叶面积指数的主要测定方法_谭一波

The M a in M ethods for D eterm in ing L eaf Area Index
TAN Yi2bo, ZHAO Zhon g2hu i
( School of L ife Sciences and Technology, Central South University of Forestry and Technology, Changsha Hunan 410004, China)
Abstract: The paper briefly introduces the concep t and significance for the study of leaf area index (LA I) , and summ arizes the current m ain m ethods for determ ining LA I as direct and indirect ways as well as its individual advantages and disadvantages1 It concerns that the developmental trends of LA I determ i2 nation in the future w ill be the combination of op tical instrum ent method w ith remote sensing method1 Key words: leaf area index; determ ination m ethod; remote sensing method; op tical instrum ent m ethod
1 叶面积指数的概念
叶面积指数 (Leaf A rea Index,缩写 LA I)的提出 源于作物学 ,在 20世纪 40年代中期 ,英国农业生态 学家 W atson首先将叶面积指数的概念定义为单位 土地面积上单面植物光合作用面积的总和 [ 4, 5 ]. 由 于在理解和使用上存在差异 ,叶面积指数有很多不 同的定义和解释 ,如植物叶片总面积与土地面积的 比值 ,单位面积上植物叶片的垂直投影面积的总和 等. Chen[ 8 ] 、Gower等人 [ 9 ] 还提出 , LA I是单位土地 面积上所有叶片表面积的一半或总叶片投影面积的 一半. Lang等人 [ 10 ]认为 ,将 LA I定义为单位土地面 积上的植物光合有效辐射总截取面积较定义为单位
数 k与植物种类 、天顶角 、叶片倾角以及非叶生物量
有关 ,在确定时常需要根据经验公式获得 ,如关德新
等 [3 ]在研究长白山针阔叶混交林时 , 利用观测结果
反推消光系数 k 值. 本方法中消光系数如果能够准
确地加以测量 , 那么得出的叶面积指数也较
准确 [ 12 ] .
21213 经验公式法
经验公式法利用植物的胸径 、树高 、边材面积 、
叶面积指数是生态系统的一个重要结构参数 , 用来反映植物叶面数量 、冠层结构变化 、植物群落生 命活力及其环境效应 ,为植物冠层表面物质和能量 交换的描述提供结构化的定量信息 ,并在生态系统 碳积累 、植被生产力和土壤 、植物 、大气间相互作用 的能量平衡 ,植被遥感等方面起重要作用 [ 1～4 ] .
刺入冠层 ,然后记录细探针从冠层顶部到达底部的 过程中针尖所接触的叶片数目 ,用以下公式计算.
LA I = n /G (θ) 式中 , LA I为叶面积指数 , n 为探针接触到的叶 片数 , G (θ) 为投影函数 , θ为天顶角. 当天顶角为 5715°时 ,假设叶片随机分布和叶倾角椭圆分布 [ 5 ] , 则冠层叶片的倾角对消光系数 K的影响最小 ,此时 采用 3215°倾角刺入冠层 ,会得出较准确的结果 ,用 以下公式计算. LA I≈ 111LA I3215 点接触法是由测定群落盖度的方法演进而来
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林业调查规划
第 33卷
足半格者不计 ,超过半格按一格记 ,最后合计叶片所 占的总格数作为叶面积.
- 3000台式或便携式叶面积仪 、AM - 300手持式叶 面积仪等. 此外 ,还有使用台式扫描仪和专业图像分 析软件测定的方法. 图像处理型叶面积仪由数码相 机 、数据处理器 、处理分析软件和计算机等组成 ,可 以获取叶片面积 、形状等数据 ,主要仪器有 : W IND I2 AS图象分析系统 、SKYE 叶片面积图像分 析仪 、 Decagon - Ag图象分析系统 、W inFOL IA 多用途叶面 积仪等. 21112 落叶收集法
LA I
=
1 k
ln
(Q0
/Q )
式中 : LA I为叶面积指数 , Q0 和 Q 分别为冠层 上下部的太阳辐射 , k为特定植物冠层的消光系数 ,
一般在 013～115变化 ,其计算公式为 :
k
=
x
+
11744
x2 (x
+ tanθ2 + 11182)
-
01733
其中 x为叶倾角分布参数 ,θ为天顶角. 消光系
LA I = (M ×K) / ( C ×S ) 落叶收集法在落叶林的测量中得到了较准确的 结果 ,但是测量周期长 ,在常绿林中应用时会产生较 大的误差 [ 12, 13 ] . 21113 分层收割法 [ 12 ] 在群落中设置样地 ,并对样地进行调查 ,记录样 地中的树种组成 、树高 、胸径和冠幅等参数 ,找出具 有平均高度和平均胸径的标准木 ,并进行整株收获 , 即从径基开始按每段 1 m 长分割 ,由底部向上逐段 收获叶片 ,将全部叶片摘下后称取总重 W ( g) ,最后 用十字分割法从中取出 500～1 000 g叶片称重和测 定叶面积 ,计算出比叶重 K ( cm2 / g) ,用下式计算叶 面积 : L = (W ×K) /S 式中 , W 为标准木总叶重 , K为比叶重 , S 为标
2 叶面积指数测定的主要方法
211 直接方法 直接测定方法是一种传统的 、具有一定破坏性
