En nøjagtig vurdering af Leaf Area Index (LAI) er afgørende for mange modeller af materiale og energistrømme inden for plante økosystemer og mellem et økosystem og det atmosfæriske grænse lag. Derfor var tre metoder (kuld fælder, nåle teknik og PCA) til at tage præcise LAI målinger i den præsenterede protokol.
Nøjagtige skøn over blad område indeks (LAI), defineret som halvdelen af det samlede blad overfladeareal pr. enhed af vandret jordoverflade areal, er afgørende for at beskrive vegetations strukturen inden for økologi, skovbrug og landbrug. Derfor blev procedurerne for tre kommercielt anvendte metoder (kuld fælder, nåle teknik og en plante baldakin analysator) til udførelse af LAI estimering præsenteret trin for trin. Der blev sammenlignet specifikke metodologiske tilgange, og deres nuværende fordele, Kontroler, udfordringer og fremtidsperspektiver blev drøftet i denne protokol. Affalds fælder anses normalt for at være referenceniveauet. Både nåle teknikken og plantens baldakin analysator (f. eks. LAI-2000) undervurderer ofte LAI-værdier i forhold til referencen. Nåle teknikken er nem at bruge i løvfældende stande, hvor Strøelsen nedbrydes fuldstændigt hvert år (f. eks. eg og Bøge stande). Det er dog nødvendigt at kalibreres på grundlag af kuld fælder eller direkte destruktive metoder. Planten Canopy Analyzer er en almindeligt anvendt enhed til at udføre Lai skøn i økologi, skovbrug, og landbrug, men er genstand for potentielle fejl på grund af løv sammenklumpning og bidraget fra woody elementer i synsfeltet (fov’s) af sensoren. Eliminering af disse potentielle fejlkilder blev drøftet. Plant Canopy Analyzer er en meget velegnet enhed til at udføre LAI skøn på det høje rumlige niveau, observere en sæsonbestemt LAI dynamik, og for langsigtet overvågning af LAI.
Lai, defineret som halvdelen af det samlede blad overfladeareal pr. enhed af vandret jordoverfladen område1, er en nøgle variabel, der anvendes i mange bio-geofysiske og kemiske udvekslings modeller fokuseret på kulstof og vand flusmidler2,3, 4. Lai er direkte proportional med den aktive overflade af blade, hvor det driver primærproduktion (fotosyntese), transpiration, energiudveksling og andre fysiologiske egenskaber forbundet med en række økosystemprocesser i plante Fællesskaber5.
Talrige tilgange og instrumenter til at udføre Lai estimering er blevet udviklet, og de er i øjeblikket tilgængelige på markedet6,7,8,9. Jordbaserede metoder til udførelse af LAI-estimater kan inddeles i to hovedkategorier: (i) direkte, og (II) indirekte metoder10,11,12. Den første gruppe omfatter metoder, der måler blad området direkte, mens de indirekte metoder udleder LAI fra målinger af mere let målbare parametre ved hjælp af radiativ overførings teori (med hensyn til tid, arbejdskraftintensitet og teknologi)13 ,14.
Denne protokol omhandler den praktiske anvendelse af affalds fælder og nåle teknikken som ikke-destruktiv halv direkte metode10; og den optiske anordning Plant Canopy Analyzer som en indirekte metode6,7 for at udføre Lai estimering på en udvalgt prøve fra tempererede løvfældende skov stande i Central Europa (se dens strukturelle og dendrometriske egenskaber i Tillæg A og tillæg B).
