Der vollständige Leitfaden für Forscher Leaf Area Index (LAI)

Leaf area index (LAI): The researcher’s complete guide

Leaf area index ist eine einzelne Zahl -eine statistische Momentaufnahme eines Vordachs zu einem bestimmten Zeitpunkt. Aber diese eine Zahl kann zu bedeutenden Erkenntnissen führen.

DR. GAYLON S. CAMPBELL

Warum messen Sie leaf area index?

Leaf area index (LAI) ist eine der am häufigsten verwendeten Messungen zur Beschreibung der Struktur des Blätterdachs. Der LAI ist auch nützlich, um die Funktion der Baumkronen zu verstehen, da ein Großteil des Austauschs von Masse und Energie zwischen Biosphäre und Atmosphäre an der Blattoberfläche stattfindet. Aus diesen Gründen ist der LAI häufig eine biophysikalische Schlüsselvariable, die in biogeochemischen, hydrologischen und ökologischen Modellen verwendet wird. Leaf area index wird auch häufig als Maß für das Wachstum und die Produktivität von Pflanzen und Wäldern auf räumlichen Skalen verwendet, die von der Parzelle bis zum Globus reichen. In diesem Artikel erfahren Sie, wie Sie leaf area index messen können, was es ist und wie Sie es verwenden können.

In der Vergangenheit war die Messung des leaf area index (LAI) schwierig und zeitaufwendig. Dank der in den letzten Jahren entwickelten Theorie und Technologie ist die Messung des LAI jedoch viel einfacher und für eine Vielzahl von Baumkronen praktikabler geworden. Laden Sie diesen Anwendungsleitfaden herunter, um eine kurze Einführung in die Theorie und die Instrumente zu erhalten, die zur Messung von leaf area index verwendet werden. Es werden verschiedene Szenarien und spezielle Überlegungen erörtert, die dem Einzelnen helfen, die für seine Forschungsbedürfnisse am besten geeignete Methode auszuwählen und anzuwenden.

Was ist leaf area index (LAI)?

Leaf area index (LAI) quantifiziert die Menge des Blattmaterials in einer Baumkrone. Per Definition ist er das Verhältnis von einseitiger Blattfläche zu einer Einheit Bodenfläche. Der LAI ist einheitenlos, da er ein Verhältnis von Flächen ist. Eine Baumkrone mit einem LAI von 1 hat zum Beispiel ein Verhältnis von 1:1 zwischen Blattfläche und Bodenfläche. Eine Baumkrone mit einem leaf area index von 3 hätte ein Verhältnis von Blattfläche zu Bodenfläche von 3:1.

Der LAI ist weltweit sehr unterschiedlich. Einige Wüstenökosysteme haben einen leaf area index von weniger als 1, während die dichtesten tropischen Wälder einen LAI von bis zu 9 haben können. Wälder und Buschland in den mittleren Breiten haben typischerweise LAI-Werte zwischen 3 und 6.

Saisonal können einjährige und laubabwerfende Baumkronen und Anbauflächen große Schwankungen des LAI aufweisen. Zum Beispiel kann Mais leaf area index von der Aussaat bis zur Reife zwischen 0 und 6 schwanken. Offensichtlich ist der LAI eine nützliche Kennzahl, um sowohl räumliche als auch zeitliche Muster des Wachstums und der Produktivität der Baumkronen zu beschreiben.

mehr erfahren über die Grundlagen von leaf area index (LAI) in dem untenstehenden Video. Der Forscher Jeff Ritter spricht über die Theorie hinter der Messung, direkte und indirekte Methoden, die Variabilität dieser Methoden, Dinge, die bei der Wahl einer Methode zu beachten sind, und Anwendungen von leaf area index.

Wie man misst leaf area index

Es gibt nicht die eine beste Methode zur Messung des LAI. Jede Methode hat Vor- und Nachteile. Welche Methode Sie wählen, hängt weitgehend von Ihren Forschungszielen ab. Der Forscher, der eine einmalige Schätzung des LAI benötigt, verwendet möglicherweise eine andere Methode als derjenige, der Veränderungen des leaf area index im Laufe der Zeit beobachtet. Ein Forscher, der sich mit Grasland beschäftigt, wird vielleicht eine andere Methode bevorzugen als ein Forscher, der sich mit Forstwirtschaft beschäftigt. In diesem Leitfaden werden wir die theoretische Grundlage jeder der wichtigsten Methoden sowie die wichtigsten Vorteile und Einschränkungen erörtern.

Direkte Messung

Traditionell haben die Forscher leaf area index gemessen, indem sie alle Blätter einer Parzelle geerntet und die Fläche jedes einzelnen Blattes akribisch gemessen haben. Moderne Geräte wie Flachbettscanner haben dieses Verfahren effizienter gemacht, aber es ist immer noch arbeitsintensiv, zeitaufwendig und zerstörerisch. In hohen Baumkronen ist es möglicherweise gar nicht durchführbar. Es ist jedoch nach wie vor die genaueste Methode zur Berechnung von leaf area index , da jedes einzelne Blatt physisch vermessen wird. Streufallen sind eine weitere Möglichkeit, den LAI direkt zu messen, aber sie funktionieren nicht gut in immergrünen Baumkronen und können nur Informationen von Blättern erfassen, die bereits vertrocknet und von der Pflanze abgestorben sind.

Indirekte Messung

Vor einigen Jahrzehnten begannen Baumkronenforscher, nach neuen Methoden zur Messung des LAI zu suchen, um Zeit zu sparen und um die Ökosysteme, die sie zu messen versuchten, nicht zu zerstören. Diese indirekten Methoden leiten den LAI aus Messungen verwandter Variablen ab, wie z.B. der Lichtmenge, die durch ein Blätterdach hindurchgeht oder von ihm reflektiert wird.

Hemisphärische Fotografie

Die Hemisphärenfotografie war eine der ersten Methoden, die zur indirekten Schätzung leaf area index verwendet wurde. Die Forscher fotografierten die Baumkronen vom Boden aus mit einem Fischaugenobjektiv. Ursprünglich wurden die Fotografien von den Forschern selbst ausgewertet. Heute verwenden die meisten Forscher spezielle Software, um die Bilder zu analysieren und zwischen bewachsenen und nicht bewachsenen Pixeln zu unterscheiden.

Hemispherical photography from a mixed deciduous forest using a digital camera fisheye lens
Abbildung 2. Hemisphärische Fotografie eines Laubmischwaldes mit einem Fischaugenobjektiv einer Digitalkamera

Vorteile: Die hemisphärische Fotografie hat entscheidende Vorteile. Erstens liefert sie mehr als nur leaf area index Messungen. Sie kann auch Messungen des Kronendachs liefern, wie z.B. den Lückenanteil, den Zeitpunkt und die Dauer der Sonnenflecken und andere Metriken zur Architektur des Kronendachs. Zweitens können die Bilder der Baumkronen für eine spätere Verwendung oder für eine Neuanalyse archiviert werden, wenn sich die Methoden ändern und die Softwareprogramme verbessert werden.

Beschränkungen: Die hemisphärische Fotografie hat jedoch auch Nachteile. Trotz der Tatsache, dass die Bilder jetzt digital verarbeitet werden, bleibt die Subjektivität der Benutzer ein großes Problem. Die Benutzer müssen Helligkeitsschwellenwerte für die Unterscheidung zwischen Himmelspixeln und Vegetationspixeln wählen, was dazu führt, dass die LAI-Werte von Benutzer zu Benutzer oder bei Verwendung unterschiedlicher Bildanalysealgorithmen variieren.

Auch die hemisphärische Fotografie ist zeitaufwändig. Es braucht Zeit, um Bilder von guter Qualität vor Ort aufzunehmen, und noch mehr Zeit, um die Bilder im Labor zu analysieren. Außerdem muss der Himmel gleichmäßig bedeckt sein, wenn die Bilder aufgenommen werden. Die hemisphärische Fotografie eignet sich nicht gut für kurze Baumkronen wie Weizen und Mais, da das Kameragehäuse, das Objektiv und das Stativ möglicherweise nicht unter die Baumkronen passen.

Hinweis: Für einige Benutzer bieten Instrumente, die PAR messen, eine Abkürzung. Einige Modelle verwenden LAI-Werte, um PAR zu schätzen. In diesem Fall kann das PAR-Instrument verwendet werden, um die PAR-Werte unterhalb der Baumkronen direkt zu schätzen und so die Genauigkeit des Modells zu verbessern.

Strahlungsdurchlässigkeit

Mehrere im Handel erhältliche Instrumente, darunter METERs LP-80 Ceptometer, bieten eine Alternative zur hemisphärischen Fotografie. Sie schätzen den LAI anhand der Menge an Lichtenergie, die von einem Pflanzendach durchgelassen wird. Die Idee ist recht einfach: Ein sehr dichtes Blätterdach absorbiert mehr Licht als ein spärliches Blätterdach. Das bedeutet, dass es eine Beziehung zwischen dem LAI und der Lichtabsorption geben muss. Das Beersche Gesetz liefert die theoretische Grundlage für diese Beziehung. Für die Zwecke der Umweltbiophysik wird das Beersche Gesetz wie folgt formuliert
Beers Law Equation

wobei PARt die transmittierte photosynthetisch aktive Strahlung (PAR) ist, die in der Nähe der Bodenoberfläche gemessen wird, PARi die PAR ist, die oben auf das Blätterdach einfällt, z die Weglänge der Photonen durch ein dämpfendes Medium ist und k der Extinktionskoeffizient ist. Im Fall von Vegetationsdächern berücksichtigt z den LAI, da die Blätter das Medium sind, durch das die Photonen abgeschwächt werden. Sie sehen, wenn wir k kennen und PARt und PARi messen, können wir Gleichung 1 umkehren und z als Schätzung des LAI berechnen. Dieser Ansatz wird gemeinhin als PAR-Inversionstechnik bezeichnet. Die reale Welt ist etwas komplexer, aber wie Sie in Abschnitt 3 sehen werden, ist das Beersche Gesetz die Grundlage für die Schätzung des LAI anhand von Messungen des einfallenden und des durchgelassenen PAR.

Vorteile: Die PAR-Inversionstechnik ist zerstörungsfrei, ein offensichtlicher, aber wichtiger Vorteil, der es ermöglicht, ein Kronendach umfassend und wiederholt im Laufe der Zeit zu beproben. Die PAR-Inversionstechnik ist auch deshalb so attraktiv, weil sie auf einer soliden Grundlage der Strahlungstransfertheorie und der Biophysik beruht und bei einer Vielzahl von Baumkronenarten anwendbar ist. Aus diesen Gründen ist die PAR-Inversionstechnik derzeit ein standardisiertes und gut akzeptiertes Verfahren.

Zusätzlich zu Handgeräten wie dem METER LP-80 ceptometer können auch Standard-PAR-Sensoren (auch bekannt als Quantensensoren) verwendet werden, um die transmittierte Strahlung für ein PAR-Inversionsmodell zu messen. Der Vorteil der Verwendung von PAR-Sensoren im Gegensatz zu einem speziell angefertigten, tragbaren LAI-Instrument besteht darin, dass PAR-Sensoren im Feld belassen werden können, um kontinuierlich Änderungen der PAR-Transmission zu messen. Dies kann nützlich sein, wenn schnelle Veränderungen des LAI der Baumkronen untersucht werden sollen oder wenn es nicht möglich ist, einen Feldstandort häufig genug aufzusuchen, um die zeitliche Variabilität des LAI mit einem tragbaren Gerät zu erfassen.

Beschränkungen: Die PAR-Inversionstechnik hat ein paar Einschränkungen. Sie erfordert Messungen sowohl des transmittierten (unterhalb der Baumkronen) als auch des einfallenden (oberhalb der Baumkronen) PAR unter identischen oder sehr ähnlichen Lichtverhältnissen. Dies kann in sehr hohen Baumkronen eine Herausforderung sein, obwohl PAR-Messungen in großen Lücken oder Lichtungen durchgeführt werden können. Außerdem kann in extrem dichten Baumkronen die PAR-Absorption fast vollständig sein, so dass am unteren Ende der Baumkronen nur wenig transmittiertes Licht gemessen werden kann. Dies macht es schwierig, Veränderungen oder Unterschiede im LAI zu erkennen, wenn der LAI sehr hoch ist. Und schließlich können Schätzungen des LAI, die aus Messungen des transmittierten PAR gewonnen werden, durch die Verklumpung von Blättern beeinträchtigt werden. Fehler bei der LAI-Schätzung, die mit der Verklumpung zusammenhängen, können in der Regel durch das Sammeln zahlreicher räumlich verteilter Proben des übertragenen PAR gemildert werden.

Reflexion der Strahlung

Eine andere Methode zur Schätzung des LAI verwendet eher reflektiertes als durchgelassenes Licht. Strahlung, die von grüner, gesunder Vegetation reflektiert wurde, hat ein sehr ausgeprägtes Spektrum (Abbildung 3). Einige Wissenschaftler haben sogar vorgeschlagen, potenziell bewohnbare Planeten außerhalb unseres Sonnensystems zu finden, indem sie nach diesem einzigartigen Spektralsignal suchen. Ein typisches Reflexionsspektrum der Vegetation hat einen sehr geringen Reflexionsgrad im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums (~400 bis 700 nm, was auch der PAR-Bereich ist). Im nahen Infrarot (NIR) (> 700 nm) kann der Reflexionsgrad jedoch bis zu 50% betragen. Der genaue Anteil der Reflexion bei jeder Wellenlänge hängt von der Konzentration verschiedener Blattpigmente wie Chlorophyll und der Struktur des Kronendachs (z.B. Anordnung und Anzahl der Blattschichten) ab.

Vorteile: Frühe Versuche, spektrale Reflexionsdaten zur Quantifizierung der Eigenschaften der Baumkronen zu verwenden, ergaben, dass das Verhältnis von roter und NIR-Reflexion zur Schätzung des prozentualen Bedeckungsgrads der Baumkronen in einem bestimmten Gebiet verwendet werden kann. Spätere Versuche haben eine Reihe verschiedener Wellenlängenkombinationen hervorgebracht, die sich auf verschiedene Eigenschaften der Baumkronen beziehen. Diese Wellenlängenkombinationen oder spektralen Vegetationsindizes werden nun routinemäßig als Näherungswerte für den LAI verwendet oder durch empirische Modellierung zur direkten Schätzung des LAI genutzt.

Bis vor kurzem war eine der einzigen Möglichkeiten, Reflexionsdaten zu sammeln, ein Handspektrometer - ein teures, empfindliches Instrument, das für das Labor und nicht für das Feld konzipiert wurde. Doch mit der Entwicklung von leichten Multiband-Radiometern, die einen bestimmten Vegetationsindex messen, haben sich die Möglichkeiten der Sensoren erweitert. Diese kleinen Sensoren sind preiswert und benötigen nicht viel Strom, was sie perfekt für die Überwachung vor Ort macht.

Dies ist eine gute Nachricht für alle, die Veränderungen des LAI im Laufe der Zeit überwachen möchten, einschließlich Forscher, die sich für Phänologie, Kronenwachstum, die Erkennung von Kronenstress und -rückgang oder die Erkennung kranker Pflanzen interessieren.

Vegetationsindizes bieten einen weiteren Vorteil: Viele Erdbeobachtungssatelliten wie Quickbird, Landsat und MODIS messen den Reflexionsgrad, der zur Berechnung von Vegetationsindizes verwendet werden kann. Da diese Satelliten große Gebiete beobachten, können sie dazu dienen, Beobachtungen auf lokaler Ebene auf viel größere Gebiete zu übertragen. Umgekehrt können Messungen, die auf lokaler Ebene mit einem Multiband-Radiometer durchgeführt wurden, eine nützliche Quelle für die Ermittlung von Vegetationsindizes auf der Grundlage von Bodendaten sein.

Multiband-Radiometer bieten auch eine Top-Down-Option für extrem kurze Baumkronen, wie z.B. Kurzgrasprärien und Graslandschaften. Es ist schwierig, wenn nicht sogar unmöglich, die meisten LAI-Schätzmethoden für diese Baumkronen zu verwenden, da die Geräte zu groß sind, um vollständig unter die Baumkronen zu passen. Vegetationsindizes werden mit Sensoren gemessen, die das Kronendach von oben nach unten betrachten, was sie in solchen Fällen zu einer hervorragenden Alternative macht.

