Индекс площади листа

Индекс площади листа ( LAI ) — безразмерная величина , характеризующая кроны растений . Он определяется как площадь односторонней зеленой листвы на единицу площади поверхности земли ( LAI = площадь листвы / площадь земли, м ² / м ²) в широколиственных кронах . ^[1] Для хвойных деревьев использовались три определения LAI:

Половина общей площади поверхности иглы на единицу площади поверхности земли ^[2]
Проецируемая (или односторонняя, в соответствии с определением для широколиственных пологов) площадь иголок на единицу площади земли.
Общая площадь поверхности иглы на единицу площади земли ^[3]

Определение «половина общей площади листа» относится к биологическим процессам, таким как газообмен, тогда как определение «проецируемая площадь листа» не принималось во внимание, поскольку проекция данной площади в одном направлении может отличаться в другом направлении, когда листья не плоские. толстые или трехмерные. Более того, «площадь поверхности земли» конкретно определяется как «площадь горизонтальной поверхности земли», чтобы уточнить LAI на наклонной поверхности. Определение «половина общей площади листьев на единицу горизонтальной поверхности земли» подходит для всех типов листьев, а также плоских или наклонных поверхностей. ^[4]

Индекс площади листьев (LAI) выражает площадь листьев на единицу площади поверхности земли или ствола растения и обычно используется в качестве индикатора скорости роста растения. LAI — сложная переменная, которая связана не только с размером кроны, но и с ее плотностью, а также с углом, под которым листья ориентированы по отношению друг к другу и к источникам света. Кроме того, LAI варьируется в зависимости от сезонных изменений активности растений. ^[5] и обычно самый высокий весной, когда появляются новые листья, и самый низкий в конце лета или начале осени, когда листья стареют (и могут опадать). Исследование LAI называется «филлометрией». ^[6]

Интерпретация и применение

LAI — это мера общей площади листьев на единицу площади земли, которая напрямую связана с количеством света, который могут улавливать растения. Это важная переменная, используемая для прогнозирования первичной фотосинтетической продукции , суммарного испарения, а также в качестве справочного инструмента для роста сельскохозяйственных культур . Таким образом, LAI играет важную роль в теоретической производственной экологии . Установлена обратная экспоненциальная связь между LAI и перехватом света, которая линейно пропорциональна скорости первичной продукции: ^{[ нужна ссылка ]}^[7]^[8]

P=P_{\max }\left(1-e^{-c\cdot LAI}\right)

где P _max обозначает максимальную первичную продукцию и $c$ роста конкретной культуры обозначает коэффициент . Эта обратная показательная функция называется первичной производственной функцией .

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

Определение LAI

LAI можно определить напрямую, взяв статистически значимый образец листвы из кроны растения , измерив площадь листьев на пробной площади и разделив ее на площадь земельной поверхности участка. Косвенные методы измеряют геометрию кроны или ослабление света и соотносят их с LAI. ^[10]

Прямые методы

Прямые методы можно легко применить к лиственным породам путем сбора листьев во время листопада в ловушки определенной площади, расположенные 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. Альтернативно, площадь листьев может быть измерена на подвыборке собранных листьев и связана с сухой массой листьев (например, через удельную площадь листьев , SLA см). ²/г). Таким образом, не обязательно измерять площадь всех листьев по одному, а взвешивать собранные листья после сушки (при 60–80 °С в течение 48 ч). Сухая масса листа, умноженная на удельную площадь листа, преобразуется в площадь листа.
Прямые методы в отношении вечнозеленых видов обязательно разрушительны. Тем не менее, они широко используются на сельскохозяйственных культурах и пастбищах путем сбора растительности и измерения площади листьев на определенной площади поверхности земли. Очень сложно (и неэтично) применять такие разрушительные методы в природных экосистемах, особенно в лесах вечнозеленых пород деревьев. Лесники разработали методы определения площади листьев в вечнозеленых лесах с помощью аллометрических соотношений.
Из-за трудностей и ограничений прямых методов оценки LAI они в основном используются в качестве эталона для косвенных методов, которые проще и быстрее применять.

Косвенные методы

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

непрямые контактные измерения LAI, такие как отвесные линии и квадраты наклонных точек ^{[ нужна ссылка ]}
косвенные бесконтактные измерения
косвенная оценка с помощью дистанционного зондирования, такого как лидар ^[11] и мультиспектральная визуализация ^[12]

