Licht verändert sich mit dem Einfallswinkel der Sonne. Es wird von Wolken und Blättern reflektiert und gestreut, wodurch seine Intensität abnimmt. Beim Eindringen in die Baumkrone entsteht ein Lichtgradient. Die Lichtabsorption der Blätter ist entscheidend für die Bestimmung der Pflanzenproduktivität mittels Computermodellierung, lässt sich aber nicht einfach detailliert beschreiben.

Es gibt zwei Ansätze zur Simulation von Wechselwirkungen zwischen Licht und Pflanze. Eindimensionale (1D) Lichtmodelle sind einfache und robuste Werkzeuge zum Abschätzen des Lichteinfalls von homogenen Überdachungen. Im einfachsten Modell kommt Licht von einer einzigen obenliegenden Quelle; Sonnenwinkel wird nicht berücksichtigt. Lichtauslöschung durch die Überdachung ist in diesem Modell integriert.

Komplexere dreidimensionale (3D) Modelle ermöglichen es, Rückkopplungen zwischen der Überdachungsarchitektur und der Lichtumgebung zu erfassen. Diese Modelle erfassen Änderungen des Sonnenwinkels im Laufe des Tages und mehrere Quellen diffusen Lichts. Sie enthalten Lichtstrahlen, die mit virtuellen 3D-Baldachinen interagieren, von Pflanzenoberflächen reflektiert und gestreut werden, wenn sie sich durch das Blätterdach bewegen. Mit dieser Komplexität steigen die Rechenanforderungen und die analytische Hartnäckigkeit, die die Anpassung einschränken.

In einem neuen Artikel, erschienen in in silico Plants, Yi-Chen Pao von der Leibniz Universität Hannover und ihr Co-Autors untersuchen die Kompromisse zwischen Einfachheit und Genauigkeit der Methoden durch Simulation der Licht-Pflanze-Wechselwirkung und ihres Einflusses auf die langfristige photosynthetische Akklimatisierung auf Blattebene und die Ansammlung von Trockenmasse auf Pflanzenebene. Die Autoren verglichen zwei Methoden: ein 1D-Lichtmodell und ein 3D-Raytracing-Modell innerhalb eines bestehenden dynamischen Modells der Gewächshausgurke, das in einer 3D-Modellierungsplattform namens GroIMP erstellt wurde (siehe Abbildung 1).

Zunächst mussten die Autoren die Eingabewerte sammeln, um die Modelle auszuführen. Die meisten davon wurden experimentell gesammelt. Zur Modellbewertung wurden Gurkenpflanzen in Gewächshäusern gezüchtet. Lichtabfang, Biomasseverteilung, Photosynthese und Pflanzenarchitektur wurden gemessen. Zusätzliche Messungen für Modelleingaben waren photosynthetisch aktive Strahlung, Temperatur, Stickstoffversorgung und relative Luftfeuchtigkeit im Gewächshaus.

Ein Wert, der erforderlich ist, um die Licht-Pflanze-Wechselwirkung zu simulieren, ist der Lichtextinktionskoeffizient k, die darstellt, wie viel Licht durch die Überdachung dringt und wie es zum Boden hin abnimmt. k variiert je nach Sonnenstand, Blattwinkel und Verklumpung sowie Kronenentwicklung und -konfiguration. Während der Wert von k in das 1D-Modell eingegeben werden müssen, kann das 3D-Modell die Werte von berechnen k in silico.

Bestimmung der Variation von k experimentell durch die Saison, da die Blattfläche des Blätterdachs zunimmt, kann schwierig sein. Um zu bestimmen, wie viel Fehler in die Simulation eingeführt würde, wenn ein falscher verwendet wird k Wert, testeten die Autoren, wie empfindlich die Vorhersagen des 1D-Modells auf den waren k Wert verwendet. Die Simulation des 1D-Modells wurde mit unterschiedlichen konstanten Werten für ausgeführt k. Die Ausgabe war stark abhängig von k – ein Unterschied von 0.2 Zoll k führte zu einem Genauigkeitsverlust von bis zu 27 % bei der Sprosstrockenmasse (siehe Abbildung 2).

Um dieses Hindernis zu überwinden, verwendeten die Autoren das 3D-Lichtmodell, um künstliche Szenarien von Überdachungskonfigurationen zu simulieren und abzuschätzen k zur Verwendung im 1D-Lichtmodell.

Die Autoren ließen dann die beiden Modelle laufen und verglichen ihre Vorhersagegenauigkeiten. Sie fanden heraus, dass die Abschätzungen der Sprosstrockenmasse und der Photosynthese sowohl mit dem 1D- als auch mit dem 3D-Modell mit den gemessenen Daten vergleichbar waren (siehe Abbildung 3).

Laut Pao „deuteten diese Ergebnisse darauf hin, dass das 3D-Lichtmodell mit Hilfe des 1D-Pflanzenstruktur- und Lichtmodells in der Lage war, effiziente Schätzungen und Vorhersagen für agronomische Zwecke mit reduziertem Rechenaufwand zu liefern.“

DER ARTIKEL::

Yi-Chen Pao, Katrin Kahlen, Tsu-Wei Chen, Dirk Wiechers, Hartmut Stützel, Wie spielt die Struktur eine Rolle? Vergleich der Canopy-Photosynthese mit ein- und dreidimensionalen Lichtmodellen: eine Fallstudie mit Gewächshaus-Gurken-Canopys, in silico Plants, 2021; diab031, https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diab031

Dieses Manuskript ist Teil von in silico Plant's Funktionelles strukturelles Anlagenmodell Sonderausgabe.