Simulating resource competition in multispecies agricultural plant communities

Summary: Resume: Zusammenfassung 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 competition pour les ressources dans des communautes vegetates agricoles multi-specifiques Des systemes agricoles a base de travaux du sol reduits, de niveaux d'intrants minima ux, et/ou de cultures associees, sont developpes dans e monde entier. Dans ces systemes, la competition pour les ressources entre deux ou de multiples especes, vegetales, y compris des mauvaises herbes, tient une place importante. Pour etudier ces systemes plus rapidement et plus efficace-ment, il faut augmenter la puissance des modeles d'interactions multispecifiques. Le modele de gestion Azote-Travail du sol-Residus (NTRM) a eteelendu de maniere a simuler le developpe-ment concurrentiel de plusieurs especes vegetales croissant ensemble au sein d'une com-munaute vegetale agricole de la taille d'un champ. Les interactions competitives entre especes vegetales etaient simulees par 1'addition d'algorithmes de repartition du flux lumineux moyen quotidien dans un couvert organise encouches horizontales et par extension d'un sousmodele mono-dimensionnel de zones racinaires pour predire le prelevement simultane d'eau et d'azote par des systemes racinaires concurrents. Le modele etendu, denomme NTRM-MSC (MSC pour competition multispecifique), a ete calibre et valide par une etude au champ des interactions competitives entre le mais (Zea mays L.) et l'amaranthe reflechie (Amaranthus retroflexus L.). Une validation preliminaire du modele a ete obtenue a partir de cultures, pures ou melangees, de mais et d'amaranthes, sous irrigation reduite ou sans fertilisation azotee. Les resultats montrent l'interet du modele NTRM-MSC pour simuler l'interception de lumiere par les couverts de cultures pures ou melangees. Le modele a aussi fourni des predictions satisfaisantes (r2 de 0,889 a 0,955) de l'accumulation de matiere seche et de l'augmentation de surface foliaire du mais et de l'amaranthe poussant en melange et en cultures pures, en conditions irriguees ou non irriguees, avec ou sans fertilisation azotee. L'analyse de la sensibilite de plusieurs de ses parametres suggere que le modele NTRM-MSC pourrait fournir des informations sur les facteurs importants dans la conduite de la competition entre especes dans les agroecosystemes. Simulation der Konkurrenz um Wachstumsfaktoren in Agro-Phytozonosen Weltweit werden landwirtschaftliche Produktionssysteme mit reduzierter Bodenbearbeitung, verringertem Input von Produktionsmitteln und Zwischenfruchtbau entwickelt. In diesen Systemen spielt die Konkurrenz der Pflanzenarten einschlieslich der Unkrauter um die Wachstumsfaktoren eine grose Rolle. Fur ihre schnelle und umfassende Untersuchung sind gut entwickelte Modelle uber die okologischen Beziehungen zwischen mehreren Arten erforderlich. Ein Modell NTRM zum Stickstoff-Bodenbearbeitung-Ruckstande-Management wurde erweitert, um die gemeinsame Entwicklung mehrerer Pflanzenarten in feldgrosen Pflanzenbestanden simulieren zu konnen. Die Konkurrenzbeziehungen zwischen den einzelnen Arten wurden durch Algorithmen uber den Anteil am durchschnittlichen taglichen Lichteinfall in einer eindimensionalen, horizontalen Vegetationsdecke und durch Erweiterung eines eindimensionalen Untermodells fur die Wurzelzone simuliert, um die gleichzeitige Aufnahme von Wasser und Stickstoff durch konkurrierende Pflanzen- und Wurzelsysteme zu prognostizieren. Das fur die Konkurrenz verschiedener Arten (MSC) erweiterte Simulationsmodell NTRM-MSC wurde mit Daten aus Freilandsversuchen uber die Konkurrenzbeziehungen zwischen Mais (Zea mays L.) und Zuruckgekrummtem Amarant (Amaranthus retroflexus L.) kalibriert und validiert. Fur eine vorlaufige Validierung des Modells wurden Daten aus Mais-Amarant-Misch- und -Reinbestanden eingesetzt, die weniger bewassert und nicht mit Stickstoff gedungt worden waren. Anhand der Ergebnisse erwies sich das NTRM-MSC-Modell fur die Simulation der Lichtaufnahme in Misch- und Reinbestanden als aussichtsreich. Auch die Prognose der Trockenmassebildung und der Blattflachenentwicklung bei beiden Arten in bewasserten und nicht bewasserten sowie N-gedungten und nicht gedungten Bestanden war gut (r2 von 0,889 bis 0,955). Sensitivitatstests fur verschiedene Modellparameter lassen das NTRM-MSC-Modell fur die Gewinnung von Informationen uber wichtige Faktoren fur die Bee-influssung der Konkurrenz zwischen den Arten in Agro Phytozonosen brauchbar erscheinen.