I løvfældende skove og afgrøder er det muligt at udføre ikke-destruktiv halv direkte LAI-estimering ved hjælp af strøelse11 fordelt under baldakin laget15. Kuld fælder giver præcise LAI værdier for løvfældende arter, hvor LAI når et plateau i vækstsæsonen. Men for arter, der kan erstatte blade i vækstsæsonen, såsom poppel, overvurderer metoden LAI11. Denne metode antager, at indholdet af fælderne repræsenterer den gennemsnitlige mængde blade, der falder i en blad-Fall periode i stand16, især i løbet af efteråret måneder. Fælder er åbnet kasser eller garn (figur 1) med en forudbestemt tilstrækkelig størrelse (minimum 0,18 m2, men helst over 0,25m 2)10,17, laterale sider, der forhindrer vinden i at blæse blade ind/ud af fælderne, og med en perforeret bund undgå nedbrydning af bladene; som er placeret under baldakin lag af den undersøgt stativ, dog over jorden overflade11. Fordelingen af fælder kan enten være tilfældig18 eller systematisk i transects19 eller en almindelig afstand gitter20. Antallet og fordelingen af fælder er et afgørende metodologisk skridt for at udføre en nøjagtig LAI-vurdering, der afspejler den unikke stativ struktur, rumlig homogenitet, forventet vindhastighed og retning, især i tilfælde af sparsomme stande (eller stræder og frugtplantager) og arbejdskapaciteten til at evaluere data. Præcisionen af Lai estimering stiger med den stigende hyppighed af fælder inden for studerede stande11,21 (Se figur 2).
Den anbefalede hyppighed af indsamling af prøver af strøelse-fald fra hver fælde er mindst månedlige10 og endda to gange om ugen i perioder med kraftigt fald, som kan falde sammen med kraftig regn. Det er nødvendigt at forhindre nedbrydning af Strøelsen i fælderne og udvaskning af næringsstoffer fra materialet under regn episoder i tilfælde af kemisk analyse. Efter at have indsamlet blade i et felt, anvendes en blandet delprøve til at anslå det specifikke blad område (SLA, cm2 g-1)22, defineret som det friske projicerede areal af blade til sin tørre masse vægt forhold. Resten af den indsamlede strøelse tørres til en konstant vægt og anvendes til beregning af den tørre masse af strøelse som g cm-2 i laboratoriet. Blad tørmassen på hver opsamlingsdato omdannes til blad området ved at multiplicere den indsamlede biomasse med SLA eller blad tørmasse pr. område (LMA, g cm-2) som den inverse parameter til SLA23,24. Et nyt projekteret område af særlige blade kan bestemmes ved hjælp af en planimetrisk tilgang. Den planimetriske metode er baseret på afhængigheden mellem arealet af et bestemt blad og det område, der dækkes af bladet i den vandrette overflade. Bladet er vandret fastgjort til scannings skærmen, og dets gennemsnit måles ved hjælp af en blad område måler. Derefter beregnes dens område. Mange bladareal målere baseret på forskellige måleprincipper er tilgængelige på markedet. Nogle af dem omfatter, for eksempel, LI-3000C bærbare Leaf Area meter, som bruger den ortogonale projektion metode, og LI-3100C areal måler, som måler blad gennemsnit ved hjælp af en fluorescerende lyskilde og en semi-udført scanning kamera. Den næste enhed, CI-202 bærbare laser Leaf Area meter, koder en bladlængde ved hjælp af en kode læser. Udover dem, de AM350 og BSLM101 bærbare blad område målere er også almindeligt anvendt til at udføre nøjagtige blad område skøn.
Desuden er blad område målere baseret på systemer, der analyserer video, findes. Disse blad område målere består af et videokamera, en digitaliserings ramme, en skærm og en PC, herunder egnet software til at gøre dataanalyse såsom WD3 WinDIAS Leaf image Analysis system11. I øjeblikket kan konventionelle scannere, der er tilsluttet en PC, bruges til at anslå blad området. Bagefter beregnes blad området som et multiplum af antallet af sorte pixels, og dets størrelse afhænger af den valgte opløsning (dots per inch – dpi), eller blad området måles gennem specifik software, for eksempel WinFOLIA. Endelig omdannes den totale tørvægt af blade, der er indsamlet inden for et kendt jordoverflade areal, til LAI ved at multiplicere med SLA og en krympende koefficient25 , som afspejler ændringerne i området med friske og tørrede blade. Krympning afhænger af træarterne, vandindholdet og blad blødhed. Krympning af blade i længde og bredde (hvad der påvirker det projekterede område) er normalt op til 10%26, for eksempel, det spænder fra 2,6 til 6,8% for eg27. Sortering af blade efter art til vejning og fastlæggelse af det specifikke bladareal er nødvendigt for at bestemme hver Arts bidrag til det samlede LAI28.
