stringtranslate.com

Индекс листовой поверхности

Индекс площади листьев ( LAI ) — безразмерная величина , характеризующая растительный покров . Он определяется как односторонняя зеленая площадь листьев на единицу площади поверхности земли ( LAI = площадь листьев / площадь земли, м 2 / м 2 ) в широколиственных пологах . [1] Для хвойных деревьев используются три определения LAI:

Определение «половина общей площади листа» относится к биологическим процессам, таким как газообмен, тогда как определение «проецируемая площадь листа» было проигнорировано, поскольку проекция данной площади в одном направлении может отличаться в другом направлении, когда листья не плоские, толстые или не имеют трехмерной формы. Более того, «площадь поверхности земли» специально определяется как «горизонтальная площадь поверхности земли» для уточнения LAI на наклонной поверхности. Определение «половина общей площади листа на единицу горизонтальной площади поверхности земли» подходит для всех видов листьев и плоских или наклонных поверхностей. [4]

Индекс листовой поверхности (LAI) выражает площадь листа на единицу площади поверхности земли или ствола растения и обычно используется в качестве индикатора скорости роста растения. LAI — это сложная переменная, которая относится не только к размеру полога, но и к его плотности, а также к углу, под которым листья ориентированы по отношению друг к другу и к источникам света. Кроме того, LAI меняется в зависимости от сезонных изменений в активности растений [5] и обычно имеет наивысшее значение весной, когда образуются новые листья, и наименьшее — в конце лета или начале осени, когда листья стареют (и могут опадать). Изучение LAI называется «филлометрией». [6]

Интерпретация и применение

LAI является мерой общей площади листьев на единицу площади земли и напрямую связана с количеством света, которое может быть перехвачено растениями. Это важная переменная, используемая для прогнозирования первичной фотосинтетической продукции , эвапотранспирации и в качестве справочного инструмента для роста сельскохозяйственных культур . Таким образом, LAI играет существенную роль в теоретической экологии производства . Была установлена ​​обратная экспоненциальная зависимость между LAI и улавливанием света, которая линейно пропорциональна скорости первичной продукции: [ необходима цитата ] [7] [8]

где P max обозначает максимальную первичную продукцию и обозначает коэффициент роста, специфичный для конкретной культуры . Эта обратная экспоненциальная функция называется функцией первичной продукции .

LAI варьируется от 0 (голая земля) до более 10 (густые хвойные леса). [9]

Определение ЛАИ

LAI можно определить напрямую, взяв статистически значимый образец листвы из растительного полога , измерив площадь листвы на выборочном участке и разделив ее на площадь поверхности земли участка. Косвенные методы измеряют геометрию полога или затухание света и связывают это с LAI. [10]

Прямые методы

Прямые методы можно легко применять к листопадным видам, собирая листья во время листопада в ловушки определенной площади, распределенные под пологом. Площадь собранных листьев можно измерить с помощью измерителя площади листьев или сканера изображений и программного обеспечения для анализа изображений (ImageJ) и мобильных приложений (Leafscan, Petiole Pro, Easy Leaf Area). Затем измеренную площадь листьев можно разделить на площадь ловушек для получения LAI. В качестве альтернативы площадь листьев можно измерить на подвыборке собранных листьев и связать с сухой массой листьев (например, с помощью Удельной площади листьев , SLA см2 / г). Таким образом, нет необходимости измерять площадь всех листьев по одному, а взвешивать собранные листья после сушки (при 60–80 °C в течение 48 ч). Сухая масса листьев, умноженная на удельную площадь листьев, преобразуется в площадь листьев.
Прямые методы для вечнозеленых видов обязательно являются деструктивными. Однако они широко используются в сельскохозяйственных культурах и пастбищах путем сбора растительности и измерения площади листьев в пределах определенной площади поверхности земли. Очень сложно (и неэтично) применять такие деструктивные методы в природных экосистемах, особенно в лесах вечнозеленых пород деревьев. Лесники разработали методы, которые определяют площадь листьев в вечнозеленых лесах через аллометрические отношения.
Из-за трудностей и ограничений прямых методов оценки LAI они в основном используются в качестве справочных для косвенных методов, которые проще и быстрее применять.

Косвенные методы

Полусферическая фотография полога леса . Отношение площади полога к небу используется для аппроксимации LAI.

