天蓋アナライザを使用して推定することができます。27.これらの著者は、このACFは、Langによると均質で非均質な天蓋のための異なる手順によって透過率から計算されたLAI値の比率から推測されると述べています46、この束指数は、むしろ天蓋均質性を記述していると推測する。ACFの計算に加えて、気象条件に関してLAI-2200 PCAのより広範な適用を可能にする新しいディフューザーキャップ、Fctコードの代わりにユーザーメニュー、およびファイルセッションごとにより多くの測定を行う可能性がメインの一つです以前のLAI-2000 PCAと比較される技術のアップグレード34,47.測定およびその後の内部ソフトウェアの計算は、4つの仮定に基づいています:(1)葉、枝、茎を含む光遮断植物要素は、天蓋内にランダムに分布し、(2)葉は、すべての光学的に黒い体です。受け取る光、(3)すべての植物要素は、単純な幾何学的凸形状と同じ地表に対する投影であり、(4)植物要素は、各リングで覆われた面積に比べて小さい11.

<table><tbody><tr><td>Area Meter</td><td>LI-COR Biosciences Inc., NE, USA</td><td>LI-3100C</td><td>https://www.licor.com/env/products/leaf_area/LI-3100C/</td></tr> <tr><td>Computer Image Analysis System</td><td>Regent Instruments Inc., CA</td><td>WinFOLIA</td><td></td></tr><tr><td>http://www.regentinstruments.com/assets/images_winfolia2/WinFOLIA2018-s.pdf File Viewer</td><td>LI-COR Biosciences Inc., NE, USA</td><td>FV2200C ソフトウェア</td><td>https://www.licor.com/env/products/leaf_area/LAI-2200C/software.html</td></tr><tr><td>実験用オーブン</td><td>Amerex Instruments Inc., CA, USA</td><td>CV150</td><td>https://www.labcompare.com/4-Drying-Ovens/2887-IncuMax-Convection-Oven-250L/?pda=4|2887_2_0|||</td></tr><tr><td>葉画像解析システム</td><td>Delta-Tデバイス、英国</td><td>WD3 WinDIAS https://www.delta-t.co.uk/product/wd3/</td><td></td></tr> <tr><td>リッタートラップ</td><td>任意の</td><td>NA</td><td>図2参照</td></tr><tr><td>針</td><td>任意の</td><td>NA</td><td>最大直径2 mm</td></tr><tr><td>植物キャノピーアナライザー</td><td>LI-COR Biosciences Inc., NE, USA</td><td>LAI-2000 PCA</td><td>LAI-2000 PCAの改良版としてLAI-2200 PCAまたはLAI-2200Cは、以下を参照することができます:https://www.licor.com/env/products/leaf_area/LAI-2200C/</td></tr> <tr><td>Portable Laser Leaf Area Meter</td><td>CID Bio-Science、WA、USA</td><td>CI-202</td><td>https://cid-inc.com/plant-science-tools/leaf-area-measurement/ci-202-portable-laser-leaf-area-meter/</td></tr> <tr><td>Portable Leaf Area Meter</td><td>ADC、BioScientic Ltd.、UK</td><td>AM350</td><td>https://www.adc.co.uk/products/am350-portable-leaf-area-meter/</td></tr> <tr><td>ポータブルリーフエリアメーター</td><td>Bionics Scientific Technogies (P. Ltd., India</td>) <td>BSLM101 http://www.bionicsscientific.com/measuring-meters/leaf-area-index-meter.html</td><td></td></tr><tr><td>ポータブルリーフエリアメーター</td><td>Li-COR Biosciences Inc., NE, USA</td><td>LI-3000C</td><td>https://www.licor.com/env/products/leaf_area/LI-3000C/</td></tr></tbody></table>

