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环境科学

वनस्पति चंदवा में ऑप्टिकल डिवाइस का उपयोग कर प्रभावी पत्ती क्षेत्र सूचकांक का क्षेत्र मापन

Published: July 29, 2021
doi:
10.3791/62802
,
1Forestry and Game Management Research Institute,Research Station at Opočno, 2Department of Silviculture, Faculty of Forestry and Wood Technology,Mendel University in Brno

Summary

स्थलीय पारिस्थितिक तंत्र में तेज और सटीक पत्ती क्षेत्र सूचकांक (एलएआई) अनुमान पारिस्थितिक अध्ययन की एक विस्तृत श्रृंखला और रिमोट सेंसिंग उत्पादों को कैलिब्रेट करने के लिए महत्वपूर्ण है। यहां प्रस्तुत किया गया है कि सीटू एलएआई माप में जमीन-आधारित लेने के लिए नए एलपी 110 ऑप्टिकल डिवाइस का उपयोग करने के लिए प्रोटोकॉल है।

Abstract

लीफ एरिया इंडेक्स (एलएआई) एक आवश्यक चंदवा चर है जो एक पारिस्थितिकी तंत्र में पत्ते की मात्रा का वर्णन करता है। पैरामीटर पौधों और वायुमंडल के हरे घटकों के बीच इंटरफ़ेस के रूप में कार्य करता है, और कई शारीरिक प्रक्रियाएं वहां होती हैं, मुख्य रूप से प्रकाश संश्लेषक अपटेक, श्वसन और वाष्पोत्सर्जन। एलएआई कार्बन, पानी और ऊर्जा चक्र से जुड़े कई मॉडलों के लिए एक इनपुट पैरामीटर भी है। इसके अलावा, जमीन-आधारित सीटू माप रिमोट सेंसिंग उत्पादों से प्राप्त एलएआई के लिए अंशांकन विधि के रूप में कार्य करते हैं। इसलिए, सटीक और तेजी से एलएआई अनुमान लगाने के लिए सीधे अप्रत्यक्ष ऑप्टिकल तरीके आवश्यक हैं। वनस्पति चंदवा और चंदवा अंतराल के माध्यम से प्रेषित विकिरण के बीच संबंध के आधार पर नव विकसित एलपी 110 ऑप्टिकल डिवाइस के पद्धतिगत दृष्टिकोण, फायदे, विवाद और भविष्य के दृष्टिकोण पर प्रोटोकॉल में चर्चा की गई थी। इसके अलावा, उपकरण की तुलना विश्व मानक एलएआई-2200 प्लांट कैनोपी विश्लेषक से की गई थी। LP 110 क्षेत्र में अधिग्रहित डेटा के अधिक तेजी से और अधिक सरल प्रसंस्करण को सक्षम बनाता है, और यह प्लांट कैनोपी विश्लेषक की तुलना में अधिक सस्ती है। नए उपकरण को इसकी अधिक सेंसर संवेदनशीलता, इन-बिल्ट डिजिटल इंक्लिनोमीटर और सही स्थिति में रीडिंग के स्वचालित लॉगिंग के कारण उपरोक्त और नीचे-चंदवा रीडिंग दोनों के लिए उपयोग में आसानी की विशेषता है। इसलिए, हाथ से आयोजित एलपी 110 डिवाइस प्रतिनिधि परिणामों के आधार पर वानिकी, पारिस्थितिकी, बागवानी और कृषि में एलएआई अनुमान लगाने के लिए एक उपयुक्त गैजेट है। इसके अलावा, एक ही डिवाइस भी उपयोगकर्ता को घटना प्रकाश संश्लेषक रूप से सक्रिय विकिरण (PAR) तीव्रता का सटीक माप लेने में सक्षम बनाता है।

