شاخص سطح برگ چیست و شناخت آن چه کمکی به کشاورز میکند؟
شاخص سطح برگ چیست ؟ شاخص سطح برگ یا LAI می تواند اطلاعات مفیدی از ساختار موجود در گیاهان و میزان فتوسنتز آن ها به ما بدهد. اگر می خواهید بدانید که گیاهان زمین کشاورزی شما به چه مواردی نیاز دارند و چگونه می توانند به شکل موثر رشد پیدا کنند. باید این نوع شاخص را در ارزیابی خود مورد سنجش قرار دهید. با ما تا انتهای این مقاله همراه باشید تا در این مطلب به معرفی شاخص سطح برگ که یکی از پارامترهای مهم اقلیمی قابل استخراج از دادههای سنجش از دور (یکی از خدمات فضاپایه کشتیار) می باشد، بپردازیم.
تاریخچه سنجش سطح برگ
برای شاخص سطح برگ، هم می توانیم یک تعریف ساده و قدیمی و همچنین یک تعریف مدرن و امروزی داشته باشیم.
در تعریف قدیمی شاخص سطح برگ یا Leaf area index (LAI) به میزان توده برگ سبز در تاج پوشش گیاهان گفته می شد.
همچنین در گذشته شاخص سطح برگ را در واحد سطح یا تنه گیاهان بیان می کردند. به همین دلیل از این شاخص به عنوان یک راه سنجش برای سرعت رشد گیاه نیز استفاده می شد.
اولین بار در سال 1927 مقاله ای با نام Sclerotinia Wilt of Sunflower در یک ژورنال معروف کشاورزی به چاپ رسید که در آن مقاله نویسنده اشاره کوچکی به شاخص سطح برگ کرد.
درواقع محققان در این مقاله با تحقیق بر روی یک بیماری در گیاه آفتابگردان که اسکلروتینیا نام دارد توانستند به شاخص سطح برگ و اثرش بر روی گیاه پی ببرند.
اما در سال 1947 دکتر واتسون توانست تعریف کامل تری را از شاخص سطح برگ معرفی کند. او در مقاله 35 صفحه ای که با نام مطالعات جامع فیزیولوژیکی برای رشد محصولات نام دارد، تعریف نسبتا دقیقی را از شاخص سطح برگ بیان کرد.
به عبارت دیگر او در این مقاله پیشنهاد کرد که شاخص سطح برگ در واقع معیاری از مساحت یک طرف بافت برگ در واحد سطح زمین باشد.
از آن زمان دانشمندان و محققین این حوزه توانستند با تکمیل این تعریف، این شاخص را به شکل دقیق تری بیان کنند. در تعریف مدرن، شاخص سطح برگ از نظر ژئومتریکالی و هندسی به عنوان مساحت یک طرف از بافت فتوسنتز کننده در واحد سطح زمین تعریف می شود.
این تعریف سال 2003 در مجله گیاه شناسی Experimental Botany قرار گرفت و از همان زمان این شاخص یکی از پارامتر های متداول مورد استفاده دانشمندان در مطالعات کشاورزی، اکولوژی و تغییرات آب و هوایی بوده است.
البته به تازگی برخی از محققان تعریف دیگری نیز از این شاخص ارائه کرده اند. به طور مثال برخی مساحت برگها در سطح زمین بر اساس متر مربع را شاخص سطح برگ می نامند. در این تعریف 1 واحد LAI معادل 10000 متر برگ در یک هکتار زمین است.
شاخص سطح برگ چیست و چه اهمیتی دارد؟
شاخص سطح برگ به عنوان یک پارامتر اصلی برای توصیف ویژگی ساختاری گیاهان، محصولات و همچنین اکوسیستمها مورد استفاده قرار می گیرد.
شاخص سطح برگ یا LAI تا حدی می تواند بر روی تبادلات مهم ماده و انرژی نقش داشته باشد. به طور مثال به تازگی مشخص شده که شاخص سطح برگ می تواند در کنترل میزان تابش نور خورشید، جلوگیری از باران و همچنین میزان تنفس و فتوسنتز گیاهان نقش داشته باشد.
همچنین با توجه به نقش این شاخص در فتوسنتز و تنفس گیاهان می توان آن را به عنوان یک پارامتر برای سنجش تغییرات آب و هوایی نیز در نظر گرفت.
