叶面积指数的主要测定方法

第33卷第3期2008年6月 林　业　调　查　规　划Forest I nvent ory and Planning Vol .33　No .3　Jun .2008叶面积指数的主要测定方法谭一波,赵仲辉(中南林业科技大学生命科学与技术学院,湖南长沙410004)摘要:简要地介绍了叶面积指数的概念和研究的意义,总结了当前叶面积指数(LA I )的主要测定方法有直接和间接方法两大类,分析了各种方法的优缺点.认为未来叶面积指数测定的发展趋势是光学仪器法和遥感法的相互结合.关键词:叶面积指数;测定方法;遥感法;光学仪器法中图分类号:S758.58 文献标识码:A 文章编号:1671-3168(2008)03-0045-04The M a i n M ethods for D eter m i n i n g L eaf Area I ndexTAN Yi 2bo,ZHAO Zhong 2hu i(School of L ife Sciences and Technol ogy,Central South University of Forestry and Technol ogy,Changsha Hunan 410004,China )Abstract:The paper briefly intr oduces the concep t and significance for the study of leaf area index (LA I ),and su mmarizes the current main methods f or deter m ining LA I as direct and indirect ways as well as its individual advantages and disadvantages 1It concerns that the devel opmental trends of LA I deter m i 2nati on in the future will be the combinati on of op tical instru ment method with re mote sensing method 1Key words:leaf area index;deter m inati on method;re mote sensing method;op tical instru ment method收稿日期:2008-01-09基金项目:湖南省自然基金项目“城市主要绿化树种蒸腾耗水规律和分形特征的研究”(05JJ40127).作者简介:谭一波(1981-),男,广西南宁人,硕士研究生,主要从事森林生态和小气候研究.赵仲辉(1964-),男,博士,副教授,主要从事气象学和森林生态研究. 叶面积指数是生态系统的一个重要结构参数,用来反映植物叶面数量、冠层结构变化、植物群落生命活力及其环境效应,为植物冠层表面物质和能量交换的描述提供结构化的定量信息,并在生态系统碳积累、植被生产力和土壤、植物、大气间相互作用的能量平衡,植被遥感等方面起重要作用[1～4].1叶面积指数的概念叶面积指数(Leaf A rea I ndex,缩写LA I )的提出源于作物学,在20世纪40年代中期,英国农业生态学家W ats on 首先将叶面积指数的概念定义为单位土地面积上单面植物光合作用面积的总和[4,5].由于在理解和使用上存在差异,叶面积指数有很多不同的定义和解释,如植物叶片总面积与土地面积的比值,单位面积上植物叶片的垂直投影面积的总和等.Chen [8]、Gower 等人[9]还提出,LA I 是单位土地面积上所有叶片表面积的一半或总叶片投影面积的一半.Lang 等人[10]认为,将LA I 定义为单位土地面积上的植物光合有效辐射总截取面积较定义为单位土地面积上的垂直投影面积或最大投影面积具有更好的表达能力,因为植物光合有效辐射总截取面积还反映了植物冠层的物理意义和生态内涵[5,11].叶面积指数是一个无量纲度量的参数,其大小与植被种类、生长期、叶片倾角、叶簇和非叶生物量等因素有关[4,6],还受叶面积指数定义和测定方法的影响.2叶面积指数测定的主要方法211直接方法直接测定方法是一种传统的、具有一定破坏性的方法,通过直接测量叶面积得到的叶面积指数,可作为间接方法的有效验证.21111叶面积的测定(1)传统的格点法和方格法.格点法是将采集到的叶片平摊在水平面上,在叶片上覆盖一块透明方格纸,然后统计在叶内的格点数和叶边缘的格点数计算叶片的面积,不足半格者不计,超过半格者按一格记.方格法是在叶片下方放置一块方格纸,并用铅笔描绘出叶片轮廓,数出叶片所占的格数,叶缘不林业调查规划足半格者不计,超过半格按一格记,最后合计叶片所占的总格数作为叶面积.(2)描形称重法.在一种特定的坐标纸上,用铅笔将待测叶片的轮廓描出并依叶形剪下坐标纸,称取叶形坐标纸重量,按公式计算叶面积.