Effects of needle clumping in shoots and crowns on the radiative regime of a Norway spruce canopy

Abstract - The effects of hierarchical levels of needle clumping on the canopy transmittance of a conifer stand are examined using a 3D radiative transfer model. Canopy architecture in an experimental plot is described by the tree spatial distribution, crown shape, shoot geometry and needle morphology. Various assumptions about canopy structure (homogeneous or discontinuous; measured or random tree distribution) and basic foliage elements (needles or shoots) are tested. The vertical profiles of unintercepted direct and diffuse radiation, and the spatial variability of the fluxes within and between tree crowns are examined. In the case of a homogeneous canopy, most of the incoming radiation would appear to be absorbed when leaf area index (LAI) reaches a value of 5, while leaf clumping in crowns increases the average canopy transmittance at the base of the canopy (LAI 7.84) up to 4.9 % for direct and up to 10.9 % for diffuse radiation. The effect of needle clumping in shoots on light penetration rapidly decreases if needle clumping in crowns is also assumed. The impact of needle clumping on the indirect LAI estimates obtained by a LICOR LAI 2000 plant canopy analyser is quantified by simulating the device within the modelled tree canopies. Needle clumping in crowns induces an LAI underestimation of 54 % if the observed tree distribution is assumed, and this increases to 61 % in the case of a random distribution. In a homogeneous canopy, needle clumping in shoots induces an LAI underestimation of 36 %, while in discontinuous canopies the negative bias is only 4 %. (© Inra/Elsevier, Paris.)

Résumé - Effet de l'agrégation des aiguilles dans les rameaux et les houppiers sur le régime radiatif d'un couvert d'épicéa commun. Les effets du niveau d'organisation de l'agrégation des aiguilles sur la transmittance d'un couvert de conifères ont été évalués à partir d'un modèle tridimensionnel de transferts radiatifs. L'architecture des houppiers a été décrite dans une parcelle expérimentale par la distribution spatiale des arbres, la forme de leurs houppiers, la géométrie des rameaux et la morphologie des aiguilles. Plusieurs hypothèses de structure des houppiers (homogènes ou hétérogènes, distribution réelle ou au hasard) ont été testées. Les profils verticaux de rayonnement direct et diffus, et leur variabilité spatiale à l'intérieur et entre les houppiers, ont été examinés. Dans le cas d'un couvert homogène, la plus grande partie du rayonnement incident et absorbée lorsque l'indice foliaire (LAI) atteint une valeur de 5, alors que l'agrégation des aiguilles dans les houppiers augmente la transmittance moyenne à la base du couvert (LAI = 7,84) de 4,9 % pour le rayonnement direct et 10,9 % pour le diffus. L'effet sur la pénétration du rayonnement de l'agrégation des aiguilles sur les rameaux décroît rapidement si l'agrégation des aiguilles est aussi réalisée au niveau des houppiers. L'impact de l'agrégation des aiguilles sur la mesure indirecte du LAI au moyen de l'analyseur LI-COR LAI 2000 a été simulé par le modèle. L'agrégation des aiguilles dans les houppiers entraîne une sous-estimation du LAI de 54 % dans le cas de la distribution réelle des tiges dans la parcelle, et ce biais passe à 61 % dans le cas d'une distribution des tiges au hasard. Dans un couvert homogène, l'agrégation des aiguilles sur les rameaux entraîne une sous-estimation du LAI de 36 %, alors que pour un couvert discontinu, l'écart n'est plus que de 4 %. (© Inra/Elsevier, Paris.)