Radiative transfer, interception and scattering in coniferous forests : models and applications for production ecology and remote sensing

This work develops methods to account for shoot structure in models of coniferous canopy radiative transfer. Shoot structure, as it varies along the light gradient inside canopy, affects the efficiency of light interception per unit needle area, foliage biomass, or foliage nitrogen. The clumping of needles in the shoot volume also causes a notable amount of multiple scattering of light within coniferous shoots. The effect of shoot structure on light interception is treated in the context of canopy level photosynthesis and resource use models, and the phenomenon of within-shoot multiple scattering in the context of physical canopy reflectance models for remote sensing purposes. Light interception. A method for estimating the amount of PAR (Photosynthetically Active Radiation) intercepted by a conifer shoot is presented. The method combines modelling of the directional distribution of radiation above canopy, fish-eye photographs taken at shoot locations to measure canopy gap fraction, and geometrical measurements of shoot orientation and structure. Data on light availability, shoot and needle structure and nitrogen content has been collected from canopies of Pacific silver fir (Abies amabilis (Dougl.) Forbes) and Norway spruce (Picea abies (L.) Karst.). Shoot structure acclimated to light gradient inside canopy so that more shaded shoots have better light interception efficiency. Light interception efficiency of shoots varied about two-fold per needle area, about four-fold per needle dry mass, and about five-fold per nitrogen content. Comparison of fertilized and control stands of Norway spruce indicated that light interception efficiency is not greatly affected by fertilization. Light scattering. Structure of coniferous shoots gives rise to multiple scattering of light between the needles of the shoot. Using geometric models of shoots, multiple scattering was studied by photon tracing simulations. Based on simulation results, the dependence of the scattering coefficient of shoot from the scattering coefficient of needles is shown to follow a simple one-parameter model. The single parameter, termed the recollision probability, describes the level of clumping of the needles in the shoot, is wavelength independent, and can be connected to previously used clumping indices. By using the recollision probability to correct for the within-shoot multiple scattering, canopy radiative transfer models which have used leaves as basic elements can use shoots as basic elements, and thus be applied for coniferous forests. Preliminary testing of this approach seems to explain, at least partially, why coniferous forests appear darker than broadleaved forests in satellite data.Tässä työssä kehitetään menetelmiä versorakenteen huomioimiseksi havumetsien valonkulkumalleissa. Havupuiden versorakenne vaihtelee kasvuston sisällä saatavilla olevan valon määrästä riippuen. Versorakenne vaikuttaa siihen kuinka paljon verso sitoo valoa suhteessa verson neulaspinta-alaan, neulasbiomassaan ja verson sisältämän typen määrään. Neulasten ryhmittyminen versoiksi aiheuttaa myös huomattavan määrän valon moninkertaista sirontaa yhden verson eri neulasten välillä. Versorakenteen vaikutusta valonsidontaan käsitellään metsikkötason fotosynteesi- ja resurssienkäyttömallien näkökulmasta ja versonsisäistä valon moninkertaista sirontaa metsien kaukokartoituksessa käytettävien fysikaalisten heijastusmallien näkökulmasta. Valon sidonta. Esitetään menetelmä havupuun verson sitoman fotosynteettisesti aktiivisen säteilyn (PAR) määrän estimoimiseksi. Menetelmässä käytetään mallia kasvuston yläpuoliselta taivaalta tulevan säteilyn suuntajakaumasta, verson kohdalta otetuista kalansilmäkuvista analysoitua kasvuston aukkoisuutta eri suunnissa ja mittauksia verson asennosta ja muodosta. Aineistoa metsikön valaistusoloista, versojen ja neulasten rakenteista sekä typpipitoisuuksista on kerätty purppurapihdasta (Abies amabilis (Dougl.) Forbes) ja kuusesta (Picea abies (L.) Karst.). Versorakenne mukautui kasvustonsisäiseen valonvaihteluun siten että varjostetummilla versoilla oli suurempi valonsidonnan tehokkuus. Versojen valonsidonnan tehokkuus vaihteli noin kaksinkertaisesti suhteessa neulaspinta-alaan, noin nelinkertaisesti suhteessa neulasten kuivapainoon ja noin viisinkertaisesti suhteessa typen määrään. Vertailu lannoitetun ja lannoittamattoman kuusimetsikön välillä osoitti ettei lannoitus juurikaan vaikuta versojen valonsidonnan tehokkuuteen. Valon sironta. Havupuiden verson rakenteesta aiheutuu valon moninkertaista sirontaa verson neulasten välillä. Monisirontaa simuloitiin käyttämällä geometrista mallia verson rakenteesta ja säteenjäljitysmenetelmää. Simulaatiotulosten pohjalta osoitetaan että verson sirontakertoimen riippuvuus neulasten sirontakertoimesta voidaan kuvata yksinkertaisella yksiparametrisella mallilla. Tämä parametri, jota kutsutaan uudelleentörmäystodennäköisyydeksi, kuvaa kuinka tiukasti neulaset ovat versossa ryhmittyneet. Parametri ei riipu säteilyn aallonpituudesta, ja se voidaan liittää aikaisempiin ryhmittymisindekseihin. Kuvaamalla versonsisäinen monisironta uudelleentörmäystodennäköisyyden avulla voidaan lehtiä peruselementteinä käyttävät valonkulkumallit muuntaa käyttämään versoja peruselementteinä, jolloin malleja voidaan soveltaa havumetsille. Tämän lähestymistavan alustava testaus näyttää, ainakin osittain, selittävän miksi havumetsät näyttävät satelliittiaineistossa lehtimetsiä tummemmilta