实验六 植物冠层分析仪测量原理与使用方法

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1、实验六 植物冠层分析仪测量原理与使用方法【实验目的】通过本实验使学生了解叶面积指数这一重要生态系统结构与功能参数，掌握目前国际上流行的叶面积指数测定仪器植物冠层分析仪的使用方法，并以灌木林为例，在老师的指导下分组具体测定灌木林地叶面积指数。【实验原理】叶面积指数（Leaf Area Index，LAI）是一个重要的生态系统结构参数，定义为某一树木或林分的叶片在地面上投影的总面积。叶面积指数不仅直接反映植物的生长状况，而且影响着植物的许多生物、物理过程，如光合作用、呼吸作用、蒸腾作用、碳氮循环和降水截获等。由于叶面积的指数是一个很好反映植物对于环境变化响应的指标，又与植被的光合作用、蒸腾作用、水

2、分利用及净初级生产力、碳氮循环直接相关，特别是在研究植被生产力与遥感数据的关系模型方面，叶面积指数显示了巨大的应用前景，因此，叶面积指数的快速和准确测定显得十分重要。LAI 是研究从叶片水平推移到森林冠层的重要参数，是一个无量纲、随着叶子数量的变化而变化的参数。LAI 值变化范围：针叶林的为 0.616.9；落叶林为 68；年收获的作物为 24；绝大部分生物群系为 319。LAI 测量方法包括直接测量法和间接测量法。直接测量法通过先测定所有叶片的叶面积，再计算LAI，叶面积测量方法有求积仪测定法、称重法、方格计算法、排水法、经验公式计算法、异速生长法等。其中常用的有利用叶片形状的标准形状法、根

3、据叶面积与叶重之间关系的称重法以及利用叶面积与胸径的回归关系推算叶面积的易速生长法。因要剪下全部待测叶片，直接测量多数属于毁坏性测量，或至少会干扰冠层，叶片角度的分布，从而影响数据的质量，直接测量法费时、费力。间接测量法，利用冠层结构与冠层内辐射与环境的相互作用这一可定量耦合关系，通过测定辐射的相关数据推断冠层的结构特征，具体有顶视法和底视法。间接测量法可以避免直接测量法所造成的大规模破坏植被的缺点，不受时间的限制，获取数据量大，仪器容易操作，方便快捷，还可以测定一年中森林冠层 LAI 的季节变化。间接测量法常用的仪器有 LAI-2000 植物冠层分析仪（美国 LI-COR公司） 、AccuP

4、AR （美国 Decagon 公司） 、SunScan（英国 Delta-T Devices） 、TRAC （陈镜明） 、CI-110 植物冠层图像分析仪（美国 CID 公司生产）等。目前最常使用的是 LAI-2000 植物冠层分析仪，其特点是能现场读数，快速直接测量叶面积指数，并不受光线条件限制，能在不同光照下进行测量，但测量时不需太阳直射光线照射，LAI-2000 可测量不同大小的冠层，仪器轻便易携，便于野外使用，低能耗，可以在野外长时间使用，还可以连接多种辐射感应器，能同时测量 PAR 等。本实验主要介绍目前国内最常用的叶面积指数测定仪LAI-2000 植物冠层分析仪。【实验器材】LAI

5、-2000 植物冠层分析仪一 仪器组成LAI-2000 由 LAI-2070 控制器和 LAI-2050 传感器两部分构成。LAI-2050 传感器主要的构成部分包括：鱼眼镜头：半球型市场（74） ；反射镜：反射鱼眼镜头接收的光；滤光镜：最小化树叶散射光的贡献；系列透镜；硅光敏圆环：从中心向外分为 5 个环形，张开的角度分别为 7、23、38、53、68；LAI-2070 控制器包含了测量和计算结果必要的电子元件和 64kB 的文件存储空间，以及一个可显示两个数据的液晶显示屏控制器有 5 个接口，其中有 2 个 LAI-2050 传感器接口（X,Y） 、2个 BNC 接口（ 1,2）和 1 个