Reflectance Spectra Obtained at Different Canopy Development
Abbildung 3. Reflektionsspektren, die in verschiedenen Stadien der Baumkronenentwicklung gemessen wurden. Hinweis: Es gibt einen deutlichen Unterschied zwischen der sichtbaren und der Nahinfrarot-Reflexion (NIR), der sich mit zunehmendem LAI entwickelt.

Beschränkungen: Eine der größten Einschränkungen von Vegetationsindizes besteht darin, dass es sich um einheitslose Werte handelt, die bei alleiniger Verwendung kein absolutes Maß für leaf area index liefern. Wenn Sie keine absoluten LAI-Werte benötigen, kann der Wert des Vegetationsindex als Ersatz für den LAI verwendet werden. Wenn Sie jedoch absolute LAI-Werte benötigen, müssen Sie eine andere Methode zur Messung des LAI in Verbindung mit dem Vegetationsindex verwenden, bis Sie genügend Daten gesammelt haben, um ein empirisches Modell zu erstellen. Diese Methode kann auch durch den Standort der Sensoren eingeschränkt sein. Der Reflexionsgrad muss naturgemäß von der Spitze eines Pflanzendachs aus gemessen werden, was bei manchen hohen Dächern nicht möglich ist.

Verwendung des LP-80 ceptometers

Das METER LP-80 ceptometer verwendet die PAR-Inversionstechnik zur Berechnung von leaf area index (LAI). Die LP-80 verwendet eine modifizierte Version des von Norman und Jarvis (1975) entwickelten Modells für die Lichtdurchlässigkeit und Streuung der Baumkronen. Fünf Schlüsselvariablen, die als Eingaben verwendet werden, werden im Folgenden erläutert.

τ (Verhältnis von durchgelassenem und einfallendem PAR): Der einflussreichste Faktor für die Bestimmung des LAI mit jedem PAR-Inversionsmodell ist das Verhältnis von transmittiertem zu einfallendem PAR. Dieses Verhältnis) wird anhand von Messungen der durchgelassenen PAR in der Nähe der Bodenoberfläche und der einfallenden PAR oberhalb der Baumkronen berechnet.

τ ist eine relativ intuitiv zu verstehende Variable. Wenn der LAI niedrig ist, wird die meiste einfallende Strahlung durch das Blätterdach durchgelassen, anstatt absorbiert oder reflektiert zu werden, so dass τ nahe bei 1 liegt. Wenn die Menge des Blattmaterials in der Baumkrone zunimmt, steigt die Menge des absorbierten Lichts proportional an und ein abnehmender Anteil des Lichts wird auf die Bodenoberfläche übertragen. Die LP-80 besteht aus einem Lichtbalken mit 80 linear verteilten PAR-Sensoren und einem externen PAR sensor. In typischen Szenarien wird der Lichtbalken verwendet, um den PAR-Wert unter der Baumkrone zu messen, während der externe Sensor dazu gedacht ist, den einfallenden PAR-Wert entweder über der Baumkrone oder auf einer Lichtung zu quantifizieren.

θ (solarer Zenitwinkel): θ ist die Winkelhöhe der Sonne am Himmel in Bezug auf den Zenit oder den Punkt direkt über Ihrem Kopf zu einer bestimmten Zeit, an einem bestimmten Datum und an einem bestimmten geografischen Ort (Abbildung 4). Der Zenitwinkel der Sonne wird verwendet, um die Weglänge der Photonen durch das Blätterdach zu beschreiben (z.B. nimmt die Weglänge in einem geschlossenen Blätterdach zu, wenn sich die Sonne dem Horizont nähert) und um die Wechselwirkung zwischen Strahlung und Blattausrichtung zu bestimmen (siehe unten).

θ wird von LP-80 automatisch berechnet, indem die Ortszeit, das Datum, der Breitengrad und der Längengrad eingegeben werden. Daher ist es wichtig, dass Sie sicherstellen, dass diese Daten im Konfigurationsmenü von LP-80 korrekt eingestellt sind.

ƒb (Strahlungsanteil): In einer Umgebung im Freien ist die Sonne die wichtigste Quelle kurzwelliger Strahlung. Bei klarem Himmel kommt der Großteil der Strahlung direkt von der Sonne (Abbildung 5a). Wenn jedoch Wolken oder Dunst vorhanden sind, wird ein Teil der Strahlung durch Wasserdampf und Aerosole in der Atmosphäre gestreut (Abbildung 5b). Diese gestreute Komponente wird als diffuse Strahlung bezeichnet. ƒb wird als das Verhältnis zwischen der diffusen und der gebündelten Strahlung berechnet. LP-80 berechnet ƒb automatisch, indem es die gemessenen Werte der einfallenden PAR mit der Solarkonstante vergleicht. Die Solarkonstante ist ein bekannter Wert für die Lichtenergie der Sonne (unter der Annahme eines klaren Himmels) zu einer bestimmten Zeit und an einem bestimmten Ort auf der Erdoberfläche.

χ (leaf angle distribution): The leaf angle distribution parameter (χ) describes the projection of leaf area onto a surface. Imagine, for example, a light source directly overhead. The shadow cast by a leaf with a vertical orientation would be much smaller than the shadow cast by a leaf with a horizontal orientation. In nature, canopies are typically composed of leaves with a mixture of orientations. This mixture is often best described by what is known as the spherical leaf distribution with a χ value = 1 (the default in the LP-80). Canopies with predominantly horizontal orientations, such as strawberries, have χ values > 1, whereas canopies with predominantly vertical orientations, like some grasses, have χ values < 1.

Im Allgemeinen beschreibt χ, wie viel Licht von den Blättern in einem Kronendach zu verschiedenen Tageszeiten absorbiert wird, wenn die Sonne über den Himmel wandert. Die Schätzung von leaf area index mit der PAR-Inversionstechnik ist nicht übermäßig empfindlich gegenüber dem χ-Wert, insbesondere wenn die Probenahme unter gleichmäßig diffusen Himmelsbedingungen erfolgt (Garrigues et al., 2008). Der χ-Wert ist am wichtigsten, wenn Sie mit Baumkronen arbeiten, die extrem vertikale oder horizontale Merkmale aufweisen, und wenn Sie unter klaren Himmelsbedingungen arbeiten, bei denen fb weniger als etwa 0,4 beträgt. Weitere Informationen über die Verteilung der Blattwinkel finden Sie bei Campbell und Norman (1998).

Solar Zenith Angle Changes
Abbildung 4. Der Zenitwinkel der Sonne ändert sich im Laufe des Tages. Der Beobachter ist auf den Äquator ausgerichtet.
Beam Fraction Under Sunny and Overcast Sky Conditions
Abbildung 5. Strahlenanteil unter (a) sonnigen und (b) bedeckten Himmelsbedingungen

K (Extinktionskoeffizient): Der Extinktionskoeffizient der Baumkronen, K, beschreibt, wie viel Strahlung bei einem bestimmten Zenitwinkel der Sonne und einer bestimmten Winkelverteilung der Baumkronenblätter von der Baumkrone absorbiert wird. Das Konzept des Extinktionskoeffizienten stammt aus dem Beerschen Gesetz (Gleichung 1). Eine detaillierte Erklärung des Extinktionskoeffizienten kann schnell kompliziert werden. Für die Schätzung des LAI reicht es aus zu wissen, dass der Winkel der Sonneneinstrahlung mit der Winkelverteilung der Blätter interagiert, um die Wahrscheinlichkeit zu bestimmen, dass ein Photon von einem Blatt abgefangen wird. Zum Zweck der Schätzung des LAI wird K wie folgt berechnet

Extinction Coefficient Equation
Gleichung 2

Aus dieser Gleichung sollte ersichtlich sein, dass sich K für ein bestimmtes Blätterdach nur dann ändert, wenn die Sonne über den Himmel wandert. LP-80 berechnet K jedes Mal automatisch, wenn es den LAI misst. Sobald K berechnet ist und alle anderen Variablen quantifiziert sind, wird LAI wie folgt berechnet

Leaf Area Index Equation
Gleichung 3

wobei L der LAI und A das Absorptionsvermögen der Blätter ist. Standardmäßig ist A in LP-80 auf 0,9 gesetzt. Das Absorptionsvermögen von Blättern ist eine sehr konsistente Eigenschaft für die meisten gesunden grünen Blätter, und ein Wert von 0,9 ist für die meisten Situationen ein guter Näherungswert. In Extremfällen (z.B. bei extrem jungen Blättern, stark behaarten oder wachsartigen Blättern, alternden Blättern) kann A von 0,9 abweichen, was zu Fehlern bei der Schätzung des LAI führt. Wenn Sie LP-80 unter untypischen Bedingungen verwenden, müssen Sie möglicherweise die Ergebnisse von LP-80 manuell mit einem modifizierten A-Wert kombinieren, um den LAI zu berechnen.

Nutzung der LP-80 in kurzen Baumkronen (Getreide, Grasland)

In typischen Szenarien ist es am besten, das LP-80 Ceptometer in einer gleichbleibenden Höhe unter der Haube zu halten, während das angebrachte externe PAR sensor über der Haube gehalten wird. Verwenden Sie die beigefügte Wasserwaage, um sicherzustellen, dass der Lichtbalken und das externe PAR sensor waagerecht gehalten werden. Bei Reihenkulturen oder kleinen Probeflächen montieren Forscher den externen Sensor oft auf einem Stativ zwischen den Reihen oder über der Baumkrone. Der LP-80 führt bei jedem Tastendruck gleichzeitig PAR-Messungen über und unter der Baumkrone durch und berücksichtigt dabei alle Änderungen der Lichtverhältnisse. Wenn die Baumkronen kurz genug sind, ist es sogar noch einfacher, mit dem Ceptometer sowohl über als auch unter der Baumkrone zu messen. Halten Sie das LP-80 einfach über die Baumkrone, um eine PAR-Messung zu erhalten. Aktualisieren Sie die Messung über der Baumkrone alle paar Minuten oder wenn sich die Himmelsbedingungen ändern (z.B. aufgrund von wechselnden Wolken). In jedem Fall werden alle anderen Variablen automatisch gemessen und berechnet, und leaf area index (LAI) wird mit jeder Messung unterhalb der Baumkronen aktualisiert.

Nutzung der LP-80 in hohen Baumkronen (Wälder, Uferbereiche)

In hohen Baumkronen ist es oft nicht praktikabel, PAR über und unter der Baumkrone mit einem Gerät zu messen. Wenn Sie das LP-80 in hohen Baumkronen verwenden, gibt es mehrere Möglichkeiten, PAR über und unter der Baumkrone zu messen.

Eine Möglichkeit besteht darin, eine PAR sensor über dem Kronendach oder auf einer großen Lichtung mit freiem Blick auf den Himmel zu montieren. Diese Methode erfordert eine zusätzliche Nachbearbeitung der Daten, kann aber gute Ergebnisse liefern. Die PAR sensor muss an einen eigenen Datenlogger angeschlossen werden, der so konfiguriert sein sollte, dass er in regelmäßigen Abständen (z.B. alle 1 bis 5 Minuten) Messungen vornimmt, damit alle Schwankungen der Umgebungshelligkeit erfasst werden. Sammeln Sie mit dem Ceptometer Messungen unterhalb der Baumkronen. Kombinieren Sie die Daten dann in der Nachbearbeitung, indem Sie die Zeitstempel verwenden, um jede Messung oberhalb und unterhalb der Baumkronen miteinander zu verbinden. Berechnen Sie τ mit jedem Paar, das dann als Eingabe für Gleichung 3 verwendet werden kann.

Die zweite Option ist nützlich, wenn es nicht möglich ist, ein PAR sensor oberhalb des Kronendachs zu platzieren oder wenn ein PAR sensor oder ein Datenlogger nicht verfügbar ist. In diesem Fall verwenden Sie LP-80 , um die einfallende PAR-Strahlung an einem Ort außerhalb der Baumkronen zu messen, der einen freien Blick auf den Himmel bietet. Wählen Sie im Messmodus, ob Sie die einfallende oder die durchgelassene Strahlung messen möchten. Wenn Sie das LP-80 selbst verwenden, um Messungen über und unter der Baumkrone vorzunehmen, berücksichtigen Sie die Variabilität der Himmelsbedingungen.

An einem Tag mit klarem Himmel ist es am einfachsten, die Proben in der Mitte des Tages zu nehmen, da sich die Lichtverhältnisse innerhalb von 20 bis 30 Minuten nicht stark verändern. Wenn der Himmel gleichmäßig bewölkt ist, können die PAR-Bedingungen für längere Zeit bestehen bleiben, so dass ein größeres Messfenster zur Verfügung steht, bevor eine erneute Messung über der Baumkrone erforderlich ist.

Bei stark schwankenden Himmelsbedingungen raten wir jedoch von dieser Methode ab, es sei denn, es ist möglich, die Messung des einfallenden PAR ständig zu aktualisieren. LP-80 berechnet den LAI automatisch bei jeder Messung unterhalb der Baumkronen anhand der gespeicherten Messung des einfallenden PAR. Führen Sie bei jeder Änderung der Lichtverhältnisse (z.B. wenn cloud die Sonnenscheibe verdeckt oder nachdem ca. 20-30 Minuten vergangen sind) eine erneute PAR-Messung durch, um Fehler bei der LAI-Berechnung zu vermeiden.

Klumpenbildung und räumliche Stichproben

Bei den meisten Baumkronen ist leaf area index im Raum variabel. Bei Reihenkulturen zum Beispiel kann der LAI innerhalb eines Abstands von 1 Meter von 0 bis 2-3 reichen. Selbst in Wäldern und anderen natürlichen Baumkronen führen variable Baumabstände, Verzweigungsmerkmale und die Anordnung der Blätter an den Stämmen zu Verklumpungen. Das bedeutet, dass punktuelle Messungen des LAI stark verzerrt sein können. Lang und Yueqin (1986) fanden heraus, dass die Mittelwertbildung mehrerer Messungen entlang eines horizontalen Transekts dazu beiträgt, die mit der Verklumpung verbundenen Verzerrungen auf kleinen räumlichen Skalen zu verringern.

Die LP-80 verwendet einen ähnlichen Ansatz, bei dem die Lichtmessungen über acht Gruppen von zehn Sensoren gemittelt werden, die sich entlang einer 80 cm langen Sonde befinden. Obwohl dieser Ansatz die Fehler auf lokaler Ebene reduziert, berücksichtigt er möglicherweise nicht die Variabilität von leaf area index auf der Ebene der Baumkronen. Forscher müssen die räumliche Variabilität des LAI in der Baumkrone berücksichtigen, wenn sie ein Stichprobenverfahren entwickeln. Im Allgemeinen erfordern heterogenere Baumkronen mehr LAI-Messungen im Raum, um einen LAI-Wert zu erhalten, der für die gesamte Baumkrone repräsentativ ist.

Atmosphärische Bedingungen

Das LP-80 ist in der Lage, leaf area index sowohl bei klarem Himmel als auch bei bedecktem Himmel genau zu messen. Der Grund dafür ist, dass das von LP-80 verwendete LAI-Modell Änderungen der diffusen und strahlenden Strahlung(ƒb) sowie des Zenitwinkels) berücksichtigt und dass bei der Verwendung eines PAR sensor über der Baumkrone die einfallende und die durchgelassene Strahlung gleichzeitig gemessen werden. Fehler, die mit einer falschen Angabe der Blattwinkelverteilung(χ) verbunden sind, sind am stärksten ausgeprägt, wenn die Probenahme unter klaren Himmelsbedingungen erfolgt (Garrigues et al., 2008). Das liegt daran, dass ein größerer Anteil der Strahlung aus einem einzigen Winkel kommt (die Strahlung direkt von der Sonne). Unter diesen Bedingungen ist es wichtig, die Wechselwirkung zwischen Blattwinkel und Eindringwinkel der Strahlung korrekt zu modellieren. Achten Sie also bei der Probenahme bei klarem Himmel darauf, dass Sie einen angemessenen χ-Wert verwenden.

