如何進(jìn)行植物葉面積指數(shù)的測(cè)量

      葉面積指數(shù)的測(cè)量，不同于葉綠素的測(cè)量，因?yàn)槿~綠素是位于葉片內(nèi)部，必須經(jīng)過提取才可以進(jìn)行測(cè)量，所以葉綠素測(cè)量?jī)x是其必要的儀器設(shè)備，而葉面積指數(shù)，只需要知道其計(jì)算方法，即使沒有葉面積檢測(cè)儀，也可以很方便的進(jìn)行測(cè)量，下面就一起看下如何進(jìn)行植物葉面積指數(shù)的測(cè)量。
　　葉面積指數(shù)主要測(cè)定方法和設(shè)備葉面積指數(shù)是指單位土地面積上植物葉片總面積與土地面積的比值，是評(píng)估植物冠層功能、定量分析地球生態(tài)系統(tǒng)能量交換特性的一個(gè)重要參數(shù)。它可反映植物葉片數(shù)量、冠層空隙的動(dòng)態(tài)和平衡、植物群落生命活力以及環(huán)境效應(yīng)，在推動(dòng)區(qū)域溫室氣體排放與生態(tài)系統(tǒng)碳匯計(jì)量水平、促進(jìn)地球生態(tài)能量交換等方面得到廣泛應(yīng)用。葉面積指數(shù)被提出50多年來，其測(cè)量方法的相關(guān)理論和技術(shù)得到不斷完善，經(jīng)歷了從簡(jiǎn)單測(cè)量到多種算法與各類儀器相結(jié)合的過程，但其測(cè)量精度的有效提升仍是這一領(lǐng)域的主要研究?jī)?nèi)容。筆者總結(jié)了現(xiàn)有LAI的測(cè)定方法和測(cè)量?jī)x器，為L(zhǎng)AI的研究提供便利條件。
　　如何直接測(cè)量植物葉片的葉面積指數(shù)直接測(cè)量法是指收集植株葉片，直接測(cè)量其面積或測(cè)量葉片質(zhì)量、形狀、長(zhǎng)寬等參數(shù)，再轉(zhuǎn)換為面積。這是經(jīng)典的、成熟的LAI測(cè)量方法，具有最高的測(cè)量精度。其測(cè)量值通常被稱為真實(shí)葉面積指數(shù)，是間接測(cè)定的重要對(duì)比方法。該方法包括葉片采集和測(cè)量2個(gè)步驟。葉片采集方法有落葉箱法、代表植株法、區(qū)域采樣法等；測(cè)量方法有格點(diǎn)法、方格法、描形稱重法以及掃描和攝影等儀器測(cè)定法。由于直接測(cè)量對(duì)植物本身具有一定的破壞性，且必須人工采集葉片樣品，費(fèi)時(shí)耗力，采樣不一定具有代表性，一般只用作科研，故實(shí)際測(cè)量和研究中常采用間接測(cè)量法。間接測(cè)量法與直接測(cè)量法相比，間接測(cè)量法能夠更快、更大范圍地對(duì)LAI進(jìn)行測(cè)量，并且不對(duì)植物產(chǎn)生傷害，因此得到迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。但是，采用這種方法得到的LAI往往偏低，不同類型的冠層低估范圍通常在25%～50%。雖然目前有許多方案能克服由于間接測(cè)量帶來的偏差，但并沒有根本地解決此類問題的產(chǎn)生。該方法主要分為空間測(cè)量法和地面測(cè)量法兩類�？臻g測(cè)量法�？臻g測(cè)量法也稱遙感測(cè)量法，通過衛(wèi)星對(duì)植被和覆蓋物之間的反射光譜信息采集完成測(cè)量，為大范圍研究森林和陸地植被LAI提供有效的途徑�？臻g測(cè)量法分為統(tǒng)計(jì)模型法、物理模型法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型法3種。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型法作為一種新的LAI空間測(cè)量法，吸引了眾多科研者的目光。研究表明，對(duì)于LAI＜3的植被區(qū)，該模型法反饋精度比較可靠。