6、与计算机通讯用的 RS-232 接口。LAI-2070 控制器由 6 个电池驱动，可持续工作 260 小时。除此之外，LAI-2000 还有一系列的观察帽，用于在一定情况下限制传感器的视域。工具软件：基于 Windows 平台的 FV2000 软件和基于 DOS 的 1000-90 和 2000-90，用于从 LAI-2070 控制器下载、浏览、分析数据，并计算结果。二 LAI-2000 测量原理当光线透过植物冠层时，由于受到叶片和枝干的阻拦，辐射强度会迅速消减。根据其消减程度就可推算出植物的叶量。LAI-2000 便是依据此原理，通过测量植被冠层以上（A）和植被冠层以下（B ）5 个角度的透

7、射光线，利用植被树冠的辐射转移模型, 计算 LAI。LAI-2000 测量一次至少包括10 个数据：传感器置于冠层上方的 5 个数据和传感器置于冠层下方的 5 个数据。这两组数据测量时，传感器都要水平朝上放置。通过这两组相应数据相除就可计算出 5 个冠层透射率值。三 LAI-2000 测量的假设条件1 叶片不透光，且无反射：假设冠层下的读值不包括任何叶片反射或透射的光线。LAI-2050 探头波长范围 320-490nm，过滤了波长大于 490nm 的光线。因为在低于 490nm 区域的光线受叶片反射及透射射作用最小。这使得叶簇在天空背景下是黑色的，从而满足了前题假设。2 叶片排列是随机的：不

8、同的冠层有不同的形状，可能是条状（条播作物） 、椭圆体（单一植株） 、巨大的正方体（草地）或者是有孔的大正方体（充满林隙的落叶林） 。在这些不同形状的空间中叶片分布是随机的。3 叶片面积相对每环的观测范围是很小的：即探头与最近叶片的距离应至少为叶片宽度的 4 倍。4 叶片的位置分布是随机的：不管叶片如何倾斜，只要所有叶片不是朝向同一角度即可。用广视角进行测量时这种假设基本是得到满足的。四 测量时其他注意事项1 遮盖帽的用途从传感器的视野中去除太阳；从视野中去除操作者的影响；天空亮度不均匀；冠层内有明显的空隙；减小对测量样地尺寸的需要；减小了森林内必需的空地尺寸。2 斜坡的影响应该使传感器保持与

9、斜坡相匹配，而不是实际的水平。3 样地尺寸的影响如果样地尺寸太小，要注意保证传感器的视野范围是冠层高度的 3 倍，可以采用去除第 5 个环的数据来解决这个问题，也可以采用观察帽的方法。4 光线的需求直射的阳光：应尽可能避免直射的阳光，尽量在日出日落时或多云的天气进行测量，如果避免不了，那么需要注意：使用 270 度的遮盖帽或更小的视野遮盖帽；背对阳光进行测量，遮挡住日光和操作者本身；对植物冠层进行遮阴处理；天空云分布不均匀导致光线不均匀的天气条件：等待云彩飘过并遮挡了阳光时再进行测量。适宜光线条件：均匀的阴天或者散射光照下才能测量。最易找到合适的测量时间往往是黎明之前和日落之后的瞬间。作为一般

10、原则，如果可以看到地上的影子或者林冠上有阳光照射的叶子，这时的天空的光照条件就没有满足。5 叶片与传感器的距离限制一个叶片与传感器的距离是重要的，太近将导致测量的误差。简单的计算方法是根据采用的遮盖帽的角度来得到距离因子参数，再除以 B 值的重复次数，再乘以叶片的宽度，即得到最小需要的距离了。如果距离无法缩小，可以考虑增加重复次数来解决这个问题。6 冠层内的空隙（林窗）由于 LAI 是空隙比例的对数，那么最好的情况是取对数后进行平均，而不是平均后取对数。如果一个视野内既有稠密的冠层又有稀疏的冠层，那么最好采用遮盖帽来减少其同时出现在同一视野的可能（这样将导致对叶面积指数的低估） 。【实验步骤】

11、一 仪器使用基本模式和步骤1 LAI-2000 的测量模式单传感器模式：目前国内较多使用的模式。植被冠层上部数据（A）和植被冠层下部数据（B）由同一个传感器测得。这种模式最适合测量可将传感器置于冠层之上的低矮植被类型，如低矮灌木、农作物和草本植物，但也可以用于高大森林植被类型的测定，测定可从测定林分周边或内部较大的空地开始，并作为乔木层之上的 A 值。LAI-2000 用最近的 A 值来计算透射率。如果天空条件稳定，一个 A 值可以和几个 B 值相对应计算，如果天空情况变化较快，则在每次测 B 值之前，应测量一个新的 A 值。2 单传感器模式设置（1）sensor X （setup ，FCT1

