식물 캐노피에서 광학 장치를 사용하여 효과적인 잎 영역 지수의 현장 측정
Summary
지상 생태계의 빠르고 정확한 리프 영역 지수(LAI) 추정은 광범위한 생태학적 연구와 원격 감지 제품을 교정하는 데 매우 중요합니다. 여기에 제시된 새로운 LP 110 광학 장치를 사용하여 현장 LAI 측정에서 지상 기반을 취하는 프로토콜이 있습니다.
Abstract
리프 영역 인덱스(LAI)는 생태계의 단풍 양을 설명하는 필수 캐노피 변수입니다. 매개 변수는 식물과 대기의 녹색 구성 요소 사이의 인터페이스 역할을하며, 많은 생리 적 과정이 발생, 주로 광합성 섭취, 호흡, 및 발생. LAI는 또한 탄소, 물 및 에너지 사이클과 관련된 많은 모델에 대한 입력 매개 변수입니다. 또한 현장 측정에 기반을 둔 것은 원격 감지 제품에서 얻은 LAI의 교정 방법 역할을 합니다. 따라서 정확하고 빠른 LAI 추정을 하기 위해서는 간단한 간접 광학 방법이 필요합니다. 새로 개발된 LP 110 광학 장치의 방법론적 접근법, 장점, 논쟁 및 향후 관점은 식물 캐노피와 캐노피 갭을 통해 전달되는 방사선 사이의 관계에 기초하여 프로토콜에서 논의되었다. 또한, 이 계측기는 세계 표준 LAI-2200 플랜트 캐노피 분석기와 비교되었습니다. LP 110은 현장에서 획득한 데이터를 보다 빠르고 간단하게 처리할 수 있으며 플랜트 캐노피 분석기보다 더 저렴합니다. 새로운 계측기는 센서 감도 향상, 내장된 디지털 경사계, 올바른 위치에서의 자동 판독값 로깅으로 인해 위 및 아래 캐노피 판독값모두에 사용할 수 있는 용이성을 특징으로 합니다. 따라서, 휴대용 LP(110) 장치는 대표적인 결과에 기초하여 임업, 생태, 원예 및 농업에서 LAI 추정을 수행하기에 적합한 가제트이다. 더욱이, 동일한 장치는 또한 사용자가 입사 광합성 활성 방사선 (PAR) 강도의 정확한 측정을 할 수 있습니다.
Introduction
캐노피는 수많은 생물학적, 물리적, 화학적 및 생태 학적 과정의 궤적입니다. 그들 대부분은 캐노피 구조1의영향을받습니다. 따라서, 시상 식물 캐노피 정량화에서 정확하고 신속하고 비파괴적이며 신뢰할 수 있는 수문학, 탄소 및 영양 순환 및 지구 기후 변화2,3을포함하는 광범위한 연구에 매우 중요합니다. 나뭇잎 또는 바늘은 대기와 식물4사이의 활성 인터페이스를 나타내기 때문에, 중요한 캐노피 구조적 특성 중 하나는 잎 영역 지수(LAI)5이며,개인을 위한 수평 지표면적 또는 크라운 프로젝션의 단위당 전체 녹색 잎 표면적의절반으로 정의되며,m2당 m2에서 치수 변수6로표현된다. 7.
다양한 생태계에서 지상사 LAI및 이들의 장단점을 추정하기 위한 다양한계측기 및 방법론적 접근법은 이미8,9,10,11,12,13,14,15를제시했다. LAI 추정 방법의 두 가지 주요 범주가 있습니다: 직접 및 간접(자세한 내용은 포괄적인 리뷰8,9,10,11,12 참조). 주로 산림 스탠드에 사용되는 지상 기반 LAI 추정치는 직접 LAI 결정의 부족으로 인해 간접 광학 방법을 사용하여 일상적으로 수득되지만 일반적으로 시간이많이 소요되고 노동 집약적이며 파괴적인 방법9,10,12,16을나타낸다. 더욱이, 간접 광학 방법은 관련 파라미터(시간 요구및 노동강도 성질의 관점에서)(17)캐노피 위와 아래 의 사고 조사 비율 및 캐노피 갭의 정량화와 같은 관련파라미터(시간요구 및 노동 강도의 관점에서)를 보다 쉽게 측정할 수 있다. 식물 캐노피 분석기는 위성 LAI 검색의 유효성을 검사하는 데 널리 사용된 것이 분명하다18; 따라서 LP 110 비교의 표준으로 간주되었습니다(사용 된 계측에 대한 자세한 내용은 재료 표 참조).