اهمیت ویژه شاخص سطح برگ درکشاورزی :
LAI یا Leaf area index اهمیت ویژه ای در کشاورزی دارد و جزء یکی از متغیر های بیوفیزیکی کلیدی است. در واقع همانطور که در متن بالا هم توضیح دادیم.
شاخص سطح برگ ارتباط مستقیمی با رشد گیاه، میزان جذب، فتوسنتز و دی اکسید کربن از محیط دارد. به علاوه در بسیاری از مدل سازی های محصولات نیز از این شاخص استفاده می شود.
همچنین علاوه بر تاثیر این شاخص بر روی آب و هوا و همچنین نیتروژن موجود در خاک این عامل جزئی از عوامل تعیین کننده تولید محصولات نیز می باشد.
شاخص سطح برگ در اکولوژی :
شاخص سطح برگ تنها در کشاورزی کاربرد ندارد، بلکه کاربرد این شاخص بسیار فراتر از کشاورزی است. در واقع این شاخص یک پارامتر کلیدی در بومی شناسی گیاهان در مدل های جهانی و منطقه ای است.
با استفاده از این شاخص می توان میزان تبادل دی اکسید کربن و بخار آب را محاسبه کرد. به علاوه می توان متوجه شد که چه مقدار شاخ و برگ در یک منطقه وجود دارد و ناحیه فتوسنتز کننده فعال در آن ناحیه کجاست و کدام مناطق با آلودگی هایی که در هوا موجود است بیش تر ارتباط برقرار می کنند.
به عبارت دیگر می توان این شاخص را برای درختان یک منطقه و حتی جنگل ها نیز مورد استفاده قرار داد و با استفاده از آن به داده های بسیار مهمی دست پیدا کرد.
چه تفاوتی بین شاخص تراکم گیاهی و سطح برگ وجود دارد؟
برخی از افراد تصور می کنند که شاخص سطح برگ همان شاخص تراکم گیاهی است.
باید به شما بگوییم که این موضوع به هیچ عنوان صحیح نیست و نمی توان شاخص سطح برگ را معادل تراکم گیاهی دانست. در واقع تراکم گیاهی که همان The plant area index یا PAI است، هیچ تفاوتی بین عناصر سبز رنگ و غیر سبز قائل نیست.
البته به راحتی می توان با استفاده از تراکم گیاهی میزان سطح برگ را محاسبه کرد. برای اینکار کافی است با شاخص دیگری با نام شاخص سطح چوب آشنایی داشته باشید.
شاخص سطح چوبی یا woody area index که با WAI نیز نام دارد، عموما نیمی از کل سطح چوبی گیاهان شاخه ها و ساقه ها در سطح زمین است.
برای محاسبه شاخص سطح برگ می توان میزان تراکم گیاهی را از شاخص سطح چوبی کم کرد و از این طریق این شاخص را محاسبه کرد. به عبارتی دیگر فرمول محاسبه سطح برگ از طریق تراکم گیاهی LAI = PAI – WAI می باشد.
چگونه این شاخص را اندازه گیری می کنند؟ روش های محاسبه شاخص سطح برگ :
بسته به موضوع تحقیق شما در مورد گیاهان و همچنین داده ها و اطلاعات موجود از گیاهان می توان شاخص سطح برگ را از 2 مسیر بررسی کرد. البته این 2 مسیر بر اساس میزان بودجه مالی شما نیز متغییر خواهد بود و یکی از عوامل تاثیر گذار در انتخاب هر کدام میزان بودجه مالی شماست. اما به طور کل این 2 مسیر شامل مسیر direct یا مستقیم و همچنین indirect یا غیر مستقیم می شوند. در ادامه هر کدام را به صورت جداگانه بررسی می کنیم.
ارزیابی شاخص سطح برگ به روش مستقیم یا Direct :
این روش برای ارزیابی شاخص سطح برگ بیش تر برای پروژه های کوچک و پروژه هایی که بودجه آن ها بسیار کم است استفاده می شود.
سطح دقت این نوع ارزیابی بسیار بالاست، اما ممکن است بسیارزمان بر باشد. در واقع در این روش شما سعی می کنید تا زمانی که برگ ها از روی گیاهان در حال ریزش هستند، اقدام به جمع آوری آن ها کنید و از این طریق LAI آن را حساب کنید.