(3)仪器测定法.叶面积测定仪可以分成两种类型[5],分别通过扫描和拍摄图像获取叶面积.扫描型叶面积仪主要由扫描器(扫描相机)、数据处理器、处理软件等组成,可以获得叶片的面积、长度、宽度、周长、叶片长度比和形状因子以及累积叶片面积等数据,主要仪器有:C I-202便携式叶面积仪、L I -3000台式或便携式叶面积仪、AM-300手持式叶面积仪等.此外,还有使用台式扫描仪和专业图像分析软件测定的方法.图像处理型叶面积仪由数码相机、数据处理器、处理分析软件和计算机等组成,可以获取叶片面积、形状等数据,主要仪器有:W I N D I2 AS图象分析系统、SKYE叶片面积图像分析仪、Decagon-Ag图象分析系统、W inF OL I A多用途叶面积仪等.21112落叶收集法本方法适合于落叶林,一般先在样地内随机设置一定面积(S)的凋落物收集网,将收集到的凋落物烘干,分离出叶片来称重,得到落叶量[12].再用十字分割法从落叶中取出一定重量的叶片测出总叶面积,计算出比叶重K(c m2/g),即单位叶面积与叶干重的比值[14],结合落叶收集得到的单位时间单位面积落叶的重量M(g/m2·a)以及生物量研究中得出的单位时间落叶量所占样地总叶量的百分比C,用下式即可计算叶面积指数[12]:LA I=(M×K)/(C×S)落叶收集法在落叶林的测量中得到了较准确的结果,但是测量周期长,在常绿林中应用时会产生较大的误差[12,13].21113分层收割法[12]在群落中设置样地,并对样地进行调查,记录样地中的树种组成、树高、胸径和冠幅等参数,找出具有平均高度和平均胸径的标准木,并进行整株收获,即从径基开始按每段1m长分割,由底部向上逐段收获叶片,将全部叶片摘下后称取总重W(g),最后用十字分割法从中取出500～1000g叶片称重和测定叶面积,计算出比叶重K(c m2/g),用下式计算叶面积:L=(W×K)/S式中,W为标准木总叶重,K为比叶重,S为标准木所占地面面积.任海先生[12]在研究南亚热带森林时认为该方法较准确,但具有很大的破坏性,且费时费力.212间接方法间接方法是用一些测量参数或用光学仪器得到叶面积指数,测量方便快捷,但仍需要用直接方法所得结果进行校正[16].21211点接触法点接触法是用细探针以不同的高度角和方位角刺入冠层,然后记录细探针从冠层顶部到达底部的过程中针尖所接触的叶片数目,用以下公式计算.LA I=n/G(θ)式中,LA I为叶面积指数,n为探针接触到的叶片数,G(θ)为投影函数,θ为天顶角.当天顶角为5715°时,假设叶片随机分布和叶倾角椭圆分布[5],则冠层叶片的倾角对消光系数K的影响最小,此时采用3215°倾角刺入冠层,会得出较准确的结果,用以下公式计算.LA I≈111LA I3215点接触法是由测定群落盖度的方法演进而来的[12],在小作物LA I的测量中较准确[15],但在森林中应用比较困难[13],主要是由于森林植物树体高大以及针叶树种中高密度的针叶影响了测定.21212消光系数法该法通过测定冠层上下辐射以及与消光系数相关的参数来计算叶面积指数,前提条件是假设叶片随机分布和叶倾角呈椭圆分布,由Beer-La mbert定律知:LA I=1kln(Q0/Q)式中:LA I为叶面积指数,Q和Q分别为冠层上下部的太阳辐射,k为特定植物冠层的消光系数,一般在013～115变化,其计算公式为:k=x2+tanθ2x+11744(x+11182)-01733其中x为叶倾角分布参数,θ为天顶角.消光系数k与植物种类、天顶角、叶片倾角以及非叶生物量有关,在确定时常需要根据经验公式获得,如关德新等[3]在研究长白山针阔叶混交林时,利用观测结果反推消光系数k值.本方法中消光系数如果能够准确地加以测量,那么得出的叶面积指数也较准确[12].21213经验公式法经验公式法利用植物的胸径、树高、边材面积、·64·第33卷谭一波等:叶面积指数的主要测定方法冠幅等容易测量的参数与叶面积或叶面积指数的相关关系建立经验公式来计算.研究表明:叶面积指数与胸径平方和树高的乘积有显著的指数相关性[16],边材面积与叶面积具有很高的相关性[17],林冠开阔度与叶面积指数呈较好的指数关系[18].经验公式法的优点在于测量参数容易获取,对植物破坏性小,效率较高,然而经验公式具有特定性,并不适合于任何树种,因而该法的应用具有一定的局限性[5].21214遥感方法卫星遥感方法为大范围研究LA I提供了有效的途径[4,19].目前主要有2种遥感方法可用来估算叶面积指数[22],一种是统计模型法[19,20],主要是将遥感图像数据如归一化植被指数NDV I、比植被指数RV I和垂直植被指数PV I[20]与实测LA I建立模型.这种方法输入参数单一,不需要复杂的计算,因此成为遥感估算LA I的常用方法.但不同植被类型的LA I 与植被指数的函数关系会有所差异,在使用时需要重新调整、拟合.