Estimation de l'indice de la zone des feuilles à l'aide de trois méthodes distinctes dans les peuplements à feuilles caduques pures

LAI, défini comme la moitié de la surface totale des feuilles par unité de surface horizontale du sol¹, est une variable clé utilisée dans de nombreux modèles d’échange biogéophysique et chimique axés sur les flux de carbone et d’eau^{2,3, 4}. LAI est directement proportionnelle à la surface active des feuilles où elle conduit la production primaire (photosynthèse), la transpiration, l’échange d’énergie, et d’autres attributs physiologiques liés à une gamme de processus d’écosystème dans la plante communautés⁵.

De nombreuses approches et instruments d’exécution de l’estimation LAI ont été développés, et ils sont actuellement disponibles sur le marché^6,7,8,9. Les méthodes au sol pour effectuer l’estimation de LAI peuvent être regroupées en deux catégories principales : (i) directe, et (ii) les méthodes indirectes^10,11,12. Le premier groupe comprend des méthodes mesurant directement la surface des feuilles, tandis que les méthodes indirectes infèrent l’ILA à partir de mesures de paramètres plus facilement mesurables, en utilisant la théorie du transfert radiatif (en termes de temps, d’intensité de main-d’œuvre et de technologie)^{13 ,14}.

Ce protocole traite de l’utilisation pratique des pièges à litière et de la technique de l’aiguille, comme méthodes semi-directes non destructives^10; et l’analyseur de la canopée de l’usine d’appareils optiques comme méthode indirecte^6,7 pour effectuer l’estimation DE LAI sur un échantillon choisi à partir de peuplements de forêts à feuilles caduques tempérées en Europe centrale (voir ses caractéristiques structurelles et dendrométriques dans L’Annexe A et l’Annexe B).

Dans les forêts à feuilles caduques et les cultures, il est possible d’effectuer une estimation semi-directe non destructive de la LAI à l’aide de pièges à litière¹¹ distribués sous la couche de canopée¹⁵. Les pièges à litière fournissent des valeurs LAI précises pour les espèces à feuilles caduques dans lesquelles LAI atteint un plateau au cours de la saison de croissance. Cependant, pour les espèces qui peuvent remplacer les feuilles pendant la saison de croissance, comme le peuplier, la méthode surestime LAI¹¹. Cette méthode suppose que le contenu des pièges représente la quantité moyenne de feuilles qui tombent au cours d’une période de chute des feuilles dans le stand^16,surtout pendant les mois d’automne. Les pièges sont des boîtes ou des filets ouverts (figure 1) avec une taille suffisante prédéterminée (minimum 0,18 m², mais de préférence plus de 0,25 m²)^10,17, côtés latéraux empêchant le vent de souffler des feuilles dans / hors de les pièges, et avec un fond perforé en évitant la décomposition des feuilles; qui sont situés sous la couche de la canopée du support étudié, cependant, au-dessus de la surface du sol¹¹. La distribution des pièges peut être soit aléatoire¹⁸ ou systématique dans les transects¹⁹ ou une grille d’espacement régulier²⁰. Le nombre et la distribution des pièges sont une étape méthodologique cruciale pour effectuer une estimation précise de LAI reflétant la structure unique du peuplement, l’homogénéité spatiale, la vitesse et la direction du vent attendus, en particulier dans le cas des peuplements clairsemés (ou des ruelles et vergers) et la capacité de travail pour l’évaluation des données. La précision de l’estimation de LAI augmente avec la fréquence croissante des pièges dans les peuplements étudiés^11,21 (voir Figure 2).

