Hur kan vi modell fotosyntesen?

Många år av mätdata har producerat en hel del information om processer i boreal skogen såsom fotosyntesen, transpirationen och andningen. Vi vet ungefär hur träd reagerar på ändringar i ljusets intensitet (PAR), luftfuktigheten (VPD) och markens fuktighet (REW) i olika säsong. Denna information kan presentera om matematiska modeller som också kan förutsäga framtida beteende av träden. Matematiska modellering är ett typiskt sätt att beskriva fenomenen exat och konsist. När vi utsikt modeller, är det viktigt att komma ihåg att modellen beskriver verklighet endast genom variablerna.

"Kloträd" animationen visar assimilation fastighet, som beräknas på ett relativt enkelt matematiska modeller med användning av vädret och markförhållanden, som mäts i Hyytiälä. Modellen innehåller de vanligaste miljö svar, medan den interna av tillståndsändring av växten har utelämnats. Det innebär att svaren som presenteras här är inte nodvänligtvist lika över hela året, de kan ändras med tiden.

Assimilation modell är ekvationen för den främsta påverkande och begränsande faktorer:

P = f(LAI) • f(PAR) • Min{f(VPD),f(REW)} • f(T) • f(Tmin) • f(S) • f(CO2).

P är fotosyntesen eller snarare kol flux, som är orsaken av fotosyntesen.

Assimilation fastighet kan man bestämma ett medel för den bladyta (LAI), ljusintensitet (PAR) och koncentration av koldioxid (CO2). Miljöförhållandena är inte alltid optimal. Där andra faktorer som luftfuktighet (VPD), dagens minimitemperatur (Tmin), temperatur (T), temperatur historien eller markfuktighet (REW) justerar och begränsar assimilation fastighet.

Nedan visas effekten av varje faktor:

LAI ("Leaf Area Index") bladens totala yta, som speglar antalets löv i trädkronorna. I principal det ökande antalet tidskrifter assimilation fastighet ska också växa. Bladen dock kasta över varandra i skogen så träd ska koncentrera sina resurserna på bladen på olika sätt i olika delar av kronan. När LAI ökar sig ska assimilation fastighet reducera i en långsammare takt.

Man kan uttrycka relationen av LAI och assimilation med matematiska formulär:

f(LAI)= 1 / K * (1 –e–K * LAI).

LAI = 8 m2/m2 och K = 0.18 i 50-åring mätnings plats.
 

PAR ("Photosynthetically Active Radiation") beskriver ljusintensivitet. Fotosyntesen accelererar snabbt då ett svagt ljus blir starkare, men en ökad ljusintensitet gör inte fotosyntesen snabbare i all oändlighet.

Man kan uttrycka relationen av PAR och assimilation med matematiska formulär:

f(PAR) = Pmax * PAR / (PAR + B).

Pmax= 9 µmol m–2 s–1 och B = 600 µmol m–2 s–1 i SMEAR II-mätstationer.
 

VPD Underskottet i vattnets ångtryck VPD (VPD, vapor pressure deficit) skrivs skillnaden mellan ångtrycket i liften och luftens maximala ångtryck. Det är typiska kavantitet för ekologiska försningen och det beskriver luft hastighet. När VPD är högat det menar att uftfuktigheten är låg och att luften har en stor kapacitet att binda vattenånga. Avdunstingen av växten ökar när uftfuktigheten är låg. Eftersom vatten avdunstar genom klyvöppningarna och eftersom en för stor avdunstning är skadlig, reglerar och optimerar växten öppningarnas storlek. Växten skulle torka ut utan avdunsting kontrol. För att växterna ska få den koldioxid ur atmosfären som behövs för fotosyntesen, lönar det sig för dem att hålla klyvöppningarna så öppna som möjligt. Stomata stängning bromsa avdunsting, men också fotosyntes.

Man kan uttrycka relationen av VPD och assimilation fastighet med matematiska formulär:

f(VPD)= e–H*VPD.

H = 0.02 i SMEAR II-mätstation.

 

REW REW (relative extractable water) betyder den vattenmängd i marken som är användbar för växterna. Då marken torkar leder det i bladen till en likadan reaktion som ett stort VPD, alltså torr luft: klyvöppningarna tillsluts och koldioxidflödet till bladen blir långsammare, vilket leder till att också assimilationen blir långsammare.

REW som assimilation fastighet kan man beskriva med matematiska formulär:

if  REW≥REWCRIT ,   f(REW) = 1,
if  REW<REWCRIT ,   f(REW ) = Max { 0 , REW / REWCRIT }.

REWCRIT = 0.45 i SMEAR II-mätstationen

 

Temperatur (T) påverkar assimilation fastighet i tre olika sätt mekanismer, med hänsym till minimitemperaturen på 24 timmar (Tmin), den aktuella a temperaturen (T) och temperaturhistorik. Om temperaturen är mindre än noll i de sista 24 timmarna, reducerar assimilation fastighet. Om temperaturen är under 10 minusgrader, är assimilation fastighet noll. I matematiska ekvation det betyder att:

    f(Tmin) = Max { 0 , Min { 1, (T0min – Tmin ) / T0min } }.

T0min = –10 °C i SMEAR II-mätstationen.

Assimilation hastighet varierar med säsong. Det ärt högst i sommaren och det lägsta i vintern. Denna process styr temperaturen på luften.

 

En modell beskrivs i artiklen:

Mäkelä, A., Pulkkinen, M., Kolari, P., Lagergren, F., Berbigier, P., Lindroth, A., Loustau, D., Nikinmaa, E., Vesala, T., and Hari, P. 2008. Developing an empirical model of stand GPP with the LUE approach: analysis of eddy covariance data at five contrasting conifer sites in Europe. Global Change Biology, 14, 92-108.