另一种是光学模型法[19,21],它基于植被的双向反射率分布函数是一种建立在辐射传输模型基础上的模型,它把LA I作为输入变量,采用迭代的方法来推算LA I.这种方法的优点是有物理模型基础,不受植被类型的影响,然而由于模型过于复杂,反演非常耗时,且反演估算LA I过程中有些函数并不总是收敛的[19,22].21215光学仪器法光学仪器法按测量原理分为基于辐射测量的方法和基于图像测量的方法.(1)基于辐射测量的方法.该方法是通过测量辐射透过率来计算叶面积指数,主要仪器有:LA I-2000、AccuP AR、Sunscan、Sunfleck cep t ometer、De mon 和TRAC(Tracing Radiati on and A rchitecture of Cano2 p ies)等.这些仪器主要由辐射传感器和微处理器组成,它们通过辐射传感器获取太阳辐射透过率、冠层空隙率、冠层空隙大小或冠层空隙大小分布等参数来计算叶面积指数.前5种仪器都假设均一冠层、叶片随机分布和椭圆叶角分布,在测量叶簇生冠层时有困难.而TRAC通过测量集聚指数[13,24],能有效地解决集聚效应的问题,使得叶面积指数计算可以不用假设叶片在空间随机分布,减小了有效叶面积指数与现实叶面积指数之间计算的误差[24].基于辐射测量仪器的优点是测量简便快速,但容易受天气影响,常需要在晴天下工作.(2)基于图像测量的方法.该方法是通过获取和分析植物冠层的半球数字图像来计算叶面积指数,仪器主要有C I-100、W I N SCANOPY、He m i V ie w、HCP(He m is pherical Canopy Phot ography)等,这些图像分析系统通常由鱼眼镜头、数码相机、冠层图像分析软件和数据处理器组成.其原理是通过鱼眼镜头和数码相机获取冠层图像,利用软件对冠层图像进行分析,计算太阳辐射透过系数、冠层空隙大小、间隙率参数等,进而推算有效叶面积指数.基于图像测量的仪器和方法测量精度较高,速度则较基于辐射测量的仪器慢,且常需要对图像进行后期处理.此外,测量时需要均一的光环境,如黎明、黄昏、阴天等,晴天会使鱼眼镜头低估或者高估太阳辐射或散射[5,23].(3)光学仪器方法的比较.光学仪器方法在辐射测量、适用冠层、测量环境方面适用条件的比较如表1和表2.表1　基于图像的测量仪器适用条件比较比较项目C I-100W I N SCANOPY He m i V ie w HCP辐射测量直射直射和散射直射和散射直射和散射适用冠层低矮作物、林木冠层低矮作物、林木冠层林木冠层低矮作物、林木冠层测量环境均一光环境均一光环境均一光环境均一光环境表2　基于辐射的测量仪器适用条件比较比较项目LA I-2000AccuP AR Sunscan Sunfleck De mon TRAC辐射测量散射直射和散射直射和散射直射和散射直射直射适用冠层低矮作物、林木冠层低矮作物低矮作物低矮作物低矮作物林木冠层测量环境均一光环境晴天晴天晴天晴天晴天由于光学仪器设计原理和应用理论的差别,在应用仪器时,需要根据测量的植物冠层来选用合适的仪器,而且因为集聚效应在各种冠层中的存在,光学仪器测量出来的叶面积指数是有效值,较之实际值要小[13],因此应将有效叶面积指数与TRAC得出的集聚指数相结合来计算实际叶面积指数[25,26].3结语叶面积指数定义和测量原理上的差异,为不同叶面积指数测量结果之间的比较和验证带来了困难,目前国内外还没有统一的定义和测定方法.比较而言,传统的破坏性方法,如分层收割法,虽然比较准确,但费时费力,效率不高.光学仪器法和经验公式法因具有快速、破坏性小等优点得到广泛应用,但·74·第3期林业调查规划各种光学仪器应用的范围不同,需要根据测量的冠层选择合适的仪器,有条件地选择几种仪器的组合,达到互为验证提高准确性的目的.这些组合中,较常使用LA I-2000、C I-100测量有效叶面积指数,再与TRAC得出的集聚指数相结合以计算实际叶面积指数.叶面积指数测量的发展趋势是光学仪器法和遥感法的相互结合,而且测量精度和准确度将随理论和技术的不断完善逐渐提高.参考文献:[1]巩合德,杨国平,张一平,等1哀牢山4类植物群落叶面积指数比较[J]1东北林业大学学报,2007,35(3):34-361 [2]王希群,马履一,张永福1北京地区油松、侧柏人工林叶面积指数变化规律[J]1生态学杂志,2006,25(12):1486-14891[3]关德新,吴家兵,王安志,等1长白山红松针阔叶混交林林冠层叶面积指数模拟分析[J]1应用生态学报,2007, 18(3):499-5031[4]王希群,马履一,贾忠奎,等1叶面积指数的研究和应用进展[J]1生态学杂志,2005,24(5):537-5411[5]吴伟斌,洪添胜,王锡平,等1叶面积指数地面测量方法的研究进展[J]1华中农业大学学报(自然科学版), 2007,26(2):270-2751[6]Paul