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叶面积指数

叶面积指数,亦称叶面积系数。是指植物叶片总面积与土地面积的比值。它与植被的密度、结构(单层或复层)、树木的生物学特性(分枝角、叶着生角、耐荫性等)和环境条件(光照、水分、土壤营养状况)有关,是表示植被利用光能状况和冠层结构的一个综合指标。 [1]

叶面积指数(leaf area index)又叫叶面积系数,是指单位土地面积上植物叶片总面积占土地面积的倍数。即:叶面积指数=叶片总面积/土地面积。在田间试验中,叶面积指数(LAI)是反映植物群体生长状况的一个重要指标,其大小直接与最终产量高低密切相关。

常用叶面积指数(LAI)由下式中求得:叶面积用直尺测量每株各叶片的叶长(Lij)和最大叶宽(Bij)。

式中,n为第j株的总叶片数;m为测定株数;ρ种为种植密度。

叶面积指数是反映作物群体大小的较好的动态指标。叶面积指数可以反映在一定的范围内,作物的产量随叶面积指数的增大而提高。当叶面积指数增加到一定的限度后,田间郁闭,光照不足,光合效率减弱,产量反而下降。苹果园的最大叶面积指数一般不超过5,能维持在3~4较为理想。盛果期的红富士苹果园,生长期亩枝量维持在10~12万条之间,叶面积指数基本能达到较为适宜的指标。

氮对提高叶面积指数、光合势、叶绿素含量和生长率均有促进作用,而净同化率随施氮增加而下降。施氮对大豆光合速率无显著影响。随施氮增加叶面积指数提高的正效应可以抵消净同化率下降的负效应,从而最终获得一个较高的生长率。因此,高产栽培首先应考虑获得适当大的叶面积指数。

在生态学中,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。

直接测定方法是一种传统的、具有一定破坏性的方法。

1、叶面积的测定,传统的格点法和方格法

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,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: CI - 202 便携式叶面积仪、L I- 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 I2AS图象分析系统、SKYE 叶片面积图像分析仪、Decagon - Ag图象分析系统、WinFOL IA 多用途叶面积仪。 [2]

间接方法是用一些测量参数或用光学仪器得到叶面积指数,测量方便快捷,但仍需要用直接方法所得结果进行校正。

1、点接触法

点接触法是用细探针以不同的高度角和方位角刺入冠层,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.

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57.5°时,假设叶片随机分布和叶倾角椭圆分布,则冠层叶片的倾角对消光系数K的影响最小,此时采用32.5°倾角刺入冠层,会得出较准确的结果,用以下公式计算.

点接触法是由测定群落盖度的方法演进而来的,在小作物LA I的测量中较准确,但在森林中应用比较困难,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。

2消光系数

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:

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0.13~1.15变化,其计算公式为:

其中x为叶倾角分布参数,θ为天顶角. 消光系数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. 该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 . [3]

3、经验公式法

经验公式法利用植物的胸径、树高、边材面积、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,边材面积与叶面积具有很高的相关性,林冠开阔度与叶面积指数呈较好的指数关系 . 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.

4、遥感方法

卫星遥感方法为大范围研究LA I提供了有效的途径 . 主要有2种遥感方法可用来估算叶面积指数,一种是统计模型法,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,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。

5、光学仪器法

光学仪器法按测量原理分为基于辐射测量的方法和基于图像测量的方法。

⑴基于辐射测量的方法. 该方法是通过测量辐射透过率来计算叶面积指数,主要仪器有: LA I -2000、AccuPAR、Sunscan、Sunfleck cep tometer Demon和TRAC (Tracing Radiation and Architecture of Cano2p ies)等. 这些仪器主要由辐射传感器和微处理器组成,它们通过辐射传感器获取太阳辐射透过率、冠层空隙率、冠层空隙大小或冠层空隙大小分布等参数来计算叶面积指数. 前5种仪器都假设均一冠层、叶片随机分布和椭圆叶角分布,在测量叶簇生冠层时有困难. 而TRAC通过测量集聚指数,能有效地解决集聚效应的问题,使得叶面积指数计算可以不用假设叶片在空间随机分布,减小了有效叶面积指数与现实叶面积指数之间计算的误差. 基于辐射测量仪器的优点是测量简便快速,但容易受天气影响,常需要在晴天下工作。

⑵基于图像测量的方法. 该方法是通过获取和分析植物冠层的半球数字图像来计算叶面积指数,仪器主要有CI - 100、W INSCANOPY、HemiView、HCP (Hemispherical Canopy Photography)等,这些图像分析系统通常由鱼眼镜头、数码相机、冠层图像分析软件和数据处理器组成. 其原理是通过鱼眼镜头和数码相机获取冠层图像,利用软件对冠层图像进行分析,计算太阳辐射透过系数、冠层空隙大小、间隙率参数等,进而推算有效叶面积指数.基于图像测量的仪器和方法测量精度较高,速度则较基于辐射测量的仪器慢,且常需要对图像进行后期处理. 此外,测量时需要均一的光环境,如黎明、黄昏、阴天等,晴天会使鱼眼镜头低估或者高估太阳辐射或散射。 [4]

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