Abstract

For trees in forests, striving for light is matter of life and death, either by growing taller toward brighter conditions or by expanding the crown to capture more of the available light. Here, we present a mechanistic model for the development path of stem height and crown size, accounting for light capture and growth, as well as mortality risk. We determine the optimal growth path among all possible trajectories using dynamic programming. The optimal growth path follows a sequence of distinct phases: (i) initial crown size expansion, (ii) stem height growth toward the canopy, (iii) final expansion of the crown in the canopy and (iv) seed production without further increase in size. The transition points between these phases can be optimized by maximizing fitness, defined as expected lifetime reproductive production. The results imply that to reach the canopy in an optimal way, trees must consider the full profile of expected increasing light levels toward the canopy. A shortsighted maximization of growth based on initial light conditions can result in arrested height growth, preventing the tree from reaching the canopy. The previous result can explain canopy stratification, and why canopy species often get stuck at a certain size under a shading canopy. The model explains why trees with lower wood density have a larger diameter at a given tree height and grow taller than trees with higher wood density. The model can be used to implement plasticity in height versus diameter growth in individual-based vegetation and forestry models.

中文翻译：

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树木在遮光遮篷下寻求光的最佳高度和直径增长。

摘要

对于森林中的树木而言，争光是生死攸关的问题，要么通过向更高的环境生长变得更高，要么通过扩展树冠以捕获更多可用光。在这里，我们为茎高和树冠大小的发展路径提供了一个机械模型，考虑了光捕获和生长以及死亡风险。我们使用动态编程确定所有可能轨迹之间的最佳增长路径。最佳生长路径遵循一系列不同的阶段：（i）最初的冠大小扩张，（ii）朝冠层的茎高增长，（iii）冠在冠层中的最终扩张，以及（iv）种子产量没有进一步增加尺寸。这些阶段之间的过渡点可以通过使适应度最大化（定义为预期的终生生殖生产）来优化。结果表明，要以最佳方式到达树冠，树木必须考虑到朝向树冠的预期增加的光照水平的完整轮廓。基于初始光照条件的近视最大化生长会导致高度增长停滞，从而阻止树木到达树冠。先前的结果可以解释树冠的分层，以及为什么树冠物种经常在阴影树冠下卡在一定的大小上。该模型解释了为什么具有较低木材密度的树木在给定的树木高度下具有更大的直径，并且比具有较高木材密度的树木长得更高。该模型可用于在基于个人的植被和林业模型中实现高度对直径增长的可塑性。基于初始光照条件的近视最大化生长会导致阻止高度增长，从而阻止树木到达树冠。先前的结果可以解释树冠的分层，以及为什么树冠物种经常在阴影树冠下卡在一定的大小上。该模型解释了为什么具有较低木材密度的树木在给定的树木高度下具有更大的直径并比具有较高木材密度的树木长得更高。该模型可用于在基于个人的植被和林业模型中实现高度对直径增长的可塑性。基于初始光照条件的近视最大化生长会导致高度增长停滞，从而阻止树木到达树冠。先前的结果可以解释树冠的分层，以及为什么树冠物种经常在阴影树冠下卡在一定的大小上。该模型解释了为什么具有较低木材密度的树木在给定的树木高度下具有更大的直径，并且比具有较高木材密度的树木长得更高。该模型可用于在基于个人的植被和林业模型中实现高度对直径增长的可塑性。该模型解释了为什么具有较低木材密度的树木在给定的树木高度下具有更大的直径，并且比具有较高木材密度的树木长得更高。该模型可用于在基于个人的植被和林业模型中实现高度对直径增长的可塑性。该模型解释了为什么具有较低木材密度的树木在给定的树木高度下具有更大的直径，并且比具有较高木材密度的树木长得更高。该模型可用于在基于个人的植被和林业模型中实现高度对直径增长的可塑性。