La fréquence recommandée pour prélever des échantillons de la litière-chute de chaque piège est au moins mensuelle¹⁰ et même deux fois par semaine dans les périodes de forte chute, qui peuvent coïncider avec de fortes pluies. Il est nécessaire d’empêcher la décomposition de la litière dans les pièges et le lessivage des nutriments de la matière pendant les épisodes de pluie dans le cas de l’analyse chimique. Après la collecte des feuilles dans un champ, un sous-échantillon mixte est utilisé pour estimer la zone spécifique des feuilles (SLA, cm² g^-1)²², définie comme la zone fraîche projetée des feuilles à son rapport de poids de masse sèche. Le reste de la litière recueillie est séché à un poids constant et utilisé pour calculer la masse sèche de la litière comme g cm^-2 dans le laboratoire. La masse sèche des feuilles à chaque date de collecte est convertie en zone foliaire en multipliant la biomasse collectée par SLA ou la masse sèche des feuilles par zone (LMA, g cm^-2) comme paramètre inverse à SLA^23,24. Une nouvelle zone projetée de feuilles particulières peut être déterminée à l’aide d’une approche planimétrique. La méthode planitmétrique est basée sur la dépendance entre la zone d’une feuille spécifique et la zone couverte par la feuille dans la surface horizontale. La feuille est fixée horizontalement à l’écran d’analyse, et sa moyenne est mesurée à l’aide d’un mètre de surface foliaire. Ensuite, sa superficie est calculée. De nombreux compteurs de surface de feuille basés sur différents principes de mesure sont disponibles sur le marché. Certains d’entre eux comprennent, par exemple, le compteur de surface de feuilles portative LI-3000C, qui utilise la méthode de projection orthogonale, et le compteur de zone LI-3100C, qui mesure la moyenne des feuilles à l’aide d’une source de lumière fluorescente et d’une caméra de balayage semi-conduite. Le dispositif suivant, le compteur portatif CI-202 de la zone des feuilles laser, code une longueur de feuille à l’aide d’un lecteur de code. En plus d’eux, les compteurs AM350 et BSLM101 Portable Leaf Area sont également couramment utilisés pour effectuer une estimation précise de la surface des feuilles.

En outre, les compteurs de surface de feuille basés sur des systèmes qui analysent la vidéo existent. Ces compteurs de zone de feuille se composent d’une caméra vidéo, d’un cadre de numérisation, d’un écran, et d’un PC, y compris le logiciel approprié pour faire l’analyse de données telle que wD3 WinDIAS Leaf Image Analysis System¹¹. Actuellement, les scanners conventionnels connectés à un PC peuvent être utilisés pour estimer la surface des feuilles. Ensuite, la zone de la feuille est calculée comme un multiple du nombre de pixels noirs et sa taille dépend de la résolution sélectionnée (points par pouce – dpi), ou la zone de la feuille est mesurée par un logiciel spécifique, par exemple, WinFOLIA. Enfin, la masse sèche totale de feuilles récoltées dans une surface de surface connue est convertie en LAI en se multipliant par LLA et un coefficient de rétrécissement²⁵ qui reflète les changements dans la zone des feuilles fraîches et séchées. Le rétrécissement dépend de l’espèce d’arbre, de la teneur en eau et de la douceur des feuilles. Le rétrécissement des feuilles dans la longueur et la largeur (ce qui affecte la zone projetée) est généralement jusqu’à 10%²⁶, par exemple, il varie de 2,6 à 6,8% pour le chêne²⁷. Le tri des feuilles par espèce pour la pesée et l’établissement du rapport spécifique de la superficie foliaire est nécessaire pour déterminer la contribution de chaque espèce au LAI²⁸total.

LAI détermination par la technique de l’aiguille est une méthode peu coûteuse dérivée de la méthode de quadrat point incliné^29,30,31,32. Dans les peuplements à feuilles caduques, il s’agit d’une solution de rechange pour effectuer l’estimation de LAI sans utiliser de pièges¹⁰ en partant du principe que le nombre total de feuilles et leur superficie dans un arbre sont égaux à ce qui est recueilli à la surface du sol après une chute complète de feuilles²⁰ . Une fine aiguille pointue est percée verticalement dans la litière couchée sur le sol immédiatement après la chute des feuilles¹⁰. Après la chute complète des feuilles, les feuilles sont prélevées du sol sur une aiguille d’une sonde verticale, sont liées au numéro de contact et égales à la valeur réelle de LAI. Un échantillonnage intensif (100-300 points d’échantillonnage par stand étudié par sonde de champ) par la technique de l’aiguille est nécessaire pour quantifier un nombre de contact moyen et pour obtenir correctement la valeur LAI^10,20,33.