純粋な落葉スタンドにおける3つの異なる方法を用いてリーフエリア指数推定

Leaf Area Index Estimation Using Three Distinct Methods in Pure Deciduous Stands

葉面積指数(LAI)の正確な推定は、水平面積分の単位当たりの葉面面積の半分として定義され、生態、林業、農業の分野における植生構造を記述するために重要です。そこで、LAI推定を行うための3つの市販方法(ごみトラップ、針技術、植物キャノピーアナライザ)の手順を段階的に提示した。具体的な方法論的アプローチを比較し、現在の利点、論争、課題、および将来の展望について、このプロトコルで議論した。ゴミトラップは通常、参照レベルとみなされます。針技術と植物キャノピーアナライザ(例えば、LAI-2000)の両方が、参照と比較してLAI値を過小評価する場合が多い。針の技術は、ゴミが毎年完全に分解する落葉スタンド(例えば、オークとブナスタンド)で使用しやすいです。ただし、ゴミトラップや直接破壊方法に基づくキャリブレーションが必要です。植物の天蓋分析装置は、生態学、林業、農業におけるLAI推定を行うために一般的に使用される装置であるが、葉の塊およびセンサーの視野(FOV)の木質要素の寄与による潜在的な誤差の対象となる。これらの潜在的なエラー ソースの排除について説明しました。植物の天蓋の検光装置は高い空間レベルでLAIの推定を行い、季節的なLAIの動的を観察し、そしてLAIの長期監視のために非常に適した装置である。

2013年の成長期における全ての研究対象スタンドのスタンドレベルでの平均LAI値を図8に示します。A を除くすべてのプロットで、最も高い値は、参照レベルとして機能するゴミトラップによって測定されました。逆に、最も高い平均LAI値は、プロットAの針技術を通じて推定された。ごみトラップと植物天蓋分析装置を用いて推定されたLAI値の差は全て有意ではなかった(p &gt; 0.05;図8(左)。プロットB、C、およびDでは、針の技術は、ゴミトラップから得られたLAIを有意に過小評価した。逆に、プロット A では、この手法は、ゴミトラップを使用して測定された LAI を過大評価しましたが、有意なレベルではありません (p = 0.01;図8,中央)。植物天蓋分析装置と針技術によって推定されたLAI値の有意な差は、すべてのケースで見出された(図8、右)。
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葉面積指数(LAI)の正確な推定は、植物生態系内および生態系と大気境界層の間の物質的およびエネルギーフラックスの多くのモデルにとって重要です。したがって、正確なLAI測定を行うための3つの方法(ゴミトラップ、針技術、およびPCA)が提示されたプロトコルであった。

Accurate estimations of leaf area index (LAI), defined as half of the total leaf surface area per unit of horizontal ground surface area, are crucial for ...

