Pomiar terenowy efektywnego wskaźnika powierzchni liści za pomocą urządzenia optycznego w koronie roślinności

Podsumowanie

Szybkie i precyzyjne szacowanie wskaźnika powierzchni liści (LAI) w ekosystemach lądowych jest kluczowe dla szerokiego zakresu badań ekologicznych i kalibracji produktów teledetekcyjnych. Przedstawiono protokół wykorzystania nowego urządzenia optycznego LP 110 do wykonywania naziemnych pomiarów LAI in situ.

Streszczenie

Wskaźnik powierzchni liści (LAI) jest istotną zmienną opisującą ilość liści w ekosystemie. Parametr ten służy jako interfejs między zielonymi składnikami roślin a atmosferą i zachodzi w nim wiele procesów fizjologicznych, przede wszystkim wychwyt fotosyntetyczny, oddychanie i transpiracja. LAI jest również parametrem wejściowym dla wielu modeli obejmujących węgiel, wodę i obieg energetyczny. Co więcej, naziemne pomiary in situ służą jako metoda kalibracji LAI uzyskanej z produktów teledetekcyjnych. W związku z tym proste pośrednie metody optyczne są niezbędne do dokonywania precyzyjnych i szybkich szacunków LAI. W protokole omówiono podejście metodologiczne, zalety, kontrowersje i perspektywy na przyszłość nowo opracowanego urządzenia optycznego LP 110 opartego na relacji między promieniowaniem przepuszczanym przez korony roślinności a przerwami w koronach drzew. Ponadto przyrząd został porównany ze światowym standardem analizatora baldachimu LAI-2200. LP 110 umożliwia szybsze i prostsze przetwarzanie danych pozyskanych w terenie i jest bardziej przystępny cenowo niż analizator baldachimu roślin. Nowy przyrząd charakteryzuje się łatwością obsługi zarówno do odczytów nad, jak i pod baldachimem dzięki większej czułości czujnika, wbudowanemu inklinometrowi cyfrowemu i automatycznemu rejestrowaniu odczytów we właściwej pozycji. Dlatego ręczne urządzenie LP 110 jest odpowiednim gadżetem do wykonywania szacowania LAI w leśnictwie, ekologii, ogrodnictwie i rolnictwie na podstawie reprezentatywnych wyników. Co więcej, to samo urządzenie umożliwia również użytkownikowi wykonywanie dokładnych pomiarów intensywności padającego promieniowania fotosyntetycznie aktywnego (PAR).

Wprowadzenie

Korony drzew są miejscami licznych procesów biologicznych, fizycznych, chemicznych i ekologicznych. Na większość z nich mają wpływ struktury baldachimu¹. Dlatego dokładne, szybkie, nieniszczące i wiarygodne określanie ilościowe koron roślinności in situ ma kluczowe znaczenie dla szerokiego zakresu badań obejmujących hydrologię, obieg węgla i składników odżywczych oraz globalne zmiany klimatyczne^2,3. Ponieważ liście lub igły stanowią aktywny interfejs między atmosferą a roślinnością⁴, jedną z krytycznych cech strukturalnych baldachimu jest wskaźnik powierzchni liści (LAI)⁵, zdefiniowany jako połowa całkowitej powierzchni zielonych liści na jednostkę poziomej powierzchni gruntu lub rzutu korony dla osobników, wyrażony w m² na^{m 2} jako zmienna bezwymiarowa^{6, 7}.

Różne instrumenty i podejścia metodologiczne do szacowania lądowych LAI oraz ich zalet i wad w różnych ekosystemach zostały już przedstawione^8,9^{,10,11,12,13,14,15}. Istnieją dwie główne kategorie metod szacowania LAI: bezpośrednie i pośrednie (więcej informacji można znaleźć w obszernych recenzjach^8,9,10,11,12, aby uzyskać więcej informacji). Stosowane głównie w drzewostanach, naziemne szacunki LAI są rutynowo uzyskiwane przy użyciu pośrednich metod optycznych ze względu na brak bezpośredniego oznaczania LAI, ale zwykle stanowiły one metodę czasochłonną, pracochłonną i destrukcyjną^9,10,12,16. Co więcej, pośrednie metody optyczne wyprowadzają LAI z łatwiejszych do zmierzenia powiązanych parametrów (z punktu widzenia jego czasochłonnego i pracochłonnego charakteru)¹⁷, takich jak stosunek padającego promieniowania powyżej i poniżej czaszy do kwantyfikacji odstępów czaszy¹⁴. Oczywiste jest, że analizatory koron roślin są również szeroko stosowane do walidacji satelitarnych wyszukiwań LAI¹⁸; w związku z tym został uznany za standard do porównania LP 110 (więcej informacji na temat zastosowanych instrumentów można znaleźć w Tabeli materiałów).

LP 110, jako zaktualizowana wersja początkowo samodzielnie wykonanego prostego instrumentu ALAI-02D¹⁹, a później LP 100²⁰, został opracowany jako bliski konkurent dla analizatorów koron roślin. Jako przedstawiciel pośrednich metod optycznych, urządzenie jest ręczne, lekkie, zasilane bateryjnie, bez konieczności połączenia kablowego między czujnikiem a rejestratorem danych, które wykorzystuje cyfrowy inklinometr zamiast poziomicy pęcherzykowej i umożliwia szybsze i dokładniejsze pozycjonowanie oraz odczyt wartości. Dodatkowo urządzenie zostało zaprojektowane tak, aby odnotowywać natychmiastowe odczyty. W związku z tym szacowany czas potrzebny na zebranie danych w terenie jest krótszy dla LP 110 niż dla analizatora koron roślin o około 1/3. Po wyeksportowaniu odczytów do komputera, dane są dostępne do późniejszego przetwarzania. Urządzenie rejestruje natężenie promieniowania w zakresie długości fal światła niebieskiego (tj. 380-490 nm)^21,22 za pomocą czujnika LAI do wykonywania obliczeń LAI. Czujnik LAI jest zamaskowany przez nieprzezroczystą nasadkę ograniczającą z polami widzenia 16° (oś Z) i 112° (oś X) (Rysunek 1). W ten sposób przepuszczalność światła można odnotować za pomocą urządzenia umieszczonego prostopadle do powierzchni gruntu (tj. kąt zenitalny 0°) lub pod pięcioma różnymi kątami 0°, 16°, 32°, 48° i 64°, aby móc również wywnioskować nachylenie elementów baldachimu.