Из-за субъективности и трудоемкости использования первого метода обычно предпочтительны непрямые 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 цептометр LAI LP-80 [3] от Decagon Devices измеряют LAI неразрушающим способом. Методы полусферической фотографии , обращенных вверх, оценивают LAI и другие атрибуты структуры кроны на основе анализа фотографий «рыбий глаз» сделанных под кроной растения. LAI-2200 рассчитывает LAI и другие характеристики конструкции навеса на основе измерений солнечной радиации, выполненных с помощью широкоугольного оптического датчика. Измерения, выполненные над и под пологом, используются для определения перехвата света навесом под пятью углами, на основании чего рассчитывается LAI с использованием модели переноса излучения в вегетативном пологе, основанной на законе Бера . LP-80 рассчитывает LAI посредством измерения разницы между уровнями освещенности над кроной и на уровне земли, а также с учетом угла наклона листьев, угла зенита солнца и коэффициента вымирания растений. Такие косвенные методы, при которых LAI рассчитывается на основе наблюдений других переменных (геометрия кроны, перехват света, длина и ширина листа, ^[13] и т. д.), как правило, быстрее, поддаются автоматизации и тем самым позволяют получить большее количество пространственных выборок. По соображениям удобства по сравнению с прямыми (деструктивными) методами эти инструменты становятся все более важными.

Недостатки методов

Недостатком прямого метода является его разрушительность, трудоемкость и дороговизна, особенно если область исследования очень велика.

Недостатком косвенного метода является то, что в некоторых случаях он может занижать значение LAI в очень густых пологах, поскольку не учитывает листья, лежащие друг на друге, и по существу действует как один лист согласно теоретическим моделям LAI. ^[14]^[15] Игнорирование неслучайности внутри полога может привести к занижению LAI до 25%, введение распределения по длине пути в косвенном методе может повысить точность измерения LAI. ^[16] Косвенная оценка LAI также чувствительна к выбору методов анализа данных. ^[17]

См. также

Ссылки

^ Уотсон, ди-джей (1947). «Сравнительные физиологические исследования роста полевых культур: I. Изменение чистой скорости ассимиляции и площади листьев между видами и сортами, а также внутри и между годами» . Анналы ботаники . 11 : 41–76. doi : 10.1093/oxfordjournals.aob.a083148 .
^ Чен, Дж. М.; Блэк, Т.А. (1992). «Определение индекса площади листа для неплоских листьев». Сельскохозяйственная и лесная метеорология . 57 : 1–12. дои : 10.1016/0168-1923(91)90074-з .
^ ГОЛЬЦ, ГЕНРИ Л.; ФИТЦ, ФРАНКЛИН К.; УОРИНГ, Р. Х. (1976). «Различия в площади листьев, связанные с сообществами старых лесов в каскадах западного Орегона». Канадский журнал лесных исследований . 6 (1): 49–57. дои : 10.1139/x76-007 . S2CID 85319218 .
^ Ян, Г.Дж.; Ху, Р.Х.; Луо, Дж. Х.; Мари, В.; Цзян, Х.Л.; Му, XH; Се, DH; Чжан, WM (2019). «Обзор косвенных оптических измерений индекса площади листьев: последние достижения, проблемы и перспективы» . Сельскохозяйственная и лесная метеорология . 265 : 390–411. Бибкод : 2019AgFM..265..390Y . дои : 10.1016/j.agrformet.2018.11.033 .
^ Маасс, Хосе Мануэль; Восе, Джеймс М.; Суонк, Уэйн Т.; Мартинес-Ирисар, Анджелина (1 июня 1995 г.). «Сезонные изменения индекса площади листьев (LAI) в тропическом лиственном лесу на западе Мексики» . Лесная экология и управление . 74 (1): 171–180. дои : 10.1016/0378-1127(94)03485-Ф . ISSN 0378-1127 .
^ Томажич, Ирма; Корошец-Коруза, Зора (1 ноября 2003 г.). «Достоверность филометрических параметров, используемых для дифференциации сортов Locan Vitis Vinifera L.» . Генетические ресурсы и эволюция сельскохозяйственных культур . 50 (7): 773–778. дои : 10.1023/A:1025085012808 . ISSN 1573-5109 . S2CID 6333777 .
^ Фирман, DM, и Э. Дж. Аллен. «Взаимосвязь между светоперехватом, почвенным покровом и индексом площади листьев у картофеля». Журнал сельскохозяйственных наук 113, вып. 3 (декабрь 1989 г.): 355–59. два : 10.1017/S0021859600070040 . https://www.niab.com/uploads/files/Light_interception_ground_cover_LAI_Firman_Allen_1989.pdf
^ Аснер, Грегори П., Джонатан М.О. Скарлок и Джеффри А. Хик. «Глобальный синтез наблюдений за индексом площади листьев: значение для экологических исследований и исследований дистанционного зондирования». Глобальная экология , 2003, 15. http://www2.geog.ucl.ac.uk/~mdisney/teaching/teachingNEW/GMES/LAI_GLOBAL_RS.pdf.
^ Иио, Ацухиро; Хикосака, Коуки; Антен, Нильс PR; Накагава, Ёсиаки; Ито, Акихико (2014). «Глобальная зависимость индекса площади листьев древесных пород, наблюдаемого в полевых условиях, от климата: систематический обзор». Глобальная экология и биогеография . 23 (3): 274–285. дои : 10.1111/geb.12133 . ISSN 1466-8238 .
^ Бреда, Н. (2003). «Наземные измерения индекса площади листьев: обзор методов, инструментов и текущих разногласий». Журнал экспериментальной ботаники . 54 (392): 2403–2417. дои : 10.1093/jxb/erg263 . ПМИД 14565947 .
^ Чжао, Кайгуан; Попеску, Сорин (2009). «Картирование индекса площади листьев на основе лидара и его использование для проверки спутниковых данных LAI GLOBCARBON в лесах умеренного пояса на юге США» . Дистанционное зондирование окружающей среды . 113 (8): 1628–1645. дои : 10.1016/j.rse.2009.03.006 .
^ Чен, Дж. М.; Цихлар, Йозеф (1996). «Определение индекса площади листьев бореальных хвойных лесов с использованием изображений Landsat TM». Дистанционное зондирование окружающей среды . 55 (2): с 153–162. дои : 10.1016/0034-4257(95)00195-6 .
^ Бланко, ФФ; Фолегатти, М.В. (2003). «Новый метод оценки индекса площади листьев растений огурца и томата» . Садоводство Бразилиа . 21 (4): 666–669. дои : 10.1590/S0102-05362003000400019 .
^ Вильгельм, WW; Руве, К.; Шлеммер, MR (2000). «Сравнение трех измерителей индекса площади листьев в пологе кукурузы» . Растениеводство . 40 (4): 1179–1183. дои : 10.2135/cropsci2000.4041179x . S2CID 6461200 .
^ Чжао, Кайгуан; Гарсиа, Мариано; Го, Цинхуа; Лю, Шу; Чен, Банда; Чжан, Сюэсун; Чжоу, Юю; Сюэлян, Мэн. (2015). «Наземное лидарное дистанционное зондирование лесов: оценки максимального правдоподобия профиля кроны, индекса площади листьев и распределения углов листьев». Сельскохозяйственная и лесная метеорология . 209 : 100–113. дои : 10.1016/j.agrformet.2015.03.008 .
^ Ху, Жунхай; Ян, Гуанцзянь; Му, Сихан; Ло, Цзинхуэй (2014). «Косвенное измерение индекса площади листьев на основе распределения длины пути». Дистанционное зондирование окружающей среды . 155 : 239–247. Бибкод : 2014RSEnv.155..239H . дои : 10.1016/j.rse.2014.08.032 .
^ Чжао, Кайгуан; Рю, Янгрил; Ху, Тунси; Гарсия, Мариано; Ян, Ли; Лю, Чжэнь; Лондо, Алексис; Ван, Чао (2019). «Как лучше оценить индекс площади листьев и угол наклона листьев по цифровой полусферической фотографии? Переход на парадигму бинарной нелинейной регрессии» . Методы экологии и эволюции . 10 (11): 1864–1874. дои : 10.1111/2041-210X.13273 .