LP 110은 처음에는 자체 제작된 간단한 기기 ALAI-02D19 및 이후 LP100 20의업데이트 버전으로 플랜트 캐노피 분석기의 가까운 경쟁업체로 개발되었습니다. 간접 광학 방법의 대표로서 이 장치는 버블 레벨 대신 디지털 경사계를 사용하는 센서와 데이터 로거 사이의 케이블 연결이 필요 없이 핸드헬드, 경량, 배터리 구동, 더 빠르고 정확한 위치 지정 및 값 판독을 가능하게 합니다. 또한 이 장치는 즉각적인 판독을 기록하도록 설계되었습니다. 따라서 현장에서 데이터를 수집하는 데 필요한 시간 추정치는 플랜트 캐노피 분석기보다 LP 110에 대해 약 1/3보다 짧습니다. 컴퓨터에 판독을 내보낸 후 후속 처리에 데이터를 사용할 수 있습니다. 이 장치는 LAI 계산을 위해 LAI 센서를 사용하여 파란색 광파장(즉, 380-490 nm)21,22 내에서 조도를 기록합니다. LAI 센서는 16°(Z축) 및 112°(X축) 시야(그림 1)를 가진 불투명 한 제한 캡으로 가려지고있습니다. 따라서, 광 투과는 지표면(즉, 정육점 0°)에 수직으로 고정된 장치를 사용하거나 0°, 16°, 32°, 48°및 64°의 5개 각도로 캐노피 요소의 경사를 추론할 수 있도록 주목될 수 있다.
그림 1: LP 110의 물리적 특징. MENU 키를 사용하면 디스플레이 전체에서 사용자가 위아래로 이동할 수 있으며 SET 버튼은 Enter키(A)역할을합니다. 다른 경사 각도(측면 보기로 인해 ±8)와 수평 뷰하에서 의정뷰는 LP 110 ~ 112°(B)에 대해 고정되어 식물 캐노피 분석기(제한제에 의해 수정됨). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
LAI 센서의 높은 감도, 제한된 시야, 내장 된 디지털 경사계, 버튼 누르지 않고 소리로 표시된 올바른 위치에서 판독 값의 자동 로깅으로 인해 새로운 악기는 좁은 계곡이나 넓은 숲 도로에서 광범위한 하늘 조건을 측정하기 위해 더 넓은 숲 도로에서 위의 캐노피 판독값에도 적합합니다. 게다가, 상대적으로 높은 재생 보다 성숙한 스탠드 캐노피의 정량화를 가능하게 하고, 식물 캐노피 분석기 보다 조도 값의 높은 정확도를 달성. 또한 LP 110의 가격은 식물 캐노피 분석기의 약 1/4와 같습니다. 반대로, LP 110의 밀도(즉, 7.88 이상의 스탠드 레벨에서 LAIe)23 또는 초원으로서 매우 낮은 캐노피의 활용이 제한됩니다.
LP 110은 두 가지 작동 모드 내에서 작동할 수 있습니다: (i) 아래 캐노피 및 참조 판독값(연구된 캐노피 위 또는 분석된 식물 부근에 위치한 충분히 광범위하게 클리어링)을 모두 취하는 단일 센서 모드는 동일한 계측기와 (ii) 동일한 계측기를 사용하여 수행된 이중 센서 모드와 (ii) 아래 를 판독할 수 있는 이중 센서 모드로 수행할 수 있습니다. 두 번째 는 정기적으로 미리 정의된 시간 간격(10에서 600초까지)내에서 참조 판독값을 자동으로 로깅하는 데 사용됩니다. LP 110은 호환되는 GPS 장치(재료 표참조)와 일치하여 위에서 언급한 두 모드모두에 대해 각 아래 캐노피 측정 지점의 좌표를 기록할 수 있습니다.
