Ann. For. Sci. 60 (2003) 153-161
DOI: 10.1051/forest:2003008

An examination of the interaction between climate, soil and leaf area index in a Quercus ilex ecosystem

Corine Hoff and Serge Rambal

DREAM, Centre d'écologie Fonctionnelle et évolutive (FRE 2633), CNRS, 34293 Montpellier, Cedex 5, France
(Received 2 Avril 2002; accepted 19 August 2002)

Abstract
In Mediterranean-type ecosystems, water availability is one of the most significant variables that regulates whole plant leaf area. An equilibrium should exist between climate, soil and leaf area in such water-limited conditions. The aim of this study was to identify the relations between leaf area index (LAI), environment (climate, soil) and fluxes (water, carbon) in Mediterranean evergreen oak (Quercus ilex L.) ecosystems. To achieve this objective, 50-years simulations were performed using the FOREST-BGC model by varying LAI for a reference site and for different climates and soil water holding capacities (SWC). Transpiration, drought stress, net photosynthesis and canopy water use efficiency (WUE) were examined on a yearly basis for the last ten years of the simulation. Similar to other findings, our results show that LAI depends on site water availability, including both climate (precipitation, potential evapotranspiration) and soil factors (e.g. water storage capacity). Low SWC limit the development of the ecosystem. On high SWC soils, development is mainly limited by the climate. When LAI increases under constant SWC and climate conditions, the decrease in annual transpiration per unit of LAI is accompanied by an increase in drought stress. Equilibrium LAI maximizes carbon assimilation. For the reference site, the equilibrium LAI is close to the observed value, 3.25. The corresponding transpiration, assimilation and WUE are 375 mm, 1251 g C m ^-2 and 3.1 mmol CO ₂ mol ^-1 H ₂O, respectively. For the different sites, there is an hyperbolic decline of WUE with increasing SWC. This implies that production efficiency per unit leaf area is higher in most water-limited environments. Our study shows that a model such as FOREST-BGC allows inter-relations between water balance, carbon balance and drought stress to be taken into account to better understand ecosystem LAI.

Résumé
Interactions entre climat, sol et surface foliaire dans un écosystème à Quercus ilex. Dans les écosystèmes méditerranéens, la disponibilité en eau est une des variables les plus significatives qui régulent la surface foliaire. Un équilibre doit exister entre le climat, le sol et la surface foliaire dans ces conditions de limitation en eau. L'objectif de cette étude est d'identifier les relations entre l'indice foliaire (LAI), l'environnement (climat, sol) et les flux (eau, carbone) pour les écosystèmes à chêne sempervirent méditerranéen Quercus ilex L. Pour cela, des simulations de 50 ans ont été effectuées avec le modèle FOREST-BGC en faisant varier le LAI pour un site de référence et pour différents climats et capacités en eau du sol (SWC). La transpiration, la contrainte hydrique, la photosynthèse nette et l'efficacité d'utilisation de l'eau de la canopée (WUE) ont été examinées au niveau annuel pour les dix dernières années de la simulation. Le LAI dépend de la disponibilité en eau du site qui inclue des facteurs climatiques (précipitation, évapotranspiration potentielle) et du sol (capacité du sol à stocker l'eau). Des faibles SWC limitent le développement de l'écosystème. à fort SWC, ce développement est principalement contrôlé par le climat. Quand LAI augmente sous climat et SWC constants, la diminution de la transpiration unitaire est accompagnée d'une augmentation de la contrainte hydrique. Le LAI d'équilibre maximise l'assimilation du carbone. Pour le site de référence, le LAI d'équilibre est proche de la valeur observée, 3,25. Les transpiration, assimilation et WUE correspondantes sont de 375 mm, 1251 g C m ^-2 et 3,1 mmol CO ₂ mol ^-1 H ₂O, respectivement. Aux différents sites, WUE décroît de manière hyperbolique avec l'augmentation de SWC. Ceci implique que l'efficacité de production par unité d'indice foliaire est plus importante dans les environnements les plus limités en eau. Notre étude montre qu'un modèle comme FOREST-BGC permet de prendre en compte les interrelations entre les bilans en eau et en carbone et la contrainte hydrique pour mieux comprendre la signification du LAI d'un écosystème.

Key words: leaf area index / hydrological equilibrium / water availability / climate / soil factor / Mediterranean-type ecosystem / Quercus ilex L. / evergreen oak

Mots clés : indice foliaire / équilibre hydrologique / disponibilité en eau / climat / propriétés du sol / écosystème méditerranéen / Quercus ilex L. / chêne sempervirent

Correspondence and reprints: Corine Hoff Tel.: 33 4 67 61 32 71; fax: 33 4 67 41 21 38;
    e-mail: hoff@cefe.cnrs-mop.fr

© INRA, EDP Sciences 2003