葉面積指數

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更新時間: 2013-12-10

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葉面積指數指植物所有葉子的累加面積綜合與覆蓋地面面積之比。

  LAI
  Leaf Area Index
  葉面積指數(leaf area index)又叫葉面積係數,是指單位土地面積上植物葉片總面積占土地面積的倍數。即:葉面積指數=葉片總面積/土地面積。
  在田間試驗中,葉面積指數(LAI)是反映植物群體生長狀況的一個重要指標,其大小直接與最終產量高低密切相關。常用葉面積指數(LAI)由下式中求得:
  葉面積用直尺測量每株各葉片的葉長(Lij)和最大葉寬(Bij)。
  式中,n為第j株的總葉片數;m為測定株數;ρ種為種植密度。
  葉面積指數是反映作物群體大小的較好的動態指標。在一定的範圍內,作物的產量隨葉面積指數的增大而提高。當葉面積指數增加到一定的限度后,田間鬱閉,光照不足,光合效率減弱,產量反而下降。蘋果園的最大葉面積指數一般不超過5,能維持在3~4較為理想。盛果期的紅富士蘋果園,生長期畝枝量維持在10~12萬條之間,葉面積指數基本能達到較為適宜的指標。
  氮對提高葉面積指數、光合勢、葉綠素含量和生長率均有促進作用,而凈同化率隨施氮增加而下降。施氮對大豆光合速率無顯著影響。隨施氮增加葉面積指數提高的正效應可以抵消凈同化率下降的負效應,從而最終獲得一個較高的生長率。因此,高產栽培首先應考慮獲得適當大的葉面積指數。
  在生態學中, 葉面積指數是生態系統的一個重要結構參數,用來反映植物葉面數量、冠層結構變化、植物群落生命活力及其環境效應,為植物冠層表面物質和能量交換的描述提供結構化的定量信息,並在生態系統碳積累、植被生產力和土壤、植物、大氣間相互作用的能量平衡,植被遙感等方面起重要作用。
  葉面積指數測定的主要方法
  A.直接方法直接測定方法是一種傳統的、具有一定破壞性的方法。
  1、葉面積的測定,傳統的格點法和方格法。
  2、描形稱重法. 在一種特定的坐標紙上,用鉛筆將待測葉片的輪廓描出並依葉形剪下坐標紙,稱取葉形坐標紙重量,按公式計算葉面積.
  3儀器測定法. 葉面積測定儀可以分成兩種類型,分別通過掃描和拍攝圖像獲取葉面積. 掃描型葉面積儀主要由掃描器(掃描相機) 、數據處理器、處理軟體等組成,可以獲得葉片的面積、長度、寬度、周長、葉片長度比和形狀因子以及累積葉片面積等數據,主要儀器有: CI - 202 攜帶型葉面積儀、L I- 3000台式或攜帶型葉面積儀、AM - 300手持式葉面積儀等. 此外,還有使用台式掃描儀和專業圖像分析軟體測定的方法. 圖像處理型葉面積儀由數碼相機、數據處理器、處理分析軟體和計算機等組成,可以獲取葉片面積、形狀等數據,主要儀器有:W IND I2AS圖象分析系統、SKYE 葉片面積圖像分析儀、Decagon - Ag圖象分析系統、WinFOL IA 多用途葉面積儀等.
  B、間接方法間接方法是用一些測量參數或用光學儀器得到葉面積指數,測量方便快捷,但仍需要用直接方法所得結果進行校正。
  1、點接觸法
  點接觸法是用細探針以不同的高度角和方位角刺入冠層,然後記錄細探針從冠層頂部到達底部的過程中針尖所接觸的葉片數目,用以下公式計算.
  式中,LA I為葉面積指數,n為探針接觸到的葉片數,G (θ) 為投影函數,θ為天頂角.
  當天頂角為57.5°時,假設葉片隨機分佈和葉傾角橢圓分佈,則冠層葉片的傾角對消光係數K的影響最小,此時採用32.5°傾角刺入冠層,會得出較準確的結果,用以下公式計算.
  點接觸法是由測定群落蓋度的方法演進而來的,在小作物LA I的測量中較準確,但在森林中應用比較困難,主要是由於森林植物樹體高大以及針葉樹種中高密度的針葉影響了測定。
  2、消光係數法