به عبارت دیگر در روش مستقیم شما با قرار دادن تله هایی در زیر تاج گیاه، برگ ها را در زمان فصل ریزش جمع آوری می کنید.
شما می توانید با استفاده از اسکنر ها و متر های مخصوص سطح برگ را اندازه گیری کنید و بر مساحت تله ها تقسیم کنید. در این حالت شما توانسته اید LAI یا شاخص سطح برگ را اندازه گیری کنید.
البته یک شیوه محاسبتی دیگری نیز برای LAI به روش مستقیم وجود دارد. این شیوه کمی نسبت به شیوه قبلی پیچیده تر و همچنین دشوار تر است.
روش کار نیز به این صورت است که یک محقق باید یک نمونه فرعی از برگ های جمع آوری شده داشته باشد و توده خشک برگ یا leaf dry mass برگ را محاسبه کند. در این روش نیازی نیست که سطح تمامی برگ ها دانه به دانه اندازه گیری شود. اما بهتر است که پس از خشک شدن برگ ها وزن آن ها توسط محقق یاداشت شود.
برای خشک کردن برگ ها نیز می توان آن ها را درون فر با دمایی بین 60 تا 80 درجه به مدت 48 ساعت قرار داد. در ادامه برای محاسبه شاخص سطح برگ، توده خشک برگ را در سطح خاص برگ که همان specific leaf area است ضرب می کنیم. منظور از سطح خاص برگ در واقع نسبت سطح برگ به توده خشک برگ است.
ارزیابی شاخص سطح برگ به روش غیرمستقیم یا Indirect :
در ارزیابی شاخص سطح برگ به روش غیر مستقیم متغیر هایی نظیر میزان ربایش نور، طول و عرض برگ و همچنین هندسی تاج دخیل هستند. در واقع این روش نسبت به روش قبلی سریعتر است و می توان با استفاده ماشین آلات خاص و با کمترین اشتباه شاخص سطح برگ را اندازه گیری کرد. همچنین به دلیل ماشینی بودن این فرآیند می توان از آن برای ارزیابی سطح برگ درختان در یک محدوده بسیار وسیع استفاده کرد.
روش غیر مستقیم خود به 2 روش دیگر تقسیم بندی می شود که به آن ها روش غیرمستقیم تماسی یا لمسی و همچنین روش غیر مستقیم بدون تماس یا غیر لمسی گفته می شود.
در روش غیر مستقیم لمسی تاج درختان را توسط یک سوزن نازک و در یک ارتفاع مشخص سوراخ می کنند. البته به گونه ای دیگرنیز روش غیر مستقیم لمسی انجام پذیر است که به آن روش آلومتریک گفته می شود. روش آلومتریک عمدتا در جنگل ها مورد استفاده قرار می گیرد.
همچنین در روش آلومتریک با استفاده از ارتباط بین سطح برگ گیاهان و دیگر اجزاء گیاهان نظیر اجزاء چوبی گیاهان، قطر ساقه، بخش هایی از پوسته و ارتقاع تنه درخت شاخص سطح برگ را محاسبه می کنند. روش غیر مستقیم غیر لمسی یا بدون تماس نیز بر اساس میزان نوری که از تاج پوششی گیاهان عبور کرده است اندازه گیری می شود.
در واقع در این روش سعی می شود تا با استفاده از حسگر هایی که برخی از آن ها خازنی هستند و برخی دیگر کوانتمی میزان نور گذر کرده را محاسبه کنند. البته برخی لیزر ها مانند لیزر نقطه ای چهارگوش نیز توانایی سنجش نور را درتاج پوششی دارا می باشند.
در واقع در این روش این حسگر ها داده ها و اطلاعاتی را در اختیار ما قرار می دهند که نمایانگر توزیع شاخص سطح برگ در یک موقعیت مکانی نقطه ای باشد.
این روش نسبت به روش های غیر مستقیم دیگر تا حدود زیادی دقیق تر است. اما باید توجه داشت که اساس این شیوه نور خورشید است و اگر نور خورشید وجود نداشته باشد نمی توان این شاخص را با این روش اندازه گیری کرد. حتی ممکن است در روز های ابری حسگر ها میزان شاخص سطح برگ را با خطا به شما اعلام کنند.
