如何测量叶面积指数

叶面积指数是一个单一的数值 —— 它是某一特定时间对冠层所做的统计快照。但这一个数值却能带来深刻的见解。

为什么要测量叶面积指数？

叶面积指数（LAI）是描述植物冠层结构较广泛使用的测量指标之一。叶面积指数对于理解冠层功能也很有用，因为生物圈与大气之间的许多物质和能量交换都发生在叶片表面。出于这些原因，叶面积指数通常是生物地球化学、水文和生态模型中使用的关键生物物理变量。叶面积指数还常被用作衡量从样地不同空间尺度上作物和森林生长及生产力的指标。

什么是叶面积指数（LAI）？

叶面积指数（LAI）量化了冠层中叶片物质的数量。根据定义，它是单侧叶面积与单位地面面积的比率。叶面积指数是无单位的，因为它是面积的比值。例如，叶面积指数为 1 的冠层，其叶面积与地面面积之比为 1:1（图 1a）；叶面积指数为 3 的冠层，其叶面积与地面面积之比为 3:1

图 1. 植物冠层概念图，其中（a）= 1，（b）= 3

如何测量叶面积指数？

测量叶面积指数没有更好的方法。每种方法都有其优缺点。您选择的方法在很大程度上取决于您的研究目标。需要单一叶面积指数估计值的研究人员可能会使用与监测叶面积指数随时间变化的研究人员不同的方法。例如，草原研究人员可能偏好与林业研究人员不同的方法。

直接测量

传统上，研究人员通过从样地中收获所有叶片并费力地测量每片叶片的面积来测量叶面积指数。平板扫描仪等现代设备使这一过程更高效，但它仍然是劳动密集型、耗时且具有破坏性的。在高大的森林冠层中，这种方法甚至可能不可行。然而，由于每片叶片都经过实际测量，它仍然是计算叶面积指数较为准确的方法。凋落物收集器是另一种直接测量叶面积指数的方法，但它在常绿冠层中效果不佳，只能捕获从植物上衰老并脱落的叶片信息。

间接测量

几十年前，冠层研究人员开始寻找测量叶面积指数的新方法，既要节省时间，又要避免破坏他们试图测量的生态系统。这些间接方法通过测量相关变量（如透过冠层或被冠层反射的光量）来推断叶面积指数。

半球摄影法

半球摄影法是较早用于间接估计叶面积指数的方法之一。研究人员使用鱼眼镜头从地面拍摄冠层。最初，照片由研究人员自己分析；现在，大多数研究人员使用专门的软件来分析图像，区分有植被和无植被的像素。

图 2. 使用数字相机鱼眼镜头拍摄的混合落叶林半球照片

辐射透射法
一些市售仪器，包括  LP-80 冠层分析仪，为半球摄影法提供了替代方案。它们利用植物冠层透射的光能来估计叶面积指数。其原理相当简单：茂密的冠层比稀疏的冠层吸收更多的光。这意味着叶面积指数和光截获之间必然存在某种关系。比尔定律为这种关系提供了理论基础。在环境生物物理学中，比尔定律的表达式为：

其中，PARt 是在近地面处测量的透射光合有效辐射（PAR），PARi 是冠层顶部的入射光合有效辐射，z 是光子穿过某种衰减介质的路径长度，k 是消光系数。就植被冠层而言，z 与叶面积指数有关，因为叶片是光子衰减的介质。可以看出，如果我们知道 k 并测量 PARt 和 PARi，就有可能通过反转方程 1 来计算 z，作为叶面积指数的估计值。这种方法通常被称为光合有效辐射反演技术。比尔定律是利用入射和透射光合有效辐射测量值估计叶面积指数的基础。

多波段辐射计还为矮草草原和草本植物等极矮冠层提供了自上而下的测量选择。大多数叶面积指数估计方法难以用于这些冠层，因为设备太大，无法都安装在冠层下方。植被指数是使用从顶部俯视冠层的传感器测量的，这使它们在这种情况下成为很好的替代方案。

图 3. 不同冠层发育阶段的反射光谱。注意：随着叶面积指数的增加，可见光和近红外（NIR）反射率之间出现明显差异

局限性：植被指数的局限性之一是它们是无单位值，单独使用时无法提供叶面积指数的测量absolute叶面积指数值，植被指数值可以用作叶面积指数的替代指标。然而，如果您需要叶面积指数的