Примечания

Отсутствие оптимального показателя площади листьев для продуктивности клевера белого, выращиваемого в постоянных условиях
Лоу, Б.Е., Т. Аркебауэр, Дж.Л. Кэмпбелл, Дж. Чен, О. Сан, М. Шварц, К. ван Инген, С. Верма. 2008. Наблюдения за земным углеродом: протоколы отбора проб растительности и представления данных. Отчет 55, Глобальная система наблюдения за сушей. ФАО, Рим. 87 стр.
Определение LAI Гиссенского университета, Германия

[1] Уотсон, ди-джей (1947). «Сравнительные физиологические исследования роста полевых культур: I. Изменение чистой скорости ассимиляции и площади листьев между видами и сортами, а также внутри и между годами» . Анналы ботаники . 11 : 41–76. doi : 10.1093/oxfordjournals.aob.a083148 .

[2] Чен, Дж. М.; Блэк, Т.А. (1992). «Определение индекса площади листа для неплоских листьев». Сельскохозяйственная и лесная метеорология . 57 : 1–12. дои : 10.1016/0168-1923(91)90074-з .

[3] ГОЛЬЦ, ГЕНРИ Л.; ФИТЦ, ФРАНКЛИН К.; УОРИНГ, Р. Х. (1976). «Различия в площади листьев, связанные с сообществами старых лесов в каскадах западного Орегона». Канадский журнал лесных исследований . 6 (1): 49–57. дои : 10.1139/x76-007 . S2CID 85319218 .