  該法通過測定冠層上下輻射以及與消光係數該法通過測定冠層上下輻射以及與消光係數相關的參數來計算葉面積指數,前提條件是假設葉片。隨機分佈和葉傾角呈橢圓分佈,由Beer - Lambert定
  律知:
  式中: LA I為葉面積指數,Q0 和Q 分別為冠層上下部的太陽輻射,k為特定植物冠層的消光係數,一般在013~115變化,其計算公式為:
  其中x為葉傾角分佈參數,θ為天頂角. 消光係數k與植物種類、天頂角、葉片傾角以及非葉生物量有關,在確定時常需要根據經驗公式獲得,如關德新等在研究長白山針闊葉混交林時,利用觀測結果反推消光係數k值. 該方法中消光係數如果能夠準確地加以測量,那麼得出的葉面積指數也較準確 .
  3、經驗公式法
  經驗公式法利用植物的胸徑、樹高、邊材面積、冠幅等容易測量的參數與葉面積或葉面積指數的相關關係建立經驗公式來計算. 研究表明:葉面積指數與胸徑平方和樹高的乘積有顯著的指數相關性,邊材面積與葉面積具有很高的相關性,林冠開闊度與葉面積指數呈較好的指數關係 . 經驗公式法的優點在於測量參數容易獲取,對植物破壞性小,效率較高,然而經驗公式具有特定性,並不適合於任何樹種,因而該法的應用具有一定的局限性.
  4、遙感方法
  衛星遙感方法為大範圍研究LA I提供了有效的途徑 . 目前主要有2種遙感方法可用來估算葉面積指數,一種是統計模型法,主要是將遙感圖像數據如歸一化植被指數NDV I、比植被指數RV I和垂直植被指數PV I與實測LA I建立模型.這種方法輸入參數單一,不需要複雜的計算,因此成為遙感估算LA I的常用方法. 但不同植被類型的LA I與植被指數的函數關係會有所差異,在使用時需要重新調整、擬合. 另一種是光學模型法,它基於植被的雙向反射率分佈函數是一種建立在輻射傳輸模型基礎上的模型,它把LA I作為輸入變數,採用迭代的方法來推算LA I.這種方法的優點是有物理模型基礎,不受植被類型的影響,然而由於模型過於複雜,反演非常耗時,且反演估算LA I過程中有些函數並不總是收斂的 .
  4、光學儀器法
  光學儀器法按測量原理分為基於輻射測量的方法和基於圖像測量的方法.
  ⑴基於輻射測量的方法. 該方法是通過測量輻射透過率來計算葉面積指數,主要儀器有: LA I -2000、AccuPAR、Sunscan、Sunfleck cep tometer Demon和TRAC (Tracing Radiation and Architecture of Cano2p ies)等. 這些儀器主要由輻射感測器和微處理器組成,它們通過輻射感測器獲取太陽輻射透過率、冠層空隙率、冠層空隙大小或冠層空隙大小分佈等參數來計算葉面積指數. 前5種儀器都假設均一冠層、葉片隨機分佈和橢圓葉角分佈,在測量葉簇生冠層時有困難. 而TRAC通過測量集聚指數,能有效地解決集聚效應的問題,使得葉面積指數計算可以不用假設葉片在空間隨機分佈,減小了有效葉面積指數與現實葉面積指數之間計算的誤差. 基於輻射測量儀器的優點是測量簡便快速,但容易受天氣影響,常需要在晴天下工作.
  ⑵基於圖像測量的方法. 該方法是通過獲取和分析植物冠層的半球數字圖像來計算葉面積指數,儀器主要有CI - 100、W INSCANOPY、HemiView、HCP (Hemispherical Canopy Photography)等,這些圖像分析系統通常由魚眼鏡頭、數碼相機、冠層圖像分析軟體和數據處理器組成. 其原理是通過魚眼鏡頭和數碼相機獲取冠層圖像,利用軟體對冠層圖像進行分析,計算太陽輻射透過係數、冠層空隙大小、間隙率參數等,進而推算有效葉面積指數.基於圖像測量的儀器和方法測量精度較高,速度則較基於輻射測量的儀器慢,且常需要對圖像進行後期處理. 此外,測量時需要均一的光環境,如黎明、黃昏、陰天等,晴天會使魚眼鏡頭低估或者高估太陽輻射或散射。

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