陳健等使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)改進(jìn)模型對(duì)南大港內(nèi)部蘆葦進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)該模型有很強(qiáng)的非線性擬合能力，最大相對(duì)誤差為20．71%，有效地提高了LAI反演的精度。地面測(cè)量法。地面測(cè)量法適用于單一林群和農(nóng)作物的測(cè)量，分為點(diǎn)接觸法(傾斜點(diǎn)嵌塊法)、經(jīng)驗(yàn)公式法、消光系數(shù)法等。Wilson提出了點(diǎn)接觸法，使用細(xì)探針從不同高度和角度通過冠層一直到達(dá)底部，根據(jù)針尖接觸的葉片數(shù)目計(jì)算LAI。
      LAI=n/G(θ)      (1)
      式中，n為探針接觸葉片次數(shù)；G(θ)為投影函數(shù)；θ為天頂角。
　　點(diǎn)接觸法的優(yōu)點(diǎn)在于測(cè)量因子獲取方便，對(duì)植物沒有破壞；缺點(diǎn)是樹群特定性以及依賴樹尺寸、冠層結(jié)構(gòu)、樹群密度、季節(jié)氣候等，采樣數(shù)足夠大時(shí)才能置信，且對(duì)較高的冠層和森林實(shí)施比較困難。Bonhomme等采用該方法對(duì)小作物測(cè)量獲得較好結(jié)果。Wilson研究表明，當(dāng)點(diǎn)樣方傾角為32．5°時(shí)，測(cè)量的LAI值較準(zhǔn)。任海等對(duì)鼎湖山森林群落測(cè)量，發(fā)現(xiàn)與分層收割直接測(cè)量法相比的最大測(cè)量誤差為33．1%。
　　經(jīng)驗(yàn)公式法又稱易測(cè)因子法，可根據(jù)胸徑、樹高、邊材面積、冠幅等易測(cè)參數(shù)與葉面積指數(shù)間的經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)算。王蕾等研究表明，在同一樹群，樹木胸徑與葉面積有很高的相關(guān)性。常學(xué)向等進(jìn)一步證明LAI與胸徑平方和樹高乘積有指數(shù)相關(guān)性。以二白楊葉面積指數(shù)測(cè)量為例，其計(jì)算方程為：
     LAI=4{ ln［( DBH)2×0．01H］}8．07×10^-8     (2)
　　式中，DBH為樹木胸徑(cm)；H為樹木高度(cm)。
　　此外，Gower等對(duì)針葉林和闊葉林的研究發(fā)現(xiàn)邊材面積與葉面積具有最高的相關(guān)性。Bartelin對(duì)山毛櫸的研究表明，樹木莖基面積與葉面積也有很高的相關(guān)性。陳廈等通過暖溫帶3種森林群落研究證明了林冠開闊度與LAI的指數(shù)相關(guān)性。經(jīng)驗(yàn)公式法具有測(cè)量易實(shí)現(xiàn)、效率較高的優(yōu)點(diǎn)，但它具有特定性，對(duì)樹種、樹木尺寸、冠層結(jié)構(gòu)、樹群密度、季節(jié)氣候等依賴性過強(qiáng)，并不適合于任何樹種，應(yīng)用有一定的局限性。點(diǎn)接觸法和經(jīng)驗(yàn)公式法都屬于接觸式測(cè)量。在測(cè)量過程中存在人為干擾因素，并且難以提供植物空間和短期變化信息。因此，從20世紀(jì)90年代起，非接觸式測(cè)量——消光系數(shù)法得到飛速發(fā)展。消光系數(shù)法利用基于冠層內(nèi)光透射信息完成測(cè)量任務(wù)。
      LAI = ln( Q1/ Q2) /k     (3)
　　式中，Q1、Q2為葉片上下層光輻射；k為特定植物冠層的消光系數(shù)。