Einfluss von nicht-photosynthetischen Elementen

In Wäldern, Buschland und anderen Gebieten, in denen holzige Arten vorkommen, werden die Messungen von LP-80 auch durch andere Elemente als Blätter beeinflusst. Baumstümpfe, Äste und Stämme fangen zum Beispiel einen Teil der Strahlung ab und wirken sich daher auf die Schätzungen des LAI aus, die mit der PAR-Inversionstechnik ermittelt werden. Einige Forscher bezeichnen die mit LP-80 und ähnlichen Instrumenten gewonnenen Messwerte als Pflanzenflächenindex (PAI) und nicht als LAI, um den Beitrag von Nicht-Blattmaterial zur Messung anzuerkennen. Es sollte nicht überraschen, dass der PAI in einem bestimmten Ökosystem höher ist als der LAI. Allerdings unterscheiden sich die Werte von PAI und LAI oft nicht allzu sehr, da die Blattfläche im Allgemeinen viel größer ist als die Zweigfläche und die meisten Zweige von Blättern beschattet werden (Kucharik et al., 1998). In laubabwerfenden Ökosystemen kann der Beitrag von holzigem Material berücksichtigt werden, indem Messungen während der Entlaubungsphase durchgeführt werden.

Verwendung des SRS-NDVI Sensors

Der Sensor SRS-NDVI misst den Reflexionsgrad der Baumkronen in roten und NIR-Wellenlängen, was die Berechnung des Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) ermöglicht. Der NDVI kann wiederum zur Schätzung des LAI verwendet werden. Wir geben hier einen kurzen Überblick über die Funktionsweise des SRS-NDVI . Der SRS-NDVI misst den Reflexionsgrad der Baumkronen in roten und NIR-Wellenlängen, und seine Messungen können zur Berechnung oder Annäherung des LAI verwendet werden. Die roten und NIR-Reflexionen werden in der folgenden Gleichung zur Berechnung verwendet NDVI

Normalized Difference Vegetation Index Equation
Gleichung 4

wobei ρ den prozentualen Reflexionsgrad im NIR und im roten Wellenlängenbereich bezeichnet. Mathematisch gesehen kann NDVI von -1 bis 1 reichen. Mit steigendem LAI nimmt die rote Reflexion aufgrund des zunehmenden Chlorophyllgehalts der Baumkronen ab, während die NIR-Reflexion aufgrund der wachsenden Mesophyllzellen und der zunehmenden strukturellen Komplexität der Baumkronen steigt. Unter typischen Feldbedingungen liegen die Werte von NDVI also zwischen 0 und 1, was einem niedrigen bzw. hohen LAI entspricht.

Leaf Area Index Wavelengths
Abbildung 6. NDVI verfolgt die jahreszeitliche Dynamik des LAI in einem Laubmischwald genau.

In Fällen wie der Phänologie und der Stay-green-Phänotypisierung, in denen keine absoluten LAI-Werte erforderlich sind, können die Werte von NDVI direkt als Ersatz für den LAI verwendet werden. Wenn das Ziel einer Studie beispielsweise darin besteht, die zeitlichen Muster des Wachstums und der Seneszenz der Baumkronen zu verfolgen (Abbildung 6), dann kann es ausreichend sein, einfach NDVI als Metrik zu verwenden. Wenn die Forschungsziele Schätzungen des tatsächlichen LAI erfordern, ist es möglich, ein baumkronenspezifisches Modell zu erstellen, mit dem NDVI in LAI umgerechnet werden kann. Diese Methode wird im nächsten Abschnitt beschrieben.

Entwicklung von feldbasierten NDVI-LAI Regressionsmodellen

Um leaf area index anhand von NDVI Werten direkt zu schätzen, entwickeln Sie eine standort- oder kulturspezifische korrelative Beziehung. Der beste Weg ist die gleichzeitige Messung von NDVI und LAI (z.B. mit einem LP-80 Ceptometer). Zum Beispiel wurden die Messungen von LAI und NDVI während einer Periode des schnellen Wachstums der Baumkronen durchgeführt. Mit Hilfe der Regression der kleinsten Quadrate wurde ein lineares Modell an die Daten angepasst (Abbildung 7). Mit diesem Modell ist es möglich, NDVI zur Vorhersage des LAI zu verwenden, ohne unabhängige Messungen vorzunehmen.

Die Entwicklung eines robusten empirischen Modells ist mit einigem Aufwand verbunden, aber sobald das Modell fertiggestellt ist, kann man die Veränderungen des LAI mit einem SRS-NDVI Sensor, der über einer Parzelle oder einem Kronendach angebracht wird, kontinuierlich überwachen. Diese Methode spart auf lange Sicht viel Mühe und Zeit.

Relationship between NDVI and LAI
Abbildung 7. Die Beziehung zwischen NDVI und LAI. Hinweis: Das angepasste lineare Regressionsmodell (durchgezogene Linie) kann zur Vorhersage des LAI aus NDVI Messungen verwendet werden.
SRS-NDVI Überlegungen zur Probenahme

Der SRS-NDVI ist für die Verwendung als Dual-View-Sensor konzipiert. Das bedeutet, dass ein Sensor, der ein halbkugelförmiges Sichtfeld hat, in Richtung Himmel montiert werden sollte. Der andere Sensor, der ein 36°-Sichtfeld (18° Halbwinkel) hat, sollte nach unten auf das Vordach gerichtet sein. Die von jedem Sensor gesammelten Messungen mit Blickrichtung nach unten und nach oben werden zur Berechnung der prozentualen Reflexion im roten und im NIR-Band verwendet. Die prozentualen Reflexionsgrade werden als Eingabe für die Gleichung NDVI (Gleichung 4) verwendet.

Der nach oben gerichtete Sensor muss oberhalb jeglicher Hindernisse platziert werden, die die Sicht des Sensors auf den Himmel blockieren würden. Der nach unten gerichtete Sensor sollte auf den zu messenden Bereich der Baumkrone gerichtet sein. Die Größe des Bereichs, den der nach unten gerichtete Sensor misst, hängt von der Höhe des Sensors über der Baumkrone ab. Der Spotdurchmesser des nach unten gerichteten Sensors wird wie folgt berechnet

Spot Diameter Equation
Gleichung 5

wobei γ der halbe Winkel des Sichtfeldes ist (18° für das SRS-NDVI) und h die Höhe des Sensors über dem Kronendach ist. Dies gilt für die Messung des Spotdurchmessers, wenn der nach unten gerichtete Sensor gerade nach unten gerichtet ist (d.h. Nadir-Sichtwinkel). In Fällen, in denen der nach unten gerichtete Sensor nicht auf den Nadir ausgerichtet ist, ist der Fleck schräg und größer als der nach Gleichung 5 berechnete.

Um die räumliche Variabilität des LAI zu quantifizieren, können mehrere nach unten gerichtete Sensoren angebracht werden, um verschiedene Teile des Kronendachs zu überwachen. So wurden zum Beispiel in einem Laubwald mehrere Sensoren oberhalb der Baumkronen angebracht, um die Unterschiede in der Frühjahrsphänologie mehrerer Bäume zu überwachen. Die Messungen von NDVI ergaben Unterschiede im Zeitpunkt und Ausmaß des Blattwachstums der gemessenen Bäume (Abbildung 8). Ein ähnlicher Ansatz könnte verwendet werden, um die Reaktion von Pflanzen in einzelnen Parzellen zu überwachen, die experimentellen Manipulationen ausgesetzt sind, oder um Wachstumsmuster in verschiedenen landwirtschaftlichen Einheiten zu überwachen.

Spatial Variability of NDVI during Spring Green Up
Abbildung 8. Räumliche Variabilität von NDVI während der Frühjahrsbegrünung. Anmerkung: Die Variabilität wird durch die unterschiedlichen Zeitpunkte der Blattentwicklung bei den einzelnen Bäumen und Baumarten bestimmt.
Einfluss des Bodenhintergrunds NDVI Messungen

Erhebliche Fehler bei den Messungen von NDVI können auftreten, wenn sich der Boden im Sichtfeld des SRS-NDVI Sensors befindet oder wenn sich die Menge des Bodens im Sichtfeld aufgrund des Wachstums der Baumkronen ändert (z.B. von der frühen zur späten Wachstumsphase). Qi et al. (1994) zeigten, dass NDVI sowohl auf die Bodenbeschaffenheit als auch auf die Bodenfeuchtigkeit empfindlich reagiert. Diese Empfindlichkeit des Bodens kann es schwierig machen, Gegenüberstellung NDVI Werte zu ermitteln, die an verschiedenen Orten oder zu verschiedenen Zeiten des Jahres gesammelt wurden. Es kann auch schwierig sein, ein zuverlässiges NDVI-LAI Regressionsmodell zu erstellen. Der modifizierte bodenangepasste Vegetationsindex (Modified Soil Adjusted Vegetation Index, MSAVI) wurde von Qi et al. (1994) als ein Vegetationsindex entwickelt, der wenig bis gar nicht bodenempfindlich ist. Der MSAVI wird wie folgt berechnet

 

Zu den Vorteilen von MSAVI gehören: (1) es ist keine Anpassung der Bodenparameter erforderlich, und (2) es verwendet genau die gleichen Eingaben wie NDVI (rote und NIR-Reflexionen), d.h. es kann aus den Ausgaben jedes NDVI Sensors berechnet werden.

NDVI and LAI Graph Relationship
Abbildung 9. NDVI hat einen begrenzten Sinn für leaf area index (LAI) Werte größer als 3 bis 4
Umgang mit der NDVI Sättigung in Hoch-LAI-Baldachinen

Zusätzlich zur Bodenempfindlichkeit leidet NDVI auch unter einer mangelnden Empfindlichkeit gegenüber Veränderungen des LAI, wenn der LAI größer als ca. 3 bis 4 ist, abhängig vom Kronendach (Abbildung 9). Die geringere Empfindlichkeit von NDVI bei hohem LAI ist darauf zurückzuführen, dass Chlorophyll die rote Strahlung sehr effizient absorbiert. Ab einem gewissen Punkt wird also die Zugabe von mehr Chlorophyll zum Laubdach (z.B. durch die Zugabe von Blattmaterial) die rote Reflexion nicht mehr nennenswert verändern (siehe Abbildung 3).

Es wurden mehrere Lösungen für die NDVI Sättigung entwickelt. Eine der einfachsten Lösungen verwendet einen Gewichtungsfaktor, der auf die Reflexion im nahen Infrarot sowohl im Zähler als auch im Nenner von Gleichung 4 angewendet wird. Der resultierende Index wird Wide Dynamic Range Vegetation Index (WDRVI; Gitelson, 2004) genannt. Der Gewichtungsfaktor kann eine beliebige Zahl zwischen 0 und 1 sein. Je näher der Gewichtungsfaktor an 0 herankommt, desto mehr steigt die Linearität der WDRVI-LAI-Korrelation um den Preis einer geringeren Empfindlichkeit gegenüber LAI-Änderungen in lichten Baumkronen.

Der Enhanced Vegetation Index (EVI) ist ein weiterer Vegetationsindex, der im Vergleich zu NDVI empfindlicher auf einen hohen LAI reagiert. Ursprünglich wurde der EVI für die Messung von Satelliten aus entwickelt und enthielt ein blaues Band als Input, um die Probleme beim Blick durch die Atmosphäre auf die Erdoberfläche aus der Umlaufbahn zu mildern. Vor kurzem wurde eine neue Formulierung von EVI entwickelt, die kein blaues Band benötigt. Diese modifizierte Version des EVI wird als EVI2 bezeichnet (Jiang et al., 2008). Ähnlich wie der MSAVI-Index verwendet EVI2 genau die gleichen Eingaben wie NDVI (rote und NIR-Reflexionen) und wird wie folgt berechnet

Enhanced Vegetation Index
Gleichung 7

Ein weiterer Vorteil von EVI2 ist, dass er im Vergleich zu NDVI weniger bodenempfindlich ist. Somit ist EVI2 ein guter Allround-Vegetationsindex für die Schätzung des LAI, da er wenig bodenempfindlich ist und eine lineare Beziehung zum LAI hat.

mehr erfahren über NDVI

Im folgenden Webinar erläutert Dr. Steve Garrity NDVI und PRI Theorie, Methoden, Einschränkungen, Anwendungen und mehr. Außerdem erklärt er spektrale Reflexionssensoren und ihre Messmöglichkeiten.

Tabelle zum schnellen Vergleich der LAI-Methode
*Labor intensive
**Single with LP-80Continuous with subcanopy PAR sensors
*Requires access to top of canopy or large open area**Requires access to top of canopy

Methode Relative Kosten Zeitliche Probenahme Eignung für hohe Vordächer Eignung für kurze Vordächer Räumliche Skalierung Einfaches Sammeln von Proben Vertikale Profilierungsmuster
Zerstörerische Ernte H* Einzeln L H L VL Ja
Fallen für Abfälle M* Einzeln H L L - M M Nein
Hemisphärische Fotografie M Einzeln H L M M Nein
PAR-Inversion (LP-80) M Beide* H* H M H Ja
Vegetationsindex L - VH Kontinuierlich M** VH M -H VH Nein

Tabelle 1. SCHLÜSSEL: VL = sehr niedrig, L = niedrig, M = mäßig, H = hoch, VH = sehr hoch

Spezifikationen des Instruments

NDVI/PRI-Sensor

Genauigkeit: 10% oder besser für die Werte der spektralen Bestrahlungsstärke und der Strahldichte

Abmessungen: 43 x 40 x 27 mm

Kalibrierung: NIST-rückführbare Kalibrierung auf bekannte spektrale Bestrahlungsstärke und Strahldichte

Measurement type: < 300 ms

Steckertyp: 3,5 mm (Stereo) Stecker oder abisolierte und verzinnte Drähte

Kommunikation: SDI-12 digitaler Sensor

Datenlogger-Kompatibilität: (nicht exklusiv) METER Em50/60 Serie, Campbell Scientific

NDVI Banden: Zentriert bei 630 nm und 800 nm mit 50 nm bzw. 40 nm Full Width Half Maximum (FWHM)

 

LP-80 CEPTOMETER

Betriebsumgebung: 0 bis 50°C, 0 bis 100% relative Luftfeuchtigkeit

Länge der Sonde: 86,5 cm

Anzahl der Sensoren: 80

Gesamtlänge: 102 cm (40.25 in)

Abmessungen des Mikrocontrollers: 15,8 x 9,5 x 3,3 cm (6,2 x 3,75 x 1,3 Zoll)

PAR-Bereich: 0 bis >2.500 µmol m-2 s-1

Auflösung: 1 µmol m-2 s-1

Minimale räumliche Auflösung: 1cm

Datenspeicherkapazität: 1MB RAM, 9000 Messwerte

Unbeaufsichtigtes Protokollierungsintervall: Vom Benutzer wählbar, zwischen 1 und 60 Minuten

Gewicht des Geräts: 1.22 kg (2.7 lbs)

Datenabruf: Direkt über RS-232-Kabel

Stromversorgung: 4 AA-Alkalibatterien

Externer PAR sensor Anschluss: Verriegelbarer 3-poliger Rundstecker (2 m Kabel)

Option Verlängerungskabel: 7,6 m (25 ft)

Referenzen

Weitere Ressourcen, die die Fragen beantworten: Was ist leaf area index und wie misst man leaf area index.

Campbell, Gaylon S., und John M. Norman. "Die Lichtumgebung von Pflanzendächern". In An Introduction to Environmental Biophysics, S. 247-278. Springer New York, 1998.

Garrigues, Sébastien, N. V. Shabanov, K. Swanson, J. T. Morisette, F. Baret, und R. B. Myneni. "Intercomparison and sensitivity analysis of Leaf Area Index retrievals from LAI-2000, AccuPAR, and digital hemispherical photography over croplands." Land- und Forstmeteorologie 148, Nr. 8 (2008): 1193-1209.

Gitelson, Anatoly A. "Wide dynamic range vegetation index for remote quantification of biophysical characteristics of vegetation". Zeitschrift für Pflanzenphysiologie 161, Nr. 2 (2004): 165-173.