Rysunek 1: Cechy fizyczne LP 110. MENU umożliwia użytkownikowi przesuwanie się w górę i w dół na całym wyświetlaczu, a przycisk SET służy jako Enter (A). Widok zenitalny pod różnymi kątami nachylenia (±8 ze względu na widok z boku) i widok poziomy są stałe dla LP 110 do 112° (B), podobnie jak w analizatorze baldachimu roślin (zmodyfikowanym przez ograniczniki). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Ze względu na wyższą czułość czujnika LAI, jego ograniczone pole widzenia, wbudowany cyfrowy inklinometr, automatyczne rejestrowanie wartości odczytu w prawidłowej pozycji wskazywanej przez dźwięk bez naciskania przycisku, nowy instrument nadaje się również do odczytów nad baldachimem w wąskich dolinach lub nawet na szerszych drogach leśnych do pomiaru szerokiego zakresu warunków na niebie. Poza tym umożliwia kwantyfikację dojrzałych koron drzewostanów powyżej stosunkowo wysokiej regeneracji i osiąga wyższą dokładność wartości natężenia promieniowania niż analizator koron roślin. Co więcej, cena LP 110 jest równa około 1/4 analizatora baldachimu roślin. Z drugiej strony, wykorzystanie LP 110 w gęstych (tj. LAIe na poziomie drzewostanu powyżej 7,88)²³ lub bardzo niskich zadaszeniach jako użytkach zielonych jest ograniczone.

LP 110 może pracować w dwóch trybach pracy: (i) trybie pojedynczego czujnika wykonującego zarówno odczyty poniżej korony drzewa, jak i referencyjne (powyżej badanego baldachimu lub na wystarczająco rozległej polanie znajdującej się w pobliżu analizowanej roślinności) wykonywane przed, po lub podczas pomiarów poniżej baldachimu wykonanych tym samym instrumentem oraz (ii) tryb podwójnego czujnika wykorzystujący pierwszy przyrząd do wykonywania odczytów poniżej baldachimu, Natomiast drugi służy do automatycznego rejestrowania odczytów referencyjnych w regularnym, predefiniowanym przedziale czasowym (od 10 do 600 s). LP 110 można połączyć z kompatybilnym urządzeniem GPS (patrz Tabela materiałów), aby rejestrować współrzędne każdego punktu pomiarowego pod baldachimem dla obu wyżej wymienionych trybów.

Efektywny wskaźnik powierzchni liści (LAIe)²⁴ uwzględnia efekt wskaźnika zbrylania i może być uzyskany z pomiarów natężenia promieniowania słonecznego wykonanych powyżej i poniżej badanego baldachimu roślinności²⁵. W związku z tym, dla poniższych obliczeń LAIe, transmitancja (t) musi być obliczona na podstawie promieniowania zarówno przechodzącego poniżej czaszy (I), jak i padającego powyżej roślinności (Io) mierzonego przez urządzenie LP 110.

t = I / I₀ (1)

Ponieważ intensywność promieniowania wykładniczo maleje, gdy przechodzi przez koronę roślinności, LAIe można obliczyć zgodnie z prawem wymierania Beera-Lamberta zmodyfikowanym przez Monsi i Saeki9^,26

LAIe = - ln (I / I₀) x ^k-1 (2),

Gdzie, k jest współczynnikiem wygaszania. Współczynnik ekstynkcji odzwierciedla kształt, orientację i położenie każdego elementu w koronie roślinności ze znanym nachyleniem elementu baldachimu i kierunkiem widoku^9,12. Współczynnik k (patrz równanie 2) zależy od absorpcji promieniowania przez liście i różni się między gatunkami roślin w zależności od parametrów morfologicznych elementów korony drzewa, ich rozmieszczenia przestrzennego i właściwości optycznych. Ponieważ współczynnik ekstynkcji zwykle oscyluje wokół 0,5^9,27, równanie 2 można uprościć, jak przedstawili Lang et al.²⁸ w nieco inny sposób dla heterogenicznych i jednorodnych baldachimów:

W niejednorodnym baldachimie

LAIe = 2 x |ln t| (3),

lub

W jednorodnym baldachimie

LAIe = 2 x |ln T| (4),

Gdzie, t: to transmitancja w każdym punkcie pomiarowym poniżej czaszy, a T: to średnia transmitancja wszystkich wartości t na mierzony transekt lub stanowisko.

W drzewostanach LAIe musi być dodatkowo korygowany ze względu na efekt zbrylania się aparatu asymilacyjnego w pędach^{29,30,31,32,33,34}, aby uzyskać rzeczywistą wartość LAI.

Protokół poświęcony jest praktycznemu wykorzystaniu urządzenia optycznego LP 110 do szacowania LAIe w wybranym przykładzie środkowoeuropejskich drzewostanów iglastych (zobacz Tabela 2 i Tabela 3 dla charakterystyki miejsca, struktury i dendrometrii). Szacowanie LAIe w koronie roślinności za pomocą tego urządzenia opiera się na szeroko stosowanej metodzie optycznej związanej z przepuszczalnością promieniowania czynnego fotosyntetycznie i frakcją szczeliny korony drzewa. Artykuł ma na celu dostarczenie kompleksowego protokołu do wykonywania estymacji LAIe przy użyciu nowego urządzenia optycznego LP 110.

