基于半球攝影法模擬葉面積指數(shù)季節(jié)變化的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h1>

來源：北京華益瑞科技有限公司   2021年10月14日 17:16  

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原文以“Empirical models for tracing seasonal changes in leaf area index in deciduous broadleaf forests by digital hemispherical photography”為題發(fā)表在Forest Ecology and Management上。

作者：Zhili Liu，Chuankuan Wang，Jing M. Chen，Xingchang Wang，Guangze Jin原文地址：/science/article/abs/pii/S0378112715002741

翻譯|張臨峰

葉面積指數(shù)季節(jié)變化的準(zhǔn)確估計(jì)對(duì)于估測森林植被的生長至關(guān)重要，但快速且可靠地獲取葉面積指數(shù)的方法卻鮮有報(bào)道。

在分享的這篇論文中，作者在中國黑龍江帽兒山的落葉闊葉林里（闊葉混交林），通過一種直接的測定方法：植物展葉時(shí)期的觀測和落葉時(shí)期凋落物的收集（4個(gè)樣地，每個(gè)樣地5個(gè)凋落物收集框）去直接測定葉面積指數(shù)的季節(jié)變化（圖1）。

圖1.直接法測定的四個(gè)樣地在每個(gè)凋落物收集日收集的所有物種的總?cè)~質(zhì)量

同時(shí)，使用半球攝影法（digital hemispherical photography，DHP，即光學(xué)儀器法）去間接測定葉面積指數(shù)。

實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)是探索測定葉面積指數(shù)的直接法和間接法之間的關(guān)系，并提出一種快速、可靠的方法來測定葉面積指數(shù)的季節(jié)變化。

在使用半球攝影法測定葉面積指數(shù)的過程中，木質(zhì)部、集聚效應(yīng)、自動(dòng)曝光設(shè)置這些關(guān)鍵因素會(huì)使測定結(jié)果產(chǎn)生偏差（圖2），為了實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，作者首先評(píng)估了這些偏差的季節(jié)變化。

圖2.由木質(zhì)部、集聚效應(yīng)和自動(dòng)曝光產(chǎn)生的偏差的季節(jié)變化以及直接法、間接法測定的葉面積指數(shù)之間的差異。

方案A:計(jì)算使用間接法測定葉面積指數(shù)時(shí)木質(zhì)部產(chǎn)生的的偏差，其中忽略了木質(zhì)部對(duì)光學(xué)儀器的影響所造成的偏差的季節(jié)變化；方案B:計(jì)算使用間接法測定葉面積指數(shù)時(shí)木質(zhì)部產(chǎn)生的的偏差，其中考慮了季節(jié)變化。

I:由木質(zhì)部產(chǎn)生的偏差；II:由集聚效應(yīng)產(chǎn)生的偏差；III:由自動(dòng)曝光產(chǎn)生的偏差；IV:由木質(zhì)部、集聚效應(yīng)和自動(dòng)曝光產(chǎn)生的總偏差；V:直接法和間接法之間的差異。

結(jié)果顯示，以上三個(gè)因素產(chǎn)生偏差的季節(jié)變化有不同的規(guī)律。在生長季，這三個(gè)因素可以解釋測定葉面積指數(shù)的直接法和間接法結(jié)果之間差異的72%。

接著，通過線性回歸去擬合直接法、間接法每隔10天（5月12日到10月11日，共15個(gè)階段）獲得的葉面積指數(shù)（圖3），此外，進(jìn)一步將不同方法測定的所有時(shí)期的數(shù)據(jù)分別歸為一類，然后對(duì)這兩類數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸（圖4）。兩次回歸都基于線性模型的三種不同方法構(gòu)建直接法和間接法之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。