[4] Ян, Г.Дж.; Ху, Р.Х.; Луо, Дж. Х.; Мари, В.; Цзян, Х.Л.; Му, XH; Се, DH; Чжан, WM (2019). «Обзор косвенных оптических измерений индекса площади листьев: последние достижения, проблемы и перспективы» . Сельскохозяйственная и лесная метеорология . 265 : 390–411. Бибкод : 2019AgFM..265..390Y . дои : 10.1016/j.agrformet.2018.11.033 .

[5] Маасс, Хосе Мануэль; Восе, Джеймс М.; Суонк, Уэйн Т.; Мартинес-Ирисар, Анджелина (1 июня 1995 г.). «Сезонные изменения индекса площади листьев (LAI) в тропическом лиственном лесу на западе Мексики» . Лесная экология и управление . 74 (1): 171–180. дои : 10.1016/0378-1127(94)03485-Ф . ISSN 0378-1127 .

[6] Томажич, Ирма; Корошец-Коруза, Зора (1 ноября 2003 г.). «Достоверность филометрических параметров, используемых для дифференциации сортов Locan Vitis Vinifera L.» . Генетические ресурсы и эволюция сельскохозяйственных культур . 50 (7): 773–778. дои : 10.1023/A:1025085012808 . ISSN 1573-5109 . S2CID 6333777 .

[7] Фирман, DM, и Э. Дж. Аллен. «Взаимосвязь между светоперехватом, почвенным покровом и индексом площади листьев у картофеля». Журнал сельскохозяйственных наук 113, вып. 3 (декабрь 1989 г.): 355–59. два : 10.1017/S0021859600070040 . https://www.niab.com/uploads/files/Light_interception_ground_cover_LAI_Firman_Allen_1989.pdf

[8] Аснер, Грегори П., Джонатан М.О. Скарлок и Джеффри А. Хик. «Глобальный синтез наблюдений за индексом площади листьев: значение для экологических исследований и исследований дистанционного зондирования». 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 древесных пород, наблюдаемого в полевых условиях, от климата: систематический обзор». Глобальная экология и биогеография . 23 (3): 274–285. дои : 10.1111/geb.12133 . ISSN 1466-8238 .

[10] Бреда, Н. (2003). «Наземные измерения индекса площади листьев: обзор методов, инструментов и текущих разногласий». Журнал экспериментальной ботаники . 54 (392): 2403–2417. дои : 10.1093/jxb/erg263 . ПМИД 14565947 .

[11] Чжао, Кайгуан; Попеску, Сорин (2009). «Картирование индекса площади листьев на основе лидара и его использование для проверки спутниковых данных LAI GLOBCARBON в лесах умеренного пояса на юге США» . Дистанционное зондирование окружающей среды . 113 (8): 1628–1645. дои : 10.1016/j.rse.2009.03.006 .

[12] Чен, Дж. М.; Цихлар, Йозеф (1996). «Определение индекса площади листьев бореальных хвойных лесов с использованием изображений Landsat TM». Дистанционное зондирование окружающей среды . 55 (2): с 153–162. дои : 10.1016/0034-4257(95)00195-6 .

[13] Бланко, ФФ; Фолегатти, М.В. (2003). «Новый метод оценки индекса площади листьев растений огурца и томата» . Садоводство Бразилиа . 21 (4): 666–669. дои : 10.1590/S0102-05362003000400019 .

[14] Вильгельм, WW; Руве, К.; Шлеммер, MR (2000). «Сравнение трех измерителей индекса площади листьев в пологе кукурузы» . Растениеводство . 40 (4): 1179–1183. дои : 10.2135/cropsci2000.4041179x . S2CID 6461200 .

[15] Чжао, Кайгуан; Гарсиа, Мариано; Го, Цинхуа; Лю, Шу; Чен, Банда; Чжан, Сюэсун; Чжоу, Юю; Сюэлян, Мэн. (2015). «Наземное лидарное дистанционное зондирование лесов: оценки максимального правдоподобия профиля кроны, индекса площади листьев и распределения углов листьев». Сельскохозяйственная и лесная метеорология . 209 : 100–113. дои : 10.1016/j.agrformet.2015.03.008 .

[16] Ху, Жунхай; Ян, Гуанцзянь; Му, Сихан; Ло, Цзинхуэй (2014). «Косвенное измерение индекса площади листьев на основе распределения длины пути». Дистанционное зондирование окружающей среды . 155 : 239–247. Бибкод : 2014RSEnv.155..239H . дои : 10.1016/j.rse.2014.08.032 .

[17] Чжао, Кайгуан; Рю, Янгрил; Ху, Тунси; Гарсия, Мариано; Ян, Ли; Лю, Чжэнь; Лондо, Алексис; Ван, Чао (2019). «Как лучше оценить индекс площади листьев и угол наклона листьев по цифровой полусферической фотографии? Переход на парадигму бинарной нелинейной регрессии» . Методы экологии и эволюции . 10 (11): 1864–1874. дои : 10.1111/2041-210X.13273 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]