Protokół

UWAGA: Zanim zaczniesz wykonywać planowane pomiary w terenie, wystarczająco naładuj baterię urządzenia LP 110. Podłącz przyrząd (złącze USB, patrz Rysunek 1) i komputer za pomocą dołączonego. Stan baterii jest pokazany w lewym górnym rogu wyświetlacza urządzenia.

1. Kalibracja przed pomiarem

UWAGA: Dla LP 110 wykonaj ciemną kalibrację czujnika LAI i wbudowanych kalibracji inklinometru przed rozpoczęciem każdej kampanii pomiarowej w terenie.

1. Ciemna kalibracja czujnika LAI
   1. Włącz instrument, naciskając i przytrzymując Set przez co najmniej 1 s.
      UWAGA: Przycisk Set służy jako Enter.
   2. Wybierz Ustawienia (Menu pozwala na przesuwanie w górę i w dół) i naciśnij Set > Lai Cal., naciśnij Set, a następnie sprawdź, czy stała kalibracji LAI jest ustalona na 1 (tj. C = 1.0); jeśli nie, naciśnij kilkakrotnie Set, aby ustawić stałą na 1.0 i powrócić do menu głównego (naciśnij Menu | Powrót | Zestaw).
      UWAGA: W przypadku wykonywania pomiarów LAI w trybie pojedynczego czujnika (patrz rozdział 2) dla wszystkich pomiarów zalecana jest stała wartość 1.0.
   3. Wybierz Ustawienia i naciśnij Ustaw | Lai zero | Zestaw. Całkowicie zakryj czujnik LAI, używając na przykład nieprzezroczystej szmatki lub dłoni, aby uniknąć zakłóceń światła podczas całego procesu kalibracji. Następnie naciśnij Set, aby utrzymać wartość zerową, która pojawia się na wyświetlaczu.
   4. Naciskaj kilkakrotnie Menu, aż zostanie wybrana opcja Powrót, aby powrócić do menu głównego, a następnie naciśnij Set.
2. Kalibracje inklinometru
   UWAGA: Każde urządzenie LP 110 wyposażone jest we wbudowany inklinometr elektroniczny zapewniający prawidłowy kąt nachylenia odczytów. Inklinometr wewnętrzny musi być (ponownie) skalibrowany przy użyciu poziomu wody.
   1. Kalibracja pionowa
      1. Jeśli urządzenie jest wyłączone, naciśnij i przytrzymaj Set przez co najmniej 1 s, aby włączyć instrument.
      2. Wybierz Ustawienia i naciśnij Ustaw | Pionowa kalibracja | Ustaw aktywację inklinometru elektronicznego.
      3. Trzymaj urządzenie pionowo i umieść poziomicę wody na jego bocznej stronie wraz z instrumentem.
      4. Zrównoważ urządzenie w lewo lub w prawo zgodnie z pęcherzykiem poziomu wody, aby uzyskać wartość zerową lub bliską zeru dla osi X. Jeśli nie, naciśnij Set, aby dostosować odczyty, aż zostanie odczytane zero dla osi X.
      5. Umieść poziom wody wzdłuż tylnej strony urządzenia, aby zakończyć kalibrację pionową.
      6. Ponownie przechyl urządzenie w lewo lub w prawo i sprawdź, czy na wyświetlaczu urządzenia dla osi X widnieje zero.
      7. Przytrzymaj pozycję kąta zerowego dla osi X i jednocześnie przechyl urządzenie do przodu lub do tyłu (oś Z) zgodnie z pęcherzykiem poziomu wody, upewniając się, że wartość kąta osi X jest równa zero lub bliska zeru.
      8. Sprawdź, czy odczyt osi Z jest równy zero, czy zbliża się do zera. Jeśli nie, przytrzymaj Set i ponownie skalibruj urządzenie, aby ustawić odczyty zerowe zarówno dla osi X, jak i Z.
      9. Naciskaj Menu wielokrotnie, aż zostanie wybrana opcja Powrót, aby powrócić do menu głównego, a następnie naciśnij Set.
   2. Kalibracja pozioma
      1. Wybierz Ustawienia i naciśnij przycisk Ustaw | Kal. pozioma | Ustawione na wyzwalanie inklinometru elektronicznego.
      2. Trzymaj urządzenie poziomo. Następnie umieść poziom wody wzdłuż tylnej strony urządzenia.
      3. Wypoziomuj urządzenie w pozycji poziomej zgodnie z bąbelkami poziomu wody. Przechyl instrument w lewo lub w prawo oraz w górę lub w dół wzdłuż odpowiednio osi X i Y.
      4. Po osiągnięciu prawidłowej pozycji czujnika zgodnie z obydwoma pęcherzykami poziomu wody sprawdź, czy odczyt dla osi Y wynosi zero lub jest bliski zeru. Jeśli nie, naciśnij Set, aby ponownie skalibrować pozycję poziomą przyrządu.
      5. Naciskaj Menu wielokrotnie, aż zostanie wybrana opcja Powrót, aby powrócić do menu głównego, a następnie naciśnij Set.

