La intercepción de la luz describe la eficacia con la que una planta capta la luz solar con sus hojas. Maximizar esta intercepción es esencial para mejorar la fotosíntesis, que influye directamente en el rendimiento de los cultivos. Un nuevo estudio compara la eficacia de los modelos simples, intermedios y complejos para calcular con precisión la intercepción de la luz. Al simular varias características del dosel y arquitecturas de las plantas durante una temporada de crecimiento, la investigación demuestra que, a pesar de las diferencias en la complejidad del modelado, el modelo más simple es suficiente para los cálculos de intercepción de la luz en el maíz.

Varios factores influyen en la interceptación de la luz, entre ellos:

  • Propiedades ópticas de las hojas, como el color y el contenido de agua,
  • arquitectura de la planta, como el tamaño, el ángulo, la distribución y la forma de las hojas, y
  • condiciones ambientales como la sombra de otras plantas, la cobertura de nubes y los ángulos solares.
Diagrama simplificado de reflexión, transmisión, absorción y emisión de radiación.

La luz que no es interceptada se refleja en su superficie o se transmite a través de las hojas y llega a las partes inferiores de la planta.

Hace casi 50 años, J. Goudriaan desarrolló un modelo simple de intercepción de luz que captura aspectos clave de la geometría del cultivo y que todavía se utiliza ampliamente en la actualidad. Representa las hileras del dosel como si fueran homogéneas. bloques, separados por caminos vacíos. Los bloques se caracterizan por la altura y el ancho y la cantidad de material de hoja contenido en el volumen del bloque. radiación El componente del modelo de bloque, que calcula la luz entrante, supone que la luz entrante se origina en un cielo nublado uniforme y que la intercepción de luz por el bloque es uniforme.

Por el contrario, los modelos de planta funcionales y estructurales (FSPM) representan las filas del dosel considerando la estructura 3D, el tamaño, la orientación y las propiedades ópticas de las hojas y los tallos individuales. El componente de radiación del FSPM utiliza un algoritmo de trazado de rayosFunciona trazando la trayectoria de los rayos de luz en 3D y captura los ángulos solares afectados por el día del año, la latitud y la hora del día.

Los FSPM requieren la estimación de numerosos parámetros, lo que genera una gran demanda de datos y una complejidad computacional significativa. Por el contrario, los métodos más simples, como el enfoque de bloques, requieren menos datos y tiempos de cálculo mucho más cortos.

El Dr. Shuangwei Li de la Universidad Agrícola de China y sus colegas Se investigó si el enfoque de bloques puede calcular la intercepción de luz con tanta precisión como un FSPM..

Debido a que los modelos FSPM y de bloques utilizados por la Dra. Li diferían en dos aspectos clave (cómo simulaban la radiación y el dosel), sería imposible determinar qué factores contribuyeron a las diferencias entre sus intercepciones de luz simuladas. Para determinar si las variaciones entre los resultados del FSPM y del modelo de bloques se debían al componente de radiación, creó un modelo de intermedio modelo que utilizó el trazado de rayos para el modelo de radiación y estructuras de bloques para el dosel. La comparación del modelo intermedio con el FSPM demostrará cómo las representaciones simplificadas de plantas y el dosel influyen en la intercepción de luz calculada, mientras que la comparación con el modelo de bloques ilustrará el impacto del componente de radiación simplificado en la intercepción de luz.

Secciones transversales a través del dosel del cultivo en franjas para los modelos FSPM, Intermedio y de Bloque, y su enfoque para representar el dosel y la radiación.

Los autores realizaron simulaciones utilizando los tres modelos a lo largo de una temporada de crecimiento, en las que la arquitectura de la planta y las características del dosel, como la altura del dosel y la densidad de las hojas, cambiaban diariamente. Las simulaciones también incorporaron cambios diarios en la arquitectura de la planta que influyen en la cantidad de luz absorbida, transmitida o reflejada por el dosel. Estos cambios se modelaron en detalle para el FSPM, con un enfoque más general para el modelo intermedio (hojas uniformes), mientras que el modelo de bloques utilizó un valor fijo en sus cálculos.

Los autores descubrieron que, si bien los tres modelos diferían en sus simulaciones diarias de intercepción de luz, la intercepción total de luz durante la temporada de crecimiento era comparable en los tres modelos. La diferencia entre el modelo de bloques (el enfoque más simple) y el FSPM (el enfoque más complejo) era solo del 3.1 %.

A pesar de las suposiciones simplificadoras realizadas en el modelo de bloques con respecto a la representación del dosel y el cálculo de la intercepción de luz, la intercepción de luz estimada fue cercana a las estimaciones realizadas con modelos más complejos y realistas que utilizan el trazado de rayos y la representación 3D de la arquitectura de la planta. Estos resultados respaldan el uso del modelo de bloques de Goudriaan para calcular la intercepción de luz en el maíz en lugar del FSPM.

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Shuangwei Li, Wopke van der Werf, Fang Gou, Junqi Zhu, Herman NC Berghuijs, Hu Zhou, Yan Guo, Baoguo Li, Yuntao Ma, Jochem B Evers, Una evaluación del modelo resumido de Goudriaan para la intercepción de luz en copas de árboles, utilizando modelos funcionales y estructurales de plantas, in silico Plants, Volumen 6, Número 1, 2024, diae002, https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diae002