JK,Theodore TK1木本植物生理学[M]1北京:中国林业出版社,1985:74-751[8]J ing MC,B lack T A1Defining leaf area index f or non-flatleaves[J]1Plant Cell Envir on,1992,15:421-4291[9]Gower ST,Kucharik CJ,Nor man J M1D irect and indirectesti m ati on of leaf area index,f AP AR and net p ri m ary p r o2 ducti on of terrestrial ecosyste m s[J]1Re mote Sensing of En2 vir on ment,1999,70:29-511[10]Lang ARG,Mcmurtrie RE,Bens on M L1Validity of sur2face area indices of Pinus radiate esti m ated fr om trans m it2tance of the sun’s bea m[J]1Agricultural and ForestMete2or ol ogy,1991,57:157-1701[11]李轩然,刘琪　,蔡哲,等1千烟洲针叶林的比叶面积及叶面积指数[J]1植物生态学报,2007,31(1):93-1011[12]任海,彭少麟1鼎湖山森林群落的几种叶面积指数测定方法的比较[J]1生态学报,1997,17(2):220-2231 [13]J ingMC,PaulMR,Gower ST,et1Leaf area index of borealforests:Theory,techniques,and measure ments[J]1Jour2nal of Geophysical Research,1997,102(24):29429-294431 [14]吕建林,陈如凯,张木清,等1甘蔗净光合速率、叶绿素和比叶重的季节变化[J]1福建农业大学学报,1998,27(3):285-2901[15]Bonhomme R,Varlet GC,Chartier P1The use of phot o2graphs for deter m ining the leaf area index of young cr op s[J]1Phot osynthesis,1974,8:299-3011[16]常学向,赵文智,赵爱芬1黑河中游二白杨叶面积指数动态变化及其与耗水量的关系[J]1冰川冻土,2006,28(1):85-901[17]Gower ST,Nor man J M1Rap id esti m ati on of leaf area indexin conifer and br oad-leaf p lantati ons[J]1Ecol ogy,1991,72:1896-19001[18]陈厦,桑卫国1暖温带地区3种森林群落叶面积指数和林冠开阔度的季节动态[J]1植物生态学报,2007,31(3):431-4361[19]方秀琴,张万昌1叶面积指数(LA I)的遥感定量方法综述[J]1国土资源遥感,2003,57(3):58-621[20]薛利红,曹卫星,罗卫红,等1光谱植被指数与水稻叶面积指数相关性的研究[J]1植物生态学报,2004,28(1):47-521[21]L i X,Strahler A H1Geometric-op tical model of a coniferforest canopy[J]1I EEE Transacti ons on Geoscience andRe mote Sensing,1985,23(5):705-7201[22]蒙继华,吴炳方,李强子1全国农作物叶面积指数遥感估算方法[J]1农业工程学报,2007,23(2):160-1671 [23]赵平,曾小平,蔡锡安,等1利用数字植物冠层图象分析仪测定南亚热带森林叶面积指数的初步报道[J]1广西植物,2002,22(6):485-4891[24]周宇宇,唐世浩,朱启疆,等1长白山自然保护区叶面积指数测量及结果[J]1资源科学,2003,25(6):38-421 [25]赵丽芳,谭炳香,杨华,等1高光谱遥感森林叶面积指数估测研究现状[J]1世界林业研究,2007,20(2):50-541 [26]J ingMC1Op tically-based methods for measuring seas onalvariati on of leaf area index in boreal conifer stand[J]1Agricultural and ForestMeteor ol ogy,1995,80(2):135-1631·84·第33卷。