Wenn Weinbauern versuchen, Ertrag und Qualität ihrer Ernten zu optimieren, wird die Struktur des Baldachins ist ein entscheidender Faktor. Erziehungssysteme für Reben erzeugen Überdachungsarchitekturen, die an unterschiedliche Wachstumsbedingungen angepasst werden können. Die Modellierung der Auswirkungen auf den Gasaustausch dieser Kronenstrukturen beinhaltet die Verwendung von Daten auf Blattebene, aber die Berücksichtigung von Heterogenitäten, die im gesamten Kronendach vorhanden sind. Frühere Modellierungen haben diese Variationen weitgehend vernachlässigt.

In einem kürzlich veröffentlichten Artikel in Annals of Botany, Jorge A. Prieto und Kollegen entwickelt ein funktional-strukturelles Pflanzenmodell, das Prozesse von der Blattebene auf die Ebene des gesamten Blätterdachs skaliert um zu beurteilen, wie sich die Kappenstruktur auf den Gasaustausch auswirkt. Die Forscher kombinierten ein 3D-Baumwipfelarchitekturmodell, ein Lichtabfangmodell und ein Modell, das die Photosynthese und die Stomataleitfähigkeit berücksichtigt und lichtbedingte Variationen in der Stickstoffverteilung im Baumkronendach integriert. Anschließend testeten sie das Modell an Pflanzen mit unterschiedlichen Trainingssystemen, die in Kammern gezüchtet wurden, und bewerteten den Gasaustausch der gesamten Pflanze.

Die Fähigkeit dieses Modells, eine ungleichmäßige Verteilung von Licht- und Blattstickstoff über das Blätterdach zu berücksichtigen, ermöglichte es, den gesamten täglichen Gasaustausch in verschiedenen Blätterdacharchitekturen mit einem geringen Fehlerniveau zuverlässig vorherzusagen. Modelle, die nur die maximale Photosynthesekapazität für alle Blätter berücksichtigen, überschätzten den Netto-Kohlendioxidaustausch um fast ein Drittel. Obwohl es nicht ungewöhnlich ist, kann die Extrapolation der Daten von einzelnen Blättern auf die gesamte Baumkrone sehr irreführend sein. „Funktionell-strukturelle Pflanzenmodelle werden zunehmend verwendet, um komplexe Wechselwirkungen zwischen Pflanzenarchitektur und physiologischen Prozessen in vielen Arten auf unterschiedlichen Skalen zu verstehen“, schreiben die Autoren. Sie stellen fest, dass „eine zentrale Herausforderung bei der Arbeit mit Modellen im Pflanzenmaßstab ihre Validierung mit unabhängigen Felddaten ist, insbesondere für Fruchtstauden. Es wurden jedoch nur sehr wenige Versuche unternommen, Gasaustauschmodelle im Anlagenmaßstab zu validieren.“

Bestimmte Annahmen wurden getroffen, um das Modell zu vereinfachen, einschließlich gleichmäßiger Lufttemperatur, relativer Luftfeuchtigkeit, Windgeschwindigkeit und Kohlendioxidgehalt innerhalb des Blätterdachs. Der Zeitschritt des Modells wurde ebenfalls auf eine Stunde gesetzt, um die Berechnungszeiten überschaubar zu halten, wodurch jedoch sehr schnelle Änderungen, wie z. B. Sonnenflecken, nicht berücksichtigt wurden. In einigen Fällen, wie z. B. der Windvariabilität innerhalb der Überdachung, sind mehr Daten erforderlich, bevor diese Faktoren realistisch modelliert werden können. „Diese Studien ebnen den Weg für die Bewertung der Möglichkeiten zur Anpassung der Weingartenbewirtschaftung an Umweltbeschränkungen wie Wassermangel oder hohe Temperaturen, die normalerweise in vielen Weinbauregionen weltweit zu beobachten sind, auf der Ebene des gesamten Blätterdachs“, schreiben die Autoren.