2. Tryb pojedynczego czujnika do szacowania LAIe

1. Jeśli urządzenie jest wyłączone, naciśnij Set przez co najmniej 1 s, aby włączyć instrument.
2. Skalibruj przyrząd przed rozpoczęciem każdej kampanii pomiarów terenowych zgodnie z krokami 1.1 i 1.2.
   UWAGA: Jeśli kalibracja została już wykonana, przejdź do kroku 2.3.
3. Następnie ustaw aktualną datę i godzinę (znajdź Ustawienia w menu głównym, kilkakrotnie naciskając Menu. Następnie naciśnij Ustaw | Czas; naciśnij ponownie przycisk Set) i wróć do menu głównego (wybierz Return i przytrzymaj Set).
   UWAGA: Aby uzyskać dokładne ustawienie czasu, dopasuj czas do komputera zgodnie z wyświetlaniem w odpowiednim oprogramowaniu (podłącz urządzenie LP 110 do komputera za pomocą dołączonego. Otwórz oprogramowanie, naciśnij przycisk Setup | Identyfikator urządzenia | Urządzenie. Wybierz i naciśnij przycisk Sterowanie online | Czas. Następnie zaznacz opcję Synchronizuj z czasem komputera i naciśnij Edytuj).
4. Ustaw przyrząd w trybie pomiaru pojedynczego kąta za pomocą Ustawień. Naciśnij przycisk Set | Kąty | Zestaw | Pojedynczy (potwierdź za pomocą Menu) i wróć do menu głównego (wybierz Return i przytrzymaj Set).
   1. Jeśli konieczne jest oszacowanie nachylenia kąta nachylenia skrzydła, ustaw tryb pomiaru pod wieloma kątami. Ustawienia | Kąty | Multi (naciśnij przycisk Menu) i wróć do menu głównego (wybierz Return i przytrzymaj Set).
5. Jeśli potrzebny jest zapis dotyczący pozycji pomiarów, włącz odpowiednie urządzenie GPS (szczegółowe instrukcje i tabela materiałów znajdują się w sekcjach poniżej); jeśli nie, przejdź do kroku 2.6.
   1. Sprawdź, czy czas urządzenia jest zgodny z computer.
      UWAGA: Czas musi być ustawiony poprawnie, aby odzwierciedlał strefę czasową w badanej lokalizacji.
   2. Włącz urządzenie GPS i poczekaj chwilę, aż zostanie znaleziona aktualna pozycja. Sprawdź lokalizację na wyświetlaczu urządzenia GPS.
      UWAGA: Precyzja jest uzależniona od gęstości baldachimu badanej roślinności.
   3. Zabierz przy sobie zarówno LP 110, jak i urządzenie GPS podczas wykonywania wszystkich pomiarów w terenie.
   4. Po wykonaniu wszystkich pomiarów terenowych podłącz oba urządzenia do komputera, pobierz i przetwórz dane w odpowiednim oprogramowaniu (patrz Tabela materiałów) zgodnie z instrukcją obsługi i podręcznikiem użytkownika LP 110, sekcja instrukcji obsługi³⁵.
6. Wykonaj pomiar referencyjny na otwartej przestrzeni lub powyżej mierzonej roślinności (tj. odczyt powyżej baldachimu). Przy słonecznej pogodzie nie pozwól, aby światło wpadało bezpośrednio do kubka ograniczającego widok (patrz Rysunek 1).
   UWAGA: W przypadku trybu pomiaru z pojedynczym czujnikiem należy wykonywać odczyty zarówno nad, jak i pod baldachimem w stałych warunkach oświetleniowych podczas standardowego zachmurzenia, przed wschodem lub po zachodzie słońca (Rysunek 2), aby uniknąć uzyskania nieprawidłowych wartości natężenia promieniowania.

Rysunek 2: Optymalne warunki pogodowe do wykonywania pomiarów LAIe za pomocą LP 110. Optymalne warunki pogodowe podczas korzystania z LP 110 to jednolicie zachmurzone niebo bez bezpośredniego promieniowania słonecznego (A) lub stosowanie przed wschodem lub po zachodzie słońca (B). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

1. Wybierz opcję Measurement (Pomiar) w menu głównym (naciśnij Set), a następnie wybierz opcję Lai Ref. Po naciśnięciu przycisku Set aktywowany jest referencyjny tryb pomiaru.
   UWAGA: Aktualna wartość natężenia promieniowania pojawia się na wyświetlaczu. Wartość ta nie jest jeszcze zapisana w pamięci wewnętrznej urządzenia (w tym momencie wyzwalany jest tryb pomiaru).
2. Następnie ponownie naciśnij przycisk Set, aby rozpocząć wyszukiwanie prawidłowej pozycji czujnika LAI (tj. kąt zenitalny 0°) oraz aktywować zarówno wbudowany inklinometr, jak i wskaźnik dźwiękowy.
   UWAGA: Jednocześnie na wyświetlaczu pojawia się aktualna pozycja czujnika LAI zarówno dla osi X, jak i Z.
3. Następnie trzymaj urządzenie prostopadle do podłoża i upewnij się, że czujnik LAI jest skierowany w stronę zenitu.
   UWAGA: Wskaźnik dźwięku zwiększa głośność, gdy zbliża się do prawidłowego kąta zenitalnego.
4. Sprawdź wyświetlacz, przechyl instrument zarówno w lewo, jak i w prawo oraz do przodu i do tyłu. Wartość referencyjna jest automatycznie pobierana i przechowywana natychmiast po osiągnięciu zera lub mniej niż 5 przez kąt zenitalny zdefiniowany przez osie X i Z (ustaje sygnał dźwiękowy).
   UWAGA: Biorąc pod uwagę, że prawidłowa pozycja musi być osiągnięta w bardzo wąskim zakresie (tj. mm), ten krok może być męczący.