ارزیابی شاخص سطح برگ به کمک داده های ماهواره ای :
ماهواره ها می توانند نقش تعیین کننده ای را در ارزیابی شاخص برگ گیاهان مزارع و همچنین جنگل ها داشته باشد.
سنجش سطح برگ از طریق ماهواره و با شیوه سنجش از راه دور عموما زیر دسته روش ارزیابی غیر مستقیم قرار می گیرد.
در واقع همانطور که در متن بالا نیز توضیح دادیم، اشعه نور خورشید به برگ گیاهان و قسمت تاج پوششی آن ها بر خورد می کند و از طریق بازتاب این اشعه می توان شاخص سطح برگ را اندازه گیری کرد.
به عبارت دیگر در همین موضوع ماهواره ها می توانند نقش مهمی را ایفا کنند. چرا که برخی از ماهواره ها به حسگر هایی مجهز هستند که می توانند تشعشات حاصل از پوشش گیاهی را دریافت کنند و اطلاعات حاصل شده را به زمین ارسال کنند.
از ماهواره هایی که چنین حسگر هایی را دارا می باشند و ما می توانیم از آن ها برای دریافت داده هایی مثل شاخص سطح گیاه استفاده کنیم. می توانیم به ماهواره لندست و IRS اشاره کنیم.
شاخص سطح برگ چه ارتباطی با میزان تبخیر و تعرق دارد؟
محققین اولین بار در سال 1979 با برآورد شاخص سطح برگ گیاه گندم و با استفاده از ماهواره لندست، توانسته اند میزان تبخیر و تعرق در گیاه و همچنین مدل سازی محصول محاسبه و ارزیابی کنند.
در واقع یکی از نتایج اصلی در آن تحقیقات ارتباط شاخص سطح برگ با میزان تبخیر و تعرق گیاهان بود. از آن زمان شاخص سطح برگ به عنوان یک شاخص کلیدی برای ارزیابی میزان تبخیر وتعرق گیاهان بوده است.
البته به تازگی با مطالعاتی که در کشور کانادا انجام شده است. ثابت شده که همیشه و در تمامی شرایط آب و هوایی این شاخص نمی تواند معیاری برای میزان تعرق و تبخیر گیاهان باشد.
آیا شاخص سطح برگ با شاخص NDVI یکی است؟
در ابتدا اگر بخواهیم خیلی خلاصه این سوال را پاسخ دهیم، باید بگوییم که خیر شاخص سطح با شاخص NDVI یکی نیست و تنها شباهت هایی را با یکدیگر دارا می باشند.
برای اینکه این موضوع را بهتر به شما نشان دهیم. بهتر است که یک تعریف مختصر از NDVI به شما بگوییم. NDVI که که همان مخفف normalized difference vegetation index است. د
ر واقع نوعی شاخص سلامت برای یک گیاه محسوب می شود. در واقع با استفاده شاخص NDVI شما می توانید تراکم گیاهان مزارع و همچنین جنگل را با استفاده از داده های ماهواره ای تعیین کنید و نقشه رنگی از آن منطقه را ترسیم کنید.
حال شما با استفاده از آن نقشه و اطلاعات ماهواره ای می توانید میزان سلامت گیاهان مزارع و همچنین جنگل ها را بررسی کنید.
اما شاخص LAI تنها بر اساس اطلاعات برگ یک گیاه می تواند میزان فتوسنتر، تبخیر و تعرق و … را به شما بدهد.
همچنین ممکن است که گیاهان موجود در یک منطقه با یکدیگر تفاوت هایی را از نظر برگ داشته باشند. به همین منظور شاخص سطح برگ این گیاهان ممکن است با یکدیگر متفاوت باشد.
اما شاخص NDVI آن ها بر اساس داده هایی ماهواره ای مشابه باشد. به همین صورت ما پیشنهاد می کنیم برای اینکه سلامت گیاهان مزرعه و همچنین جنگل ها را به طور دقیق ارزیابی کنید حتما این 2 شاخص را در کنار یکدیگر ارزیابی کنید.
بازتاب: آموزش سامانه کشتیار - کشتیار
24 اردیبهشت 1401