Introduction

कैनोपी कई जैविक, भौतिक, रासायनिक और पारिस्थितिक प्रक्रियाओं की लोकी हैं। उनमें से अधिकांश चंदवा संरचनाओं से प्रभावित होते हैं1. इसलिए, सटीक, तेजी से, गैर-विनाशकारी, और सीटू वनस्पति चंदवा परिमाणीकरण में विश्वसनीय जल विज्ञान, कार्बन और पोषक तत्व ों के साइकिल चालन, और वैश्विक जलवायु परिवर्तन2,3से जुड़े अध्ययनों की एक विस्तृत श्रृंखला के लिए महत्वपूर्ण है। चूंकि पत्तियां या सुई वायुमंडल और वनस्पति4के बीच एक सक्रिय इंटरफ़ेस का प्रतिनिधित्व करती हैं, इसलिए महत्वपूर्ण चंदवा संरचनात्मक विशेषताओं में से एक पत्ती क्षेत्र सूचकांक (एलएआई)5है, जिसे क्षैतिज भूमि सतह क्षेत्र या व्यक्तियों के लिए मुकुट प्रक्षेपण की प्रति इकाई कुल हरी पत्ती सतह क्षेत्र के आधे के रूप में परिभाषित किया गया है, जिसे एम2 प्रति मीटर2 में एक आयामरहित चर6के रूप में व्यक्त किया गयाहै। 7।

विभिन्न पारिस्थितिकी प्रणालियों में स्थलीय एलएआई और उनके पेशेवरों और विपक्षों का आकलन करने के लिए विभिन्न उपकरणों और पद्धतिगत दृष्टिकोणों को पहले ही प्रस्तुत किया जा चुका है8,9,10,11,12,13,14,15. एलएआई अनुमान विधियों की दो मुख्य श्रेणियां हैं: प्रत्यक्ष और अप्रत्यक्ष (अधिक जानकारी के लिए व्यापक समीक्षाएं8,9,10,11,12 देखें)। मुख्य रूप से वन स्टैंड में उपयोग किया जाता है, जमीन-आधारित एलएआई अनुमान नियमित रूप से प्रत्यक्ष एलएआई निर्धारण की कमी के कारण अप्रत्यक्ष ऑप्टिकल तरीकों का उपयोग करके प्राप्त किए जाते हैं, लेकिन वे आमतौर पर समय लेने वाली, श्रम-गहनऔर विनाशकारी विधि9,10, 12,16का प्रतिनिधित्व करते हैं। इसके अलावा, अप्रत्यक्ष ऑप्टिकल तरीके एलएआई को अधिक आसानी से संबंधित मापदंडों को मापने से प्राप्त करते हैं (इसकी समय-मांग और श्रम-तीव्र प्रकृति के दृष्टिकोण से)17,जैसे कि चंदवा के ऊपर और नीचे घटना विकिरण के बीच का अनुपात और चंदवा अंतराल का परिमाणीकरण14। यह स्पष्ट है कि संयंत्र चंदवा विश्लेषकों को भी व्यापक रूप से उपग्रह एलएआई पुनर्प्राप्ति18को मान्य करने के लिए इस्तेमाल किया गया है; इसलिए, इसे एलपी 110 तुलना के लिए एक मानक माना गया है (नियोजित उपकरणों के बारे में अधिक जानकारी के लिए सामग्री की तालिका देखें)।

एलपी 110, शुरू में स्व-निर्मित सरल साधन ALAI-02D 19 और बाद मेंLP 100 20के एक अद्यतन संस्करण के रूप में, प्लांट कैनोपी विश्लेषकों के लिए एक करीबी प्रतियोगी के रूप में विकसित किया गया था। अप्रत्यक्ष ऑप्टिकल विधियों के प्रतिनिधि के रूप में, डिवाइस हाथ से आयोजित, हल्के, बैटरी संचालित है, सेंसर और डेटा-लकड़हारा के बीच केबल कनेक्शन की किसी भी आवश्यकता के बिना जो एक बुलबुला स्तर के बजाय डिजिटल इंक्लिनोमीटर का उपयोग करता है और तेजी से और अधिक सटीक स्थिति और मूल्य पढ़ने में सक्षम बनाता है। इसके अलावा, डिवाइस को तत्काल रीडआउट को नोट करने के लिए डिज़ाइन किया गया था। इस प्रकार, क्षेत्र में डेटा एकत्र करने के लिए आवश्यक समय अनुमान लगभग 1/3 द्वारा प्लांट कैनोपी विश्लेषक की तुलना में एलपी 110 के लिए कम है। किसी कंप्यूटर पर रीडआउट के निर्यात के बाद, डेटा बाद के प्रसंस्करण के लिए उपलब्ध हैं। डिवाइस नीले प्रकाश तरंग दैर्ध्य (यानी, 380-490 एनएम)21, 22के भीतर एक एलएआई गणना करने के लिए एक एलएआई सेंसरका उपयोग करके विकिरण रिकॉर्ड करता है। LAI सेंसर को 16° (Z-अक्ष) और 112° (X-अक्ष) दृश्य के क्षेत्रों(चित्रा 1)के साथ एक अपारदर्शी प्रतिबंध टोपी द्वारा नकाबपोश किया गया है। इस प्रकार, प्रकाश संचरण को जमीन की सतह (यानी, जेनिथ कोण 0 डिग्री) पर लंबवत रूप से आयोजित डिवाइस का उपयोग करके नोट किया जा सकता है, या 0 डिग्री, 16 डिग्री, 32 डिग्री, 48 डिग्री और 64 डिग्री के पांच अलग-अलग कोणों पर भी चंदवा तत्वों के झुकाव को कम करने में सक्षम होने के लिए।

