叶面积指数的测定方法

叶面积指数的测定方法

叶面积指数（leaf）是描述植物冠层表面物质和能量交换的特定信息。它不仅是评估植物冠层功能的重要参数，也是生态系统中最重要的结构参数之一。LA,I是认识和掌握植物冠层空隙的动态和平衡的重要指标。另外,LA,I与生物量之间有着密切的关系,与多尺度生态系统的生产力密切相关。LA,I还是定量分析地球生态能量交换特性的重要参数,也有研究者建议把它作为森林压力的参考值。在农业遥感研究中,LA,I是作物产量估测和病害评价的有效参数。然而,测量LA,I受到其定义、采样方法、数据分析和仪器误差等多种因素影响,国内外至今没有通用而简便的方法。在许多场合下,快速、准确测定LA,I特别重要。因此,为了探索快速获得可靠和客观的LA,I,国内外学者对各种测量方法进行了长期大量的研究。由于传统测量方法对植物本身具有一定破坏性,即必须人工采集叶子样品,且耗时耗力,很难扩大研究范围,所以一般都采用光学仪器测量的方法。利用光学仪器测得的LA,I虽然方便、快速,但数值上比真实的LA,I要小。因此,在利用此数据进行大面积的LA,I反演过程中,会对后来的反演精度有一定的影响。笔者基于此问题,以小兴安岭林地为研究区,利用外业调查得到的有效叶面积指数,根据生物量之间的关系计算得到真实叶面积指数,建立有效值和真实值二者的线性回归模型,用以矫正光学仪器测得的有效的LA,I值,以提高光学仪器测得LA,I的精度。1叶面积指数法特征叶面积指数的测量法方法可以归纳为两类,即直接测量法与间接测量法两大类。1.1真实叶面积指数法直接测量法,即通过先测定叶面积,再计算LA,I值的方法。直接测量LA,I的方法是经典的、成熟的方法,其缺点是:对植物本身具有一定破坏性,必须人工采集叶子样品,耗时耗力,而且采样不一定具有代表性。但是直接测量的方法所测取的值相对精确,通常称为真实叶面积指数。它是间接测定的重要校正依据。获取精度较高的LA,I值,关键取决于准确计算所采集叶子的面积。所以,提高叶面积的计算准确度尤为重要。叶面积的测量法有两种。叶片的格分段和叶边缘的格最格点法是将采集到的叶片平摊在平面上,在叶片上覆盖一块透明方格纸,然后统计在叶内的格点数和叶边缘的格点数,利用这种方式计算叶片的面积,不足半格者不计,超过半格者按1格记;方格法是在叶片下方放置1块方格纸,并用铅笔描绘出叶片轮廓,数出叶片所占的格数,叶缘不足半格者不计,超过半格按1格记,最后合计叶片所占的总格数作为叶面积。叶面积的计算在一种特定的坐标纸上,用铅笔将待测叶片的轮廓描出并依叶形剪下坐标纸,称取叶形坐标纸的质量,按公式计算叶面积。单株叶面积=标准方格纸面积×(剪下的纸模质量/标准方格纸质量)×m。其中m是单株叶子总质量与所抽取样叶质量的比。除了上述常用方法外,还有其他一些直接测量叶面积指数的方法,包括落叶收集法、分层收割法、鲜质量打孔法等。1.2trac和针叶树群落尺度的计算方法间接测定方法具有野外测定简便、迅速、可以快速地进行大面积测量,不破坏林木,节省人力物力,对冠层干扰小的特点,但数据的演算要经过复杂的过程,因而往往需借助合适的计算机程序。间接测量的方法主要有光学仪器法、遥感反演法、消光系数法、点接触法、经验公式法等。文中主要介绍光学仪器测量法。光学仪器测量法是用光学仪器(TRAC、AccuPAR、LAI-2000植物冠层分析仪和CI-110植被冠层数字图像仪等)观测辐射透过率,再根据辐射透过率计算出叶面积指数。除TRAC外的光学测量仪都是假设叶片在空间的分布是随机的,不考虑叶片的集聚效应,测出的是有效叶面积指数。TRAC是Chen发展和命名的,其理论不仅考虑了林隙比,还计算了林隙尺寸分布(gapSizedistribution),从而量化集聚效应,得出集聚指数。林隙尺寸是冠层内一个间隙的物理大小。林隙比则是指在给定太阳天顶角时,林隙占冠层的百分数。林隙比相同,林隙尺寸分布可以迥异。对于阔叶树,TRAC测出的集聚指数是各个尺度上的集聚效应。对于针叶林,TRAC测出的是大于针叶尺度的集聚指数。因为针叶树针叶的簇生,使得针叶树存有一个针叶的集聚效应,而TRAC不能测出这个针叶的集聚效应,所以,还要依靠其它办法来解决。AccuPAR是通过菜单操作的线性光合有效辐射测量仪,用于测量植物树冠对光线的拦截,同时计算叶面积指数。这种仪器操作简单、便于携带,但操作环境要求相对湿度为100%。LAI-2000利用一个“鱼眼”光学传感器(视野范围180°)进行辐射测量来测定树木的叶面积指数,该仪器有轻便的传感器及控制箱,便于一个人操作,不受天气状况影响,使用范围广。但AccuPAR和LAI-2000由于植被冠层的复杂结构而受到阻碍。