7. Po wykonaniu pomiarów referencyjnych wróć do menu pomiaru, naciskając Menu. Następnie zacznij mierzyć poziom przepuszczanego promieniowania poniżej baldachimu.
   1. Zdefiniuj pozycje do wykonywania odczytów pod baldachimem i rozpocznij wykonywanie pomiarów wartości przepuszczalności światła za pomocą czujnika LAI urządzenia.
      UWAGA: Wzorzec pomiarów terenowych LAIe w różnych strukturach koron drzew jest szczegółowo opisany przez Černý et al.³⁶ oraz Fleck et al.³⁷.
   2. Wybierz Lai w menu pomiaru. Naciśnij przycisk Set, aby aktywować tryb wykonywania pomiarów promieniowania przesyłanego poniżej baldachimu.
      UWAGA: Aktualna wartość natężenia promieniowania pojawia się na wyświetlaczu. Wartość ta nie jest jeszcze zapisana w pamięci wewnętrznej urządzenia (w tym momencie wyzwalany jest tryb pomiaru).
   3. Naciśnij ponownie Set, aby zarejestrować odczyty pod baldachimem. Wbudowany inklinometr i wskaźnik dźwiękowy są wyzwalane w celu uzyskania prawidłowej pozycji czujnika LAI (tj. kąt zenitalny 0°).
      UWAGA: Jednocześnie na wyświetlaczu pojawia się aktualna pozycja czujnika LAI zarówno dla osi X, jak i Z.
   4. Następnie trzymaj urządzenie prostopadle do podłoża i upewnij się, że czujnik LAI jest skierowany w górę w kierunku zenitu.
      UWAGA: Wskaźnik dźwięku zwiększa głośność, gdy zbliża się do prawidłowego kąta zenitalnego.
   5. Sprawdź wyświetlacz, przechyl instrument zarówno w lewo, jak i w prawo oraz do przodu i do tyłu. Wszystkie odczyty poniżej baldachimu są automatycznie rejestrowane i zapisywane natychmiast, gdy kąt zenitalny zdefiniowany przez obie osie X i Z osiągnie zero lub mniej niż 5 (sygnał dźwiękowy ustaje).
      UWAGA: Biorąc pod uwagę, że prawidłowa pozycja musi być osiągnięta w bardzo wąskim zakresie (mm), ten krok może być męczący.
8. Kontynuuj wykonywanie dalszych pomiarów natężenia promieniowania przepuszczanego poniżej baldachimu roślinności, wykonując kroki 2.7.3-2.7.5.
   UWAGA: Odczyty referencyjne można również wykonać w dowolnym momencie między pomiarami pod baldachimem. Na przykład, po zakończeniu każdego transektu, naciśnij przycisk Menu, wybierz Lai Ref (przytrzymaj Set) i kontynuuj zgodnie z krokami 2.6.2-2.6.4.Im więcej odczytów nad baldachimem wykonanych podczas pomiarów poniżej baldachimu, tym większa dokładność obliczeń referencyjnych.
9. Natychmiast po zakończeniu wykonywania pomiarów pod baldachimem (naciśnij przycisk Menu, wybierz Lai Ref i przytrzymaj Set), wykonaj pomiar natężenia promieniowania na otwartej przestrzeni, aby uzyskać ostatnią wartość odniesienia, wykonując kroki od 2.6.2. do 2.6.4.
10. Naciskaj kilkakrotnie Menu, aż zostanie wybrana opcja Powrót, aby powrócić do menu głównego, a następnie naciśnij przycisk Ustaw.
11. Po każdym pomiarze dane są zapisywane w pamięci wewnętrznej urządzenia. Przytrzymaj przycisk Menu przez co najmniej 1 s, aby bezpiecznie wyłączyć urządzenie bez usuwania jakichkolwiek danych.
12. Podłącz przyrząd do komputera, pobierz i przetwórz dane. Przykład pomiaru pola i obliczenia LAIe opisano w rozdziale 4.