Figure 1
चित्रा 1:LP 110 की भौतिक विशेषताएं। मेनू कुंजी उपयोगकर्ता को पूरे प्रदर्शन में ऊपर और नीचे शिफ्ट करने में सक्षम बनाती है, और सेट बटन एंटर कुंजी(ए)के रूप में कार्य करता है। विभिन्न झुकाव कोणों (साइड व्यू के कारण ±8) के तहत जेनिथ दृश्य और क्षैतिज दृश्य एलपी 110 से 112 डिग्री(बी)के लिए संयंत्र चंदवा विश्लेषक (restrictors द्वारा संशोधित) के समान तय किया गया है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

एलएआई सेंसर की उच्च संवेदनशीलता के कारण, इसके सीमित क्षेत्र के दृश्य, इन-बिल्ट डिजिटल इंक्लिनोमीटर, बटन प्रेस के बिना ध्वनि द्वारा इंगित सही स्थिति में पढ़ने के मूल्यों के स्वचालित लॉगिंग के कारण, नया उपकरण संकीर्ण घाटियों पर या यहां तक कि आकाश की स्थितियों की एक विस्तृत श्रृंखला को मापने के लिए व्यापक वन सड़कों पर ऊपर-चंदवा रीडिंग के लिए भी उपयुक्त है। इसके अलावा, यह अपेक्षाकृत उच्च पुनर्जनन के ऊपर परिपक्व स्टैंड कैनोपी के परिमाणीकरण को सक्षम बनाता है, और यह प्लांट कैनोपी विश्लेषक की तुलना में विकिरण मूल्यों की उच्च सटीकता प्राप्त करता है। इसके अलावा, एलपी 110 की कीमत प्लांट कैनोपी विश्लेषक के लगभग 1/4 के बराबर है। Contrariwise, घने में LP 110 का उपयोग (यानी, 7.88 से अधिक स्टैंड स्तर पर LAIe)23 या घास के मैदान के रूप में बहुत कम कैनोपी सीमित है।

एलपी 110 दो ऑपरेटिंग मोड के भीतर काम कर सकता है: (i) एक एकल सेंसर मोड नीचे-चंदवा और संदर्भ रीडिंग दोनों को ले रहा है (अध्ययन किए गए चंदवा के ऊपर या विश्लेषण किए गए वनस्पति के आसपास के क्षेत्र में स्थित पर्याप्त रूप से व्यापक समाशोधन में) एक ही उपकरण के साथ लिए गए पहले, बाद में, या नीचे-चंदवा माप के दौरान किया गया और (ii) नीचे-चंदवा रीडिंग लेने के लिए पहले उपकरण का उपयोग करके एक दोहरी सेंसर मोड, जबकि दूसरा एक नियमित पूर्वनिर्धारित समय अंतराल (10 से 600 सेकंड तक) के भीतर स्वचालित रूप से लॉग इन संदर्भ रीडिंग के लिए नियोजित है। LP 110 को एक संगत GPS डिवाइस के साथ मिलान किया जा सकता है (सामग्री की तालिकादेखें) ऊपर उल्लिखित दोनों मोड के लिए प्रत्येक नीचे-चंदवा माप बिंदु के निर्देशांक को रिकॉर्ड करने के लिए।

