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Modelling the UV-exposure within a plant stand during a vegetation period

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Abstract:

Plants are constantly exposed to solar radiation. Thus, the observed raised levels of UV-radiation lead also to a raised exposure for plants. In the recent years, so-called 'non-parasitic leaf spots' (NPLS) have led to yield losses for barley of up to 40 %. It is assumed that this disease is caused by raised UV-radiation levels. For this reason a model has been developed to calculate UV-exposure within plant stands for longer periods. By use of plant-specific parameters this model can be applied for different plant types, for forests as well as for crops like barley. The model calculates the variation of irradiance due to different sun positions, and due to atmospheric parameters such as total ozone content, aerosol amount and properties, as well as clouds. The model takes into account the plant growth, which is important for annual plants like barley. As an example, the UV-exposure has been modelled for a real barley stand in southern Germany for the growing season of the year 2002. The plant-weighted UV-irradiances have been calculated on a hourly basis for 10 levels within the canopy, and from this the UV-exposure as the cumulative UV-radiation of all preceding days. Since plants have repair mechanisms for damage due to UV-radiation, additionally UV-impact was modelled by accounting mainly for UV-exposure during the most recent days under the assumption that its impact on the plant decays exponentially.

German
Pflanzen sind ständig der solaren Strahlung ausgesetzt. Im Gegensatz zu Mensch und Tier können sie sich der Strahlung nicht entziehen, so dass die beobachtete erhöhte UV-Strahlung auch zu einer erhöhten Strahlenexposition führt. Bei der Gerste tritt seit einigen Jahren vermehrt die 'Nichtparasitäre Blattverbräunung' (NPBV) auf, die Ernteausfälle bis zu 40 % zur Folge hat. Es wird vermutet, dass diese Krankheit auf die erhöhte UV-Strahlung zurückzuführen ist. Aus diesem Grunde wurde ein Modell entwickelt mit dem sich die UV-Belastung innerhalb von Pflanzenbeständen auch über ängere Zeiträume hinweg berechnen läßt. Durch Verwendung von pflanzenspezifischen Parametern kann es sowohl für wälder als auch für einjährige Kulturpflanzen wie z. B. Gerste verwendet werden. Dieses Modell erlaubt zum einen die Variation der Bestrahlung des Bestandes, verursacht durch Unterschiede im Sonnenstand und allen atmosphärischen Parametern wie Ozongehalt, Aerosolmenge und -eigenschaften, aber auch Wolken, zu berücksichtigen. Dabei ist der Ansatz zur Berücksichtigung der Wolken über 'Cloud Free Lines Of Sight' neuartig. Ebenso kann das Wachstum der Pflanzen, die sich ändernde Blattfläche, deren räumliche Verteilung und die Orientierung der Blätter berücksichtigt werden. Letztere ist wichtig für einjährige Pflanzen wie die Gerste. Als Beispiel wurde die UV-Exposition während der Vegetationsperiode im Jahre 2002 für ein Wintergerstefeld in süddeutschland modelliert. Es wurden pflanzenspezifisch gewichtete UV-Bestrahlungsstärken in 10 Höhen im Pflanzenbestand und die sich daraus ergebende UV-Exposition, d. h. die kumulierte Gesamtmenge der UV-Strahlung vor dem jeweiligen Zeitpunkt, berechnet. Da Pflanzen die Möglichkeit zur Reparatur von UV-Schäden haben, wurde zusätzlich eine fiktive Wirkung der UV-Strahlung unter besonderer Berücksichtigung der letzten Tage modelliert. Diese wird berechnet, indem angenommen wird, dass die Wirkung der UV-Strahlung der zurückliegenden Tage exponentiell abklingt.

Document Type: Research Article

DOI: http://dx.doi.org/10.1127/0941-2948/2005/0013

Publication date: April 1, 2005

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