유효 잎 영역 지수(LAIe)(24)는 응집 지수 효과를 통합하고 연구된 식물캐노피(25)위와 아래에서 취해진 태양광선 의 조도측정으로부터 유래될 수 있다. 따라서, 다음 LAIe 계산을 위해, 전송(t)은 LP 110 장치에 의해 측정된 식물(I o)위에 캐노피(I) 및 인시던트(io) 이하로 전송되는 조사로부터 계산되어야 한다.
t = I / I0 (1)
식물 캐노피를 통과할 때 조사 강도가 기하급수적으로 감소하기 때문에, LAIe는 몬시와 새키9,26에 의해 수정된 맥주-램버트 멸종법에 따라 계산될 수있습니다.
LAIe = – ln (I / I0)x k-1 (2),
여기서, K는 멸종 계수입니다. 소멸 계수는 알려진 캐노피 요소 경사와 뷰 방향9,12와함께 식물 캐노피에서 각 요소의 모양, 방향 및 위치를 반영한다. k 계수(방정식 2 참조)는 단풍에 의한 돌이킬 수 없는 흡수에 따라 달라지며, 캐노피 원소의 형태학적 파라미터, 공간 배치 및 광학 적 특성에 따라 식물 종간에 다릅니다. 멸종 계수는 일반적으로 약 0.59,27로변동하기 때문에, 방정식 2는 이질적이고 균일한 캐노피에 대해 약간 다른 방법으로 Lang 외28에 의해 제시된 대로 단순화될 수 있습니다.
이질적인 캐노피
LAIe = 2 x | 
ln t| (3),
또는
균일한 캐노피
LAIe = 2 x |ln T| (4),
여기서, t: 각 아래 캐노피 측정 지점에서 전송되며, T: 측정된 트랜지드 또는 스탠드당 모든 t 값의 평균 전송입니다.
산림 스탠드에서, LAIe는 실제 LAI 값을 얻기 위해 촬영29,30,31,32,33, 34 내의 동화 장치의 응집 효과로 인해 더욱 수정되어야 한다.
이 프로토콜은 중앙 유럽 침엽수 포리스트 스탠드의 선택된 예에서 LAIe를 추정하기 위한 LP 110 광학 장치의 실용적인 활용에 전념한다(사이트, 구조 및 덴드로메트릭 특성에 대한 표 2 및 표 3 참조). 이 장치를 이용한 식물 캐노피에서의 LAIe 추정은 광합성 활성 방사선 및 캐노피 갭 분획의 투과와 관련된 널리 사용되는 광학 방법을 기반으로 한다. 이 논문은 새로운 LP 110 광학 장치를 사용하여 LAIe 추정을 수행하기위한 포괄적 인 프로토콜을 제공하는 것을 목표로합니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
간접적인 방법을 통해 LAI를 추정하기 위한 이전 표준 LAI-2000 PCA의 개선된 버전으로 LAI(또는 PAR 강도 측정)를 추정하기 위한 새로 제시된 장치로서 LP 110과 LAI-2200 PCA의 차이점은 무엇입니까? LP 110에 비해 플랜트 캐노피 분석기의 가격이 약 4배 더 높은 가격을 넘어, 출력 파라미터의 수, 측정 조건, 방법론적 접근법 및 다양한 캐노피에 대한 LAI 추정 가능성, 결과의 정확성 등을 비교할 수 있다.
<p c…Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
저자는 산림 과학 편집 위원회의 저널에 우리가 격려하고 거기에 게시 된 기사에서이 프로토콜의 대표 결과를 사용하도록 승인에 대한 빚이있다.
연구는 체코 농무부에 의해 재정적으로 지원되었다, 제도적 지원 MZE-RO0118, 농업 연구의 국가 기관 (프로젝트 번호. QK21020307) 및 유럽 연합의 호라이즌 2020 연구 및 혁신 프로그램 (보조금 계약 제952314).
저자는 또한 원고를 개선 한 건설적인 비판에 대한 세 익명의 검토자에게 친절하게 감사드립니다. 또한 두산 바르토스, 알레나 흐베즈도바, 토마스 페트르(Tomas Petr)는 현장 측정 및 Photon Systems Instruments Ltd. 회사에서 협업및 장치 사진을 제공하는 데 도움을 주었습니다.
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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