Von der Komplexität zur Einfachheit: Bewertung von Lichtabfangmodellen

Die Lichtabsorption beschreibt, wie effektiv eine Pflanze Sonnenlicht mit ihren Blättern einfängt. Die Maximierung dieser Absorption ist für die Verbesserung der Photosynthese unerlässlich, die wiederum direkte Auswirkungen auf die Ernteerträge hat. Eine neue Studie vergleicht die Effektivität einfacher, mittlerer und komplexer Modelle bei der genauen Berechnung der Lichtabsorption. Durch die Simulation verschiedener Kronendacheigenschaften und Pflanzenarchitekturen über eine Wachstumsperiode hinweg zeigt die Forschung, dass trotz unterschiedlicher Modellkomplexität das einfachste Modell für die Berechnung der Lichtabsorption bei Mais ausreicht.

Die Lichtabsorption wird von mehreren Faktoren beeinflusst, unter anderem:

• optische Eigenschaften des Blattes wie Farbe und Wassergehalt,
• Pflanzenarchitektur wie Blattgröße, -winkel, -verteilung und -form und
• Umweltbedingungen wie Beschattung durch andere Pflanzen, Bewölkung und Sonnenwinkel.

Nicht abgefangenes Licht wird entweder von der Oberfläche reflektiert oder durch die Blätter hindurch in die unteren Teile der Pflanze geleitet.

Ein einfaches Modell der Lichtabsorption, das wichtige Aspekte der Pflanzengeometrie erfasst, wurde vor fast 50 Jahren von J. Goudriaan entwickelt und wird heute noch häufig verwendet. Es stellt die Reihen des Kronendachs als homogen dar Blöcke, getrennt durch leere Pfade. Die Blöcke sind durch Höhe und Breite sowie die Menge an Blattmaterial gekennzeichnet, die im Blockvolumen enthalten ist. Die Strahlung Die Komponente des Blockmodells, die das einfallende Licht berechnet, geht davon aus, dass das einfallende Licht von einem gleichmäßig bedeckten Himmel stammt und die Lichtabsorption durch den Block gleichmäßig ist.

Im Gegensatz dazu funktionell-strukturelle Pflanzenmodelle (FSPMs) stellen die Reihen des Kronendachs dar, wobei die 3D-Struktur, Größe, Orientierung und optischen Eigenschaften einzelner Blätter und Stängel berücksichtigt werden. Die Strahlungskomponente des FSPM verwendet eine Raytracing-Algorithmus. Es funktioniert, indem es den Weg der Lichtstrahlen in 3D nachzeichnet und die Sonnenwinkel erfasst, die vom Tag des Jahres, dem Breitengrad und der Tageszeit beeinflusst werden.

Bei FSPMs müssen zahlreiche Parameter geschätzt werden, was zu hohen Datenanforderungen und erheblicher Rechenkomplexität führt. Im Gegensatz dazu sind einfachere Methoden wie der Blockansatz weniger datenintensiv und haben viel kürzere Rechenzeiten.

Dr. Shuangwei Li von der China Agricultural University und Kollegen untersucht, ob der Blockansatz die Lichtabfangung so genau berechnen kann wie ein FSPM.

Da sich die von Dr. Li verwendeten FSPM- und Blockmodelle in zwei wesentlichen Aspekten unterschieden (wie sie Strahlung und Baumkronen simulieren), war es unmöglich zu bestimmen, welche Faktoren zu Unterschieden zwischen der simulierten Lichtabsorption beitrugen. Um festzustellen, ob die Abweichungen zwischen den Ergebnissen des FSPM- und Blockmodells auf die Strahlungskomponente zurückzuführen waren, erstellte sie eine Zwischen- Modell, das Raytracing für das Strahlungsmodell und Blockstrukturen für das Blätterdach verwendet. Der Vergleich des Zwischenmodells mit dem FSPM zeigt, wie vereinfachte Darstellungen von Pflanzen und Blätterdach die berechnete Lichtabfangung beeinflussen, während der Vergleich mit dem Blockmodell die Auswirkungen der vereinfachten Strahlungskomponente auf die Lichtabfangung veranschaulicht.

Die Autoren führten Simulationen mit den drei Modellen über eine Vegetationsperiode durch, wobei sich die Pflanzenarchitektur und Kronendacheigenschaften wie Kronendachhöhe und Blattdichte täglich änderten. Die Simulationen berücksichtigten auch tägliche Änderungen in der Pflanzenarchitektur, die die vom Kronendach absorbierte, durchgelassene oder reflektierte Lichtmenge beeinflussen. Diese Änderungen wurden für das FSPM detailliert modelliert, wobei für das Zwischenmodell (gleichmäßige Blätter) ein allgemeinerer Ansatz verwendet wurde, während das Blockmodell einen festen Wert in seinen Berechnungen verwendete.

Die Autoren stellten fest, dass sich die drei Modelle zwar in ihren täglichen Simulationen der Lichtabsorption unterschieden, die Gesamtlichtabsorption während der Wachstumsperiode jedoch bei allen drei Modellen vergleichbar war. Der Unterschied zwischen dem Blockmodell (dem einfachsten Ansatz) und dem FSPM (dem komplexesten Ansatz) betrug nur 3.1 %.

Trotz der vereinfachenden Annahmen im Blockmodell hinsichtlich der Darstellung des Kronendachs und der Berechnung der Lichtabfangung lag die geschätzte Lichtabfangung nahe an den Schätzungen komplexerer und realistischerer Modelle, die Raytracing und 3D-Darstellung der Pflanzenarchitektur verwenden. Diese Ergebnisse unterstützen die Verwendung des Goudriaan-Blockmodells zur Berechnung der Lichtabfangung bei Mais anstelle von FSPM.

DER ARTIKEL::

Shuangwei Li, Wopke van der Werf, Fang Gou, Junqi Zhu, Herman NC Berghuijs, Hu Zhou, Yan Guo, Baoguo Li, Yuntao Ma, Jochem B Evers, Eine Bewertung von Goudriaans zusammenfassendem Modell zur Lichtabsorption in Streifendächern unter Verwendung funktional-struktureller Pflanzenmodelle, in silico Plants, Band 6, Ausgabe 1, 2024, diae002, https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diae002