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Issue
Ann. For. Sci.
Volume 57, Number 3, March-April 2000
Page(s) 229 - 243
DOI http://dx.doi.org/10.1051/forest:2000114
DOI: 10.1051/forest:2000114

Ann. For. Sci. 57 (2000) 229-243

Modelling age- and density-related gas exchange of Picea abies canopies in the Fichtelgebirge, Germany

Eva Falge - John D. Tenhunen - Ron Ryel - Martina Alsheimer - Barbara Köstner

Biometeorology, ESPM, Univ. of California, Berkeley, CA 94720, USA

(Received 22 July 1999; accepted 1 December 1999)

Abstract:

Differences in canopy exchange of water and carbon dioxide that occur due to changes in tree structure and density in montane Norway spruce stands of Central Germany were analyzed with a three dimensional microclimate and gas exchange model STANDFLUX. The model was used to calculate forest radiation absorption, the net photosynthesis and transpiration of single trees, and gas exchange of tree canopies. Model parameterizations were derived for six stands of Picea abies (L.) Karst. differing in age from 40 to 140 years and in density from 1680 to 320 trees per hectare. Parameterization included information on leaf area distribution from tree harvests, tree positions and tree sizes. Gas exchange was modelled using a single species-specific set of physiological parameters and assuming no influence of soil water availability. For our humid montane stands, these simplifying assumptions appeared to be acceptable. Comparisons of modelled daily tree transpiration with water use estimates from xylem sapflow measurements provided a test of the model. Estimates for canopy transpiration rate derived from the model and via xylem sapflow measurements agreed within $\pm$20%, especially at moderate to high air vapor pressure deficits. The results suggest that age and density dependent changes in canopy structure (changes in clumping of needles) and their effect on light exposure of the average needle lead to shifts in canopy conductance and determine tree canopy transpiration in these managed montane forests. Modelled canopy net photosynthesis rates are presented, but have not yet been verified at the canopy level.


Keywords: norway spruce / xylem sapflow / canopy transpiration / canopy light use efficiency / biosphere-atmosphere interactions

Résumé:

Effet de l'âge et de la densité sur la modélisation des échanges gazeux dans la canopée de peuplements de Picea abies (L) Karst. dans le Fichtelgebirge (Allemagne). Les différences d'échange d'eau et de dioxyde de carbone au niveau de la canopée qui se produisent à la suite de changements dans la structure et la densité des arbres dans des peuplements d'Epicéa commun en zone de montagne de l'Allemagne centrale, ont été analysées selon le modèle tridimensionnel de microclimat et d'échange gazeux STANDFLUX. Le modèle a été utilisé pour calculer l'absorption du rayonnement par la forêt, le bilan photosynthétique net et la transpiration d'arbres individuels, et les échanges gazeux au niveau de la canopée. La paramétrisation du modèle a été effectuée à partir des mesures dans six peuplements de Picea abies (L.) Karst. dont l'âge variait de 40 à 140 ans et la densité des peuplements de 1680 à 320 arbres par hectare. La paramétrisation incluait l'information sur la distribution de la surface foliaire à partir de l'exploitation d'arbres, la position des arbres et leurs dimensions. Les échanges gazeux ont été modélisés en utilisant une série de paramètres physiologiques spécifiques de l'espèce, et en supposant qu'il n'y avait aucune influence de la disponibilité en eau. Pour les peuplements considérés en zone humide de montagne, ces hypothèses semblent acceptables. La comparaison de l'estimation par modélisation de la transpiration journalière avec l'estimation de l'eau absorbée par la mesure du flux de sève xylémique a permis de tester le modèle. L'estimation du taux de transpiration par la canopée dérivé du modèle par la mesure du flux xylémique concorde à $\pm20$%, spécialement lorsque les déficits de pression de vapeur sont modérés ou élevés. Les résultats suggèrent que les changements dans la structure de la canopée, dépendant de l'âge et la densité et leurs effets sur l'exposition à la lumière de l'aiguille moyenne conduisent à un décalage dans la conductance de la canopée et déterminent la transpiration dans la canopée de l'arbre de ces forêts aménagées de montagne. Les taux de photosynthèse nette modélisés de la canopée sont présentés, mais n'ont pas encore été validés au niveau des mesures.


Mots clé : épicéa / modèle tridimentionnel STANDFLUX / flux de sève / transpiration de la canopée / efficience d'utilisation de la lumière / interaction biosphère-atmosphère

Correspondence and reprints: Eva Falge
Tel. (49) 921.55.2576; falge@uni-bayreuth.de

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