प्रभावी पत्ती क्षेत्र सूचकांक (LAIe)24 clumping सूचकांक प्रभाव को शामिल करता है और अध्ययन वनस्पति चंदवा25के ऊपर और नीचे लिए गए सौर बीम विकिरण के माप से व्युत्पन्न किया जा सकता है। इस प्रकार, निम्नलिखित LAIe गणना के लिए, संप्रेषण (टी) की गणना विकिरण से की जानी चाहिए, दोनों चंदवा (आई) के नीचे प्रेषित और एलपी 110 डिवाइस द्वारा मापी गई वनस्पति(आईओ)के ऊपर की घटना।

t = I / I0 (1)

चूंकि विकिरण तीव्रता तेजी से कम हो जाती है क्योंकि यह वनस्पति चंदवा से गुजरती है, इसलिए एलएआईई की गणना बीयर-लैम्बर्ट विलुप्त होने के कानून के अनुसार की जा सकती है जिसे मॉन्सी और सैकी9,26 द्वारा संशोधित किया गयाहै।

LAIe = – ln (I / I0) x k-1 (2),

जहां, k विलुप्त होने का गुणांक है। विलुप्त होने का गुणांक प्रत्येक तत्व के आकार, अभिविन्यास और वनस्पति चंदवा में स्थिति को दर्शाता है, जिसमें ज्ञात चंदवा तत्व झुकाव और दृश्य दिशा9,12होती है। k गुणांक (समीकरण 2 देखें) पत्ते द्वारा विकिरण के अवशोषण पर निर्भर करता है, और यह चंदवा तत्वों के रूपात्मक मापदंडों, उनकी स्थानिक व्यवस्था और ऑप्टिकल गुणों के आधार पर पौधों की प्रजातियों के बीच भिन्न होता है। चूंकि विलुप्त होने का गुणांक आमतौर पर 0.59,27के आसपास उतार-चढ़ाव करता है, इसलिए समीकरण 2 को सरल ीकृत किया जा सकता है जैसा कि लैंग एट अल द्वारा प्रस्तुत किया गयाहै।

एक विषम चंदवा में

LAIe = 2 x | Equation 1 ln t| (3),

नहीं तो

एक सजातीय चंदवा में

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

जहां, टी: प्रत्येक नीचे-चंदवा माप बिंदु पर संचरण है, और टी: मापा ट्रांसेक्ट या स्टैंड प्रति सभी टी मूल्यों का औसत संचरण है।

वन स्टैंड में,LAIe को वास्तविक LAI मान प्राप्त करने के लिए29,30, 31, 32, 33,34शूट के भीतर आत्मसात उपकरण के एक clumping प्रभाव के कारण आगे सही किया जाना चाहिए।

प्रोटोकॉल मध्य यूरोपीय शंकुधारी वन स्टैंड के एक चयनित उदाहरण में LAIe का अनुमान लगाने के लिए LP 110 ऑप्टिकल डिवाइस के व्यावहारिक उपयोग के लिए समर्पित है (साइट, संरचनात्मक और डेंड्रोमेट्रिक विशेषताओं के लिए तालिका 2 और तालिका 3 देखें)। इस उपकरण का उपयोग करके एक वनस्पति चंदवा में LAIe अनुमान प्रकाश संश्लेषक रूप से सक्रिय विकिरण और चंदवा अंतराल अंश के संचरण से संबंधित एक व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली ऑप्टिकल विधि पर आधारित है। पेपर का उद्देश्य नए एलपी 110 ऑप्टिकल डिवाइस का उपयोग करके एलएआईई अनुमान लगाने के लिए एक व्यापक प्रोटोकॉल प्रदान करना है।

Protocol

नोट:: नियोजित फ़ील्ड माप लेने के लिए शुरू करने से पहले, पर्याप्त रूप से LP 110 डिवाइस की बैटरी चार्ज करें। उपकरण (USB कनेक्टर, चित्रा 1देखें) और संलग्न केबल के माध्यम से कंप्यूटर से कनेक्ट करें। बैटर?…

Representative Results

दोनों परीक्षण किए गए उपकरणों से प्राप्त स्थानिक संरचना स्पष्ट रूप से सभी अध्ययन किए गए भूखंडों में भिन्न थी, यानी, ऊपर (ए) से पतली, नीचे (बी) से पतली और किसी भी सिल्विक्चरल हस्तक्षेप के बिना एक नियंत्रण (सी…