圖3.生長季直接法和間接法每隔10天獲得的葉面積指數(shù)之間的線性擬合

圖4.直接法和間接法測定的所有時(shí)期的數(shù)據(jù)分別歸類后進(jìn)行的線性回歸

綜合以上兩種方法后，作者又定義了一種聚合模型（aggregatedmodel）：先結(jié)合5月12日和5月21日的數(shù)據(jù)構(gòu)建一個(gè)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停粚?duì)于這兩個(gè)時(shí)期的數(shù)據(jù)，在95%的顯著性水平上進(jìn)行配對(duì)t檢驗(yàn)，以確定直接測定的葉面積指數(shù)和使用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ凸烙?jì)的葉面積指數(shù)之間是否存在顯著差異；如果5月12日和21日沒有顯著差異，將結(jié)合5月12日、21日和28日的數(shù)據(jù)，再次進(jìn)行配對(duì)t檢驗(yàn)；只要在一個(gè)日期(5月12日或5月21日)直接測定的葉面積指數(shù)和使用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ凸烙?jì)的葉面積指數(shù)之間存在顯著差異，表明該模型對(duì)這兩個(gè)日期不適用，將結(jié)合5月12日和5月28日的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行配對(duì)t檢驗(yàn)。以此類推，不停迭代，直到將沒有顯著差異的數(shù)據(jù)分為一組，并將那些有顯著差異的數(shù)據(jù)分開。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ透鶕?jù)沒有顯著差異的直接測定的葉面積指數(shù)和使用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ凸烙?jì)的葉面積指數(shù)構(gòu)建。

共有四個(gè)聚合模型：聚合模型A，包括5月12日和21日、6月4日、8月1日和16日；聚合模型B，包括5月28日和10月1日這兩個(gè)日期；聚合模型C，包括6月12日和22日、9月1日、11日和21日；聚合模型D，包括7月5日、15日和10月11日。對(duì)于四個(gè)聚合模型，直接法和間接法的結(jié)果顯著相關(guān)(p < 0.01)，聚合模型A、B、C、D的R2和RMSE值分別為0.91和0.22、0.79和0.29、0.81和0.14、0.97和0.14。

直接法測定的葉面積指數(shù)和在每個(gè)聚合時(shí)期使用4個(gè)聚合模型估測的葉面積指數(shù)沒有顯著差異（p<0.01）（圖5）。

圖5.直接法和間接法測定的葉面積指數(shù)的聚合模型。I：聚合模型A；II：聚合模型B；III：聚合模型C；IV:聚合模型D。

因此，可以確定在落葉闊葉林中，4個(gè)聚合模型能夠很好地模擬從展葉到落葉期間葉面積指數(shù)的季節(jié)變化。

圖6.落葉闊葉林在整個(gè)生長季用不同方法測定的葉面積指數(shù)的季節(jié)動(dòng)態(tài)。同一日期的不同小寫字母表示在0.01顯著性水平上不同方法測定的葉面積指數(shù)之間存在顯著差異。

致謝：感謝劉志理老師對(duì)翻譯的修改

作者簡介：劉志理教授

劉志理，男，理學(xué)博士，東北林業(yè)大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師；入選中國青年人才托舉工程和黑龍江省頭雁團(tuán)隊(duì)；主要從事葉面積指數(shù)的計(jì)量研究、植物功能性狀的變異及權(quán)衡、樹木生長機(jī)制等森林生態(tài)學(xué)方面的研究；主持國家自然科學(xué)基金面上及青年項(xiàng)目、黑龍江省博士后特別資助項(xiàng)目、黑龍江省及中國博士后科學(xué)基金一等資助項(xiàng)目、黑龍江省留學(xué)歸國基金項(xiàng)目等，以或通訊作者發(fā)表論文40篇，其中SCI論文20篇；出版專著1部，獲省部級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng)3項(xiàng)；主講生態(tài)學(xué)、科技寫作、修復(fù)生態(tài)學(xué)等課程；截至目前指導(dǎo)畢業(yè)碩士7人，在讀碩博15人，國家獎(jiǎng)學(xué)金獲得者5人。