葉面積指數(shù)的測(cè)定方法

葉面積指數(shù)的測(cè)定方法

葉面積指數(shù)（leaf）是描述植物冠層表面物質(zhì)和能量交換的特定信息。它不僅是評(píng)估植物冠層功能的重要參數(shù)，也是生態(tài)系統(tǒng)中最重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)之一。LA,I是認(rèn)識(shí)和掌握植物冠層空隙的動(dòng)態(tài)和平衡的重要指標(biāo)。另外,LA,I與生物量之間有著密切的關(guān)系,與多尺度生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力密切相關(guān)。LA,I還是定量分析地球生態(tài)能量交換特性的重要參數(shù),也有研究者建議把它作為森林壓力的參考值。在農(nóng)業(yè)遙感研究中,LA,I是作物產(chǎn)量估測(cè)和病害評(píng)價(jià)的有效參數(shù)。然而,測(cè)量LA,I受到其定義、采樣方法、數(shù)據(jù)分析和儀器誤差等多種因素影響,國(guó)內(nèi)外至今沒有通用而簡(jiǎn)便的方法。在許多場(chǎng)合下,快速、準(zhǔn)確測(cè)定LA,I特別重要。因此,為了探索快速獲得可靠和客觀的LA,I,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)各種測(cè)量方法進(jìn)行了長(zhǎng)期大量的研究。由于傳統(tǒng)測(cè)量方法對(duì)植物本身具有一定破壞性,即必須人工采集葉子樣品,且耗時(shí)耗力,很難擴(kuò)大研究范圍,所以一般都采用光學(xué)儀器測(cè)量的方法。利用光學(xué)儀器測(cè)得的LA,I雖然方便、快速,但數(shù)值上比真實(shí)的LA,I要小。因此,在利用此數(shù)據(jù)進(jìn)行大面積的LA,I反演過程中,會(huì)對(duì)后來的反演精度有一定的影響。筆者基于此問題,以小興安嶺林地為研究區(qū),利用外業(yè)調(diào)查得到的有效葉面積指數(shù),根據(jù)生物量之間的關(guān)系計(jì)算得到真實(shí)葉面積指數(shù),建立有效值和真實(shí)值二者的線性回歸模型,用以矯正光學(xué)儀器測(cè)得的有效的LA,I值,以提高光學(xué)儀器測(cè)得LA,I的精度。1葉面積指數(shù)法特征葉面積指數(shù)的測(cè)量法方法可以歸納為兩類,即直接測(cè)量法與間接測(cè)量法兩大類。1.1真實(shí)葉面積指數(shù)法直接測(cè)量法,即通過先測(cè)定葉面積,再計(jì)算LA,I值的方法。直接測(cè)量LA,I的方法是經(jīng)典的、成熟的方法,其缺點(diǎn)是:對(duì)植物本身具有一定破壞性,必須人工采集葉子樣品,耗時(shí)耗力,而且采樣不一定具有代表性。但是直接測(cè)量的方法所測(cè)取的值相對(duì)精確,通常稱為真實(shí)葉面積指數(shù)。它是間接測(cè)定的重要校正依據(jù)。獲取精度較高的LA,I值,關(guān)鍵取決于準(zhǔn)確計(jì)算所采集葉子的面積。所以,提高葉面積的計(jì)算準(zhǔn)確度尤為重要。葉面積的測(cè)量法有兩種。葉片的格分段和葉邊緣的格最格點(diǎn)法是將采集到的葉片平攤在平面上,在葉片上覆蓋一塊透明方格紙,然后統(tǒng)計(jì)在葉內(nèi)的格點(diǎn)數(shù)和葉邊緣的格點(diǎn)數(shù),利用這種方式計(jì)算葉片的面積,不足半格者不計(jì),超過半格者按1格記;方格法是在葉片下方放置1塊方格紙,并用鉛筆描繪出葉片輪廓,數(shù)出葉片所占的格數(shù),葉緣不足半格者不計(jì),超過半格按1格記,最后合計(jì)葉片所占的總格數(shù)作為葉面積。葉面積的計(jì)算在一種特定的坐標(biāo)紙上,用鉛筆將待測(cè)葉片的輪廓描出并依葉形剪下坐標(biāo)紙,稱取葉形坐標(biāo)紙的質(zhì)量,按公式計(jì)算葉面積。單株葉面積=標(biāo)準(zhǔn)方格紙面積×(剪下的紙模質(zhì)量/標(biāo)準(zhǔn)方格紙質(zhì)量)×m。其中m是單株葉子總質(zhì)量與所抽取樣葉質(zhì)量的比。除了上述常用方法外,還有其他一些直接測(cè)量葉面積指數(shù)的方法,包括落葉收集法、分層收割法、鮮質(zhì)量打孔法等。