如何進行植物葉面積指數的測量

      葉面積指數的測量，不同于葉綠素的測量，因為葉綠素是位于葉片內部，必須經過提取才可以進行測量，所以葉綠素測量儀是其必要的儀器設備，而葉面積指數，只需要知道其計算方法，即使沒有葉面積檢測儀，也可以很方便的進行測量，下面就一起看下如何進行植物葉面積指數的測量。
　　葉面積指數主要測定方法和設備葉面積指數是指單位土地面積上植物葉片總面積與土地面積的比值，是評估植物冠層功能、定量分析地球生態系統能量交換特性的一個重要參數。它可反映植物葉片數量、冠層空隙的動態和平衡、植物群落生命活力以及環境效應，在推動區域溫室氣體排放與生態系統碳匯計量水平、促進地球生態能量交換等方面得到廣泛應用。葉面積指數被提出50多年來，其測量方法的相關理論和技術得到不斷完善，經歷了從簡單測量到多種算法與各類儀器相結合的過程，但其測量精度的有效提升仍是這一領域的主要研究內容。筆者總結了現有LAI的測定方法和測量儀器，為LAI的研究提供便利條件。
　　如何直接測量植物葉片的葉面積指數直接測量法是指收集植株葉片，直接測量其面積或測量葉片質量、形狀、長寬等參數，再轉換為面積。這是經典的、成熟的LAI測量方法，具有最高的測量精度。其測量值通常被稱為真實葉面積指數，是間接測定的重要對比方法。該方法包括葉片采集和測量2個步驟。葉片采集方法有落葉箱法、代表植株法、區域采樣法等；測量方法有格點法、方格法、描形稱重法以及掃描和攝影等儀器測定法。由于直接測量對植物本身具有一定的破壞性，且必須人工采集葉片樣品，費時耗力，采樣不一定具有代表性，一般只用作科研，故實際測量和研究中常采用間接測量法。間接測量法與直接測量法相比，間接測量法能夠更快、更大范圍地對LAI進行測量，并且不對植物產生傷害，因此得到迅速發展和廣泛應用。但是，采用這種方法得到的LAI往往偏低，不同類型的冠層低估范圍通常在25%～50%。雖然目前有許多方案能克服由于間接測量帶來的偏差，但并沒有根本地解決此類問題的產生。該方法主要分為空間測量法和地面測量法兩類。空間測量法。空間測量法也稱遙感測量法，通過衛星對植被和覆蓋物之間的反射光譜信息采集完成測量，為大范圍研究森林和陸地植被LAI提供有效的途徑。空間測量法分為統計模型法、物理模型法、神經網絡模型法3種。神經網絡模型法作為一種新的LAI空間測量法，吸引了眾多科研者的目光。研究表明，對于LAI＜3的植被區，該模型法反饋精度比較可靠。陳健等使用BP神經網絡改進模型對南大港內部蘆葦進行測量，發現該模型有很強的非線性擬合能力，最大相對誤差為20．71%，有效地提高了LAI反演的精度。地面測量法。地面測量法適用于單一林群和農作物的測量，分為點接觸法(傾斜點嵌塊法)、經驗公式法、消光系數法等。Wilson提出了點接觸法，使用細探針從不同高度和角度通過冠層一直到達底部，根據針尖接觸的葉片數目計算LAI。
      LAI=n/G(θ)      (1)
      式中，n為探針接觸葉片次數；G(θ)為投影函數；θ為天頂角。
　　點接觸法的優點在于測量因子獲取方便，對植物沒有破壞；缺點是樹群特定性以及依賴樹尺寸、冠層結構、樹群密度、季節氣候等，采樣數足夠大時才能置信，且對較高的冠層和森林實施比較困難。Bonhomme等采用該方法對小作物測量獲得較好結果。Wilson研究表明，當點樣方傾角為32．5°時，測量的LAI值較準。任海等對鼎湖山森林群落測量，發現與分層收割直接測量法相比的最大測量誤差為33．1%。
　　經驗公式法又稱易測因子法，可根據胸徑、樹高、邊材面積、冠幅等易測參數與葉面積指數間的經驗公式來計算。王蕾等研究表明，在同一樹群，樹木胸徑與葉面積有很高的相關性。常學向等進一步證明LAI與胸徑平方和樹高乘積有指數相關性。以二白楊葉面積指數測量為例，其計算方程為：
