Ann. For. Sci. 61 (2004) 337-345
DOI: 10.1051/forest:2004027

A fractal root model applied for estimating the root biomass and architecture in two tropical legume tree species

Eduardo Salas^a, Harry Ozier-Lafontaine^b and Pekka Nygren<sup>c

a</sup>  Escuela de Fitotecnia, Universidad de Costa Rica, Ciudad Universitaria "Rodrigo Facio", San Pedro de Montes de Oca, Costa Rica
^b  UR Agropédoclimatique, INRA, Centre Antilles-Guyane, Domaine Duclos, 97170 Petit Bourg, Guadeloupe, France
^c  Department of Forest Ecology, PO Box 27, 00014 University of Helsinki, Finland

(Received 31 January 2003; accepted 20 August 2003)

Abstract - A fractal root model with parameter estimation based on pipe model theory was applied for studying root architecture of Erythrina lanceolata and Gliricidia sepium associated with crops in agroforestry. The results were compared with a theoretical volume-filling fractal model on scaling of plant vascular system. Scaling of root diameter at bifurcation followed same parameter values over the whole root system. The parameter values were approximately equal in both species. Length between two bifurcations could not be estimated according to volume-filling fractal principles, but an empirical regression was used. An empirical model was also applied for estimating bifurcation angles. These characteristics seem to respond strongly to local root environment, and their modelling calls for studying root-soil interactions. Agronomic applications of this study indicate the usefulness of an architectural approach for the study of belowground interactions in agroforestry systems.

Résumé - Application d'un modèle racinaire fractal à l'estimation de la biomasse et de l'architecture racinaire de deux espèces d'arbres légumineux. Un modèle racinaire fractal dont l'estimation des paramètres repose sur la théorie du « modèle vasculaire » a été appliqué à l'étude de l'architecture de Erythrina lanceolata et Gliricidia sepium cultivés dans des systèmes agroforestiers. Ce modèle a été confronté à un modèle fractal théorique dédié à la simulation du système vasculaire de plantes. La diminution de la section conductrice au niveau de chaque ramification demeure indépendante du diamètre, et peut-être considérée comme étant invariable à l'échelle de l'ensemble du système racinaire. Les valeurs des paramètres d'échelle sont approximativement équivalentes pour les deux espèces. La distance entre deux ramifications n'a pas pu être estimée à partir du deuxième modèle, aussi a-t-elle été estimée à partir d'une régression empirique. Un modèle empirique a également été utilisé pour l'estimation de la distribution des angles de ramifications. Ces modalités sont typiques d'interactions fortes avec les caractéristiques de l'environnement local, et leur modélisation nécessite une étude approfondie des interactions sol-racines. Cette étude débouche sur des considérations agronomiques qui montrent l'utilité d'approches architecturales pour l'amélioration de la gestion des interactions souterraines dans les systèmes agroforestiers.

Key words: Erythrina lanceolata / Gliricidia sepium / agroforestry / pipe model / self-similarity

Mots clés : Erythrina lanceolata / Gliricidia sepium / agroforesterie / modèle vasculaire / autosimilarité

Corresponding author: Pekka Nygren pekka.nygren@helsinki.fi

© INRA, EDP Sciences 2004