1.2trac和針葉樹群落尺度的計(jì)算方法間接測(cè)定方法具有野外測(cè)定簡(jiǎn)便、迅速、可以快速地進(jìn)行大面積測(cè)量,不破壞林木,節(jié)省人力物力,對(duì)冠層干擾小的特點(diǎn),但數(shù)據(jù)的演算要經(jīng)過復(fù)雜的過程,因而往往需借助合適的計(jì)算機(jī)程序。間接測(cè)量的方法主要有光學(xué)儀器法、遙感反演法、消光系數(shù)法、點(diǎn)接觸法、經(jīng)驗(yàn)公式法等。文中主要介紹光學(xué)儀器測(cè)量法。光學(xué)儀器測(cè)量法是用光學(xué)儀器(TRAC、AccuPAR、LAI-2000植物冠層分析儀和CI-110植被冠層數(shù)字圖像儀等)觀測(cè)輻射透過率,再根據(jù)輻射透過率計(jì)算出葉面積指數(shù)。除TRAC外的光學(xué)測(cè)量?jī)x都是假設(shè)葉片在空間的分布是隨機(jī)的,不考慮葉片的集聚效應(yīng),測(cè)出的是有效葉面積指數(shù)。TRAC是Chen發(fā)展和命名的,其理論不僅考慮了林隙比,還計(jì)算了林隙尺寸分布(gapSizedistribution),從而量化集聚效應(yīng),得出集聚指數(shù)。林隙尺寸是冠層內(nèi)一個(gè)間隙的物理大小。林隙比則是指在給定太陽(yáng)天頂角時(shí),林隙占冠層的百分?jǐn)?shù)。林隙比相同,林隙尺寸分布可以迥異。對(duì)于闊葉樹,TRAC測(cè)出的集聚指數(shù)是各個(gè)尺度上的集聚效應(yīng)。對(duì)于針葉林,TRAC測(cè)出的是大于針葉尺度的集聚指數(shù)。因?yàn)獒樔~樹針葉的簇生,使得針葉樹存有一個(gè)針葉的集聚效應(yīng),而TRAC不能測(cè)出這個(gè)針葉的集聚效應(yīng),所以,還要依靠其它辦法來解決。AccuPAR是通過菜單操作的線性光合有效輻射測(cè)量?jī)x,用于測(cè)量植物樹冠對(duì)光線的攔截,同時(shí)計(jì)算葉面積指數(shù)。這種儀器操作簡(jiǎn)單、便于攜帶,但操作環(huán)境要求相對(duì)濕度為100%。LAI-2000利用一個(gè)“魚眼”光學(xué)傳感器(視野范圍180°)進(jìn)行輻射測(cè)量來測(cè)定樹木的葉面積指數(shù),該儀器有輕便的傳感器及控制箱,便于一個(gè)人操作,不受天氣狀況影響,使用范圍廣。但AccuPAR和LAI-2000由于植被冠層的復(fù)雜結(jié)構(gòu)而受到阻礙。LAI-2000可以看作是CI-110植物冠層分析儀的簡(jiǎn)便裝置,捕捉探頭都是魚眼鏡頭,但LAI-2000無動(dòng)態(tài)圖像顯示。CI-110數(shù)字植物冠層圖像分析儀是美國(guó)CID公司在LAI-2000冠層分析儀的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,它采用了20世紀(jì)90年代的最新技術(shù),由魚眼圖像捕捉探頭、PAR探頭、筆記本計(jì)算機(jī)、圖像分析軟件和可充電電池組成。魚眼探頭安裝在一很輕的手柄頂端,它可以獲取150°視角的半球圖像,對(duì)植物單株或群落都可測(cè)量。需要指出的是,CI-110測(cè)出的葉面積指數(shù)是有效葉面積指數(shù),它假設(shè)葉片在空間的分布是隨機(jī)的,沒有考慮樹葉的集聚效應(yīng),有效葉面積指數(shù)要比實(shí)際葉面積指數(shù)小。2學(xué)習(xí)方法2.1葉面積指數(shù)lai-2000研究區(qū)域位于小興安嶺的孫吳縣。共調(diào)查了30塊樣地,樣地面積為0.06hm2。調(diào)查樹種包括楊樹(Populusalba)、白樺(Betulaplatyphylla)、柞樹(Quercuspalustris)、黑樺(BetuladahuricaPall)等落葉闊葉林。利用LAI-2000植物冠層分析儀測(cè)量有效LA,I。在研究區(qū)域內(nèi)選取的樣地中隨機(jī)測(cè)量5組LA,I值,取其平均作為該塊樣地的有效LA,I值。同時(shí),在對(duì)應(yīng)的樣地內(nèi)選取標(biāo)準(zhǔn)木的冠上、中、下3層葉片,按照從大到小依次分別取10片葉子稱質(zhì)量,然后將其置于坐標(biāo)紙上,用數(shù)碼相機(jī)獲取葉片圖像。