如何进行植物叶面积指数的测量

来源： http://www.polyscience.com.cn/ 　类别：技术文章　更新时间：2013-03-28　阅读次

      叶面积指数的测量，不同于叶绿素的测量，因为叶绿素是位于叶片内部，必须经过提取才可以进行测量，所以叶绿素测量仪是其必要的仪器设备，而叶面积指数，只需要知道其计算方法，即使没有叶面积检测仪，也可以很方便的进行测量，下面就一起看下如何进行植物叶面积指数的测量。
　　叶面积指数主要测定方法和设备叶面积指数是指单位土地面积上植物叶片总面积与土地面积的比值，是评估植物冠层功能、定量分析地球生态系统能量交换特性的一个重要参数。它可反映植物叶片数量、冠层空隙的动态和平衡、植物群落生命活力以及环境效应，在推动区域温室气体排放与生态系统碳汇计量水平、促进地球生态能量交换等方面得到广泛应用。叶面积指数被提出50多年来，其测量方法的相关理论和技术得到不断完善，经历了从简单测量到多种算法与各类仪器相结合的过程，但其测量精度的有效提升仍是这一领域的主要研究内容。笔者总结了现有LAI的测定方法和测量仪器，为LAI的研究提供便利条件。
　　如何直接测量植物叶片的叶面积指数直接测量法是指收集植株叶片，直接测量其面积或测量叶片质量、形状、长宽等参数，再转换为面积。这是经典的、成熟的LAI测量方法，具有最高的测量精度。其测量值通常被称为真实叶面积指数，是间接测定的重要对比方法。该方法包括叶片采集和测量2个步骤。叶片采集方法有落叶箱法、代表植株法、区域采样法等；测量方法有格点法、方格法、描形称重法以及扫描和摄影等仪器测定法。由于直接测量对植物本身具有一定的破坏性，且必须人工采集叶片样品，费时耗力，采样不一定具有代表性，一般只用作科研，故实际测量和研究中常采用间接测量法。间接测量法与直接测量法相比，间接测量法能够更快、更大范围地对LAI进行测量，并且不对植物产生伤害，因此得到迅速发展和广泛应用。但是，采用这种方法得到的LAI往往偏低，不同类型的冠层低估范围通常在25%～50%。虽然目前有许多方案能克服由于间接测量带来的偏差，但并没有根本地解决此类问题的产生。该方法主要分为空间测量法和地面测量法两类�？占洳饬糠��？占洳饬糠ㄒ渤埔８胁饬糠ǎü佬嵌灾脖缓透哺俏镏涞姆瓷涔馄仔畔⒉杉瓿刹饬�，为大范围研究森林和陆地植被LAI提供有效的途径�？占洳饬糠ǚ治臣颇Ｐ头�、物理模型法、神经网络模型法3种。神经网络模型法作为一种新的LAI空间测量法，吸引了众多科研者的目光。研究表明，对于LAI＜3的植被区，该模型法反馈精度比较可靠。陈健等使用BP神经网络改进模型对南大港内部芦苇进行测量，发现该模型有很强的非线性拟合能力，最大相对误差为20．71%，有效地提高了LAI反演的精度。地面测量法。地面测量法适用于单一林群和农作物的测量，分为点接触法(倾斜点嵌块法)、经验公式法、消光系数法等。Wilson提出了点接触法，使用细探针从不同高度和角度通过冠层一直到达底部，根据针尖接触的叶片数目计算LAI。
      LAI=n/G(θ)      (1)
      式中，n为探针接触叶片次数；G(θ)为投影函数；θ为天顶角。
　　点接触法的优点在于测量因子获取方便，对植物没有破坏；缺点是树群特定性以及依赖树尺寸、冠层结构、树群密度、季节气候等，采样数足够大时才能置信，且对较高的冠层和森林实施比较困难。Bonhomme等采用该方法对小作物测量获得较好结果。Wilson研究表明，当点样方倾角为32．5°时，测量的LAI值较准。任海等对鼎湖山森林群落测量，发现与分层收割直接测量法相比的最大测量误差为33．1%。
　　经验公式法又称易测因子法，可根据胸径、树高、边材面积、冠幅等易测参数与叶面积指数间的经验公式来计算。王蕾等研究表明，在同一树群，树木胸径与叶面积有很高的相关性。常学向等进一步证明LAI与胸径平方和树高乘积有指数相关性。以二白杨叶面积指数测量为例，其计算方程为：