Hyer, Edward J., und Scott J. Goetz. "Vergleich und Sensitivitätsanalyse von Instrumenten und radiometrischen Methoden zur LAI-Schätzung: Auswertungen von einem borealen Waldstandort." Land- und Forstwirtschaftliche Meteorologie 122, no. 3 (2004): 157-174.

Jiang, Zhangyan, Alfredo R. Huete, Kamel Didan, und Tomoaki Miura. "Entwicklung eines verbesserten Zwei-Band-Vegetationsindex ohne blaues Band". Fernerkundung der Umwelt 112, Nr. 10 (2008): 3833-3845.

Kucharik, Christopher J., John M. Norman, und Stith T. Gower. "Messungen der Zweigfläche und Anpassung leaf area index indirekter Messungen." Land- und Forstwirtschaftliche Meteorologie 91, Nr. 1 (1998): 69-88.

Lang, A. R. G., und Xiang Yueqin. "Estimation of leaf area index from transmission of direct sunlight in discontinuous canopies." Land- und Forstwirtschaftliche Meteorologie 37, no. 3 (1986): 229-243.

Norman, J. M., und P. G. Jarvis. "Photosynthesis in Sitka spruce (Picea sitchensis (Bong.) Carr.). III. Messungen der Struktur des Kronendachs und der Interzeption der Strahlung." Journal of Applied Ecology (1974): 375-398.

Rouse Jr, J_W, R. H. Haas, J. A. Schell, und D. W. Deering. "Überwachung von Vegetationssystemen in den Great Plains mit ERTS". (1974).

Qi, Jiaguo, Abdelghani Chehbouni, A. R. Huete, Y. H. Kerr, und Soroosh Sorooshian. "Ein modifizierter bodenangepasster Vegetationsindex". Fernerkundung der Umwelt 48, Nr. 2 (1994): 119-126.

 

Die LP-80: schmerzfrei leaf area index

DR. GAYLON S. CAMPBELL

Leaf area index (LAI) ist nur eine einzige Zahl - eine statistische Momentaufnahme einer Baumkrone, die zu einem bestimmten Zeitpunkt aufgenommen wurde. Aber diese eine Zahl kann zu bedeutenden Erkenntnissen führen, denn sie kann verwendet werden, um wichtige Prozesse in der Baumkrone zu modellieren und zu verstehen, einschließlich Strahlungsabfang, Energieumwandlung, Impuls, Gasaustausch, Niederschlagsabfang und Evapotranspiration.

Ältere LAI-Methoden sind mühsam

Leaf area index ist definiert als die einseitige grüne Blattfläche einer Baumkrone oder Pflanzengemeinschaft pro Flächeneinheit. Sie kann ermittelt werden, indem die Fläche jedes Blattes in einer Baumkrone, die eine Flächeneinheit des Bodens bedeckt, geerntet und gemessen wird. Im Jahr 1981 entwickelte Anderson eine weniger destruktive Methode zur Ermittlung des LAI. Anhand von halbkugelförmigen, nach oben gerichteten Fotografien schätzte sie den Anteil des Lichts, der in das Kronendach eindrang, und wandte ein mathematisches Vorhersagemodell an, um eine Annäherung an leaf area index zu erreichen.

Die Auswertung von "Fischaugen"-Bildern war eine mühsame Arbeit. Ein Assistent legte normalerweise ein Gitter über jedes Bild und zählte, welcher Anteil der Quadrate hell war. Ein Labortechniker erinnert sich: "Nachdem ich mir zu viele Stunden lang diese Bilder angesehen hatte, träumte ich vom Schachspiel." Die Auswertung der "Steine" ermöglichte es den Forschern, die Wahrscheinlichkeit zu ermitteln, mit der ein zufälliger Lichtstrahl diesen bestimmten Abschnitt des Baldachins durchdringen würde.

LAI-Umwandlung

Die Ermittlung eines Wertes für leaf area index ist oft nur ein Punkt auf dem Weg. Wenn Sie den LAI zur Modellierung von Umweltinteraktionen des Kronendachs verwenden möchten, ist die Messung der photosynthetisch aktiven Strahlung (PAR) möglicherweise der direktere Weg. Das liegt daran, dass viele dieser Modelle den LAI in erster Linie zur Vorhersage der PAR verwenden. Es ist möglich, den umgekehrten Weg zu gehen und PAR zur Schätzung des LAI zu verwenden. Aber warum sollten Sie das tun, wenn PAR die Zahl ist, die Sie wirklich wollen? Vielleicht möchten Sie prüfen, ob LAI der nützlichste Parameter für Ihre spezielle Anwendung ist. Manchmal ist es einfacher und in der Regel auch genauer, einfach den abgefangenen PAR zu messen und diese Daten direkt in einem geeigneten Modell zu verwenden.

Das mathematische Modell, das diesen Anteil des Lichts in eine Schätzung von leaf area index umwandelt, ist relativ einfach. Um zu verstehen, wie es funktioniert, stellen Sie sich vor, Sie halten ein Blatt mit einer Fläche von zehn Quadratzentimetern horizontal über ein großes weißes Quadrat. Es würde einen Schatten von zehn Quadratzentimetern werfen. Legen Sie dann zufällig ein Blatt gleicher Größe auf das Quadrat. Aller Wahrscheinlichkeit nach würde der Schatten nun zwanzig Quadratzentimeter groß sein, auch wenn eine kleine Chance besteht, dass sich die Blätter überlappen. Wenn ein drittes Blatt hinzukommt, erhöht sich die Wahrscheinlichkeit einer Überlappung. Wenn mehr und mehr Blätter zufällig platziert werden, wird das weiße Quadrat schließlich vollständig beschattet sein. Und obwohl die Blattfläche mit dem Hinzufügen von Blättern zunimmt, bleibt die schattierte Fläche konstant, da das gesamte Licht abgefangen wurde.

Die LP-80 löst die Gleichung für Sie auf

Die Gleichung, die dieses Phänomen beschreibt (siehe Lösen der Gleichung unten für ihre mathematische Herleitung), lautet

Leaf Area Index Equation 1
Gleichung 1

τ ist die Wahrscheinlichkeit, dass ein Strahl das Blätterdach durchdringt, L ist die leaf area index des Blätterdachs und K ist der Extinktionskoeffizient des Blätterdachs. Wenn Sie an einem hellen Sonnentag die photosynthetisch aktive Strahlung sowohl oberhalb als auch unterhalb eines Blätterdaches messen, ist das Verhältnis der beiden (PAR unten zu PAR oben) ungefähr gleich τ. Wenn Sie K kennen, können Sie leaf area index (L) durch Umkehrung der Gleichung ermitteln:

Leaf Area Index Equation 2
Gleichung 2

Die LP-80 löst grundsätzlich diese Gleichung, um leaf area index zu finden. Aber es gibt ein paar komplizierende Faktoren. Bei der Konstruktion des Modells sind wir davon ausgegangen, dass die Blätter in unserem künstlichen Blätterdach horizontal und schwarz sind und dass die gesamte Strahlung direkt von der Sonne kommt. In der Realität ändert sich der Winkel der Sonne im Laufe des Tages, und echte Baumkronen haben eine recht komplexe Architektur. Außerdem wird ein Teil der Strahlung sowohl von den Blättern in der Überdachung als auch vom Himmel gestreut. Ein vollständiges Modell zur Ermittlung der leaf area index aus einer Messung der photosynthetisch aktiven Strahlung beinhaltet Korrekturen für all diese Faktoren.

Leaf Area Index Equation 3
Gleichung 3

Diese Gleichung, die auch von LP-80 verwendet wird, berücksichtigt den Anteil des Lichts, der von den Blättern absorbiert (und nicht gestreut) wird (Term A) und den Anteil des Lichts, das als Strahl in die Baumkronen eintritt (im Gegensatz zu diffusem Licht vom Himmel oder von Wolken) (Term fb). K, der Extinktionskoeffizient des Kronendachs, enthält Variablen für den Zenitwinkel der Sonne und für die Blattverteilung. Wenn Sie Ihren Standort angeben und die interne Uhr auf die Ortszeit einstellen, berechnet LP-80 den Zenitwinkel der Sonne zum Zeitpunkt jeder Messung. Die Verteilung der Blattwinkel wird als kugelförmig angenommen, sofern Sie nichts anderes angeben.

Lösen Sie die Gleichung

Wenn wir ein Blätterdach aus zufällig verteilten horizontalen schwarzen Blättern in so viele Schichten unterteilen, dass jede Schicht einen verschwindend kleinen Teil der Blattfläche(dL) enthält, ist die Änderung der Strahlung von oben nach unten in dieser Schicht

Leaf Area Index Equation 4
Gleichung 4

Mit anderen Worten, die Veränderung der durchschnittlichen Menge an Sonnenlicht, die durch diesen Teil des Blätterdaches fällt(dSb), ist gleich dem Negativwert (weil die Lichtmenge mit zunehmender Blattfläche abnimmt) der durchschnittlichen Strahlungsleistung pro Flächeneinheit(Sb) mal der Veränderung von leaf area index (dL). Dies ist eine variable trennbare Differentialgleichung. Dividiert man beide Seiten durch Sb und integriert von der Spitze des Blätterdaches nach unten, erhält man

Leaf Area Index Equation 5
Gleichung 5

Die Durchführung der Integration ergibt

Leaf Area Index Equation 6
Gleichung 6

Wenn man den Exponentialwert beider Seiten nimmt, erhält man

Leaf Area Index Equation 7
Gleichung 7

Sbo ist die Strahlung auf einer horizontalen Fläche oberhalb des Kronendachs; τ ist die Wahrscheinlichkeit, dass ein Strahl das Kronendach durchdringt, was dem Verhältnis der Strahlung am unteren Ende des Kronendachs zur Strahlung am oberen Ende entspricht (da wir davon ausgehen, dass keine Streuung der Strahlung im Kronendach stattfindet). Für Überdachungen mit nicht-horizontalen Blättern ist das Ergebnis dasselbe, außer dass L durch KL ersetzt wird, wobei K der Extinktionskoeffizient der Überdachung ist.

Referenz

Anderson, Margaret C. "Die Geometrie der Blattverteilung in einigen südostaustralischen Wäldern". Landwirtschaftliche Meteorologie 25 (1981): 195-206. Artikel-Link.

 

Die LP-80: Wie genau ist sie?

Das LP-80 macht schnelle, direkte Messungen der photosynthetisch aktiven Strahlung(PAR) in Baumkronen. Es liefert sofortige PAR-Messungen, wenn Sie es einschalten, und es liefert auch eine Messung von Leaf Area Index-LAI. Aber woher kommt diese LAI-Messung und wie genau ist sie?

Baldachine sind variabel. Die LP-80 berücksichtigt sie mit χ.

Leaf area index ist die einseitige, grüne Blattfläche einer Baumkrone oder Pflanzengemeinschaft pro Einheit Bodenfläche. Um den LAI direkt zu messen, müssten Sie die Fläche jedes Blattes in der Baumkrone über einer Einheit Bodenfläche messen. Da diese Methode sowohl destruktiv als auch unglaublich zeitaufwendig ist, wird sie nur selten verwendet. Alle anderen Messungen des Blattflächenindex, von halbkugelförmigen Fotos bis zu optischen Sensoren, versuchen, sich diesem Wert anzunähern. Der LP-80 ermittelt den LAI, indem er die photosynthetisch aktive Strahlung misst und diesen PAR-Wert in leaf area index umrechnet. Die LP-80 verwendet mehrere Variablen zur Berechnung von leaf area index. Eine dieser Variablen, χ, beschreibt die Ausrichtung der Blätter im Kronendach.

Was ist χ?

χ ist der "Parameter für die Verteilung des Kronendachwinkels". Er beschreibt die Architektur einer Baumkrone - wie ihre Blätter im Raum ausgerichtet sind. Von Blättern, die zufällig im Raum verteilt sind, sagt man, dass sie eine kugelförmige Verteilung haben. Das bedeutet, dass man mit den Blättern die Oberfläche einer Kugel bedecken könnte, wenn man jedes einzelne Blatt in der Baumkrone vorsichtig bewegen würde, ohne seine Ausrichtung zu ändern. Eine Baumkrone mit kugelförmig verteilten Blättern hat einen χ-Wert von 1.

Many canopy architectures tend to be more horizontal (χ > 1) or vertical (χ < 1). Some canopy types have published χ values (see the LP-80 manual for a short list). But because this value can vary from species to species, it’s important to be able to approximate the value.

LAI oder PAR: Wer ist zuerst dran?

Die Ermittlung eines Wertes für Leaf Area Index ist oft nur ein Punkt auf dem Weg. Wenn Sie den LAI zur Modellierung von Umweltinteraktionen des Kronendachs verwenden möchten, ist die Messung der photosynthetisch aktiven Strahlung (PAR) möglicherweise der direktere Weg. Das liegt daran, dass viele dieser mathematischen Modelle den LAI verwenden, um PAR in ihren internen Gleichungen vorherzusagen. Manchmal verwenden Forscher PAR, um den LAI vorherzusagen, und setzen dann unwissentlich die LAI-Zahl in ein Modell ein, das in die andere Richtung geht. Es ist wichtig zu beurteilen, ob LAI der nützlichste Parameter für eine bestimmte Anwendung ist. Manchmal ist es einfacher und in der Regel genauer, einfach den abgefangenen PAR zu messen und diese Daten direkt in einem geeigneten Modell zu verwenden.

Ein guter χ-Wert verbessert die Genauigkeit der LAI-Approximation

Es ist verlockend, eine exakte Zahl für χ zu wollen, zumindest auf ein paar Dezimalstellen genau. Aber wegen der unglaublichen Unterschiede in den Baumkronen ist diese Art von Genauigkeit unmöglich zu erreichen. Leaf area index Zahlen sind zwar wertvoll, aber immer nur Näherungswerte. Ein guter χ-Wert verbessert die Genauigkeit dieser leaf area index (LAI)-Näherung. Aber selbst mit einem weniger genauen χ-Wert sind die Näherungswerte von leaf area index je nach den anderen Bedingungen wahrscheinlich ziemlich genau (siehe Abbildung 1).

Um einen ungefähren χ-Wert für eine Baumkrone zu ermitteln, suchen Sie einen repräsentativen Baumklumpen von gleicher Tiefe und Breite. Bestimmen Sie dann den vertikalen Lückenanteil (τ0) - den prozentualen Anteil von Licht zu Schatten, den Sie vertikal durch den Baumstamm sehen - und den horizontalen Lückenanteil (τ90) - den prozentualen Anteil von Licht, den Sie horizontal durch den Baumstamm sehen. In einem Blätterdach mit perfekt vertikalen Blättern sehen Sie zum Beispiel horizontal etwa 10% Licht zu 90% Schatten - (τ90) = 0,1 - und vertikal 100% Licht - (τ0) = 1. χ wird anhand der folgenden einfachen Gleichung ermittelt

X-value for LAI Approximation Equation
Gleichung 1

Mit dieser Gleichung ist χ = 0 für ein perfekt vertikales Blätterdach. Wenn die Blätter kugelförmig verteilt wären und etwa 10% des Lichts sowohl vertikal als auch horizontal sichtbar wären, wäre (τ90) = (τ0) = 0,1. Verwenden Sie dann diese Gleichung, χ =1. (Dies ist übrigens die Standardeinstellung von LP-80für χ.)

Minimieren Sie die Unsicherheit des endgültigen LAI-Wertes

In der Praxis kann es schwierig sein, die Lichtmenge abzuschätzen, die durch einen "repräsentativen Klumpen" der Baumkrone fällt. Vielleicht finden Sie es einfacher, wenn Sie einen Hintergrund anfertigen, der Ihnen bei der Analyse der Baumkronen hilft (wir haben ein ein Meter mal ein Meter großes Quadrat aus farbigem Plakatkarton verwendet). Suchen Sie sich eine Baumgruppe, die einigermaßen typisch für die Baumkronen ist, die Sie untersuchen. Der Baumstamm sollte alle typischen Elemente der Baumkrone enthalten. Wenn Sie beispielsweise Reihenkulturen untersuchen, sollte der Klumpen von der Mitte einer Reihe bis zur Mitte der nächsten reichen, um die charakteristische Lücke in der Baumkrone zwischen den Reihen zu erfassen. Stellen Sie sich vor, Sie zerlegen den Klumpen in einen Würfel. Um τ zu schätzen, verwenden Sie den Hintergrund, um die Rückseite des Würfels zu bilden, und positionieren Sie sich an der Vorderseite, um den prozentualen Anteil des Lichts zu schätzen, der horizontal durch diesen kubischen Abschnitt der Baumkrone durchgelassen wird. Um τ0 zu schätzen, verwenden Sie den Hintergrund, um entweder die Ober- oder Unterseite des Würfels zu bilden, und stellen Sie sich an das gegenüberliegende Ende, um den Prozentsatz des vertikal durchgelassenen Lichts zu schätzen. Ermitteln Sie dann χ aus Gleichung 1 (siehe oben).

