Simulating resource competition in multispecies agricultural plant communities |
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| Authors: | DA BALL M J SHAFFER |
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| Institution: | United States Department of Agriculture, Agricultural Research Services, Great Plains Systems Research Unit, PO Box E, Fort Collins, CO 80522, USA |
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| Abstract: | Agricultural systems that utilize reduced tillage, minimal inputs produced off-farm, and/or intercropping are being developed worldwide. In these systems competition for resources among two or more plant species, including weeds, are important. A need exists for improved modelling capabilities of multispecies interactions so that these systems can be studied more quickly and efficiently. The Nitrogen, Tillage, Residue, Management (NTRM) model was expanded to simulate the concurrent development of several plant species growing together in a field-sized agricultural plant community. Competitive interactions between component plant species were simulated by the addition of algorithms to partition average daily light flux density in a one-dimensional, horizontally layered plant canopy and by expansion of a one-dimensional root zone sub-model to predict the simultaneous extraction of water and soil nitrogen by competing plant root systems. The expanded simulation model, known as NTRM-MSC (?Multiple Species Competition), was calibrated and validated with data obtained from a field study investigating com (Zea mays L.) and redroot pigweed (Amaranthus retroflexus L.) competitive interactions. Preliminary model validation was performed using data from com/pigweed mixtures and monocultures receiving reduced irrigation inputs or no nitrogen fertilization. Results indicated that the NTRM-MSC model shows promise for simulating canopy light interception in mixed and monoculture stands. The model also performed well (r2 of 0.889 to 0.955) at predicting dry matter accumulation and leaf area development of both com and redroot pigweed growing in mixture and monoculture for irrigated, non-irrigated, and for N-fertilized and non-fertilized conditions. Sensitivity analyses of several model parameters suggest that the NTRM-MSC model may provide information on factors important in driving the competition between species in agroecosystems. Simulation de la compétition pour les ressources dans des communautés végétates agricoles multi-spécifiques Des systèmes agricoles à base de travaux du sol réduits, de niveaux d'intrants minima ux, et/ou de cultures associées, sont développés dans e monde entier. Dans ces systèmes, la compétition pour les ressources entre deux ou de multiples espèces, végétales, y compris des mauvaises herbes, tient une place importante. Pour étudier ces systèmes plus rapidement et plus efficace-ment, il faut augmenter la puissance des modèles d'interactions multispécifiques. Le modèle de gestion Azote-Travail du sol-Residus (NTRM) a étéélendu de manière à simuler le développe-ment concurrentiel de plusieurs espèces végétales croissant ensemble au sein d'une com-munauté végétale agricole de la taille d'un champ. Les interactions compétitives entre espèces végétales étaient simulées par 1'addition d'algorithmes de répartition du flux lumineux moyen quotidien dans un couvert organisé encouches horizontales et par extension d'un sousmodèle mono-dimensionnel de zones racinaires pour prédire le prélèvement simultané d'eau et d'azote par des systèmes racinaires concurrents. Le modèle étendu, dénommé NTRM-MSC (MSC pour compétition multispécifique), a été calibré et validé par une étude au champ des interactions compétitives entre le maïs (Zea mays L.) et l'amaranthe réfléchie (Amaranthus retroflexus L.). Une validation préliminaire du modèle a été obtenue à partir de cultures, pures ou mélangées, de maïs et d'amaranthes, sous irrigation réduite ou sans fertilisation azotée. Les résultats montrent l'intérêt du modèle NTRM-MSC pour simuler l'interception de lumière par les couverts de cultures pures ou mélangées. Le modèle a aussi fourni des prédictions satisfaisantes (r2 de 0,889 à 0,955) de l'accumulation de matière sèche et de l'augmentation de surface foliaire du maïs et de l'amaranthe poussant en mélange et en cultures pures, en conditions irriguées ou non irriguées, avec ou sans fertilisation azotée. L'analyse de la sensibilité de plusieurs de ses paramètres suggère que le modèle NTRM-MSC pourrait fournir des informations sur les facteurs importants dans la conduite de la compétition entre espèces dans les agroécosystèmes. Simulation der Konkurrenz um Wachstumsfaktoren in Agro-Phytozönosen Weltweit werden landwirtschaftliche Produktionssysteme mit reduzierter Bodenbearbeitung, verringertem Input von Produktionsmitteln und Zwischenfruchtbau entwickelt. In diesen Systemen spielt die Konkurrenz der Pflanzenarten einschließlich der Unkräuter um die Wachstumsfaktoren eine große Rolle. Für ihre schnelle und umfassende Untersuchung sind gut entwickelte Modelle über die ökologischen Beziehungen zwischen mehreren Arten erforderlich. Ein Modell NTRM zum Stickstoff-Bodenbearbeitung-Rückstände-Management wurde erweitert, um die gemeinsame Entwicklung mehrerer Pflanzenarten in feldgroßen Pflanzenbeständen simulieren zu können. Die Konkurrenzbeziehungen zwischen den einzelnen Arten wurden durch Algorithmen über den Anteil am durchschnittlichen täglichen Lichteinfall in einer eindimensionalen, horizontalen Vegetationsdecke und durch Erweiterung eines eindimensionalen Untermodells für die Wurzelzone simuliert, um die gleichzeitige Aufnahme von Wasser und Stickstoff durch konkurrierende Pflanzen- und Wurzelsysteme zu prognostizieren. Das für die Konkurrenz verschiedener Arten (MSC) erweiterte Simulationsmodell NTRM-MSC wurde mit Daten aus Freilandsversuchen über die Konkurrenzbeziehungen zwischen Mais (Zea mays L.) und Zurückgekrümmtem Amarant (Amaranthus retroflexus L.) kalibriert und validiert. Für eine vorläufige Validierung des Modells wurden Daten aus Mais-Amarant-Misch- und -Reinbeständen eingesetzt, die weniger bewässert und nicht mit Stickstoff gedüngt worden waren. Anhand der Ergebnisse erwies sich das NTRM-MSC-Modell für die Simulation der Lichtaufnahme in Misch- und Reinbeständen als aussichtsreich. Auch die Prognose der Trockenmassebildung und der Blattflächenentwicklung bei beiden Arten in bewässerten und nicht bewässerten sowie N-gedüngten und nicht gedüngten Beständen war gut (r2 von 0,889 bis 0,955). Sensitivitätstests für verschiedene Modellparameter lassen das NTRM-MSC-Modell für die Gewinnung von Informationen über wichtige Faktoren für die Bee-influssung der Konkurrenz zwischen den Arten in Agro Phytozönosen brauchbar erscheinen. |
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