Lai bestemmelse af nåle teknikken er en billig metode afledt af skrå punkt Quadrat metode29,30,31,32. I løvfældende stande, er det et alternativ til at udføre LAI estimering uden brug af fælder10 baseret på den antagelse, at det samlede blad nummer og deres område i et træ er lig med, hvad der er indsamlet på jordoverfladen efter en komplet blad-efterår20 . En tynd skarp nål er gennemboret lodret i strøelse liggende på jorden umiddelbart efter blad-efterår10. Efter det komplette blad fald opsamles bladene fra jorden på en nål af en lodret sonde, er relateret til kontaktnummeret og svarer til den faktiske LAI-værdi. En intensiv prøvetagning (100-300 prøvetagningssteder pr. undersøgt stand pr. felt sonde) ved nåle teknikken er nødvendig for at kvantificere et gennemsnitligt kontaktnummer og for at udlede Lai-værdien korrekt10,20,33.
DenPlant Canopy Analyzer(f. eks. LAI-2000 eller LAI-2200 PCA) er et almindeligt anvendt bærbart instrument til udførelse af et indirekte LAI-skøn ved at tage en måling af lystransmissionen i hele baldakinen7inden for den filtrerede blå del af lysspektret (320-490 nm)34,35for at minimere bidraget fra det lys, der er passeret gennem bladene, blev spredt af baldakinen og passerer gennem løv7,34. I den blå del af lysspektret opnås den maksimale kontrast mellem bladet og himlen, og løv synes sort mod himlen34. Det er derfor baseret på en fraktion-analyse af7. Instrumentet er blevet anvendt i vid udstrækning til at fremstille økofysiologiske studier i plantesamfund som afgrøder36Græsarealer37, nåle stativer8, og løvfældende stande38. Plant Canopy Analyzer bruger en fiskeøje optisk sensor med en FOV på 148 °35at projicere et halvkugleformet billede af baldakinen på silikone detektorer for at arrangere dem i fem koncentriske ringe39med centrale Zenith vinkler på 7 °, 23 °, 38 °, 53 ° og 68 °9,40,41. Fem visnings hætter (dvs.,270 °, 180 °, 90 °, 45 ° og 10 °) kan anvendes til at begrænse azimuth-visningen af den optiske sensor27for at undgå skygger ved forhindringer i et åbent område (for den ovenfor refererede aflæsning) eller operatøren i sensorens FOV under LAI estimering kan du justere FOV-sensoren til et åbent område for over-Canopy-aflæsninger. Målinger ved hjælp af anlægget Canopy analysator er taget ovenfor (eller i et tilstrækkeligt udvidet åbent område) og under studerede Canopy7. Den samme visning caps skal anvendes til både over og under aflæsninger for at undgå biaser af Gap fraktion estimering34. LAI-2000 PCA producerer et effektivt blad område indeks (LAIe) som introduceret af Chen et al.42, eller rettere en effektiv plante areal indeks (PAIe) som woody elementer er inkluderet i sensoren læsning værdi. I løvfældende stande med flade blade er LAIe den samme som Hemi-Surface LAI. I tilfælde af stedsegrønne skov stande, den Laie er nødvendigt at korrigere for sammenklumpning effekt på shoot Level (Spar, stjerne)43, sammenklumpnings indekset ved skalaer, som er større end skyde (ΩE)44, og bidraget fra træagtige elementer, herunder stilke og grene (dvs.,areal forhold mellem woody og total)45som forårsager en systematisk LAI-undervurdering20. Sammenklumpning index på en højere rumlig skala end skyde eller blad kunne kvantificeres som en tilsyneladende sammenklumpning Index (ACF), som kan estimeres ved hjælp af anlægget baldakin analysator, når mere restriktive visning caps anvendes27. Da disse forfattere har fastlagt, at denne ACF udledes af en ratio af LAI-værdier, der beregnes ud fra transmittans forskellige procedurer for homogene og ikke-homogene baldakiner i henhold til lang46, antager vi, at dette sammenklumpning index beskriver temmelig baldakin homogenitet. Ud over den ACF beregning, nye diffuser caps, der muliggør en mere omfattende anvendelse af LAI-2200 PCA med hensyn til vejrforhold, en brugermenu i stedet for FCT-koder, og muligheden for at tage mange flere målinger pr fil session er blandt de vigtigste teknologiske opgraderinger i forhold til den tidligere LAI-2000 PCA34,47. Målinger og efterfølgende interne software beregninger er baseret på fire antagelser: (1) lysblokerende plante elementer, herunder blade, grene og stilke, fordeles tilfældigt i baldakinen, (2) løv er en optisk sort krop, der absorberer alle de lys det modtager, (3) alle plante elementer er den samme projektion til den horisontale jordoverfladen som en simpel geometrisk konvekse form, (4) plante elementer er små sammenlignet med det område, der dækkes af hver ring11.