Überprüfen Sie die Angemessenheit Ihrer Schätzung, indem Sie daran denken, dass die χ-Werte für mehr horizontale Baldachine größer als eins sind, während die Werte für mehr vertikale Baldachine kleiner als eins sind. Sie können den χ-Wert für den Baldachin festlegen, indem Sie "χ einstellen" im Menü Setup des Programms LP-80. Mit dieser Methode sollten Sie in der Lage sein, einen χ-Wert zu schätzen, der die Unsicherheit des endgültigen leaf area index Wertes minimiert.

Percent Error in LP-80 Calculation
Abbildung 1. Prozentualer Fehler bei der LP-80 Berechnung von L, wenn LP-80 auf ?=1 gesetzt wird und der tatsächliche Verteilungsparameter des Kronendachs der in der Abbildung gezeigte Wert ist

Diese Abbildung zeigt den prozentualen Fehler bei der LP-80 Berechnung von L, wenn LP-80 auf ? = 1 gesetzt wird und der tatsächliche Verteilungsparameter des Kronendachs der in der Abbildung gezeigte Wert ist. Sie geht von voller Sonne aus (fb= 0.8). Beachten Sie, dass der Fehler vom Zenitwinkel der Sonne abhängt. Die meisten Messungen werden bei Zenitwinkeln von über 30 Grad durchgeführt, so dass der Fehler bei voller Sonne und ohne Informationen über die Verteilungsparameter der Baumkronen im schlimmsten Fall 20% beträgt. Dieser Fehler nimmt mit abnehmenden Werten von fb ab und wird Null, wenn fb Null ist. Wenn der Verteilungsparameter der Baumkronen mit einer Genauigkeit von 10% oder besser geschätzt werden kann, beträgt der Fehler beim LAI selbst bei einem Zenitwinkel von Null 5% oder besser. Es ist daher unwahrscheinlich, dass die Unsicherheit des Verteilungsparameters wesentlich zur Unsicherheit des LAI beiträgt.

 

APPENDIX
Vereinfachte Modelle für die Kohlenstoffassimilation durch Pflanzen

Dr. Gaylon S. Campbell

Die detaillierten Prozesse der Photosynthese sind kompliziert und schwer zu modellieren. In vielen Fällen ist es jedoch möglich, das Modell zu vereinfachen, indem man sich auf eine oder mehrere der Einschränkungen bei der Assimilation konzentriert.

Kohlenstoffassimilation vereinfacht: Licht und Wasser

Vereinfacht ausgedrückt handelt es sich bei der Kohlenstoffassimilation um die chemische Umwandlung von Kohlendioxid und Wasser in Kohlenhydrate und Sauerstoff in den Blättern der Pflanzen. Für diesen Prozess wird Energie benötigt, und diese Energie wird durch das Licht geliefert, das normalerweise von der Sonne kommt. DasCO2 kommt aus der Atmosphäre und muss in die Mesophyllzellen des Blattes diffundieren, um gebunden zu werden. Da das Innere des Blattes viel feuchter ist als die Atmosphäre, diffundiert Wasser heraus, währendCO2 hineindiffundiert. Die Menge an Wasser, die für den eigentlichen Photosyntheseprozess verbraucht wird, ist verschwindend gering, aber der Wasserverlust im Zusammenhang mit derCO2-Aufnahme ist erheblich.

Begrenzt durch Licht, begrenzt durch Wasser: zwei unterschiedliche Ansätze

Auf der Grundlage dieser einfachen Beschreibung könnten wir Situationen postulieren, in denen Licht der begrenzende Faktor für die Assimilation ist, und andere, in denen Wasser der begrenzende Faktor ist. Unsere Modelle könnten in Worten lauten: Die Assimilation ist proportional zur Fähigkeit der Pflanze, Licht aufzunehmen, oder die Assimilation ist proportional zur Fähigkeit der Pflanze, Wasser aufzunehmen. Beide Ansätze können bei der Modellierung der Biomasseproduktion nützlich sein.

Lichtbasiertes Modell

Das lichtbasierte Modell in Gleichungsform lautet

Light Based Model Equation
Gleichung 1

wobei A die Netto-Trockensubstanz-Assimilation, S die gesamte einfallende Strahlung während des Wachstums der Pflanze, f der durchschnittliche Anteil der von der Pflanze abgefangenen Strahlung und e die Umwandlungseffizienz ist. Wenn A und S beide in mol m-2s-1 ausgedrückt werden, dann ist e ein dimensionsloser Wirkungsgrad. In Situationen, in denen das Licht begrenzt ist, ist der Wert von e für eine bestimmte Art recht konservativ und liegt im Bereich von 0,01 bis 0,03 molCO2 (mol Photonen)-1 Campbell und Norman (1998, S. 237) geben zusätzliche Informationen und Verweise, um eine vollständigere Analyse durchzuführen.

Messen Sie f mit dem ACCUPAR LP-80

Es ist klar, dass f, der Anteil des einfallenden Lichts, der vom Pflanzendach aufgefangen wird, ein entscheidender Faktor für die Assimilation ist. Dieser Faktor wird direkt gemessen mit dem ACCUPAR LP-80. In lichtarmen Umgebungen kann man die Trockenmasseproduktion vorhersagen, wenn man die Menge des einfallenden PAR und die Lichtumwandlungseffizienz, e, kennt und dann f über die Zeit mit dem LP-80 misst.

Wasserbasiertes Modell

In Situationen, in denen das Wasser begrenzt ist, gilt eine andere Gleichung. Sie lautet

Water Based Model Equation
Gleichung 2

wobei T die Transpiration, D das atmosphärische Dampfdefizit und k eine Konstante für eine bestimmte Art und den atmosphärischenCO2-Gehalt ist. Tanner und Sinclair (1983) sowie Campbell und Norman (1998) leiten diese Gleichung ab, aber ihre Gültigkeit wurde in Experimenten, die mehr als ein Jahrhundert zurückreichen, wiederholt bestätigt. Unter anderem sagt sie voraus, dass feuchte Regionen mehr Trockenmasse pro eingesetzter Wassereinheit produzieren als trockene Gebiete. So würde z.B. ein Bewässerungsprojekt in Wisconsin viel mehr Trockensubstanz pro eingesetzter Wassereinheit produzieren als eines in Arizona. Auch wenn es von Art zu Art Unterschiede in der Menge der pro Wassereinheit produzierten Trockenmasse geben mag, ist für die Produktion von Trockenmasse immer eine erhebliche Menge Wasser erforderlich. Der Traum, Wüsten zum Blühen zu bringen, indem man Pflanzen gentechnisch verändert, die Kohlenstoff binden, ohne Wasser zu verbrauchen, ist nur ein Traum.

Abfangen im wasserbasierten Modell

Das auf Verdunstung basierende Modell der Trockenmasse hängt auch von der Lichtinterzeption ab. Der Wasserverlust einer Pflanze umfasst das von den Pflanzen transpirierte Wasser und das aus dem Boden verdunstete Wasser. Nur das durch Transpiration verlorene Wasser ist für die Kohlenstoffaufnahme relevant. Es ist normalerweise nicht praktisch, T in Gleichung 2 zu messen, aber wir können ein einfaches Computermodell erstellen, das es jeden Tag berechnet, wenn wir den Regen oder die Bewässerung und einige Boden- und Umweltvariablen kennen. Für das Modell müssen wir eine Größe definieren, die als potenzielle Evapotranspiration bezeichnet wird. Dies ist die Rate des Wasserverlustes, wenn die Wasserversorgung weder die Verdunstung noch die Transpiration begrenzt. Die potenzielle Transpiration wird berechnet aus

Potential Transpiration Equation
Gleichung 3

Da die Verdunstung von der Bodenoberfläche ebenfalls Wasser verbraucht, müssen wir auch diese berechnen. Die potenzielle Verdunstung wird berechnet aus

Potential Evaporation Equation
Gleichung 4

wobei Etp die potentielle Evapotranspiration ist. Wie zuvor ist f der Anteil der Strahlung, der vom Blätterdach abgefangen wird, und kann mit dem LP-80. Campbell und Diaz (1988) geben ein einfaches Computermodell zur Berechnung von Etp sowie Algorithmen zur Berechnung der tatsächlichen Verdunstung und Transpiration aus den durch die Gleichungen 3 und 4 gegebenen potenziellen Größen an.

Es ist einfach zu wissen, welches Modell Sie verwenden sollten

Der effizienteste Weg, um festzustellen, ob Licht oder Wasser der begrenzende Faktor ist, besteht darin, einfach beide mathematischen Modelle täglich laufen zu lassen und zu sehen, welches den niedrigsten Wert vorhersagt. Dieser Wert ist die beste Vorhersage der Trockenmasseproduktion für den jeweiligen Tag, an dem das Modell ausgeführt wird.

BASIC Computermodellierung

Die licht- und wasserbegrenzten mathematischen Modelle sind schwer von Hand zu bearbeiten, aber leicht auf einem Computer zu programmieren. Sie laufen auf der Grundlage leicht zu beschaffender Klimadaten und können recht genaue Vorhersagen über die Trockenmasseproduktion von Pflanzen machen, insbesondere bei einjährigen Kulturen. Sie haben sich als besonders nützlich erwiesen, um das Produktionspotenzial für bestimmte Umgebungen und Anbaumethoden zu bewerten (Campbell und Diaz, 1988; Kunkel und Campbell, 1987).

Berechnung von Bruchteilen des Abfangens

Die in beiden Modellen verwendete fraktionierte Interzeption, f, ist der über ganze Tage gemittelte Wert. Die Messung durch den LP-80 wird typischerweise zu einer bestimmten Tageszeit vorgenommen und ist nicht der Durchschnitt über den Tag. Das HandbuchLP-80 enthält Gleichungen und ein Beispiel (S. 57) für die Umrechnung von der Einzelbeobachtung zum Tagesdurchschnitt. LP-80 misst die Strahlungstransmission, indem es das Verhältnis von PAR, das unterhalb des Blätterdachs gemessen wird, zu PAR, das oberhalb gemessen wird, ermittelt. Dies ist die Transmission bei einem bestimmten Zenitwinkel der Sonne, ?(θ). Die über ganze Tage gemittelte Transmission ist dieselbe wie die Transmission für diffuse Strahlung und ist gegeben durch

Transmission Average Equation
Gleichung 5

wobei q von leaf area index, der Blattwinkelverteilung und dem Zenitwinkel der Sonne abhängt, wie im Handbuch beschrieben. Die fraktionierte Interzeption für diese Modelle ist:

The fractional interception
Gleichung 6
Referenzen

Campbell, G. S., und R. Diaz. "Vereinfachte Boden-Wasser-Bilanz-Modelle zur Vorhersage der Transpiration von Pflanzen". Prioritäten der Dürreforschung für die Trockengebiete der Tropen. ICRISAT, Indien (1988): 15-26. Link zum Artikel (open access).

Campbell, G. S., und J. M. Norman. Eine Einführung in die Umweltbiophysik (2. Aufl.). New York: Springer, 1998. Artikel-Link.

Kunkel, Robert, und Gaylon S. Campbell. "Maximaler potenzieller Kartoffelertrag im Columbia Basin, USA: Modell und gemessene Werte". American potato journal 64, no. 7 (1987): 355-366. Artikel-Link.

 

Wie die Berechnung des Strahlenanteils im LP-80 die LAI-Messungen vereinfacht

Die Strahlung, die die Sonde des ACCUPAR LP-80 kann direkt vom Sonnenstrahl kommen oder vom Himmel oder den Wolken gestreut werden. Diese beiden Quellen werden von der Architektur der Baumkronen unterschiedlich beeinflusst und müssen daher bei der Berechnung des LAI getrennt behandelt werden. leaf area index (LAI) aus den Transmissionsmessungen der Baumkronen. Die für die Berechnung benötigte Information ist der Strahlenanteil oder das Verhältnis der Strahlung, die direkt vom Sonnenstrahl kommt, zur Gesamtstrahlung (Strahl plus gestreute oder diffuse PAR), die auf die Sonde fällt.

Keine Beschattung der Sonde mehr

Bei der vorherigen Version von ACCUPAR musste der Benutzer den Strahlenanteil durch Abschattung der Sonde messen. Das Programm LP-80 berechnet ihn anhand der ihm zur Verfügung stehenden Messungen. Die verwendete Methode ist eine Abwandlung einer von Spitters et al. (1986) veröffentlichten Methode zur Ermittlung des Strahlungsanteils für die Gesamtstrahlung. Sie setzten den Strahlungsanteil mit dem Verhältnis der gemessenen globalen Gesamtstrahlung zur potentiellen Strahlung auf einer horizontalen Fläche außerhalb der Erdatmosphäre in Beziehung.

Die PAR-Messung oberhalb der Baumkronen von LP-80 ist der gesamte globale PAR-Wert. Da Breitengrad und Tageszeit bekannt sind, kann der potenzielle PAR-Wert (PAR auf einer horizontalen Fläche außerhalb der Erdatmosphäre) berechnet werden. Das Verhältnis dieser beiden Messungen wird mit dem Anteil des gesamten PAR im Sonnenstrahl in Beziehung gesetzt, genau wie es Spitters et al. getan haben. Die Vorgehensweise in LP-80 ist wie folgt:

  1. Berechnen Sie r, den Anteil des potenziellen PAR, der die Sonde erreicht. Dies ist die PAR-"Sonnenkonstante" mal dem Kosinus des Zenitwinkels, geteilt durch die PAR-Messung über den Baumkronen. Wir nehmen an, dass die PAR-"Sonnenkonstante" 2550 µmol/m2/s beträgt.
  2. Ein r-Wert von 0,82 oder mehr bedeutet einen klaren Himmel; ein Wert von 0,2 oder weniger bedeutet einen völlig diffusen Himmel.
  3. Der Anteil r wird in dem folgenden empirischen Polynom verwendet, das aus Daten abgeleitet wurde, um den Strahlanteil zu berechnen:

Beam Fraction Equation

Das Makro zur Durchführung dieser Berechnung finden Sie im Anhang unten.

LP-80 Theorie spart Zeit und Mühe

Dieser Ansatz ist wahrscheinlich weniger genau als eine direkte Messung von fb, wenn diese Messung sehr sorgfältig durchgeführt wird, aber es ist schwierig, direkte Messungen von fb routinemäßig durchzuführen, während man versucht, die Überschirmung oder den LAI zu messen. Tatsächlich sind die Fehler, die durch die in LP-80 verwendete Näherungsmethode entstehen, im Vergleich zu den Fehlern anderer Messungen typischerweise gering. Das folgende Diagramm zeigt den Fehler beim LAI als Funktion des Fehlers bei der Schätzung des Strahlenanteils, unter der Annahme, dass ein konstanter Strahlenanteil von 0,4 für alle LAI-Berechnungen verwendet wurde.

Dieser Fehler ist unabhängig vom LAI. Die Berechnungen beziehen sich auf einen Zenitwinkel von 30 Grad. Größere Zenitwinkel haben kleinere Fehler. Die Grafik zeigt, dass der Fehler beim LAI immer kleiner als ± 20% ist. Bei einem Fehler von 10% im Strahlenanteil beträgt der Fehler im LAI etwa 2%. Es ist schwer zu sagen, wie groß die Fehler in der LP-80 Methode zur Berechnung des Strahlenanteils sein könnten, da dies von den Bedingungen abhängt, aber sie liegen wahrscheinlich im Bereich von 10 bis 20%. Der Fehler, der dadurch in die LAI-Berechnung einfließt, liegt also in der Größenordnung von 2 bis 4 % und ist damit deutlich geringer als die Unsicherheiten, die sich aus der räumlichen Variabilität bei der Messung der LAI ergeben.