12、1）（2）set clock （oper，FCT05）（3）set prompt （oper，FCT12）（4）set seq 0，重复次数为 0，即转为人工模式3 LAI-2000 的测量步骤ONLOGWhatWhereSeveral AY （A、B 测量转换） Several B按实际情况重复Several AY （A、B 测量转换） Several B LOGFCT 094 LAI-2070 的屏幕显示0*X15.678 说明：实时显示行：*总是在该行。*左边的数字是指迄今所测的 A 值个数（或者 B 值个数当实时显示行在底行时） 。*右边是通道序号，后面是该通道的测量值。可以用箭头来改

13、变该序号。总结行：包含总结这次测量三个值，其含义分别是：SMP：测量了多少对 A，B ；LAI ：实时的LAI 平均值；SEL ：叶面积指数的标准差。测量时，这两个的显示顺序是变化的，实时显示行所在的位置表明的接下来要测的是 A 值（在顶行）还是 B 值（在底行） 。5 数据传输连接 Computer 与 2070启动 Fv2000 程序点击 Get file from LAI-2000 按纽，或菜单 acquire命令选择适当的端口 点击 Download开启 2070FCT 32输入待传输的文件号（FROM x，THRU y） （x 为开始传输的文件号， y 为结束的传输号）【实验结果与分

14、析】对实验楼下林地进行 4 次测量，结果如表 1 所示：表 1 实验结果序号 叶面积指数（ LAI）叶面积指数标准差（SEL）冠层下天空可见度（DIFN）平均叶倾角（MTA）平均叶倾角标准差（ SEM）采样数据对数（SMP）第一组 0.33 0.11 0.745 33 10 3第二组 1.35 0.23 0.320 29 17 6第三组 0.45 0.11 0.676 0 0 9第四组 1.41 0.03 0.320 41 20 7由表 1 可以发现，所测得的叶面积指数都不大，且各组之间差异较大，可见该片林地的植被处于生长期，林地的生产力不高，并且植被分布不均匀。【思考题】1 直接测量法和间接

15、测量法优缺点分析答：直接测量法通过先测定所有叶片的叶面积，再计算 LAI，因要剪下全部待测叶片，多数属于毁坏性测量，或至少会干扰冠层，叶片角度的分布，从而影响数据的质量，直接测量费时、费力。间接测量法是利用冠层结构与冠层内辐射与环境的相互作用这一定量耦合关系，通过植被冠层的辐射转移模型来推断 LAI，可以避免直接测量法所造成的大规模破坏植被的缺点，不受时间的限制，获取数据量大，仪器容易操作，方便快捷，还可以测定一年中森林冠层 LAI 的季节变化。2 LAI-2000 测量 LAI 的原理是什么？理想的光照条件是什么？答：当光线透过植物冠层时，由于受到叶片和枝干的阻拦，辐射强度会迅速消减，根据其

16、消减程度就可推算出植物的叶量。LAI-2000 便是依据此原理，通过测量植被冠层以上（A）和植被冠层以下（B ）5 个角度的透射光线，利用植被树冠的辐射转移模型计算 LAI。理想的光照条件是均匀的阴天或者散射光照下，最易找到合适的测量时间往往是黎明之前和日落之后的瞬间。作为一般原则，如果可以看到地上的影子或者林冠上有阳光照射的叶子，这时的天空的光照条件就没有满足。3 LAI-2000 有几种测量模式？答：有三种模式。 （1）单传感器模式：最适合测量可将传感器置于冠层之上的低矮植被类型，如低矮灌木、农作物和草本植物，但也可以用于高大森林植被类型的测定；（2）双传感器模式：用于森林测量或作物测量，其中一个传感器固定在冠层上部，需要增加长的扩展线；（3）遥测模式：主要用于缺少空地的森林。4 如何测量乔木林下的灌木层的 LAI？答：先测定乔木层的 LAI，然后测定灌木层和乔木层的 LAI，两者之差即为灌木层的 LAI。