Point process modelling of root distribution in pure stands of Fagus sylvatica and Picea abies

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Abstract:

A previous study by Schmid and Kazda (I. Schmid and M. Kazda. 2001. Can. J. For. Res. 31: 539–548) evaluated the vertical distribution and radial growth of coarse roots greater than 2 mm diameter in pure and mixed stands of Norway spruce (Picea abies (L.) Karst.) and European beech (Fagus sylvatica L.). The vertical distribution of roots of Norway spruce was fitted by an exponential function, while the root distribution of European beech was approximated by a gamma distribution. Now, in the present paper, planar point process models have been applied to investigate the spatial (two-dimensional) distribution of data for roots between 2 and 5 mm diameter. After a homogenization with respect to the vertical axis, the pair correlation function and the L function were estimated to fit Matérn-cluster point process models to the given root data. The models were finally vertically retransformed to provide information on the inhomogeneous spatial patterns of small roots as well as on the original shape and size of the root clusters. All models based on vertically transformed data confirmed that the root distribution patterns are not completely random, as they indicated root clustering for both species, with different degrees of exploitation intensity (clustering) between the two species. According to the Matérn-cluster models, Norway spruce had stronger clustering in smaller cluster regions, while roots of European beech formed weaker clusters in larger cluster regions. Furthermore, beech root clusters seemed to avoid overlapping. Together with previous studies on the root system of both species, the present study indicates more intensive belowground intraspecific competition for spruce than for beech. On the other hand, the clustering characteristics described indicate that European beech has a more sophisticated rooting system than Norway spruce. The spatial distribution of the inhomogeneous raw data is characterized by the clustering properties analysed in the present paper and by the vertical distribution previously studied.

Une étude réalisée par Schmid et Kazda (I. Schmid et M. Kazda. 2001. Can. J. For. Res. 31 : 539–548) a évalué la distribution verticale et la croissance radiale des grosses racines de plus de 2 mm de diamètre dans des peuplements purs et mélangés d'épicéa commun (Picea abies (L.) Karst.) et de hêtre commun (Fagus sylvatica L.). La distribution verticale des racines de l'épicéa commun a été modélisée par une fonction exponentielle et celle du hêtre commun par une distribution gamma. Dans la présente étude, des processus ponctuels dans un espace bidimensionnel ont été utilisés pour analyser la distribution spatiale bidimensionnelle des données relatives aux racines de 2 à 5 mm de diamètre. Après une homogénéisation sur l'axe vertical, la fonction de corrélation de paires et la fonction-L ont été estimées pour adapter des processus ponctuels en grappes de Matérn aux données racinaires. Finalement, les modèles ont été verticalement retransformés pour obtenir l'information sur les patrons spatiaux non homogènes de distribution des racines ainsi que sur la forme et la taille originales des groupements de racines. Tous les modèles retransformés sur l'échelle verticale ont confirmé que les patrons de distribution racinaire ne sont pas complètement aléatoires, démontrant un regroupement des racines chez les deux espèces mais avec différents degrés d'intensité d'exploitation (de regroupement) selon l'espèce. D'après les modèles en grappes de Matérn, l'épicéa commun est caractérisé par un regroupement plus prononcé dans de plus petites régions de regroupement, alors que les racines du hêtre commun forment des regroupements plus diffus dans des régions de regroupement plus étendues. De plus, les regroupements racinaires du hêtre semblent éviter de se superposer. Tout comme l'ont montré d'autres études sur le système racinaire des deux espèces, ces résultats démontrent qu'il existe une compétition souterraine intra-spécifique plus intense chez l'épicéa que chez le hêtre. Par contre, les caractéristiques de regroupement indiquent que le système racinaire du hêtre commun est plus sophistiqué que celui de l'épicéa commun. Il faut combiner les propriétés de regroupement analysées dans la présente étude à la distribution verticale précédemment étudiée pour caractériser la distribution spatiale des données brutes non homogènes.[Traduit par la Rédaction]

Document Type: Research Article

Publication date: January 1, 2006

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