Error in Leaf Area Index
Abbildung 1. Der Fehler beim LAI als Funktion des Fehlers bei der Schätzung des Strahlenanteils, unter der Annahme, dass ein konstanter Strahlenanteil von 0,4 für alle LAI-Berechnungen verwendet wurde
Referenz

Spitters, C. J. T., H. A. J. M. Toussaint, und J. Goudriaan. "Separating the diffuse and direct component of global radiation and its implications for modeling canopy photosynthesis part I. components of incoming radiation." Land- und Forstmeteorologie 38, Nr. 1-3 (1986): 217-229. Artikel-Link.

 

Visual BASIC Makro zur Berechnung des Strahlenanteils

Function BeamFraction(Zenith As Single, PAR As Single) As Single

Konst pi = 3,14159

Dim r As Single, b As Single

Zenit = Zenit * pi / 180

Wenn Zenith > 1.5 Dann

b = 0# 'Nachtzeit

Sonst

r = PAR / (2550# * Cos(Zenith)) '600 w/m2 * 4.25 umol/w/m2 (.235 MJ/mol)(600 ist potentieller PAR)

Wenn r > 0.82 Dann r = 0.82

If r < 0.2 Then r = 0.2

b = 48,57 + r * (-59,024 + r * 24,835)

b = 1,395 + r * (-14,43 + r * b)

Ende Wenn

StrahlFraktion = b

Funktion beenden

 

APPENDIX B: mehr erfahren über LAI

Dr. Steve Garrity spricht über Leaf Area Index (LAI). Zu den behandelten Themen gehören die Theorie hinter der Messung, direkte und indirekte Methoden, die Variabilität zwischen diesen Methoden, Dinge, die bei der Wahl einer Methode zu beachten sind, und Anwendungen des LAI.

Videoabschrift:
Wie man den LAI berechnet

In diesem virtuellen Seminar befassen wir uns mit der Theorie von leaf area index (LAI), verschiedenen LAI-Messmethoden und einigen Anwendungen zur Messung des LAI. Wir beginnen mit der Definition von leaf area index. Abbildung 1 zeigt zwei theoretische Parzellen im Wald oder in einer Kultur.

Conceptual Diagram of a Plant Canopy
Abbildung 1. Konzeptionsdiagramm eines Pflanzendaches mit (a)=1 (b)=3

Die Fläche auf der linken Seite ist ein Meter auf jeder Seite oder ein Quadratmeter Bodenfläche (braunes Quadrat). Darüber wird die gesamte Fläche von Blättern bedeckt (grünes Quadrat). Stellen Sie sich ein wirklich großes Blatt vor, das die gesamte Fläche über dem Grundstück bedeckt. Um den LAI im linken Beispiel zu berechnen, wissen wir, dass die Bodenfläche einem Quadratmeter entspricht und die Blattfläche ebenfalls einem Quadratmeter. Der LAI wird als das Verhältnis von Blattfläche zu Bodenfläche berechnet, in diesem Fall also eins zu eins. In diesem Beispiel wäre der LAI also gleich eins.

Auf der rechten Seite von Abbildung 1 sehen Sie dieselbe Grafik, aber diesmal mit drei Blattschichten. In diesem Fall gibt es einen Quadratmeter Bodenfläche und drei Quadratmeter Blattfläche, was ein Verhältnis von Blattfläche zu Bodenfläche von drei zu eins ergibt. In diesem Fall wäre der LAI also gleich drei.

Warum LAI messen?

Der LAI ist kein komplexes Konzept, das man verstehen muss, und ich möchte erörtern, warum wir leaf area index messen oder warum er nützlich ist. Der LAI ist eine der Variablen, die ziemlich allgegenwärtig ist, d.h. er wird überall verwendet. Das liegt daran, dass sie einfach, aber auch äußerst aussagekräftig ist.

Dies ist eine Karte des globalen LAI, die aus Satellitendaten abgeleitet wurde (siehe Webinar-Timecode: 2:16). Gebiete mit hohem LAI sind dunkelgrün, Gebiete mit niedrigem LAI sind hellgrün dargestellt. Beachten Sie, dass in den Tropen rund um den Äquator einige der dichtesten Wälder mit dem höchsten LAI auf der Erde zu finden sind. Und nördlich oder südlich des Äquators, wo viele unserer Wüsten liegen, ist der LAI sehr niedrig. Weiter nördlich oder südlich in den gemäßigten Zonen (den borealen Zonen) steigt der LAI dann wieder an. Die LAI-Muster in dieser Karte spiegeln viele Prozesse und viele Variablen wider. Die Verfügbarkeit von Wasser oder Licht kann einige dieser Muster erklären, aber an diesem einen Beispiel können Sie sehen, dass der LAI sehr anschaulich für die weltweiten Vegetationsmuster ist.

Hier sind einige weitere Gründe, warum LAI so wichtig ist:

  1. Lichtausbeute im Kronendach (Produktivität, Anhäufung von Biomasse, Pflanzenwachstum)
  2. Phänologie
  3. Struktur des Vordachs
  4. Transpiration
  5. Skalierungsprozesse und mehr

Der LAI hängt mit der Lichtausbeute zusammen. Je mehr Blattmaterial in einem Blätterdach vorhanden ist, desto größer ist die Kapazität, Lichtenergie von der Sonne zu absorbieren. Diese Lichtenergie wird dann genutzt, um die Pflanzenproduktivität (Primärproduktivität) durch die Aufnahme und Umwandlung von Kohlendioxid aus der Atmosphäre in Kohlenhydrate zu steigern. Dies steht im Zusammenhang mit der Anhäufung von Biomasse und dem Wachstum von Pflanzen und Wäldern.

Der LAI wird auch als Indikator für die Phänologie verwendet, wobei die Phänologie einfach die Ereignisse im Lebenszyklus von Pflanzen beschreibt. In Laubwäldern zum Beispiel treiben jedes Jahr Blätter aus, wachsen, dehnen sich aus, reifen und gehen schließlich ein. Alle diese Prozesse können durch die Verfolgung von leaf area index im Laufe der Zeit beschrieben werden.

Der LAI wird auch häufig als Maß für die Struktur der Baumkronen verwendet oder als Möglichkeit, die Struktur einer Baumkrone von der einer anderen zu unterscheiden. Und er ist für zwei verwandte Parameter nützlich: Transpiration und Skalierungsprozesse.

Leaf Graphic Example of Exchange Processes
Abbildung 2. Austauschprozesse finden an der Oberfläche des Blattes statt

Betrachten Sie zum Beispiel ein Blatt (Abbildung 2). In diesem Blatt laufen viele physiologische Prozesse ab, die mit der umgebenden Atmosphäre an der Oberfläche des Blattes interagieren. Und diese Wechselwirkungen finden durch den Austausch von Masse und Energie statt. Wenn wir diese Austauschprozesse auf Blattebene verstehen und über den LAI wissen, wie viele Blätter sich in einem Kronendach befinden, haben wir eine praktische Methode, um diese Prozesse auf die Ebene des Kronendachs und darüber hinaus zu übertragen.

Wie man LAI misst

Es gibt zwei große Unterteilungen bei den LAI-Messmethoden: direkte Methoden und indirekte Methoden. Direkte LAI-Methoden beinhalten in der Regel die zerstörerische Ernte einer Baumkrone: das Fällen von Bäumen oder das Abschneiden von Biomasse. Eine weniger zerstörerische Methode ist der Einsatz von Streufallen, mit denen die Blätter, die altern und von den Pflanzen abfallen, eingefangen werden. Im Gegensatz dazu wird bei indirekten Methoden der LAI nicht direkt gemessen, sondern eine oder mehrere andere verwandte Variablen. Die verwandte(n) Variable(n) werden dann entweder als Näherungswerte für den LAI verwendet oder um direkt zu modellieren, was der LAI ist. Die indirekten Methoden, die ich in diesem Seminar behandeln werde, sind die halbkugelförmige Fotografie, die PAR-Inversion (die Messungen der durch das Blätterdach hindurchgehenden Strahlung verwendet) und die spektrale Reflexion (ein Top-Down-Ansatz, bei dem Sensoren oberhalb des Blätterdachs verwendet werden).

LAI: direkte Methoden

Wie bereits erwähnt, ist bei direkten LAI-Methoden eine destruktive Ernte üblich. In einem Wald bedeutet dies, dass Bäume gefällt und das gesamte Blattmaterial von diesen Bäumen entfernt wird: ein arbeitsintensiver, langwieriger Prozess, bei dem auch eine beträchtliche Menge an Material aus dem Kronendach entfernt wird.

LP-80 Direct Destructive Method
Abbildung 3. Direkte destruktive Methode, bei der die Forscher das gesamte Blattmaterial von einer Parzelle ernten

Abbildung 3 zeigt eine sehr kurze Baumkrone, bei der die Forscher eine kreisförmige Parzelle auf dem Boden markieren und das gesamte Blattmaterial von dieser Parzelle ernten. In diesem Fall könnte die Verwendung einer destruktiven Methode die einzige Möglichkeit sein, den LAI zu messen, weil die Baumkrone so kurz ist.

Eine andere Möglichkeit, den LAI direkt zu messen, ist der Einsatz von Streufallen. In einem Laubwald fallen im Herbst die Blätter ab und fallen auf den Boden. Streufallen können rund um das Kronendach aufgestellt werden, um einige dieser Blätter aufzufangen. Die Forscher können dann in regelmäßigen Abständen Proben von den Blättern nehmen (d.h. sie aus der Falle herausziehen und zur Analyse ins Labor bringen).

Sowohl bei der zerstörenden Ernte als auch bei der Streufallenmethode muss, sobald das Blattmaterial von der Pflanze entnommen wurde, die Menge der gesammelten Blattfläche gemessen werden. Eine gängige Methode ist der Licor Li 3100, der im Wesentlichen ein optischer Scanner ist. Ein Forscher führt jedes Blatt durch den Scanner und die Blattfläche wird gemessen. Wenn alle Blätter gescannt sind, kann der Forscher die Fläche addieren und durch die Bodenfläche teilen, um den LAI zu ermitteln. Einer der einzigartigen Vorteile dieser Methode ist, dass sie artspezifische leaf area index ermöglicht. Dies ist in nicht bewirtschafteten Systemen oder in Baumkronen mit gemischten Arten hilfreich, um den Beitrag der einzelnen Arten zum gesamten LAI der Baumkronen zu verstehen. Ein Forscher kann die Arten A, B und C ernten und dann deren Blattfläche unabhängig voneinander mit einem Scanner analysieren.

LAI: indirekte Methoden

Alle indirekten LAI-Methoden, die in diesem Webinar besprochen werden, beruhen in gewisser Weise auf der Messung der Interaktion des Lichts mit dem Kronendach. Daher zunächst ein kurzer Überblick darüber, wie das Licht mit dem Kronendach interagieren kann. Es gibt drei Möglichkeiten, wie das Licht in einer Baumkrone wirken kann.

  • Übertragung: Das Sonnenlicht wird durch das gesamte Vordach hindurch übertragen.
  • Absorption: Sonnenlicht, das vom Blätterdach absorbiert oder eingefangen wird und dessen Energie im Prozess der Photosynthese genutzt wird
  • Reflexion: Das Sonnenlicht trifft auf die Oberseite des Baldachins und wird in die Atmosphäre und in den Weltraum zurückgeworfen.

Wir können zwei dieser Größen messen: Transmissionsgrad und Reflexionsgrad. Die Absorption ist nicht messbar, da diese Energie von der Pflanze genutzt wird.

Hemisphärische Fotografie

Die hemisphärische Fotografie ist eine Methode, die die Messung des durchgelassenen Lichts nutzt, um den LAI zu schätzen. Diese Methode gibt es schon seit geraumer Zeit und sie ist gut etabliert. Dabei wird eine Kamera mit einem Fischaugenobjektiv verwendet, die gesamte Kameraausrüstung an einer Nivellierplattform befestigt und dann nach oben gerichtet, so dass sie sich unter dem Blätterdach mit Blick auf den Himmel befindet.

Hemispherical Photography
Abbildung 4. Hemisphärische Fotografie eines Laubmischwaldes mit einem Fischaugenobjektiv einer Digitalkamera

Die Kamera nimmt ein Bild des Kronendachs von unten in einer Hemisphäre wie in Abbildung 4 auf. Sie sehen also, dass die sieben Bilder am unteren Rand (siehe Bilder bei Timecode 13:08 im Webinar) eine zeitliche Abfolge von Fotografien sind, die vom selben Standort innerhalb eines Laubwaldes vom frühen Frühling bis etwa zur Mitte des Sommers aufgenommen wurden. Optisch zeigen diese Fotos, dass im zeitigen Frühjahr wenig bis gar kein Blattmaterial in der Baumkrone vorhanden ist. Und wenn wir den Hochsommer erreichen, sind die Blätter vollständig errötet, gewachsen und gereift.

Die hemisphärische Fotografie ist im Gegensatz zu einigen der anderen Methoden, über die ich sprechen werde, einzigartig, denn ein Bild des Kronendachs ist ein extrem datenreicher Datensatz. Das liegt daran, dass es sowohl eine räumliche Komponente als auch eine Farbkomponente gibt. Außerdem bietet es ein Archiv oder eine Aufzeichnung von Daten, die dann neu analysiert werden können (d.h. es ist möglich, eine andere Methode zur Analyse der Bilder zu verwenden, wenn sich Theorie und Technologie ändern). Bei anderen Methoden hingegen messen Sie einen Wert und können diesen Wert nicht erneut messen.

Ein weiterer Vorteil der halbkugelförmigen Fotografie besteht darin, dass Sie neben dem LAI auch eine Reihe anderer Baumkronenvariablen messen können, die mit der Baumkronenstruktur zusammenhängen. Ich habe hier zum Beispiel eine hypothetische Sonnenbahn eingezeichnet: die Position oder die Bahn, die die Sonne an einem bestimmten Tag über den Himmel zieht. Sie könnten diese Informationen nutzen, um die Position der Sonne aufzuzeichnen und dann abzuschätzen, wann ein Sonnenfleck an diesem Standort auftreten könnte und wie lange dieser Sonnenfleck dauern würde. Das könnte wichtig sein, wenn Sie untersuchen möchten, wie der LAI mit der Lichtdurchlässigkeit zusammenhängt und wie sich dies auf die Lichtverfügbarkeit für die Arten im Unterholz auswirkt. Und Forscher haben noch viele andere Möglichkeiten gefunden, um Informationen aus halbkugelförmigen Fotos zu extrahieren, als nur leaf area index.

Um halbkugelförmige Fotos zu analysieren, wird das Rohfoto mit einer Software bearbeitet, um eine Schätzung von LAi oder einer anderen Variable zu erhalten. Dies geschieht mithilfe der Schwellenwertberechnung. Die Idee hinter der Schwellenwertberechnung ist die Unterscheidung zwischen Pixeln, die von Blättern belegt sind, und Pixeln, die vom Himmel belegt sind. Oben links sehen Sie das Rohbild (siehe Webinar Timecode 15:14). Die anderen sieben Bilder zeigen verschiedene Schwellenwerte, die auf dieses Bild angewendet wurden. Dies ist meiner Meinung nach die Achillesferse der hemisphärischen Fotografie, denn verschiedene Beobachter könnten unterschiedliche Schwellenwerte wählen, je nachdem, was ihr Auge ihnen sagt. Auch unterschiedliche automatische Methoden zur Ermittlung des Schwellenwerts können zu unterschiedlichen Ergebnissen führen. Die Analyse halbkugelförmiger Fotos ist also sehr subjektiv, was es schwierig machen kann, Gegenüberstellung Fotos zu analysieren, die zu unterschiedlichen Zeiten aufgenommen wurden oder bei denen verschiedene Personen an der Datenverarbeitung beteiligt waren.