葉面積指数は、葉と多くの生理的プロセスが実施されている雰囲気、特に光合成の取り込みの界面として機能します。リーフエリアインデックス推定のこの方法の主な利点は、簡単な適用性、短い測定時間の要件、および取得したデータの精度です。これらの方法は、作物、草原、葉樹、広葉樹林の環境生理学的研究に既に使用されていることを考えると、他のほとんどの植物生態系に広く適用できるはずです。リーフエリアインデックス推定に関する、説明した方法はすべて、簡単で使いやすいものです。この方法に新しい研究者は、測定を実施する際に困難に遭遇すべきではありません。これらのリーフエリアインデックス推定法の視覚的なデモンストレーションは、その理解、設計、および実装に不可欠です。この手順のデモンストレーションは、森林植物学、樹状学、およびジオバイオコロジー学科の博士課程の学生であるPavel Haninecです。ごみトラップを使用したリーフエリアインデックス推定では、成長期の初めに0.18メートルから0.5メートル平方メートル以上のキャプチャエリアを備えた調査対象スタンドあたり15〜25個のトラップを配置します。調査中のスタンド全体でトラップを通常の間隔に配置し、1つまたは2つの相互に垂直な経線または通常のグリッド(地上面から最低0.1メートル)に置き、トラップの収集部分の下に空気を吹き込みます。キャプチャ領域に変化がないように、地面の上とスタンドキャノピーの下の各トラップをしっかりと固定します。各測定時間に、各トラップから収集したごみを適切なラベル付き紙袋に入れ、ラボに輸送します。ラボに戻り、同化装置を他のごみ成分から分離します。特定のリーフエリア推定を実行するには、使用されているすべてのトラップから少なくとも100〜200の葉のサブサンプルを分離する前に、各トラップからサンプルを十分に混合します。乾燥した葉を60~70度の水に短時間浸して葉が折り畳まれたりカールしたりしないようにした後、サブサンプルの葉を平らでまっすぐにスキャンボードに重ならずに置きます。サブサンプルを80度または105度で48時間乾燥させて、サーモスタット付きの換気オーブンで一定の重量を達成し、内部温度を均質化して維持します。乾燥期間の終わりに、最低精度の1グラムの実験室スケールでサブサンプルの乾燥質量を計量し、特定の葉面積推定に指定されたサブサンプルからの葉の新鮮な投影面積を乾燥質量重量で割った値として特定の葉面積を計算します。次に、オーブンは、各トラップからサンプルの残りの部分を特定の葉面積推定に使用したのと同じ温度で48時間乾燥し、各特定のごみトラップに対するサンプルの残りの乾燥質量重量に、トラップ当たりの総投影葉面積指数に達するまでの正しい特定の葉面積値を掛けます。針の技術を用いて葉面積指数を推定するために、完全な葉の落下の直後に、少なくとも100のプローブサンプリングポイントのそれぞれで地面に横たわっている新しい落ちたばかりの葉の層を通して、多かれ少なかれ類似した角度で葉を穿刺するために直径2ミリメートル以下の十分に長く鋭く、金属針を使用する。針に落ちたばかりの葉だけが入っていることを確認し、必要に応じて前年から部分的に分解した葉を取り除きます。次に、各サンプリングポイントで各刺し傷から針で穿孔した葉の数をカウントし、その後のサンプリングポイントで針の技法葉の収集を繰り返す。植物キャノピーアナライザ光装置を用いたリーフエリアインデックス推定では、観測されたプロットの上と同じ空の条件で、1キロメートルの最大距離で適切な開いたクリアリングを見つけます。キャノピーの上と下の両方の測定値に同じキャップと向きを適用し、トランセクトのキャノピーの下のセンサーとゆっくりと動き、最も上のリング測定値の変動を見ます。植物キャノピーアナライザを使用して正しい葉面積指数推定のために、キャノピー測定値の上と下の両方に同じビューキャップを使用する必要があります。トランセクトの数と間隔は、スタンドの特定のキャノピー構造に依存します。十分なオープンエリアで各スタンドトランセクトまたはグリッドの最初の測定として上記キャノピーの測定値を実行し、1〜3つのトランセクトで、地上0.5〜2メートルの5〜36サンプリングポイントで下のキャノピー測定値を実行します。センサーが2メートル以下に保持されている場合は、センサーを視野から除外し、センサーとコンポーネントの直径または幅の少なくとも4倍の植物の地上部分の最も近い要素との間の最小距離を使用する場合は、制限ビューキャップを使用します。春先に芽が折れる前と晩秋に完全な葉が落ちた後の両方で、リーフオフ期間中の木質面積指数を推定します。フィールド測定された生データから木質領域指数値を計算するには、リーフエリアインデックス2200ファイルビューアフリーウェアを使用し、木質領域指数推定を行うのと同じ手順を使用してプラント面積指数を推定します。次に、平均プラント面積指数と木質面積指数値の差として、スタンドレベルの実際のリーフエリア指数値を計算します。この代表的な実験では、プロットB、C、およびDで、針技術は、ごみトラップから得られた葉面積指数を大幅に過小評価した。逆に、プロットAでは、この技術は、有意でないレベルでごみトラップを使用して測定された葉面積指数を過大評価しました。また、植物キャノピー分析装置と針技術によって推定される葉面積指数値の間に有意な差が全ての場合に見られた。木質領域指数は、完全な葉が落ちた後、芽が壊れる前に植物キャノピー分析装置を使用して容易に測定することができる。この代表的な実験では、4月に発生した芽休憩から5月上旬までの間に、最も急速な葉面積指数の開発が注目されました。5月から6月末まで、葉の高速葉面積指数の発達の継続が観察されたが、前期に比べて強度は低かった。6月後半から7月末にかけて、プロットBで葉面積指数値が低下し、研究されたすべての森林スタンドA.Inプロットでこの期間に葉面積指数の停滞がより顕著であったため、葉は9月末に減少し始めました。ごみトラップ法の最も重要な部分は、葉の十分に大きなサブサンプルから特定の葉領域の正確な推定です。植物キャノピー分析装置では、標準的な曇りと無風状態で測定を行うことが不可欠です。デジタル半球写真とレーザースキャン技術は、葉の面積指数とキャノピー内の葉の空間分布を決定するためにも使用できます。現在、葉面積指数推定における最も重要な課題は、リモートセンシングを使用して葉の品質を決定することです。

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