記錄樣地內(nèi)所有樹木的胸徑、樹種。內(nèi)業(yè)計(jì)算出采樣葉片的圖像面積,根據(jù)生物量之間的關(guān)系求出樣地的真實(shí)葉面積指數(shù),然后將其與光學(xué)儀器測(cè)得的有效葉面積指數(shù)建立一元線性回歸模型,并進(jìn)行精度驗(yàn)證。樣地?cái)?shù)據(jù)如表1。2.2葉生物量模型的建立利用Photoshop軟件,并根據(jù)一些比例關(guān)系可以計(jì)算出所采集葉子的真實(shí)面積,按照樹種將冠層上、中、下取樣葉子的面積均值作為標(biāo)準(zhǔn)值。根據(jù)生物量關(guān)系,只要確定了葉生物量的值,就可以求得葉面積。單株葉生物量根據(jù)葉生物量模型獲得(本文是“863”項(xiàng)目的子項(xiàng)目部分,生物量模型的建立在這里不做說明,直接應(yīng)用)。然后計(jì)算所有樣地的單株葉面積,累計(jì)求和得到樣地內(nèi)的葉面積。不同樹種的葉生物量模型公式如下:白樺:B=0.0057D2.4257;(1)落葉松:B=0.0044D2.498;(2)楊樹:B=0.0025D3.2004e-0.0903D;(3)柞樹:B=0.0033D2.4842;(4)柳樹:B=0.0016D2.9494。(5)式中:B表示葉生物量;D為胸徑。由上述公式計(jì)算單株樹木的葉面積,將同一樣地內(nèi)的所有單株樹木的葉面積累加求和,得到樣地總的真實(shí)葉面積。然后根據(jù)葉面積指數(shù)(LA,I)的定義,計(jì)算得到樣地的真實(shí)LA,I值,如表2。LA,I=樣地葉面積/樣地面積。(6)2.3元線性回歸模型用表2中前20塊樣地?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行建模,剩下10塊樣地?cái)?shù)據(jù)作檢驗(yàn)用。利用Spss軟件建立真實(shí)LA,I與有效LA,I數(shù)據(jù)的散點(diǎn)圖、一元線性回歸模型,如圖1、公式(7)。真實(shí)LA,I與有效LA,I的一元線性回歸方程如下:y=1.42x+0.35。(7)式中:y為真實(shí)LA,I;x為有效LA,I。相關(guān)系數(shù)R為0.978,決定系數(shù)R2為0.956。由圖1可以直觀地看出:有效LA,I與真實(shí)LA,I的相關(guān)性非常顯著。同時(shí),由相關(guān)系數(shù)R(0.978)及R2(0.956)可見,模型擬合效果非常理想。3試驗(yàn)結(jié)果與分析3.1我國(guó)不動(dòng)產(chǎn)一階段,第7段是第132將10個(gè)檢驗(yàn)樣地?cái)?shù)據(jù)的有效LA,I值分別代入公式(7)中的一元回歸方程,求得估測(cè)值。估測(cè)值結(jié)果見表3。建立樣地真實(shí)LA,I值與模型估測(cè)值之間的一元回歸模型(圖2),以檢驗(yàn)相關(guān)性,然后計(jì)算估測(cè)精度,估測(cè)精度由公式(9)計(jì)算得出。RMSE=∑i=1n(yi?xi)2n????????√RΜSE=∑i=1n(yi-xi)2n;(8)EA=(1?RMSEmˉˉˉ)×100%EA=(1-RΜSEmˉ)×100%。(9)式中:RMSE為總均方根;yi為第i個(gè)真實(shí)樣點(diǎn)值;xi為對(duì)應(yīng)第i個(gè)真實(shí)樣點(diǎn)的估計(jì)值;n是樣點(diǎn)數(shù);mˉˉˉmˉ為檢驗(yàn)樣點(diǎn)數(shù)據(jù)的均值;EA為估測(cè)精度。真實(shí)LA,I與估測(cè)LA,I的一元線性回歸方程如下:y=1.08x-0.22。(10)式中:y為真實(shí)LA,I;x為估測(cè)LA,I。計(jì)算得到?jīng)Q定系數(shù)R2為0.989,RMSE為0.1346,估測(cè)精度EA為92.89%。3.2方法的檢驗(yàn)結(jié)果在建模部分,由圖1可以直觀地看出,有效LA,I與真實(shí)LA,I的相關(guān)性非常強(qiáng)。同時(shí),由相關(guān)系數(shù)R為0.978及R2為0.956可知,模型擬合效果很好。在精度檢驗(yàn)部分,采用總均方根誤差RMSE來計(jì)算LA,I的估測(cè)誤差,RMSE值越小,表明精度越高;估測(cè)精度EA越大,表明精度越高。R2的值高達(dá)0.989,說明回歸方程的擬合非常好,相