Wenn Sie halbkugelförmige Aufnahmen machen, vermeiden Sie es, ein Foto zu machen, wenn die Sonnenscheibe durch den Baldachin hindurchschaut. Der Grund dafür ist, dass sich um die Sonnenscheibe herum ein sehr heller Fleck befindet. Wenn Sie versuchen, den Unterschied zwischen einem hellen Hintergrund, einem hellen Himmel und dem Baldachin zu erkennen, werden Sie den Anteil des Baldachins aufgrund dieses hellen Flecks unterschätzen. Da das Bild aufgenommen wird, wenn die Sonne direkt auf die Baumkronen scheint, werden außerdem Schatten innerhalb der Baumkronen geworfen, die es sehr schwierig machen, die Helligkeitsschwelle zwischen Himmel und Baumkronen zu unterscheiden. Und schließlich, wenn es in Ihrem Bild wechselnde Wolken gibt, werden die bewölkten Bereiche extrem hell sein, während der Himmelshintergrund ein wenig dunkler ist. Das macht es sehr schwierig, einen Schwellenwert zu wählen, der zwischen Bewölkung und Nicht-Bewölkung unterscheidet. Aus all diesen Gründen wird empfohlen, halbkugelförmige Fotos nur unter gleichmäßig diffusen Bedingungen oder bei gleichmäßig bedecktem Himmel aufzunehmen. Die andere geeignete Tageszeit ist entweder sehr früh oder sehr spät, wenn die Sonne tief steht oder unter dem Horizont, um Probleme mit der Sonnenscheibe zu vermeiden, die das Bild verunreinigt.

Welche Anwendungen eignen sich also für die hemisphärische Fotografie? Ein Weizenfeld ist wahrscheinlich kein guter Ort für hemisphärische Fotografie, weil die Weizendächer ziemlich niedrig wachsen und es schwierig wäre, die Kamera, das Objektiv, die Nivellierplattform und das Stativ vollständig unter die Dächer zu bekommen. Die halbkugelförmige Fotografie eignet sich gut für hohe Baumkronen wie die eines Waldes, da die Ausrüstung leicht unter das gesamte Blattmaterial der Baumkronen passt.

LP-80Durchlicht und Beersches Gesetz

Von einem konzeptionellen Standpunkt aus können Sie erkennen, ob Sie sich in einem lichten Blätterdach befinden, da es nur sehr wenige Blätter gibt und es im Unterholz eines lichten Blätterdachs tendenziell viel heller ist. Bei einem sehr dichten Blätterdach hingegen würde man erwarten, dass ein Großteil des Lichts absorbiert oder reflektiert wird und nicht in den Unterwuchs gelangt.

Indirect Methods PAR Transmittance
Abbildung 5. Es gibt eine Beziehung zwischen Lichtdurchlässigkeit und Blattfläche

Anhand dieser grundlegenden Beobachtungen können Sie erkennen, dass es eine Beziehung zwischen der Lichtdurchlässigkeit und der Blattfläche gibt. Dies wird durch das Beer'sche Gesetz formalisiert. Für die Zwecke des LAI betrachten Sie die Form des Beer'schen Gesetzes, die sich mit der Lichtenergie in Form der photosynthetisch aktiven Strahlung oder PAR befasst.

Beers Law Equation
Gleichung 1

PARt ist der durchgelassene Balken, der am Boden der Baumkrone gemessen werden kann. Dies ist eine Funktion des einfallenden PAR(PARi) oder davon, wie viel photosynthetisch aktive Strahlung oben in der Baumkrone einfällt. Zwei weitere Parameter sind k und z, wobei k der Extinktionskoeffizient und z die Pfadverbindung durch das schwächende Medium ist. In diesem Fall wäre das dämpfende Medium die Baumkrone selbst. Das Beersche Gesetz in dieser Form ist also die Grundlage für die Art und Weise, wie wir Messungen des durchgelassenen Lichts zur Schätzung des LAI verwenden. Ich werde das mathematische Modell, das von METER verwendet wird, näher erläutern Accupar LP-80 (Gleichungen 2 und 3).

LP-80 Area Index Model
Gleichung 2

In Gleichung 2 oben links ist L leaf area index, und der erste Parameter, den ich ansprechen möchte, ist die Berechnung von k, dem Extinktionskoeffizienten innerhalb des Modells. Die untere rechte Seite von Gleichung 2 ist ein Untermodell mit zwei Parametern: chi (X) und Theta(𝚹). Theta ist einfach der Zenitwinkel der Sonne zum Zeitpunkt der Messung.

Solar Zenith Angle Changes
Abbildung 6. Änderungen des Zenitwinkels der Sonne im Laufe des Tages. Der Beobachter ist auf den Äquator ausgerichtet.

Im Laufe eines Tages ändert sich der Zenitwinkel der Sonne. In Abbildung 6 ist die Sonne an verschiedenen Stellen des Himmels zu sehen. Am frühen Morgen (links) steht die Sonne tiefer am Himmel als zu Zeiten, die näher am Mittag liegen. Und dasselbe geschieht am Ende des Tages. Theta ist wichtig für die Beschreibung der Weglänge der Strahlung (der Weg der Photonen direkt von der Sonne zum Beobachter bis zu einem bestimmten Punkt im Baldachin).

Beachten Sie, dass die Länge des Pfades zu Beginn oder am Ende des Tages um einiges länger ist als in der Mitte des Tages. Der Zenitwinkel der Sonne wird also einfach anhand der Tageszeit und der Kenntnis des geografischen Standorts berechnet. In LP-80 werden diese Parameter automatisch mit den vom Benutzer eingegebenen Werten für Zeit und Standort berechnet. Daher ist es bei der Einrichtung von LP-80 wichtig, dass Sie diese beiden Werte korrekt eingeben.

Solar Zenith Angle Changes Equation
Gleichung 3

Die nächste Variable im Modell des Extinktionskoeffizienten (Gleichung 2 unten rechts) ist das chi (X) Wert. chi beschreibt die Verteilung des Blattwinkels einer Baumkrone. Jede Baumkrone ist eine Mischung aus Blättern, die horizontal oder vertikal ausgerichtet sind oder irgendwo dazwischen liegen. Abbildung 7 ist ein Diagramm, das die Verteilung der Blattwinkel in drei verschiedenen Baumkronen darstellt.

Distribution of the Leaf Angles Within Three Different Canopies
Abbildung 7. Verteilung der Blattwinkel in drei verschiedenen Baumkronen (Campbell und Newman, 1998)

Beachten Sie, dass die chi-Werte in vertikalen Baumkronen unter eins liegen. Je vertikaler die Verteilung der Blattwinkel ist, desto näher liegt chi bei Null. In horizontalen Baumkronen nähert sich chi der Unendlichkeit. In der Regel werden Sie in diesem Fall chi-Werte größer als eins vorfinden (d.h. Werte von eins bis fünf sind bei horizontalen Baumkronen üblich). Sphärische Baldachine sind Baldachine mit einer Mischung aus vertikalen und horizontalen Verteilungen. Sie sind die in der Natur am häufigsten vorkommende Verteilung von Blattwinkeln. Sie haben Chi-Werte nahe bei oder gleich eins. LP-80 verwendet standardmäßig einen chi-Wert von eins. Sie können diesen Wert ändern, aber in den meisten Fällen können Sie mit der Standardeinstellung auskommen.

How chi value or leaf angle distribution influence the extinction coefficient dependent on the zenith angle of the sun
Abbildung 8. Wie Chi-Wert oder Blattwinkelverteilung den Extinktionskoeffizienten in Abhängigkeit vom Zenitwinkel der Sonne beeinflussen (Campbell und Norman, 1998)

Die Grafik links unten in Abbildung 8 zeigt, wie der Chi-Wert oder die Blattwinkelverteilung den Extinktionskoeffizienten in Abhängigkeit vom Zenitwinkel der Sonne beeinflusst. Beachten Sie zum Beispiel, dass bei einem chi-Wert von Null (ein vollständig vertikales Blätterdach) und der Sonne direkt über dem Kopf (der Zenitwinkel des Strahls ist gleich Null) der Extinktionskoeffizient gleich Null ist, was bedeutet, dass die gesamte Strahlung durch das Blätterdach hindurchgeht. Nichts davon wird absorbiert oder reflektiert. Sie wird zu 100% durchgelassen.

Vergleichen Sie das mit einem Fall, in dem alle Blätter vollkommen horizontal sind (chi ist gleich unendlich). Dann hat der Extinktionskoeffizient keine Abhängigkeit vom Zenitwinkel des Strahls. Das macht Sinn, wenn Sie sich ein vollkommen horizontales Blatt vorstellen. Es spielt keine Rolle, in welchem Winkel die Sonnenstrahlung auf das Blatt trifft. Der Extinktionskoeffizient des Blattes ist unveränderlich.

Das Diagramm unten rechts in Abbildung 8 zeigt die Transmission im Verhältnis zum Zenitwinkel der Sonne. Beachten Sie, dass die Transmission bei horizontalen Schirmen unabhängig vom Zenitwinkel gleich ist. Und das andere Extrem, für vertikale Vordächer, ist die Transmission gleich eins, wenn die Sonne direkt über uns steht, und sie ist vollständig, wenn wir einen sehr niedrigen Sonnenwinkel haben (Sonne am Horizont). Das macht Sinn, wenn Sie sich ein vertikales Blatt und die Sonne direkt über dem Kopf vorstellen. Das Blatt wirft keinen Schatten. Wenn die Sonne jedoch von der Seite einfällt, wird die Strahlung vollständig absorbiert und nicht übertragen.

Was können wir daraus lernen? Oben links in Abbildung 8 sehen Sie 3 verschiedene Baumkronen mit sehr unterschiedlichen Blattwinkelverteilungen und damit unterschiedlichen chi-Werten zwischen 0,5 und drei. Aber wenn Sie sich die beiden Abbildungen unten links und rechts ansehen, gibt es weder beim Extinktionskoeffizienten noch bei der Transmission einen großen Unterschied zwischen diesen chi-Werten. Das Modell leaf area index reagiert also nicht sehr empfindlich auf den chi-Wert, insbesondere nicht auf chi-Werte zwischen 0,5 und 2.

Eine Fehleinschätzung von chi kann also eine Fehlerquelle sein, aber nur in extremen Fällen - wenn wir es mit einem extrem horizontalen oder sehr vertikalen Laubdach zu tun haben. Wenn Sie sich nicht in einem dieser Extremfälle befinden, dann ist ein chi-Wert von etwa eins für die Schätzung des LAI ausreichend.

Estimation of Leaf Area Index Equation
Gleichung 4

Zurück zum LAI-Modell (Gleichung 4): Fb der Strahlungsanteil und wird als das Verhältnis zwischen diffuser PAR (photosynthetisch aktiver Strahlung) und direkter PAR berechnet.

Diffuse PAR VS. Direct PAR
Abbildung 9. Diffuse PAR vs. direkte PAR

Abbildung 9 veranschaulicht, was dies bedeutet. Auf der linken Seite ist ein typischer klarer Himmel zu sehen. Die weißen Linien stellen die diffuse Strahlung dar (Strahlung, die in der Atmosphäre durch Aerosole in anderen Partikeln gestreut wird). Diese Strahlung wird bis zu einer Stelle in der Baumkrone gestreut, an der wir das transmittierte Licht messen könnten. Beachten Sie auch die Strahlung (Strahlung, die direkt von der Sonne kommt) auf demselben Bild, die bei diesem klaren Himmel dominiert. Wir können also sehen, dass auf der linken Seite, Fb sehr niedrig sein würde, weil die direkte PAR-Komponente dominiert.

Vergleichen Sie das mit dem Bild auf der rechten Seite, wo sich in der Atmosphäre Wolken oder schwere Aerosole befinden. Hier gibt es mehr Streuung und weniger von der Strahlung dringt durch die Wolken zum Beobachtungsort unter dem Blätterdach. In diesem Fall ist Fb viel höher sein (fast 1), da wir die Strahlenkomponente vollständig eliminieren.

Was bedeutet das für Sie? Die Fb ist wichtig, denn er beschreibt die Verteilung der Eindringwinkel der Photonen in die Baumkronen. Fb steht in Wechselwirkung mit der Verteilung des Blattwinkels, um die Wahrscheinlichkeit zu beschreiben, dass ein Photon den gesamten Weg durch ein Blätterdach durchdringt oder durchgelassen wird. An einem sehr sonnigen Tag sehen Sie zum Beispiel viele harte Schatten. Es werden Schatten geworfen, die extrem tief und dunkel sind. An einem bewölkten Tag hingegen ist es schwieriger, starke Schatten zu finden. Das liegt daran, dass die Strahlungswinkel, die auf Objekte treffen, die einen Schatten werfen könnten, gleichmäßiger verteilt sind. Das Gleiche gilt für die Blätter in einem Blätterdach.

Ratio of Transmitted and Incident PAR
Abbildung 10. Tau ist das Verhältnis von übertragenem und einfallendem PAR

Der nächste Begriff, den wir besprechen werden, ist tau(𝛕), das Verhältnis von durchgelassener zu einfallender photosynthetisch aktiver Strahlung. Und dieser tau-Wert ist wahrscheinlich die wichtigste Komponente des LAI-Modells. Das LAI-Modell reagiert am empfindlichsten auf tau. Es ist die Komponente, die bei der Verwendung dieses Modells den Kern der Messung bildet. In Abbildung 10 messen wir die einfallende Strahlung im oberen Bereich der Baumkronen mit einem PAR sensor. Unterhalb der Baumkronen messen wir mit einem LP-80 , wie viel Licht von den Baumkronen durchgelassen wird. Dieses Modell erfordert sowohl Messungen oberhalb als auch unterhalb der Baumkronen.

Wenn Ihr Blätterdach sehr hoch ist, suchen Sie eine Lichtung oder eine große Lücke, wo Sie Ihr PAR sensor aufstellen können, um die einfallende Strahlung zu messen. Sie können entweder ein PAR sensor auf einer Lichtung platzieren, die kontinuierlich aufgezeichnet wird, oder Sie nehmen das LP-80 selbst mit auf die Lichtung, messen die einfallende Strahlung und nehmen es dann wieder mit in die Baumkronen, um die durchgehende Strahlung zu messen.

Wenn Sie bei teilweise bedecktem Himmel arbeiten oder sich die Himmelsbedingungen schnell ändern, sollten Sie die Werte für die einfallende Strahlung relativ häufig aktualisieren: im Grunde jedes Mal, wenn sich die Himmelsbedingungen (und damit die Umgebungshelligkeit) ändern. Aus diesem Grund empfehle ich Ihnen, die einfallende und die durchgelassene Strahlung gleichzeitig und unabhängig voneinander aufzuzeichnen, wenn Sie sich Sorgen über schwankende Umgebungshelligkeit machen. So können Sie Änderungen der Umgebungshelligkeit immer berücksichtigen und keine Fehlerquelle in die LAI-Berechnung einbringen.

Die LP-80 eignet sich hervorragend für punktuelle oder periodische Probenahmen. Für die kontinuierliche Überwachung von Veränderungen des LAI wäre ein anderer Ansatz die Verwendung von PAR-Sensoren sowohl oberhalb als auch unterhalb des Kronendachs. PAR-Sensoren unterhalb der Baumkrone ersetzen im Grunde genommen die LP-80 in Abbildung 10. Der Unterschied besteht darin, dass die PAR-Sensoren kontinuierlich protokollieren können, was eine kontinuierliche Messung der übertragenen Strahlung zur Eingabe in das LAI-Modell ermöglicht.

Leaf PAR Absorptance
Abbildung 11. A ist die PAR-Absorption der Blätter (Grafik: www.photobiology.info)

Der letzte Term im leaf area index (LAI) Modell von LP80 ist A, der die Blattabsorption im PAR-Bereich (photosynthetisch aktiv) des elektromagnetischen Spektrums darstellt.

In LP-80 ist A auf einen Wert von 0,9 festgelegt, was eine sehr gute Schätzung des Absorptionsgrades ist. Bei den meisten Vordächern ändert sich der Absorptionsgrad nicht sehr stark. In einigen extremen Beispielen ist dies jedoch nicht der Fall. Wenn die Blätter zum Beispiel extrem jung sind, kann ihr Absorptionsgrad um einiges niedriger als 0,9 sein. Und wenn sie seneszent sind, kann sie niedriger als 0,9 sein. Und bei sehr behaarten oder extrem wachshaltigen Blättern kann der Absorptionsgrad sogar deutlich unter 0,9 liegen. Aber abgesehen von Extremfällen ist ein Wert von 0,9 eine sehr gute Schätzung für die Absorption von Blättern. Werte, die nur geringfügig von 0,9 abweichen, haben keine dramatischen Auswirkungen auf eine Berechnung des LAI.