的方法 ,通过直接测量叶面积得到的叶面积指数 ,可 作为间接方法的有效验证. 21111 叶面积的测定
(1)传统的格点法和方格法. 格点法是将采集 到的叶片平摊在水平面上 ,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 数计算叶片的面积 ,不足半格者不计 ,超过半格者按 一格记. 方格法是在叶片下方放置一块方格纸 ,并用 铅笔描绘出叶片轮廓 ,数出叶片所占的格数 ,叶缘不
本方法适合于落叶林 ,一般先在样地内随机设 置一定面积 ( S )的凋落物收集网 ,将收集到的凋落 物烘干 ,分离出叶片来称重 ,得到落叶量 [ 12 ]. 再用十 字分割法从落叶中取出一定重量的叶片测出总叶面 积 ,计算出比叶重 K ( cm2 / g) ,即单位叶面积与叶干 重的比值 [ 14 ] ,结合落叶收集得到的单位时间单位面 积落叶的重量 M ( g /m2 ·a)以及生物量研究中得出 的单位时间落叶量所占样地总叶量的百分比 C,用 下式即可计算叶面积指数 [ 12 ] :
第 33卷 2008年
第 3期 6月
林 业 调 查 规 划 Forest Inventory and Planning
Vol. 33 No. 3 Jun. 2008
叶面积指数的主要测定方法
谭一波 ,赵仲辉
(中南林业科技大学生命科学与技术学院 ,湖南 长沙 410004)
摘要 :简要地介绍了叶面积指数的概念和研究的意义 ,总结了当前叶面积指数 (LA I)的主要测定方法有直接和间接 方法两大类 ,分析了各种方法的优缺点. 认为未来叶面积指数测定的发展趋势是光学仪器法和遥感法的相互结合. 关键词 :叶面积指数 ;测定方法 ;遥感法 ;光学仪器法 中图分类号 : S758. 58 文献标识码 : A 文章编号 : 1671- 3168 (2008) 03- 0045- 04
准木所占地面面积. 任海先生 [ 12 ]在研究南亚热带森 林时认为该方法较准确 ,但具有很大的破坏性 ,且费 时费力. 212 间接方法
间接方法是用一些测量参数或用光学Baidu Nhomakorabea器得到
叶面积指数 ,测量方便快捷 ,但仍需要用直接方法所 得结果进行校正 [ 16 ] . 21211 点接触法
点接触法是用细探针以不同的高度角和方位角
(2)描形称重法. 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 取叶形坐标纸重量 ,按公式计算叶面积.
(3)仪器测定法. 叶面积测定仪可以分成两种 类型 [ 5 ] ,分别通过扫描和拍摄图像获取叶面积. 扫 描型叶面积仪主要由扫描器 (扫描相机 ) 、数据处理 器 、处理软件等组成 ,可以获得叶片的面积 、长度 、宽 度 、周长 、叶片长度比和形状因子以及累积叶片面积 等数据 ,主要仪器有 : C I - 202 便携式叶面积仪 、L I
土地面积上的垂直投影面积或最大投影面积具有更 好的表达能力 ,因为植物光合有效辐射总截取面积 还反映了植物冠层的物理意义和生态内涵 [ 5, 11 ]. 叶 面积指数是一个无量纲度量的参数 ,其大小与植被 种类 、生长期 、叶片倾角 、叶簇和非叶生物量等因素 有关 [ 4, 6 ] ,还受叶面积指数定义和测定方法的影响.
的 [ 12 ] ,在小作物 LA I的测量中较准确 [ 15 ] ,但在森林 中应用比较困难 [ 13 ] ,主要是由于森林植物树体高大 以及针叶树种中高密度的针叶影响了测定. 21212 消光系数法
该法通过测定冠层上下辐射以及与消光系数相
关的参数来计算叶面积指数 ,前提条件是假设叶片 随机分布和叶倾角呈椭圆分布 ,由 Beer - Lambert定 律知 :
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第 3期
谭一波等 :叶面积指数的主要测定方法
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冠幅等容易测量的参数与叶面积或叶面积指数的相 关关系建立经验公式来计算. 研究表明 :叶面积指数 与胸径平方和树高的乘积有显著的指数相关性 [ 16 ] , 边材面积与叶面积具有很高的相关性 [ 17 ] ,林冠开阔 度与叶面积指数呈较好的指数关系 [ 18 ]. 经验公式法 的优点在于测量参数容易获取 ,对植物破坏性小 ,效 率较高 ,然而经验公式具有特定性 ,并不适合于任何 树种 ,因而该法的应用具有一定的局限性 [ 5 ]. 21214 遥感方法
收稿日期 : 2008- 01- 09 基金项目 :湖南省自然基金项目“城市主要绿化树种蒸腾耗水规律和分形特征的研究 ”(05JJ40127). 作者简介 :谭一波 (1981- ) ,男 ,广西南宁人 ,硕士研究生 ,主要从事森林生态和小气候研究.
赵仲辉 (1964- ) ,男 ,博士 ,副教授 ,主要从事气象学和森林生态研究.
卫星遥感方法为大范围研究 LA I提供了有效的 途径 [ 4, 19 ]. 目前主要有 2 种遥感方法可用来估算叶 面积指数 [ 22 ] ,一种是统计模型法 [ 19, 20 ] ,主要是将遥 感图像数据如归一化植被指数 NDV I、比植被指数 RV I和垂直植被指数 PV I[ 20 ]与实测 LA I建立模型. 这种方法输入参数单一 ,不需要复杂的计算 ,因此成 为遥感估算 LA I的常用方法. 但不同植被类型的 LA I 与植被指数的函数关系会有所差异 ,在使用时需要 重新调整 、拟合. 另一种是光学模型法 [ 19, 21 ] ,它基于 植被的双向反射率分布函数是一种建立在辐射传输 模型基础上的模型 ,它把 LA I作为输入变量 ,采用迭 代的方法来推算 LA I. 这种方法的优点是有物理模 型基础 ,不受植被类型的影响 ,然而由于模型过于复 杂 ,反演非常耗时 ,且反演估算 LA I过程中有些函数 并不总是收敛的 [ 19, 22 ] . 21215 光学仪器法