     LAI=4{ ln［( DBH)2×0．01H］}8．07×10^-8     (2)
　　式中，DBH为树木胸径(cm)；H为树木高度(cm)。
　　此外，Gower等对针叶林和阔叶林的研究发现边材面积与叶面积具有最高的相关性。Bartelin对山毛榉的研究表明，树木茎基面积与叶面积也有很高的相关性。陈厦等通过暖温带3种森林群落研究证明了林冠开阔度与LAI的指数相关性。经验公式法具有测量易实现、效率较高的优点，但它具有特定性，对树种、树木尺寸、冠层结构、树群密度、季节气候等依赖性过强，并不适合于任何树种，应用有一定的局限性。点接触法和经验公式法都属于接触式测量。在测量过程中存在人为干扰因素，并且难以提供植物空间和短期变化信息。因此，从20世纪90年代起，非接触式测量——消光系数法得到飞速发展。消光系数法利用基于冠层内光透射信息完成测量任务。
      LAI = ln( Q1/ Q2) /k    (3)
　　式中，Q1、Q2为叶片上下层光辐射；k为特定植物冠层的消光系数。
　　消光系数法的优点为速度快，通用性强，可作为遥感的地面定标手段，但会受到叶簇类型和非叶片单元的影响，并且对测量环境要求较高。消光系数的选择对测量结果有很大的影响。使用消光系数法测量的LAI往往比直接测量的小，并且叶片的聚集效应越强，差异越大。近年来与叶面积指数相关的测量仪器叶面积检测仪应运而生，主要有叶面积检测仪等。按照测量原理，这些仪器分为两类，一类是基于辐射测量的方法；另一类是基于图像测量的方法�；诜洳饬糠椒ㄊ峭ü舛ǚ渫腹世醇扑阋睹婊甘�。其基本原理为入射到冠层顶部的太阳辐射(称为入射辐射)被植被叶片吸收、反射后，到达底部时(称为透射辐射)会产生衰减，衰减的速率与叶面积指数、冠层结构有定量关系，通过这一关系反推LAI。这类仪器主要由辐射传感器和微处理器组成。Lang等使用Demon对LAI进行测量，相对于直接测量法，误差平均为11%。Wilhelm等在测量玉米冠层LAI时发现SunScan、AccuPAR和LAI-2000的测量值相比于直接测量法偏低。在测量准确度方面，基于图像方法的测量仪器更具有优势。
　　基于图像测量方法是通过分析植物冠层的半球数字图像来计算叶面积指数的。其基本原理为获取冠层影像，并利用软件对其进行分析，计算太阳辐射透射系数、冠层空隙、间隙率参数等，进而推算LAI。这些图像分析系统通常由鱼眼镜头、数码相机、冠层影像分析软件和数据处理器组成。刘立鑫等利用Winscanopy2006a冠层分析仪对帽儿山天然次生林进行叶面积指数的测量，LAI测量结果的精度比称重直接测量结果低25%～40%。Leblanc等对比LAI-2000、TRAC、HCP、AccuPAR在干旱生态系统中进行长期测量，认为HCP最准确、有效。Chen等也推荐使用HCP进行针叶林有效LAI的测量�；诜洳饬亢突谕枷癫饬康囊瞧鞅冉先绫�1所示。

表1 基于辐射测量和基于图像测量的仪器比较

　　近年来国外出现的一系列检测LAI的仪器得到了相应的应用，而在国内还缺乏自主开发的LAI仪器。目前，国内采用的测量仪器主要有LAI-2000、TRAC、CI-110等，但多数缺乏直接测量法的检验和校准。国际上流行的鱼眼镜头测量LAI的方法在国内使用得较少。LAI的测量受到其定义、采样方法、数据分析和仪器误差等因素的综合影响，缺乏一个准确的、有效的普适性方法。
　　不同方法之间缺乏比较研究。直接测量法虽然对植物具有破坏性，效率不高，但结果可靠；间接测量方法是测量LAI的重要手段，具有速度快、适用范围广、非破坏性的优点，但测量精度不高。其中，通过遥感技术测定叶面积指数将会在未来得到更广泛的应用。目前，测定叶面积指数的仪器以国外仪器为主。各种测量仪器本身的精度很高，但是由于受其他因素的影响，LAI的测量精度仅为20%～40%。所以，探索新的、具有更高精度的LAI测量技术具有重大的基础研究价值。