Reflexion: indirekte Methode zur Berechnung des LAI

In Fällen, in denen der LAI sehr niedrig ist, ist der Anteil der Reflexion im sichtbaren und im nahen Infrarotbereich des Spektrums in der Regel gleich. Mit steigendem LAI nimmt der Anteil der sichtbaren Reflexion ab, während die Reflexion im nahen Infrarot tendenziell zunimmt. Es gibt also eine Beziehung zwischen der Reflexion im sichtbaren und nahen Infrarot und dem LAI, die wir zur Schätzung des LAI verwenden können.

Reflectance Data
Abbildung 12. Reflektionsdaten

In Abbildung 12 sehen Sie, dass der Reflexionsgrad von der Wellenlänge abhängt. Die Grafik unten links deckt sowohl den sichtbaren (400 bis 700 Nanometer) als auch einen Teil des nahen Infrarotbereichs (über 700 Nanometer) des elektromagnetischen Spektrums ab. Sie können sehen, dass das Spektrum für dieselbe Baumkrone, aber bei unterschiedlichen Werten des leaf area index (LAI) erfasst wird. Was ich beschreibe, ist eine Abnahme der sichtbaren Reflexion mit zunehmendem LAI und eine Zunahme der Reflexion im nahen Infrarot mit zunehmendem LAI.

Es gibt Vegetationsindizes oder Kombinationen verschiedener Bänder, die es uns ermöglichen, verschiedene biophysikalische Überdachungsvariablen zu schätzen. Ein gängiger Index ist der Normalized Difference Vegetation Index (NDVI).

NDVI LAI Relationship
Abbildung 13. Jede Baumkrone hat eine einzigartige NDVI-LAI Beziehung

NDVI wird anhand der reflektierten Werte der roten Strahlung und der Strahlung im nahen Infrarot formuliert, und es hat sich gezeigt, dass NDVI mit leaf area index zusammenhängt. Abbildung 13 zeigt einen spektralen Reflexionssensor oben auf dem Vordach, der die reflektierte Strahlung in den beiden Bändern kontinuierlich überwacht. Die beiden Anschlüsse messen das rote und das nahe Infrarot. Wenn wir den Wert von NDVI jedoch als direkte Schätzung des LAI oder als Möglichkeit zur Schätzung eines absoluten Wertes des LAI verwenden wollen, müssen wir eine Beziehung zu einem unabhängigen Maß für den LAI herstellen.

Wir könnten zum Beispiel eine LP-80 verwenden, um den LAI aus den Messungen der durchgelassenen Strahlung zu berechnen, und dann einen Spektralreflexionssensor anbringen, der die Werte von NDVI erfasst. Wenn wir genügend dieser Werte über die Zeit oder den Raum hinweg sammeln, könnten wir eine lineare Regressionsbeziehung entwickeln (Abbildung 13, oben links). Dann könnten wir die nachfolgenden NDVI Werte in dieser empirischen Gleichung verwenden, um leaf area index zu berechnen, ohne die unabhängige Quelle (LP-80) des LAI für alle nachfolgenden Messungen verwenden zu müssen.

Vielleicht brauchen Sie keine absoluten Werte des LAI und haben einen anderen Grund, den LAI zu messen. Abbildung 14 zeigt einige Beispiele dafür, wie NDVI als Näherungswert für LAI verwendet werden kann, ohne dass ein absoluter Wert für LAI benötigt wird.

Indirect Methods NDVI
Abbildung 14. NDVI kann als Proxy für LAI oder für verwandte Variablen verwendet werden (Ryu et al. (2010) Ag for Met)

Hier hat der Forscher sowohl die NDVI als auch die Photosynthese der Baumkronen auf einer Wiese über ein ganzes Jahr hinweg gemessen. Oben links sind die Werte von NDVI in grüner Farbe aufgetragen und die Photosynthese wird durch die offenen Kreise dargestellt. Sie können sehen, dass der zeitliche Verlauf der Photosynthese sehr gut von NDVI verfolgt wird. Er zeigt, wie eine Regressionsgleichung entwickelt werden kann, die die Werte von NDVI mit der Photosynthese der Baumkronen in Beziehung setzt. In diesem Fall ist leaf area index einer der stärksten Treiber der Photosynthese in diesem einjährigen Grasland. Aber anstatt zu versuchen, die Photosynthese der Baumkronen anhand des LAI zu modellieren, verwendet er einfach NDVI als Proxy.

In ähnlicher Weise könnten wir auch eine Anwendung zur Phänologie in Betracht ziehen. Die Graphen unten rechts in Abbildung 14 sind einige Daten, die sieben Jahre lang von einem Laubwald gesammelt wurden, wobei LAI und NDVI in verschiedenen Intervallen gemessen wurden. Subjektiv können wir sehen, dass NDVI die zeitliche Dynamik von leaf area index sehr genau verfolgt. In diesem Fall könnten wir also eine Messung des LAI durch einen Proxy-Wert von NDVI ersetzen.

LAI-Überlegungen: Stichproben und Skalierung

Glauben Sie nicht, dass Sie den LAI an einer Stelle messen können und einen Wert erhalten, der für die gesamte Baumkrone repräsentativ ist. Das ist nicht die Art, wie es funktioniert. Eine Annahme, die wir bei einem LAI-Modell zu treffen pflegen, ist, dass die Blätter zufällig in der Baumkrone verteilt sind. Das ist fast nie der Fall. Es gibt immer ein gewisses Maß an Verklumpung, das allein durch das Verzweigungsmuster und die Art und Weise, wie Blätter, Äste und Bäume in der Baumkrone verteilt sind, entsteht.

Eine der einfachsten Möglichkeiten, die negativen Auswirkungen von Klumpenbildung oder räumlicher Variabilität zu umgehen, ist die Vergrößerung Ihrer Stichprobe.

Recreation of an Aerial Image of a Field
Abbildung 15. Eine künstlerische Nachbildung eines Luftbildes eines Feldes (Colombo et al. (2003) Rem. Sens. Env)

Auf der linken Seite von Abbildung 15 sehen Sie eine künstlerische Nachbildung eines Luftbildes von einigen verschiedenen Getreidefeldern. Rechts sehen Sie die Nachbildung eines Bildes von einem bildgebenden System, das verwendet wurde, um NDVI Daten von demselben Getreidefeld zu sammeln und diese dann in NDVI Daten und dann in leaf area index umzuwandeln. Sie können sehen, dass es in diesem Bild eine große Bandbreite an LAI-Werten für verschiedene Bewirtschaftungseinheiten gibt. Die Bildgebung gibt uns einen Eindruck von der räumlichen Heterogenität, aber die Methoden, über die wir gesprochen haben, sind in Bezug auf die Fläche, die sie darstellen, diskreter. Wir können dies überwinden, indem wir einfach mehrere Proben in unserem Untersuchungsgebiet nehmen und versuchen, die räumliche Variabilität zu erfassen. Dann können Sie eine Art räumlichen Mittelwert bilden, um den LAI für das gesamte Gebiet darzustellen.

Oder vielleicht sind wir einfach daran interessiert zu verstehen, wie die Variabilität des LAI in der gesamten Region aussieht. Das Bild, das ich zu Beginn dieses Seminars gezeigt habe (Abbildung 1), über die globale Verteilung von leaf area index wurde aus Satellitendaten abgeleitet. Aber wie können wir diesen Werten vertrauen? Wir müssen eine Möglichkeit haben, diese Werte vor Ort zu überprüfen. Und wie? Sie könnten einen NDVI Sensor über der Baumkrone aufstellen, der eine sehr detaillierte Messung auf lokaler Ebene vornimmt. Vergleichen Sie diese mit den Satellitendaten und geben Sie dann anhand der Satellitendaten einen gewissen Grad an Vertrauen in das, was wir außerhalb unserer Probefläche sehen.

Leaf Area Index in a Deciduous Forest Canopy in Spring
Abbildung 16. LAI in einem Laubwalddach im Frühjahr (Garrity et al. (2008) ESA)

Denken Sie daran, dass nicht alle Methoden die gleichen Ergebnisse liefern. Abbildung 16 zeigt einige Daten, die ich vor einigen Jahren im Frühjahr in einem Laubwald gesammelt habe. Ich habe vier verschiedene Methoden verwendet: hemisphärische Fotografie, den LAI 2000 und einen Quantensensor (PAR sensor). Dann habe ich den MODIS-Satelliten (der ein LAI-Produkt bereitstellt) verwendet und dieses mit einigen meiner Messungen zusammengeführt und alle vier miteinander verglichen. Beachten Sie, dass es an jedem beliebigen Tag eine ziemliche Streuung zwischen den Schätzungen gibt, die von einer dieser Methoden geliefert werden. Das kann also eine Herausforderung sein, wenn Sie eine Methode mit einer anderen vergleichen wollen. Einige Methoden neigen dazu, Gegenüberstellung besser miteinander zu vergleichen. Ich hatte zum Beispiel keine LP-80 für diese Studie, aber es gibt etwa drei oder vier verschiedene Veröffentlichungen, die zeigen, dass der LAI 2000 und LP-80 normalerweise sehr ähnliche Werte liefern. Und theoretisch sollten auch die Quantensensoren sowohl dem LP-80 als auch dem LAI 2000 sehr nahe kommen.

Die Wahrheit ist, dass keine dieser Methoden den absoluten Wert richtig ermittelt hat. In diesem Fall haben wir Streufallen verwendet, die die direkteste Methode zur Schätzung des tatsächlichen LAI waren. Bei dieser Baumkrone lag er leicht unter 4,0. Sie sehen also, dass zumindest bei der Reifezeit keine dieser Methoden genau richtig war. Seien Sie also vorsichtig, wenn Sie verschiedene Methoden vergleichen, oder machen Sie sich einfach klar, dass es von Methode zu Methode Schwankungen gibt.

Eine Quelle der Variabilität, die wir vermeiden können, wird in diesem Bild demonstriert (siehe Webinar Timecode 46.01). Dieses Bild veranschaulicht einige Konzepte, die wir besprochen haben. Lichtschächte durchdringen das Blätterdach, das mit einigen schattigen Bereichen kontrastiert wird. Und Sie können sehen, dass diese Lichtdynamik davon abhängt, wie viel Blattmaterial im Blätterdach vorhanden ist und wo dieses Blattmaterial im Blätterdach verteilt ist. Wenn wir also eine einzelne PAR sensor haben, die die transmittierte Strahlung in dieser Baumkrone misst. Wenn wir dieses Gerät auf der rechten Seite platzieren, werden wir zu diesem Zeitpunkt, als das Bild aufgenommen wurde, sehr hohe Werte für das durchgelassene Licht messen. Wenn wir aber eine andere PAR sensor hier im Schatten haben, werden wir sehr niedrige Werte für das durchgelassene Licht sehen. Wir müssen uns also der räumlichen Variabilität der Baumkronen, die wir messen, bewusst sein.

PAR Data
Abbildung 17. PAR-Daten (Garrity, et al. (2011) Ag For Met)

Abbildung 17 zeigt einige Daten, die demonstrieren, wie es aussieht, wenn wir uns einzelne PAR-Sensoren ansehen. Hier waren über 30 PAR-Sensoren unter einem Laubwalddach verteilt. Im Laufe der Zeit neigen sie alle dazu, sich gegenseitig zu verfolgen, aber der absolute Wert der durchgelassenen Strahlung kann von Standort zu Standort sehr unterschiedlich sein. Wenn wir also das durchgelassene Licht als Schätzung des LAI verwenden, welche Spur verwenden wir dann zur Schätzung des LAI? Die Antwort hängt davon ab, was unser Ziel ist. Wenn wir nur versuchen, einen Durchschnittswert für den LAI zu erhalten, dann nehmen wir vielleicht einen räumlichen Durchschnitt all dieser Werte.

Ein weiterer Punkt ist, dass diese Faktoren der Verklumpung und der räumlichen Variabilität echte Fehlerquellen sind. Das LP-80 berücksichtigt dies jedoch in der Art und Weise, wie die Durchlichtmessungen erfasst werden. Das Gerät hat einen Stab, der aus dem Handgerät herausragt. Dieser Stab ist etwa 80 Zentimeter lang und hat 80 unabhängige PAR-Sensoren in diesem Stab. Die Messwerte von LP-80 sind also ein räumlicher Durchschnitt über alle Sensoren im Stab.

ACCUPAR LP-80
Abbildung 18. Die ACCUPAR LP-80 misst PAR und LAI

Einige Forscher haben vor einigen Jahren gezeigt, dass in Baumkronen, in denen eine Verklumpung vorhanden ist, der mit der Verklumpung verbundene Fehler tendenziell reduziert wird, wenn man einen Durchschnitt über einen linearen Transekt bildet, und diese Strategie ist bereits physisch in die LP-80 integriert.

Wenn Sie ein PAR sensor verwenden, sollten Sie sicherstellen, dass Sie genügend Proben sammeln, die die räumliche Heterogenität der Lichtdurchlässigkeit repräsentieren, die natürlich mit dem LAI zusammenhängt.

Warum messen Sie den LAI?

Bevor Sie messen, überlegen Sie, warum Sie den LAI messen. Sind Sie wirklich an leaf area index interessiert? Oder sind Sie an einer verwandten Variable interessiert? Einige Forscher schätzen zum Beispiel den LAI, um das durchgelassene oder absorbierte Licht besser einschätzen zu können, weil sie versuchen, die Produktivität der Baumkronen oder die Photosynthese zu schätzen. Es stellt sich die Frage, warum der LAI geschätzt wird, um die Lichtabsorption zu ermitteln, wenn die Lichtabsorption durch die Messung des durchgelassenen und des einfallenden Lichts direkter gemessen werden kann. Verstehen Sie also, warum der LAI die Variable ist, an der Sie interessiert sind.

Überlegen Sie auch, ob der LAI die einzige Variable ist, die Sie messen möchten. Wir haben gesehen, dass die halbkugelförmige Fotografie neben dem LAI noch weitere nützliche Daten über die Struktur der Baumkronen liefern kann. Arbeiten Sie mit einer hohen oder kurzen Baumkrone? Wenn Sie mit einer extrem hohen Baumkrone arbeiten, ist es vielleicht nicht möglich, einen NDVI Sensor darüber anzubringen, weil Sie einfach nicht die Infrastruktur haben, um die Spitze der Baumkrone zu erreichen. In diesem Fall benötigen Sie vielleicht eine hemisphärische Fotografie oder eine Lichttransmissionsmessung wie die LP-80.

Müssen Sie den artspezifischen LAI messen? Wenn ja, ist die direkte Ernte wahrscheinlich die einzige Methode, die geeignet ist. Möchten Sie kontinuierliche oder diskrete Probenahmen durchführen? Mit anderen Worten: Möchten Sie, dass die Durchlichtmessungen kontinuierlich protokolliert werden, damit Sie die Veränderungen des LAI kontinuierlich abschätzen können? Oder sind Sie mit einer punktuellen Stichprobe zufrieden? Nehmen wir an, wir möchten Gegenüberstellung LAI zwischen verschiedenen Behandlungsparzellen vergleichen. Vielleicht ist der Ansatz der Stichprobenmessung besser geeignet.

Müssen Sie die Messungen skalieren? Überlegen Sie, wie Ihr Probenahmeprotokoll aussieht und welche Datenquellen Ihnen zur Verfügung stehen, um von der lokalen Ebene auf eine breitere Skala zu skalieren. Berücksichtigen Sie, wie heterogen der LAI innerhalb Ihres Kronendachs ist und wie verklumpt dieser LAI ist. Dies wird einen Einfluss darauf haben, wie viele Proben Sie sammeln und wo diese Proben räumlich verteilt sind.

Und schließlich, brauchen Sie absolute Werte der LAI oder können Sie einen Proxy wie NDVI verwenden?

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