3. Tryb podwójnego czujnika do szacowania LAIe

1. Włącz oba instrumenty, przytrzymując Set przez co najmniej 1 s.
   UWAGA: Instrument_1 i Instrument_2 są przeznaczone odpowiednio dla odczytów powyżej (odniesienia) i poniżej baldachimu. W trybie pomiaru z dwoma czujnikami jedno urządzenie (Instrument_1) jest zamontowane na statywie na otwartej przestrzeni (lub na szczycie masztu klimatycznego nad baldachimem), podczas gdy drugie (Instrument_2) służy do wykonywania pomiarów natężenia promieniowania przepuszczanego poniżej czaszy. Instrument_1 automatycznie rejestruje sygnał odniesienia w zdefiniowanym przedziale czasowym (od 10 s do 600 s). Podejście to pozwala na gromadzenie znacznej ilości danych referencyjnych, zwiększając w ten sposób dokładność przy obliczaniu wartości odniesienia dla poszczególnych pomiarów poniżej baldachimu.
2. Ustaw aktualną datę i godzinę obu instrumentów (znajdź Ustawienia w menu głównym, naciskając kilkakrotnie przycisk Menu. Następnie naciśnij Ustaw | Czas | Zestaw. Wróć do menu głównego (wybierz Return i przytrzymaj Set).
   UWAGA: Aby uzyskać dokładne ustawienie czasu, dopasuj czas do komputera, jak wyświetla się w odpowiednim oprogramowaniu (podłącz urządzenie do komputera za pomocą dołączonego. Otwórz oprogramowanie, a następnie naciśnij Ustawienia | Identyfikator urządzenia | Urządzenie. Następnie wybierz i naciśnij Sterowanie online | Czas. Zaznacz opcję Synchronizuj z czasem komputera i naciśnij Edytuj).
3. Następnie ustaw oba instrumenty w trybie pomiaru pojedynczego kąta. Wybierz Ustawienia (przytrzymaj Set) | Kąty | Zestaw | Pojedynczy (potwierdź Menu). Wróć do menu głównego (wybierz Return i przytrzymaj Set).
   1. Jeśli konieczne jest oszacowanie nachylenia kąta nachylenia liści w obrębie badanego baldachimu roślinności, należy ustawić Instrument_2 (odczyty poniżej baldachimu) na tryb pomiaru wielokątowego. Wybierz Ustawienia (naciśnij Set) | Kąty (naciśnij przycisk Set). Następnie wybierz Multi (potwierdź Menu), a następnie wróć do menu głównego (wybierz Return i przytrzymaj Set).
4. Jeśli wymagany jest zapis dotyczący pozycji pomiarów pod baldachimem, włącz odpowiednie urządzenie GPS (szczegółowe instrukcje i tabela materiałów znajdują się w sekcjach poniżej); jeśli nie, przejdź do kroku 3.5.
   1. Upewnij się, że czas wyświetlany na urządzeniu używanym do wykonywania odczytów pod baldachimem (Instrument_2) jest zgodny z komputerem.
      UWAGA: Czas musi być ustawiony poprawnie, aby odzwierciedlał strefę czasową w badanej lokalizacji.
   2. Włącz urządzenie GPS i poczekaj chwilę, aż zostanie znaleziona aktualna pozycja. Sprawdź lokalizację wyświetlaną na urządzeniu GPS.
      UWAGA: Precyzja jest uzależniona od gęstości baldachimu badanej roślinności.
   3. Podczas wykonywania wszystkich pomiarów w terenie należy mieć przy sobie zarówno LP 110 służący do wykonywania odczytów pod baldachimem (Instrument_2), jak i urządzenie GPS.
   4. Po wykonaniu wszystkich pomiarów terenowych podłącz oba urządzenia (Instrument_2 i urządzenie GPS) do komputera. Pobierz i przetwórz dane w odpowiednim oprogramowaniu (patrz tabela materiałów) zgodnie z instrukcją obsługi i podręcznikiem użytkownika LP 110, sekcja instrukcji obsługi³⁵.
5. Skalibrować oba przyrządy przed rozpoczęciem każdej kampanii pomiarów terenowych zgodnie z sekcjami 1.1 i 1.2.
   UWAGA: Jeśli kalibracja została już wykonana, przejdź do kroku 3.5.1.
   1. Po skalibrowaniu zarówno czujnika LAI, jak i wbudowanego inklinometru, skalibruj ze sobą oba urządzenia LP 110 (Instrument_1 i Instrument_2).
      1. Dla obu urządzeń wybierz Ustawienia w menu głównym (naciśnij Set) i wybierz Kalibracja Lai (naciśnij przycisk Set). Następnie przytrzymaj oba urządzenia w płaszczyźnie poziomej w pozycji pionowej i wyreguluj wartość stałą (oznaczoną jako C na wyświetlaczu) poprzez wielokrotne naciskanie przycisku Set na Instrument_1 (odczyty referencyjne), aby uzyskać te same wartości, które przedstawiono na ekranie urządzenia na Instrument_2. Następnie naciśnij przycisk Menu i wróć do menu głównego (wybierz Powrót i przytrzymaj Set).
6. Przy słonecznej pogodzie nie dopuść do przedostania się bezpośredniego światła słonecznego do kubka ograniczającego widok podczas wykonywania wszystkich odczytów nad baldachimem (patrz Rysunek 1).
   UWAGA: W trybie pomiaru z dwoma czujnikami należy wykonywać odczyty zarówno nad, jak i pod baldachimem w stałych warunkach oświetleniowych przy standardowym zachmurzeniu, przed wschodem lub po zachodzie słońca (Rysunek 2), aby uniknąć uzyskania nieprawidłowych wartości natężenia promieniowania.
7. Przymocuj Instrument_1 pionowo do statywu umieszczonego na otwartej przestrzeni lub nad badanym baldachimem (np. na szczycie masztu klimatycznego).
