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Issue
Ann. For. Sci.
Volume 62, Number 6, September-October 2005
Page(s) 525 - 535
DOI http://dx.doi.org/10.1051/forest:2005045
Ann. For. Sci. 62 (2005) 525-535
DOI: 10.1051/forest:2005045

Forest and shrubland canopy carbon uptake in relation to foliage nitrogen concentration and leaf area index: a modelling analysis

David Whiteheada and Adrian S. Walcroftb

a  Landcare Research, PO Box 69, Lincoln 8152, New Zealand
b  Landcare Research, Private Bag 11052, Palmerston North, New Zealand

(Received 2 August 2004; accepted 8 March 2005)

Abstract - A multi-layer canopy model was used to simulate the effects of changing foliage nitrogen concentration and leaf area index on annual net carbon uptake in two contrasting indigenous forest ecosystems in New Zealand, to reveal the mechanisms regulating differences in light use efficiency. In the mature conifer-broadleaved forest dominated by Dacrydium cupressinum, canopy photosynthesis is limited principally by the rate of carboxylation associated with low nutrient availability. Photosynthesis in the secondary successional Leptospermum scoparium/Kunzea ericoides shrubland is limited by electron transport. Maximum carbon uptake occurred in spring at both sites. Annual increases in canopy photosynthesis with simulated increases up to 50% in leaf area index, L, or foliage nitrogen concentration per unit foliage area, Na, were largely offset by increases in night-time respiration. A realistic simulation where L was increased by 50% and Na by 20% together (equivalent to an increase in total canopy nitrogen of 80%) led to decreases in net annual carbon uptake because the increase in photosynthesis was offset by the increase in respiration. Given the environmental constraints, both canopies in their natural states appear to be operating at the optimum conditions of leaf area index and nitrogen concentration for maximum net carbon uptake.


Résumé - Assimilation de carbone par une canopée forestière et une végétation buissonnante en relation avec l'indice foliaire et les teneurs en azote : un exercice de modélisation. Un modèle multi couche de canopée forestière a été utilisé pour simuler les effets de changements des teneurs en azote foliaire et d'indice foliaire sur le bilan net annuel d'assimilation de carbone dans deux écosystèmes forestiers contrastés de Nouvelle Zélande, afin de révéler les mécanismes de régulation et de contrôle d'efficience d'utilisation de la lumière par les canopées. Dans la forêt primaire mixte conifère feuillue dominée par Dacrydium cupressinum, l'assimilation de carbone de la canopée est limité par la carboxylation, essentiellement du fait d'une faible disponibilité en éléments minéraux. Cette assimilation est limitée par le transport d'électrons photosynthétiques dans le cas du peuplement buissonnant secondaire à base de Leptospermum scoparium/Kunzea ericoides. Le maximum d'assimilation de carbone se produit au printemps dans les deux cas. Au cours de l'année, les gains induits dans la photosynthèse par des augmentations simulées d'indice foliaire de 50 % ont été largement contrebalancés par les pertes dues à l'augmentation de respiration nocturne. Une simulation réaliste dans laquelle l'indice foliaire était augmenté de 50 % et l'azote foliaire de 20 % (ce qui correspond à une augmentation de 10 % de l'azote total de la canopée) a conduit à une baisse du gain de carbone cumulé sur l'année. Étant données les contraintes imposées par l'environnement, les deux couverts semblent fonctionner à l'optimum de leur indice foliaire et de leur concentration en N et maximisent ainsi le gain annuel de carbone.


Key words: photosynthesis / respiration / leaf area index / nitrogen / light use efficiency

Mots clés : photosynthèse / respiration / index foliaire / azote / efficience d'utilisation de la lumière

Corresponding author: David Whitehead whiteheadd@landcareresearch.co.nz

© INRA, EDP Sciences 2005