A fractal root model applied for estimating the root biomass and architecture in two tropical legume tree species

Abstract

-A fractal root model with parameter estimation based on pipe model theory was applied for studying root architecture of Erythrina lanceolata and Gliricidia sepium associated with crops in agroforestry. The results were compared with a theoretical volume-filling fractal model on scaling of plant vascular system. Scaling of root diameter at bifurcation followed same parameter values over the whole root system. The parameter values were approximately equal in both species. Length between two bifurcations could not be estimated according to volumefilling fractal principles, but an empirical regression was used. An empirical model was also applied for estimating bifurcation angles. These characteristics seem to respond strongly to local root environment, and their modelling calls for studying root-soil interactions. Agronomic applications of this study indicate the usefulness of an architectural approach for the study of belowground interactions in agroforestry systems.Erythrina lanceolata / Gliricidia sepium / agroforestry / pipe model / self-similarity Résumé -Application d'un modèle racinaire fractal à l'estimation de la biomasse et de l'architecture racinaire de deux espèces d'arbres légumineux. Un modèle racinaire fractal dont l'estimation des paramètres repose sur la théorie du « modèle vasculaire » a été appliqué à l'étude de l'architecture de Erythrina lanceolata et Gliricidia sepium cultivés dans des systèmes agroforestiers. Ce modèle a été confronté à un modèle fractal théorique dédié à la simulation du système vasculaire de plantes. La diminution de la section conductrice au niveau de chaque ramification demeure indépendante du diamètre, et peut-être considérée comme étant invariable à l'échelle de l'ensemble du système racinaire. Les valeurs des paramètres d'échelle sont approximativement équivalentes pour les deux espèces. La distance entre deux ramifications n'a pas pu être estimée à partir du deuxième modèle, aussi a-t-elle été estimée à partir d'une régression empirique. Un modèle empirique a éga-lement été utilisé pour l'estimation de la distribution des angles de ramifications. Ces modalités sont typiques d'interactions fortes avec les caractéristiques de l'environnement local, et leur modélisation nécessite une étude approfondie des interactions sol-racines. Cette étude débou-che sur des considérations agronomiques qui montrent l'utilité d'approches architecturales pour l'amélioration de la gestion des interactions souterraines dans les systèmes agroforestiers.Erythrina lanceolata / Gliricidia sepium / agroforesterie / modèle vasculaire / autosimilarité

Below- and aboveground architecture of Androstachys johnsonii prain: topological analysis of the root and shoot systems

“…Further, the lack of dependence of p and q to link diameter of the shoot system and for the first taproot node was also in accordance with the finding by Noordwijk and Purnomosidhi (1995), Soethe et al (2007), and Salas et al (2004).…”

“…The independence of branching parameters (p and q) for all nodes to link diameter reconfirms the self-similar branching pattern of the shoot system (Salas et al 2004;van Noordwijk and Purnomosidhi 1995). For the root system, independence of p values to link diameters was verified only for the first and third nodes (Adjusted R 2 <0.039 and P>0.05), and independence of q values to link diameters was only confirmed for the first and second nodes (Adjusted R 2 =0.028 and P>0.1).…”

“…In other words, if the branching parameters (p and q) for all nodes across the stem or taproot were not found to be dependent on the link diameter, the self-similar branching pattern was confirmed (Salas et al 2004;van Noordwijk and Purnomosidhi 1995). All the statistical analyses were performed at the 5 % significance level using Microsoft Excel Data Analysis Tools.…”

“…johnsonii is a tree species found in regions with scanty rainfall and limited water resources (Mae 2005a;d;e;Dinageca 1997) and soil resources. This might be the reason why this tree species has a herringbone branching pattern of the root system (Fitter 1987;Malamy 2005;Echeverria et al 2008).…”

“…The majority of the existing studies on root system architecture focus on seedlings (Martínez-Sánchez et al 2003;Trubat et al 2012;Chiatante et al 2004;Berntson 1997;Larkin et al 1995;Nicotra et al 2002;Tworkoski and Scorza 2001;Cortina et al 2008;Riccardo 2007) and saplings (Coll et al 2008;Spanos et al 2008;Salas et al 2004;van Noordwijk and Purnomosidhi 1995;Oppelt et al 2001); this is probably because of the difficulty in excavating the root system of adult trees. Further, if the architecture of the root system of an adult tree is studied, often the root system is not totally removed and is therefore only partially analysed (Kalliokoski 2011;Kalliokoski et al 2008;Soethe et al 2007).…”