LAI-2000可以看作是CI-110植物冠层分析仪的简便装置,捕捉探头都是鱼眼镜头,但LAI-2000无动态图像显示。CI-110数字植物冠层图像分析仪是美国CID公司在LAI-2000冠层分析仪的基础上发展起来的,它采用了20世纪90年代的最新技术,由鱼眼图像捕捉探头、PAR探头、笔记本计算机、图像分析软件和可充电电池组成。鱼眼探头安装在一很轻的手柄顶端,它可以获取150°视角的半球图像,对植物单株或群落都可测量。需要指出的是,CI-110测出的叶面积指数是有效叶面积指数,它假设叶片在空间的分布是随机的,没有考虑树叶的集聚效应,有效叶面积指数要比实际叶面积指数小。2学习方法2.1叶面积指数lai-2000研究区域位于小兴安岭的孙吴县。共调查了30块样地,样地面积为0.06hm2。调查树种包括杨树(Populusalba)、白桦(Betulaplatyphylla)、柞树(Quercuspalustris)、黑桦(BetuladahuricaPall)等落叶阔叶林。利用LAI-2000植物冠层分析仪测量有效LA,I。在研究区域内选取的样地中随机测量5组LA,I值,取其平均作为该块样地的有效LA,I值。同时,在对应的样地内选取标准木的冠上、中、下3层叶片,按照从大到小依次分别取10片叶子称质量,然后将其置于坐标纸上,用数码相机获取叶片图像。记录样地内所有树木的胸径、树种。内业计算出采样叶片的图像面积,根据生物量之间的关系求出样地的真实叶面积指数,然后将其与光学仪器测得的有效叶面积指数建立一元线性回归模型,并进行精度验证。样地数据如表1。2.2叶生物量模型的建立利用Photoshop软件,并根据一些比例关系可以计算出所采集叶子的真实面积,按照树种将冠层上、中、下取样叶子的面积均值作为标准值。根据生物量关系,只要确定了叶生物量的值,就可以求得叶面积。单株叶生物量根据叶生物量模型获得(本文是“863”项目的子项目部分,生物量模型的建立在这里不做说明,直接应用)。然后计算所有样地的单株叶面积,累计求和得到样地内的叶面积。不同树种的叶生物量模型公式如下:白桦:B=0.0057D2.4257;(1)落叶松:B=0.0044D2.498;(2)杨树:B=0.0025D3.2004e-0.0903D;(3)柞树:B=0.0033D2.4842;(4)柳树:B=0.0016D2.9494。(5)式中:B表示叶生物量;D为胸径。由上述公式计算单株树木的叶面积,将同一样地内的所有单株树木的叶面积累加求和,得到样地总的真实叶面积。然后根据叶面积指数(LA,I)的定义,计算得到样地的真实LA,I值,如表2。LA,I=样地叶面积/样地面积。(6)2.3元线性回归模型用表2中前20块样地数据进行建模,剩下10块样地数据作检验用。利用Spss软件建立真实LA,I与有效LA,I数据的散点图、一元线性回归模型,如图1、公式(7)。真实LA,I与有效LA,I的一元线性回归方程如下:y=1.42x+0.35。(7)式中:y为真实LA,I;x为有效LA,I。相关系数R为0.978,决定系数R2为0.956。由图1可以直观地看出:有效LA,I与真实LA,I的相关性非常显著。同时,由相关系数R(0.978)及R2(0.956)可见,模型拟合效果非常理想。3试验结果与分析3.1我国不动产一阶段,第7段是第132将10个检验样地数据的有效LA,I值分别代入公式(7)中的一元回归方程,求得估测值。估测值结果见表3。建立样地真实LA,I值与模型估测值之间的一元回归模型(图2),以检验相关性,然后计算估测精度,估测精度由公式(9)计算得出。RMSE=∑i=1n(yi−xi)2n−−−−−−−−√RΜSE=∑i=1n(yi-xi)2n;(8)EA=(1−RMSEm¯¯¯)×100%EA=(1-RΜSEm¯)×100%。(9)式中:RMSE为总均方根;yi为第i个真实样点值;xi为对应第i个真实样点的估计值;n是样点数;m¯¯¯m¯为检验样点数据的均值;EA为估测精度。真实LA,I与估测LA,I的一元线性回归方程如下:y=1.08x-0.22。(10)式中:y为真实LA,I;x为估测LA,I。计算得到决定系数R2为0.989,RMSE为0.1346,估测精度EA为92.89%。3.2方法的检验结果在建模部分,由图1可以直观地看出,有效LA,I与真实LA,I的相关性非常强。同时,由相关系数R为0.978及R2为0.956可知,模型拟合效果很好。在精度检验部分,采用总均方根误差RMSE来计算LA,I的估测误差,RMSE值越小,表明精度越高;估测精度EA越大,表明精度越高。R2的值高达0.989,说明回归方程的拟合非常好,相