光遮断とは、植物が葉で太陽光をどれだけ効率的に捕らえるかを表します。この遮断を最大化することは、作物の収穫量に直接影響する光合成を高めるために不可欠です。新しい研究では、光遮断を正確に計算する上での単純、中程度、複雑なモデルの有効性を比較しています。生育期のさまざまな樹冠特性と植物構造をシミュレートすることにより、この研究では、モデリングの複雑さの違いにもかかわらず、最も単純なモデルでトウモロコシの光遮断計算に十分であることが実証されています。
光の遮断には、次のようないくつかの要因が影響します。
- 葉の色や水分含有量などの光学特性、
- 葉の大きさ、角度、分布、形などの植物の構造、および
- 他の植物による日陰、雲量、太陽の角度などの環境条件。
遮断されなかった光は、表面で反射されるか、葉を通して植物の下部に到達します。
作物の形状の重要な側面を捉える単純な光遮断モデルは、J. Goudriaanによって約50年前に開発され、現在でも広く使用されています。このモデルは、樹冠の列を均質なものとして表現します。 ブロック、空のパスで区切られています。ブロックは高さと幅、ブロックの体積に含まれる葉の材料の量によって特徴付けられます。 放射線 入射光を計算するブロック モデルのコンポーネントは、入射光が均一な曇り空から発生し、ブロックによる光の遮断が均一であると想定します。
対照的に、機能構造植物モデル（FSPM）は、個々の葉と茎の3D構造、サイズ、方向、光学特性を考慮して、樹冠の列を表します。FSPMの放射成分は、 レイトレーシングアルゴリズムこれは、光線の経路を 3D でトレースし、年、緯度、時刻によって影響を受ける太陽の角度を捉えるものです。
FSPM では多数のパラメータを推定する必要があり、大量のデータが必要となり、計算がかなり複雑になります。対照的に、ブロック アプローチなどのより単純な方法では、データ集約度が低く、計算時間もはるかに短くなります。
中国農業大学の李双偉博士と同僚 ブロックアプローチがFSPMと同じくらい正確に光遮断を計算できるかどうかを調査した.
リー博士が使用したFSPMとブロックモデルは2つの重要な側面（放射と樹冠のシミュレーション方法）で異なっていたため、シミュレーションされた光遮断の違いにどの要因が影響したかを判断することは不可能でした。FSPMとブロックモデルの結果の違いが放射成分によるものかどうかを判断するために、彼女は 中間の 放射モデルにレイトレーシングを使用し、樹冠にブロック構造を使用したモデル。中間モデルを FSPM と比較すると、植物と樹冠の簡略化された表現が計算された光遮断にどのように影響するかが示され、ブロック モデルと比較すると、簡略化された放射コンポーネントが光遮断に与える影響が示されます。
著者らは、成長期に 3 つのモデルを使用してシミュレーションを実行しました。このシミュレーションでは、植物の構造と、樹冠の高さや葉の密度などの樹冠の特性が毎日変化します。シミュレーションでは、樹冠によって吸収、透過、または反射される光の量に影響を与える植物の構造の毎日の変動も組み込まれました。これらの変化は、FSPM では詳細にモデル化され、中間モデル (均一な葉) ではより一般的なアプローチが採用されましたが、ブロック モデルでは計算に固定値が使用されました。
著者らは、3.1 つのモデルは毎日の光遮断のシミュレーションが異なっているにもかかわらず、生育期中の光遮断の合計は XNUMX つのモデルすべてで同等であることを発見しました。ブロック モデル (最も単純なアプローチ) と FSPM (最も複雑なアプローチ) の差はわずか XNUMX% でした。
ブロック モデルでは、樹冠の表現と光遮断の計算に関して単純化された仮定が採用されていますが、推定された光遮断は、レイ トレーシングと植物構造の 3D 表現を使用する、より複雑で現実的なモデルで行われた推定値に近いものでした。これらの結果は、トウモロコシの光遮断を計算するために、FSPM の代わりに Goudriaan のブロック モデルを使用することを支持しています。
記事を読む：
Shuangwei Li、Wopke van der Werf、Fang Gou、Junqi Zhu、Herman NC Berghuijs、Hu Zhou、Yan Guo、Baoguo Li、Yuntao Ma、Jochem B Evers、 機能構造植物モデルを用いた、帯状樹冠における光遮断に関するグードリアーン要約モデルの評価, in silico Plants、第6巻、第1号、2024年、diae002、 https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diae002