leanalyseur de la canopée végétale(p. ex., LAI-2000 ou LAI-2200 PCA) est un instrument portatif couramment utilisé pour effectuer une estimation indirecte de LAI en prenant une mesure de la transmission de lumière dans toute la canopée⁷dans la partie bleue filtrée du spectre lumineux (320-490 nm)^34,35pour minimiser la contribution de la lumière qui a traversé les feuilles, a été dispersée par la canopée et passe à travers le feuillage^7,34. Dans la partie bleue du spectre lumineux, le contraste maximal entre la feuille et le ciel est atteint, et le feuillage apparaît noir contre le ciel³⁴. Par conséquent, il est basé sur l’analyse de la fraction de l’écart de la canopée⁷. L’instrument a été largement utilisé pour réaliser des études écophysiologiques dans les communautés végétales telles que les cultures³⁶Prairies³⁷, stands de conifères⁸, et les stands à feuilles caduques³⁸. L’analyseur de la canopée de la plante utilise un capteur optique fisheye avec un FOV de 148³⁵projeter une image hémisphérique de la canopée sur des détecteurs de silicium pour les organiser en cinq anneaux concentriques³⁹avec des angles de zénith central de 7, 23, 38, 53 et 68 degrés^9,40,41. Cinq bouchons d’vue (c.-à-d.,270, 180, 90, 45 et 10 degrés) peuvent être utilisés pour restreindre la vue azimuth du capteur optique²⁷pour éviter l’ombrage par des obstacles dans une zone ouverte (pour la lecture ci-dessus) ou l’opérateur dans le FOV du capteur pendant l’estimation DE LAI peut ajuster le capteur FOV à une zone ouverte pour les lectures au-dessus de la canopée. Les mesures à l’aide de l’analyseur de la canopée végétale sont prises ci-dessus (ou dans une zone ouverte suffisamment étendue) et au-dessous de la canopée étudiée⁷. Les mêmes plafonds de vue doivent être utilisés pour les lectures ci-dessus et ci-dessous afin d’éviter les biais de l’estimation des fractions d’écart³⁴. Le PCA LAI-2000 produit un indice efficace de surface foliaire (LAIe) tel qu’introduit par Chen et coll.⁴², ou plutôt un indice efficace de la zone végétale (PAIe) car les éléments ligneux sont inclus dans la valeur de lecture du capteur. Dans les peuplements à feuilles caduques avec des feuilles plates, le LAIe est le même que le LAI hemi-surface. Dans le cas des peuplements forestiers à feuilles persistantes, le LAIe est nécessaire pour corriger l’effet d’agglutination au niveau du pousse (SPAR, STAR)⁴³, l’indice d’agglutination à des échelles plus grandes que le tournage_E)⁴⁴, et la contribution d’éléments ligneux, y compris les tiges et les branches (c.-à-d.,rapport de zone ligneuse/totale),⁴⁵qui causent une sous-estimation systématique DE LAI²⁰. L’indice d’agglutination à une échelle spatiale plus élevée que la pousse ou la feuille pourrait être quantifié comme un indice d’agglutination apparent (ACF), qui peut être estimé à l’aide de l’analyseur de la canopée végétale lorsque des bouchons de vue plus restrictifs sont utilisés.²⁷. Comme ces auteurs affirment que cet ACF est déduit d’un rapport de valeurs LAI calculéeà de la transmission par différentes procédures pour les auvents homogènes et non homogènes selon Lang⁴⁶, nous supposons que cet indice agglomérant décrit plutôt l’homogénéité de la canopée. Outre le calcul ACF, les nouveaux bouchons de diffuseur qui permettent une application plus étendue de LAI-2200 PCA en ce qui concerne les conditions météorologiques, un menu utilisateur au lieu de codes Fct, et la possibilité de prendre beaucoup plus de mesures par session de fichier sont parmi les principaux mises à niveau technologiques par rapport à l’ancien LAI-2000 PCA^34,47. Les mesures et les calculs logiciels internes subséquents sont basés sur quatre hypothèses : (1) les éléments de la lumière bloquant les plantes, y compris les feuilles, les branches et les tiges, sont distribués au hasard dans la canopée, (2) le feuillage est un corps électriquement noir qui absorbe tous les la lumière qu’il reçoit, (3) tous les éléments de la plante sont la même projection à la surface horizontale du sol comme une forme géométrique simple convexe, (4) éléments végétaux sont petits par rapport à la zone couverte par chaque anneau¹¹.