　　消光系數(shù)法的優(yōu)點(diǎn)為速度快，通用性強(qiáng)，可作為遙感的地面定標(biāo)手段，但會(huì)受到葉簇類型和非葉片單元的影響，并且對(duì)測(cè)量環(huán)境要求較高。消光系數(shù)的選擇對(duì)測(cè)量結(jié)果有很大的影響。使用消光系數(shù)法測(cè)量的LAI往往比直接測(cè)量的小，并且葉片的聚集效應(yīng)越強(qiáng)，差異越大。近年來與葉面積指數(shù)相關(guān)的測(cè)量?jī)x器葉面積檢測(cè)儀應(yīng)運(yùn)而生，主要有葉面積檢測(cè)儀等。按照測(cè)量原理，這些儀器分為兩類，一類是基于輻射測(cè)量的方法；另一類是基于圖像測(cè)量的方法。基于輻射測(cè)量方法是通過測(cè)定輻射透過率來計(jì)算葉面積指數(shù)的。其基本原理為入射到冠層頂部的太陽(yáng)輻射(稱為入射輻射)被植被葉片吸收、反射后，到達(dá)底部時(shí)(稱為透射輻射)會(huì)產(chǎn)生衰減，衰減的速率與葉面積指數(shù)、冠層結(jié)構(gòu)有定量關(guān)系，通過這一關(guān)系反推LAI。這類儀器主要由輻射傳感器和微處理器組成。Lang等使用Demon對(duì)LAI進(jìn)行測(cè)量，相對(duì)于直接測(cè)量法，誤差平均為11%。Wilhelm等在測(cè)量玉米冠層LAI時(shí)發(fā)現(xiàn)SunScan、AccuPAR和LAI-2000的測(cè)量值相比于直接測(cè)量法偏低。在測(cè)量準(zhǔn)確度方面，基于圖像方法的測(cè)量?jī)x器更具有優(yōu)勢(shì)。
　　基于圖像測(cè)量方法是通過分析植物冠層的半球數(shù)字圖像來計(jì)算葉面積指數(shù)的。其基本原理為獲取冠層影像，并利用軟件對(duì)其進(jìn)行分析，計(jì)算太陽(yáng)輻射透射系數(shù)、冠層空隙、間隙率參數(shù)等，進(jìn)而推算LAI。這些圖像分析系統(tǒng)通常由魚眼鏡頭、數(shù)碼相機(jī)、冠層影像分析軟件和數(shù)據(jù)處理器組成。劉立鑫等利用Winscanopy2006a冠層分析儀對(duì)帽兒山天然次生林進(jìn)行葉面積指數(shù)的測(cè)量，LAI測(cè)量結(jié)果的精度比稱重直接測(cè)量結(jié)果低25%～40%。Leblanc等對(duì)比LAI-2000、TRAC、HCP、AccuPAR在干旱生態(tài)系統(tǒng)中進(jìn)行長(zhǎng)期測(cè)量，認(rèn)為HCP最準(zhǔn)確、有效。Chen等也推薦使用HCP進(jìn)行針葉林有效LAI的測(cè)量。基于輻射測(cè)量和基于圖像測(cè)量的儀器比較如表1所示。

　　近年來國(guó)外出現(xiàn)的一系列檢測(cè)LAI的儀器得到了相應(yīng)的應(yīng)用，而在國(guó)內(nèi)還缺乏自主開發(fā)的LAI儀器。目前，國(guó)內(nèi)采用的測(cè)量?jī)x器主要有LAI-2000、TRAC、CI-110等，但多數(shù)缺乏直接測(cè)量法的檢驗(yàn)和校準(zhǔn)。國(guó)際上流行的魚眼鏡頭測(cè)量LAI的方法在國(guó)內(nèi)使用得較少。LAI的測(cè)量受到其定義、采樣方法、數(shù)據(jù)分析和儀器誤差等因素的綜合影響，缺乏一個(gè)準(zhǔn)確的、有效的普適性方法。
　　不同方法之間缺乏比較研究。直接測(cè)量法雖然對(duì)植物具有破壞性，效率不高，但結(jié)果可靠；間接測(cè)量方法是測(cè)量LAI的重要手段，具有速度快、適用范圍廣、非破壞性的優(yōu)點(diǎn)，但測(cè)量精度不高。其中，通過遙感技術(shù)測(cè)定葉面積指數(shù)將會(huì)在未來得到更廣泛的應(yīng)用。目前，測(cè)定葉面積指數(shù)的儀器以國(guó)外儀器為主。各種測(cè)量?jī)x器本身的精度很高，但是由于受其他因素的影響，LAI的測(cè)量精度僅為20%～40%。所以，探索新的、具有更高精度的LAI測(cè)量技術(shù)具有重大的基礎(chǔ)研究?jī)r(jià)值。