Discussion

LP 110 के बीच एक नए प्रस्तुत डिवाइस के रूप में LAI का अनुमान लगाने के लिए (या PAR तीव्रता माप लेने) और एक अप्रत्यक्ष विधि के माध्यम से LAI का अनुमान लगाने के लिए पिछले मानक LAI-2000 PCA के बेहतर संस्करण के रूप में LAI-2200 PCA के बी?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

लेखकों को प्रोत्साहित करने और हमें वहाँ प्रकाशित लेख से इस प्रोटोकॉल में प्रतिनिधि परिणामों का उपयोग करने के लिए अधिकृत करने के लिए वन विज्ञान संपादकीय बोर्ड के जर्नल के लिए ऋणी हैं.

अनुसंधान को चेक गणराज्य के कृषि मंत्रालय द्वारा वित्तीय रूप से समर्थित किया गया था, संस्थागत समर्थन MZE-RO0118, कृषि अनुसंधान की राष्ट्रीय एजेंसी (परियोजना सं। QK21020307), और यूरोपीय संघ के क्षितिज 2020 अनुसंधान और नवाचार कार्यक्रम (अनुदान समझौता संख्या 952314)।

लेखकों ने अपनी रचनात्मक आलोचना के लिए तीन अनाम समीक्षकों को भी धन्यवाद दिया, जिसने पांडुलिपि में सुधार किया। इसके अलावा, धन्यवाद Dusan Bartos, Alena Hvezdova, और टॉमस पेट्र के लिए क्षेत्र माप और फोटॉन सिस्टम्स इंस्ट्रूमेंट्स लिमिटेड कंपनी के साथ उनके सहयोग और डिवाइस तस्वीरें प्रदान करने में मदद करने के लिए जाओ.

Materials

AccuPAR METER Group, Inc., Pullman, WA, USA AccuPaR LP-80 https://www.metergroup.com/environment/products/accupar-lp-80-leaf-area-index/
DEMON CSIRO, Canberra, Australia DEMON
File Viewer LI-COR Biosciences Inc., NE, USA FV2200C Software https://www.licor.com/env/products/leaf_area/LAI-2200C/software.html
FluorPen Photon System Instruments Ltd. (PSI), Czech Republic FluorPen 1.1.2.3 Sofware https://handheld.psi.cz/products/laipen/#download
Hand-held GPS device Garmin Ltd., Czech Republic Garmin eTrex 32x Europe46 https://www.garmin.cz/garmin-etrex-32x-europe46/80117
Hand-held device for leaf area index estimation(LP 110) Photon System Instruments Ltd. (PSI) Czech Republic LaiPen LP 110 https://handheld.psi.cz/products/laipen/#info
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/
Statistical software Systat Software Inc., CA, USA SigmaPlot 13.0 https://systatsoftware.com/products/sigmaplot/sigmaplot-version-13/?gclid=Cj0KCQjwzYGGBhCTARIs
AHdMTQzgfb42vv0mWmcbVcflNO
UvrLl802Lrhkfh23Qie2mIZfw4O8kp
7p0aAsoiEALw_wcB
Statistical software StatSoft Inc., OK, USA STATISTICA 10.0 For LAI visualization, wafer-plots in STATISTICA 10.0 were employed.
SunScan Delta-T Devices, Ltd., Cambridge, UK SS1 SunScan https://www.delta-t.co.uk/product/sunscan
TRAC 3rd Wave Engineering, Ontarion Canada Tracing Radiation and Architecture of Canopies http://faculty.geog.utoronto.ca/Chen/Chen's%20homepage/res_trac.htm
Tripod Any NA Tripod with standard nut
Water level Any NA
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Keywords: Leaf Area IndexOptical DeviceVegetation CanopyLaiPen LP 110LAI-2200 Plant Canopy AnalyzerIndirect Optical MethodCanopy StructureCalibrationAbove And Below Canopy ReadingsLight Conditions
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Černý, J., Pokorný, R. Field Measurement of Effective Leaf Area Index using Optical Device in Vegetation Canopy. J. Vis. Exp. (173), e62802, doi:10.3791/62802 (2021).
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