Косвенные методы оценки LAI in situ можно условно разделить как минимум на три категории:

  1. измерения LAI с косвенным контактом, такие как отвесные линии и квадраты наклонных точек [ требуется ссылка ]
  2. косвенные бесконтактные измерения
  3. косвенная оценка с помощью дистанционного зондирования, такого как лидар [11] и многоспектральная съемка [12]

Из-за субъективности и трудозатрат первого метода обычно предпочтительны косвенные бесконтактные измерения. Бесконтактные инструменты LAI, такие как полусферическая фотография , анализатор растительного покрова Hemiview от Delta-T Devices, анализатор растительного покрова CI-110 [1] от CID Bio-Science, анализатор растительного покрова LAI-2200 [2] от LI-COR Biosciences и септометр LAI LP-80 [3] от Decagon Devices , измеряют LAI неразрушающим способом. Методы полусферической фотографии оценивают LAI и другие атрибуты структуры полога путем анализа направленных вверх фотографий «рыбий глаз» , сделанных под растительным пологом. LAI-2200 вычисляет LAI и другие атрибуты структуры полога на основе измерений солнечного излучения, выполненных с помощью широкоугольного оптического датчика. Измерения, выполненные выше и ниже полога, используются для определения перехвата света пологом под пятью углами, из которых вычисляется LAI с использованием модели переноса излучения в растительном пологе на основе закона Бера . LP-80 вычисляет LAI посредством измерения разницы между уровнями освещенности над пологом и на уровне земли, а также с учетом распределения угла наклона листьев, солнечного зенитного угла и коэффициента затухания растений. Такие косвенные методы, где LAI рассчитывается на основе наблюдений за другими переменными (геометрия полога, перехват света, длина и ширина листа [13] и т. д.), как правило, быстрее, поддаются автоматизации и, таким образом, позволяют получать большее количество пространственных выборок. Из соображений удобства по сравнению с прямыми (деструктивными) методами эти инструменты становятся все более и более важными.

Недостатки методов

Недостатком прямого метода является его деструктивность, длительность и дороговизна, особенно если исследуемая территория очень большая.