Kuld fælder betragtes som en af de mest nøjagtige metoder til at udføre Lai estimering8, men de er mere arbejdskraftintensive og tidskrævende end de indirekte metoder35,64 som blev indarbejdet i denne protokol. Inden for hele LAI-estimerings proceduren ved hjælp af kuld fælder er en præcis vurdering af SLA det mest kritiske punkt10 , fordi SLA kan variere med plantearter65, dato og år…
The authors have nothing to disclose.
Vi står i gæld til redaktionen af Journal of Skovforskning for at tilskynde og bemyndige os til at bruge de repræsentative resultater i denne protokol fra artiklen offentliggjort der. Vi takker også to anonyme anmeldere for deres værdifulde kommentarer, som har forbedret manuskriptet væsentligt. Forskningen blev finansieret af Den Tjekkiske Republiks landbrugsministerium, institutionel støtte MZE-RO0118 og det nationale agentur for landbrugsforskning (projekt nr. QK1810126).
Area Meter | LI-COR Biosciences Inc., NE, USA | LI-3100C | https://www.licor.com/env/products/leaf_area/LI-3100C/ |
Computer Image Analysis System | Regent Instruments Inc., CA | WinFOLIA | http://www.regentinstruments.com/assets/images_winfolia2/WinFOLIA2018-s.pdf |
File Viewer | LI-COR Biosciences Inc., NE, USA | FV2200C Software | https://www.licor.com/env/products/leaf_area/LAI-2200C/software.html |
Laboratory oven | Amerex Instruments Inc., CA, USA | CV150 | https://www.labcompare.com/4-Drying-Ovens/2887-IncuMax-Convection-Oven-250L/?pda=4|2887_2_0||| |
Leaf Image Analysis System | Delta-T Devices, UK | WD3 WinDIAS | https://www.delta-t.co.uk/product/wd3/ |
Litter traps | Any | NA | See Fig. 2 |
Needle | Any | NA | Maximum diameter of 2 mm |
Plant Canopy Analyser | LI-COR Biosciences Inc., NE, USA | LAI-2000 PCA | LAI-2200 PCA or LAI-2200C as improved versions of LAI-2000 PCA can be used, see: https://www.licor.com/env/products/leaf_area/LAI-2200C/ |
Portable Laser Leaf Area Meter | CID Bio-Science, WA, USA | CI-202 | https://cid-inc.com/plant-science-tools/leaf-area-measurement/ci-202-portable-laser-leaf-area-meter/ |
Portable Leaf Area Meter | ADC, BioScientic Ltd., UK | AM350 | https://www.adc.co.uk/products/am350-portable-leaf-area-meter/ |
Portable Leaf Area Meter | Bionics Scientific Technogies (P). Ltd., India | BSLM101 | http://www.bionicsscientific.com/measuring-meters/leaf-area-index-meter.html |
Portable Leaf Area Meter | LI-COR Biosciences Inc., NE, USA | LI-3000C | https://www.licor.com/env/products/leaf_area/LI-3000C/ |