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Using a mechanistic model to evaluate sampling designs for light transmission through forest plant canopies

1997; NRC Research Press; Volume: 27; Issue: 1 Linguagem: Inglês

10.1139/x96-154

1208-6037

Michael T. Ter‐Mikaelian, Robert G. Wagner, Christy Shropshire, Frederick W. Bell, Clarence J. Swanton,

Horticultural and Viticultural Research

We develop a mechanistic model that predicts instantaneous photosynthetically active radiation (PAR) to evaluate four spatial and temporal questions about measuring light in a plant competition study. Light sampling schemes are evaluated for a 2-year-old, plant density study with jack pine (Pinus banksiana Lamb.), large-leaved aster (Aster macrophyllus L.), and wild red raspberry (Rubus idaeus L. var. strigosus (Michx.) Maxim.). The model simulates PAR transmission through a plant canopy using two modules: a radiation module that simulates direct and diffuse components of global PAR and a distant-dependent vegetation module that simulates light interception by individual plants. Calibration and testing of the model using vegetation measurements and a subset of PAR data from the field study revealed that model predictions agreed closely with observed PAR measurements. Means and the standard deviations for prediction errors were n0.17% and 6.38% for aster, and 2.02% and 6.41% for raspberry, respectively. Using the model, we found that (1) positioning a line quantum sensor in diagonal positions on 1 × 1 m subplots underestimated average PAR transmission under aster and raspberry by 6.25% and 6.47%, respectively, at the ground level, and 7.47% and 6.91%, respectively, at the crown level; (2) there was no difference in predicted PAR transmission at the ground and crown levels between systematic and random arrangements of aster and raspberry plants in the density study; (3) instantaneous PAR transmission throughout the day under a clear sky was highly correlated with the daily average; and (4) the amplitude and standard deviation of predicted PAR transmission were relatively stable for sampling windows that spanned nearly the entire daylight period. Using this approach, we demonstrate how mechanistic models can be used to evaluate alternative experimental and sampling designs in field studies. Resume : Nous avons dOveloppO un modle mOcaniste qui prOdit le rayonnement photosynthOtiquement actif instantanO (PAR) afin diOvaluer quatre questions spatiales et temporelles concernant la mesure de la lumire dans une Otude de compOtition vOgOtale. Des mOthodes diOchantillonnage de la lumire sont OvaluOes pour une Otude de densitO vOgOtale avec le pin gris (Pinus banksiana Lamb.), liaster ‡ grande feuille (Aster macrophyllus L.) et le framboisier (Rubus idaeus L. var. strigosus (Michx.) Maxim.). Le modle simule la transmission du PAR ‡ travers un couvert vOgOtal en utilisant deux modules : un module de radiation qui simule les composantes directes et diffuses du PAR global et un module vOgOtal, dOpendant de la distance, qui simule liinterception de la lumire par les plantes individuelles. Le calibrage et la vOrification du modle utilisant des mesures vOgOtales et un sous-ensemble des donnOes du PAR provenant de liOtude sur le terrain ont dOmontrO que les prOdictions du modle concordent de faAon Otroite avec les mesures du PAR observOes. Les moyennes et les Ocarts-types des erreurs de prOdictions Otaient respectivement de n0,17% et 6,38% pour liaster et de 2,02% et 6,41% pour le framboisier. Utilisant le modle, nous avons trouvO que (1) la moyenne du PAR transmis Otait respectivement sous-estimOe sous liaster et le framboisier par des facteurs de 6,25% et 6,47% au niveau du sol et par des facteurs de 7,47% et 6,91% au niveau du couvert quand un senseur quantique linOaire Otait placO en diagonal dans des sous parcelles de 1 × 1 m; (2) la prOdiction du PAR transmis au niveau du sol et au niveau du couvert ne variait pas entre des distributions systOmatiques ou alOatoires diaster et de framboisier dans liOtude de densitO vOgOtale; (3) le PAR instantanO transmis pendant la journOe sous un ciel ouvert Otait hautement corrOlO avec la moyenne quotidienne; et (4) liamplitude et liOcart-type des valeurs prOdites du PAR transmis sont relativement stables pour des fenŒtres diOchantillonnage presque Oquivalentes ‡ la pOriode entire diensoleillement diune journOe. En utilisant cette approche nous dOmontrons de quelle faAon des modles mOcanistes peuvent Œtre utilisOs pour Ovaluer diautres dispositifs expOrimentaux diOchantillonnage pour des Otudes sur le terrain. (Traduit par la ROdaction)