Недостатком косвенного метода является то, что в некоторых случаях он может недооценивать значение LAI в очень густых пологах, поскольку он не учитывает листья, которые лежат друг на друге и по сути действуют как один лист согласно теоретическим моделям LAI. [14] [15] Незнание неслучайности внутри пологов может привести к недооценке LAI до 25%, введение распределения длины пути в косвенный метод может повысить точность измерения LAI. [16] Косвенная оценка LAI также чувствительна к методам анализа данных выбора. [17]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Уотсон, DJ (1947). «Сравнительные физиологические исследования роста полевых культур: I. Изменение чистой скорости ассимиляции и площади листьев между видами и сортами, а также в течение года и между годами». Annals of Botany . 11 : 41–76. doi : 10.1093/oxfordjournals.aob.a083148 .
  2. ^ Чен, Дж. М.; Блэк, ТА (1992). «Определение индекса листовой поверхности для неплоских листьев». Сельскохозяйственная и лесная метеорология . 57 : 1–12. doi :10.1016/0168-1923(91)90074-z.
  3. ^ GHOLZ, HENRY L.; FITZ, FRANKLIN K.; WARING, RH (1976). «Различия в площади листьев, связанные с сообществами старовозрастных лесов в западных каскадах Орегона». Канадский журнал лесных исследований . 6 (1): 49–57. doi :10.1139/x76-007. S2CID  85319218.
  4. ^ Yan, GJ; Hu, RH; Luo, JH; Marie, W.; Jiang, HL; Mu, XH; Xie, DH; Zhang, WM (2019). «Обзор косвенных оптических измерений индекса площади листьев: последние достижения, проблемы и перспективы». Сельскохозяйственная и лесная метеорология . 265 : 390–411. Bibcode : 2019AgFM..265..390Y. doi : 10.1016/j.agrformet.2018.11.033 .
  5. ^ Maass, JoséManuel; Vose, James M.; Swank, Wayne T.; Martínez-Yrízar, Angelina (1995-06-01). "Сезонные изменения индекса листовой поверхности (LAI) в тропическом листопадном лесу на западе Мексики". Forest Ecology and Management . 74 (1): 171–180. Bibcode : 1995ForEM..74..171M. doi : 10.1016/0378-1127(94)03485-F. ISSN  0378-1127.
  6. ^ Томажич, Ирма; Корошец-Коруза, Зора (2003-11-01). «Достоверность филлометрических параметров, используемых для дифференциации местных сортов Vitis Vinifera L.». Генетические ресурсы и эволюция культур . 50 (7): 773–778. doi :10.1023/A:1025085012808. ISSN  1573-5109. S2CID  6333777.
  7. ^ Фирман, Д.М. и Э.Дж. Аллен. «Взаимосвязь между перехватом света, наземным покровом и индексом площади листьев у картофеля». Журнал сельскохозяйственной науки 113, № 3 (декабрь 1989 г.): 355–59. doi :10.1017/S0021859600070040. https://www.niab.com/uploads/files/Light_interception_ground_cover_LAI_Firman_Allen_1989.pdf
  8. ^ Аснер, Грегори П., Джонатан МО Скарлок и Джеффри А. Хике. «Глобальный синтез наблюдений индекса площади листьев: значение для экологических и дистанционных исследований». Глобальная экология , 2003, 15. http://www2.geog.ucl.ac.uk/~mdisney/teaching/teachingNEW/GMES/LAI_GLOBAL_RS.pdf
  9. ^ Иио, Ацухиро; Хикосака, Коуки; Антен, Нильс PR; Накагава, Ёсиаки; Ито, Акихико (2014). «Глобальная зависимость индекса площади листьев, наблюдаемого в полевых условиях, у древесных пород от климата: систематический обзор». Глобальная экология и биогеография . 23 (3): 274–285. Bibcode : 2014GloEB..23..274I. doi : 10.1111/geb.12133. ISSN  1466-8238.
  10. ^ Бреда, Н (2003). «Наземные измерения индекса площади листьев: обзор методов, инструментов и текущих споров». Журнал экспериментальной ботаники . 54 (392): 2403–2417. doi :10.1093/jxb/erg263. PMID  14565947.
  11. ^ Чжао, Кайгуан; Попеску, Сорин (2009). «Картографирование индекса площади листьев на основе лидара и его использование для проверки продукта спутникового LAI GLOBCARBON в умеренном лесу на юге США». Дистанционное зондирование окружающей среды . 113 (8): 1628–1645. Bibcode : 2009RSEnv.113.1628Z. doi : 10.1016/j.rse.2009.03.006.
  12. ^ Чен, Дж. М.; Чилар, Йозеф (1996). «Получение индекса площади листьев бореальных хвойных лесов с использованием изображений Landsat TM». Дистанционное зондирование окружающей среды . 55 (2): с. 153–162. Bibcode : 1996RSEnv..55..153C. doi : 10.1016/0034-4257(95)00195-6.
  13. ^ Бланко, ФФ; Фолегатти, МВ (2003). «Новый метод оценки индекса площади листьев растений огурцов и томатов». Horticultura Brasileira . 21 (4): 666–669. doi : 10.1590/S0102-05362003000400019 .
  14. ^ Вильгельм, WW; Руве, K.; Шлеммер, MR (2000). «Сравнение трех измерителей индекса площади листьев в кукурузном пологе». Crop Science . 40 (4): 1179–1183. doi :10.2135/cropsci2000.4041179x. S2CID  6461200.
  15. ^ Чжао, Кайгуан; Гарсия, Мариано; Го, Цинхуа; Лю, Шу; Чэнь, Ган; Чжан, Сюэсун; Чжоу, Юйюй; Сюэлянь, Мэн. (2015). «Дистанционное зондирование лесов с помощью наземного лидара: оценки максимального правдоподобия профиля полога, индекса площади листьев и распределения углов листьев». Сельскохозяйственная и лесная метеорология . 209 : 100–113. Bibcode : 2015AgFM..209..100Z. doi : 10.1016/j.agrformet.2015.03.008.
  16. ^ Ху, Ронхай; Янь, Гуанцзянь; Му, Сихань; Ло, Цзинхуэй (2014). «Косвенное измерение индекса площади листьев на основе распределения длины пути». Дистанционное зондирование окружающей среды . 155 : 239–247. Bibcode : 2014RSEnv.155..239H. doi : 10.1016/j.rse.2014.08.032.
  17. ^ Чжао, Кайгуан; Рю, Юнгрйел; Ху, Тонгси; Гарсия, Мариано; Ян, Ли; Лю, Чжэнь; Лондо, Алексис; Ван, Чао (2019). «Как лучше оценить индекс площади листа и распределение углов листа по цифровой полусферической фотографии? Переход к парадигме бинарной нелинейной регрессии». Методы в экологии и эволюции . 10 (11): 1864–1874. Bibcode :2019MEcEv..10.1864Z. doi : 10.1111/2041-210X.13273 .

Примечания