     LAI=4{ ln［( DBH)2×0．01H］}8．07×10^-8     (2)
　　式中，DBH為樹木胸徑(cm)；H為樹木高度(cm)。
　　此外，Gower等對針葉林和闊葉林的研究發現邊材面積與葉面積具有最高的相關性。Bartelin對山毛櫸的研究表明，樹木莖基面積與葉面積也有很高的相關性。陳廈等通過暖溫帶3種森林群落研究證明了林冠開闊度與LAI的指數相關性。經驗公式法具有測量易實現、效率較高的優點，但它具有特定性，對樹種、樹木尺寸、冠層結構、樹群密度、季節氣候等依賴性過強，并不適合于任何樹種，應用有一定的局限性。點接觸法和經驗公式法都屬于接觸式測量。在測量過程中存在人為干擾因素，并且難以提供植物空間和短期變化信息。因此，從20世紀90年代起，非接觸式測量——消光系數法得到飛速發展。消光系數法利用基于冠層內光透射信息完成測量任務。
      LAI = ln( Q1/ Q2) /k     (3)
　　式中，Q1、Q2為葉片上下層光輻射；k為特定植物冠層的消光系數。
　　消光系數法的優點為速度快，通用性強，可作為遙感的地面定標手段，但會受到葉簇類型和非葉片單元的影響，并且對測量環境要求較高。消光系數的選擇對測量結果有很大的影響。使用消光系數法測量的LAI往往比直接測量的小，并且葉片的聚集效應越強，差異越大。近年來與葉面積指數相關的測量儀器葉面積檢測儀應運而生，主要有葉面積檢測儀等。按照測量原理，這些儀器分為兩類，一類是基于輻射測量的方法；另一類是基于圖像測量的方法。基于輻射測量方法是通過測定輻射透過率來計算葉面積指數的。其基本原理為入射到冠層頂部的太陽輻射(稱為入射輻射)被植被葉片吸收、反射后，到達底部時(稱為透射輻射)會產生衰減，衰減的速率與葉面積指數、冠層結構有定量關系，通過這一關系反推LAI。這類儀器主要由輻射傳感器和微處理器組成。Lang等使用Demon對LAI進行測量，相對于直接測量法，誤差平均為11%。Wilhelm等在測量玉米冠層LAI時發現SunScan、AccuPAR和LAI-2000的測量值相比于直接測量法偏低。在測量準確度方面，基于圖像方法的測量儀器更具有優勢。
　　基于圖像測量方法是通過分析植物冠層的半球數字圖像來計算葉面積指數的。其基本原理為獲取冠層影像，并利用軟件對其進行分析，計算太陽輻射透射系數、冠層空隙、間隙率參數等，進而推算LAI。這些圖像分析系統通常由魚眼鏡頭、數碼相機、冠層影像分析軟件和數據處理器組成。劉立鑫等利用Winscanopy2006a冠層分析儀對帽兒山天然次生林進行葉面積指數的測量，LAI測量結果的精度比稱重直接測量結果低25%～40%。Leblanc等對比LAI-2000、TRAC、HCP、AccuPAR在干旱生態系統中進行長期測量，認為HCP最準確、有效。Chen等也推薦使用HCP進行針葉林有效LAI的測量。基于輻射測量和基于圖像測量的儀器比較如表1所示。

　　近年來國外出現的一系列檢測LAI的儀器得到了相應的應用，而在國內還缺乏自主開發的LAI儀器。目前，國內采用的測量儀器主要有LAI-2000、TRAC、CI-110等，但多數缺乏直接測量法的檢驗和校準。國際上流行的魚眼鏡頭測量LAI的方法在國內使用得較少。LAI的測量受到其定義、采樣方法、數據分析和儀器誤差等因素的綜合影響，缺乏一個準確的、有效的普適性方法。
　　不同方法之間缺乏比較研究。直接測量法雖然對植物具有破壞性，效率不高，但結果可靠；間接測量方法是測量LAI的重要手段，具有速度快、適用范圍廣、非破壞性的優點，但測量精度不高。其中，通過遙感技術測定葉面積指數將會在未來得到更廣泛的應用。目前，測定葉面積指數的儀器以國外儀器為主。各種測量儀器本身的精度很高，但是由于受其他因素的影響，LAI的測量精度僅為20%～40%。所以，探索新的、具有更高精度的LAI測量技術具有重大的基礎研究價值。