   UWAGA: To urządzenie będzie w sposób ciągły rejestrować wartości referencyjne (tj. odczyty nad baldachimem).
   1. Najpierw wybierz Ustawienia w menu głównym (naciśnij Set), a następnie wybierz Auto interwał (ponownie naciśnij Set). Następnie kilkakrotnie naciśnij Set, a następnie przytrzymaj przycisk Menu, aby wybrać żądany interwał automatycznego rejestrowania wartości odniesienia (od 10 do 600 s).
      UWAGA: Ustaw krótszy przedział czasu, aby automatycznie rejestrować odczyty referencyjne w celu zwiększenia dokładności pomiarów, jeśli warunki oświetleniowe zmieniają się szybko.
   2. Naciśnij Menu, wybierz Return i przytrzymaj przycisk Set, aby powrócić do menu głównego.
   3. Następnie naciśnij kilkakrotnie przycisk Menu (przytrzymaj Set), aby wybrać Pomiar w menu głównym. Następnie wybierz Auto Lai Ref. (naciśnij Set), aby rozpocząć wyszukiwanie prawidłowej pozycji czujnika LAI (tj. kąt zenitalny 0°).
      UWAGA: Aktualna wartość natężenia promieniowania pojawia się na wyświetlaczu. Wartość ta nie jest jeszcze zapisana w pamięci wewnętrznej urządzenia (w tym momencie wyzwalany jest tryb pomiaru).
   4. Sprawdź wyświetlacz, przechyl instrument zarówno w lewo, jak i w prawo oraz do przodu i do tyłu. Po osiągnięciu kąta zenitalnego zdefiniowanego przez osie X i Z z zerem lub mniej niż wartość 5 (tj. obie osie X i Z poniżej wartości 5), należy mocno ustawić urządzenie w wymaganej pozycji wymienionej powyżej, a następnie nacisnąć Set.
      UWAGA: Od tego kroku wartości referencyjne (tj. odczyty nad baldachimem) są automatycznie rejestrowane i przechowywane w zdefiniowanym przedziale czasu (każdemu odczytowi towarzyszy sygnał dźwiękowy). Unikaj wszelkich odchyleń od ustawionej pozycji Instrument_1; W przeciwnym razie pomiar referencyjny zostanie przerwany. Biorąc pod uwagę, że prawidłowa pozycja musi być osiągnięta w bardzo wąskim zakresie (mm), ten krok może być męczący.
8. Następnie zacznij mierzyć natężenie promieniowania emitowanego poniżej baldachimu roślinności (odczyty poniżej baldachimu) za pomocą Instrument_2.
   UWAGA: Podczas wszystkich odczytów pod baldachimem należy zachować tę samą orientację pola widzenia czujnika LAI (Instrument_2), co czujnik LAI (Instrument_1) odczytów odniesienia, na przykład prostopadle do północy.
   1. Zdefiniuj pozycje odczytów pod baldachimem i rozpocznij pomiary wartości przepuszczalności światła za pomocą czujnika LAI urządzenia.
      UWAGA: Wzorzec pomiarów terenowych LAIe w różnych strukturach koron drzew jest kompleksowo opisany w Černý et al.³⁶ oraz Fleck et al.³⁷.
   2. W menu głównym wybierz Pomiar (naciśnij Set) i wybierz Lai. Naciśnij przycisk Set, aby aktywować tryb pomiaru promieniowania przesyłanego poniżej baldachimu.
      UWAGA: Na wyświetlaczu pojawia się aktualna wartość natężenia promieniowania. Wartość ta nie jest jeszcze zapisana w pamięci wewnętrznej urządzenia (w tym momencie uruchamiany jest tylko tryb pomiaru).
   3. Naciśnij ponownie przycisk Set, aby uzyskać wartość przepuszczanego natężenia promieniowania poniżej czaszy i uruchomić zarówno wbudowany inklinometr, jak i wskaźnik dźwiękowy służący do znalezienia prawidłowej pozycji czujnika LAI (tj. kąt zenitalny 0°).
      UWAGA: Jednocześnie na wyświetlaczu pojawia się aktualna pozycja czujnika LAI zarówno dla osi X, jak i Z.
   4. Następnie trzymaj urządzenie prostopadle do powierzchni ziemi, aby czujnik LAI był skierowany w stronę zenitu.
      UWAGA: Wskaźnik dźwięku zwiększa swój ton, zbliżając się do prawidłowego kąta zenitalnego.
   5. Sprawdź wyświetlacz, przechyl instrument zarówno w lewo, jak i w prawo oraz do przodu i do tyłu. Wszystkie odczyty poniżej baldachimu są automatycznie rejestrowane i zapisywane natychmiast, gdy kąt zenitalny zdefiniowany przez obie osie X i Z osiągnie zero lub mniej niż 5 (sygnał dźwiękowy ustaje).
      UWAGA: Biorąc pod uwagę, że prawidłowa pozycja musi być osiągnięta w bardzo wąskim zakresie (mm), ten krok może być męczący.
9. Kontynuuj wykonywanie dalszych pomiarów natężenia promieniowania przepuszczanego (tj. odczytów poniżej baldachimu), wykonując kroki 3.8.3-3.8.5.
10. Po wykonaniu pomiarów pod baldachimem (Instrument_2) naciśnij kilkakrotnie przycisk Menu i Menu, aż zostanie wybrana opcja Return, aby powrócić do menu głównego, a następnie naciśnij przycisk Set.
    UWAGA: Po wykonaniu wszystkich odczytów referencyjnych (Instrument_1) postępuj w taki sam sposób, jak w przypadku Instrument_2.
11. Dane są zapisywane w pamięci przyrządu po każdym odczycie. Przytrzymaj przycisk Menu przez co najmniej 1 s, aby bezpiecznie wyłączyć urządzenie bez usuwania jakichkolwiek danych.
12. Podłącz przyrząd do komputera, pobierz i przetwórz dane. Przykład pomiaru pola i obliczenia LAIe opisano w rozdziale 4.

4. Przykład pomiaru pola i obliczenia LAIe

1. Zdefiniuj punkty pomiarowe do wykonywania pomiarów poniżej baldachimu. Ułóż układ pomiarowy w transekcie (lub regularnej siatce) z równoodległymi punktami pomiarowymi, aby uchwycić niejednorodność baldachimu roślinności spowodowaną różnymi rozmiarami przerw.
   UWAGA: Układ transektu odpowiedni dla roślinności posadzonej w rzędach z jednorodnym baldachimem jest przedstawiony na Rysunek 3. Aby uzyskać więcej informacji na temat układu pomiarów, śledź Černý et al.³⁶ i Fleck et al.³⁷.

Rysunek 3: Układ Transect do szacowania LAIe w jednorodnej pokrywie roślinnej. Transekt I-IV: numer transektu; Χ: punkt pomiarowy do wykonania odczytu poniżej baldachimu. Pierwsze dziesięć pozycji jest oznaczonych (1Χ-10Χ). Transekty muszą być ustawione prostopadle do rzędów roślin. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

2. Wykonaj zarówno pomiary nad, jak i pod baldachimem w trybie pojedynczego lub podwójnego czujnika, zgodnie odpowiednio z sekcją 2 lub sekcją 3.
3. Po wykonaniu wszystkich pomiarów terenowych należy pobrać dane do komputera z urządzenia (urządzeń) LP 110 używanego w trybie pojedynczego lub podwójnego czujnika w celu oszacowania LAIe.
   UWAGA: W trybie z dwoma czujnikami wykonaj czynności wymienione poniżej dla obu przyrządów (tj. Instrument_1 i Instrument_2).
   1. Podłącz przyrząd do komputera za pomocą dołączonego.
      UWAGA: W trybie podwójnego czujnika najpierw podłącz urządzenie używane do wykonywania pomiarów referencyjnych (tj. odczytów nad baldachimem).
   2. Otwórz odpowiednie oprogramowanie (patrz Tabela materiałów) i naciśnij Setup na pasku głównym. Następnie wybierz i naciśnij Identyfikator urządzenia.
      UWAGA: Urządzenie: LaiPen pojawia się w lewym dolnym rogu.
   3. Naciśnij przycisk Urządzenie, a następnie kliknij Pobierz.
      UWAGA: Oprogramowanie umożliwia również zapisywanie dowolnych uwag w arkuszu zatytułowanym Notatki wyświetlanym w lewym dolnym rogu. Oprogramowanie automatycznie dopasowuje odczyty nad baldachimem do każdego odczytu poniżej baldachimu (transmitancji) na podstawie czasu pomiaru.
   4. Naciśnij ikonę Plik w menu głównym; wybierz i kliknij Eksportuj. Następnie zaznacz ALAI i naciśnij OK, aby wyeksportować dane.
      UWAGA: W wyeksportowanym pliku (txt., xls.) odczyty nad i pod baldachimem (natężenie promieniowania przepuszczanego) są oznaczone odpowiednio jako Ref. Intensywność i transmitancja.
4. Obliczyć wartość transmitancji (t) dla każdego punktu pomiarowego w obrębie transektu (lub siatki) zgodnie z równaniem 1: t = I / Io (natężenie promieniowania przekazywanego poniżej korony drzew podzielone przez natężenie promieniowania padającego powyżej roślinności), co daje t₁, t₂,...,_{t n}, gdzie n: jest liczbą punktów pomiarowych poniżej baldachimu.
5. Obliczyć średnią przepuszczalność (T) badanego baldachimu roślinności, na przykład w pierwszym transekcie (T₁): T₁ = (t₁ + t₂...+ t_n) / n, gdzie n: jest liczbą punktów pomiarowych poniżej baldachimu w obrębie pierwszego transektu.
   UWAGA: Jeśli pomiary są wykonywane w wielu transektach, postępuj ze wszystkimi transektami (T₂, T₃ i T₄) w ten sam sposób.
6. Ponieważ intensywność napromieniowania zmniejsza się wykładniczo w miarę przechodzenia przez badany baldachim, należy obliczyć LAIe zgodnie ze zmodyfikowanym prawem wymierania Beera-Lamberta (patrz równanie 2).
   1. Najpierw znajdź logarytm średniej wartości przepuszczalności (T) badanego baldachimu roślinności, na przykład w pierwszym transekcie (T_I): T_I = - ln T₁,
      UWAGA: Jeżeli pomiary są wykonywane w kilku transektach, należy postępować ze wszystkimi transektami w ten sam sposób (tj. T_II = - ln T₂; T_III = - ln T₃; T_IV = - ln T₄).
      1. Obliczyć średnią wartość transmitancji (T) ze wszystkich pojedynczych transektów: T = [(- ln T_I) + (- ln T_II) + (- ln T_III) + (- ln T_IV)] / 4.
   2. Następnie oblicz końcową wartość LAIe, używając współczynnika ekstynkcji określonego dla każdego gatunku rośliny zgodnie z równaniem 2.
      UWAGA: Współczynniki ekstynkcji dla głównych gatunków drzew są podane w Bréda⁹. W drzewostanach LAIe musi zostać skorygowany ze względu na efekt zbrylania się aparatu asymilacyjnego w obrębie pędów^{29,30,31,32,33,34}, aby uzyskać rzeczywistą wartość LAI.

Wyniki

Struktura przestrzenna uzyskana z obu testowanych urządzeń oczywiście różniła się na wszystkich badanych powierzchniach, tj. przerzedzona od góry (A), przerzedzona od dołu (B) i kontrolna bez żadnej interwencji w gospodarkę leśną (C; zobacz Tabelę 2 po więcej szczegółów). Na poziomie stanowiska podobne różnice w wartościach LAI uzyskanych z LP 110 i Plant Canopy Analyzer potwierdzono między przerzedzonymi powierzchniami o różnych gęstościach (A vs. B) za pomocą ANOVA i testu Tukeya. W przypadku analizato...

Dyskusja

Jakie są różnice między LP 110 jako nowo zaprezentowanym urządzeniem do szacowania LAI (lub wykonywania pomiarów intensywności PAR) a LAI-2200 PCA jako ulepszoną wersją poprzedniego standardu LAI-2000 PCA do szacowania LAI metodą pośrednią? Oprócz tego, że cena analizatora baldachimu jest około czterokrotnie wyższa w porównaniu z LP 110, można porównać liczbę parametrów wyjściowych, warunki pomiaru, podejścia metodologiczne i możliwości oszacowania LAI dla różnych zadaszeń, dokładność wyników itp.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
AccuPAR	METER Group, Inc., Pullman, WA, Stany Zjednoczone	AccuPaR LP-80	https://www.metergroup.com/environment/products/accupar-lp-80-leaf-area-index/
DEMON	CSIRO, Canberra, Australia	plików DEMON
	LI-COR Biosciences Inc., NE, USA	FV2200C Oprogramowanie	https://www.licor.com/env/products/leaf_area/LAI-2200C/software.html
FluorPen	Photon System Instruments Ltd. (PSI), Republika Czeska	FluorPen 1.1.2.3 Sofware	https://handheld.psi.cz/products/laipen/#download
Ręczne urządzenie GPS	Garmin Ltd., Czechy	Garmin eTrex 32x Europe46	https://www.garmin.cz/garmin-etrex-32x-europe46/80117
Ręczne urządzenie do szacowania wskaźnika powierzchni liści (LP 110)	Photon System Instruments Ltd. (PSI) Czechy	LaiPen LP 110	https://handheld.psi.cz/products/laipen/#info
Analizator koron roślin	LI-COR Biosciences Inc., NE, USA	LAI-2000 PCA	LAI-2200 PCA lub LAI-2200C jako ulepszone wersje LAI-2000 PCA mogą być używane, patrz: https://www.licor.com/env/products/leaf_area/LAI-2200C/
Oprogramowanie statystyczne	Systat Software Inc., CA, USA	SigmaPlot 13.0	https://systatsoftware.com/products/sigmaplot/sigmaplot-version-13/?gclid=Cj0KCQjwzYGGBhCTARIs AHdMTQzgfb42vv0mWmcbVcflNO UvrLl802Lrhkfh23Qie2mIZfw4O8kp 7p0aAsoiEALw_wcB
Oprogramowanie statystyczne	StatSoft Inc., OK, USA	STATISTICA 10.0	Do wizualizacji LAI wykorzystano wykresy płytkowe w programie STATISTICA 10.0.
SunScan	Delta-T Devices, Ltd., Cambridge, Wielka Brytania	SS1 SunScan	https://www.delta-t.co.uk/product/sunscan
TRAC	3rd Inżynieria fal, Ontario Kanada	Śledzenie promieniowania i architektury zadaszeń	http://faculty.geog.utoronto.ca/Chen/Chen's%20homepage/res_trac.htm
Statyw	Dowolny		statyw NA ze standardową nakrętką
Poziom wody	Dowolna	Ameryka Północna