Predicting growth and future yield in Eucalyptus grandis x urophylla stands using the CABALA process-based model
Date
2021-03
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: The aims of this research were to (1) partly parameterise and initialise and (2) test the
CABALA process-based model for hybrid Eucalyptus grandis x urophylla clones in the Zululand region of South Africa. To achieve these aims, detailed data were obtained from a
set of 18 sites at which permanent sample plots had been monitored for seven or more years.
In July 2018, a data acquisition campaign was undertaken and diameter at breast height (DBH), and the heights of all trees at all sites were measured, soil samples taken, and leaf
area index estimated using a LP80- ceptometer from all 18 sites. Destructive biomass measurements and collection of biomass subsamples were done at a subset of five sites in
order to determine allometric parameters. Leaf area index was also obtained for all 18 compartments using the MODIS product provided by NASA. A set of experiments in nursery
and laboratory environments were also undertaken to determine minimum pre-dawn leaf water potential, and the relationship between leaf nitrogen content and specific leaf area.
Partial parameterisation of 17 parameters of the model for Eucalyptus grandis x urophylla was done by building on the existing E. globulus parameter set. This parameter set was
altered using parameter data from published literature, allometric parameters obtained from field measurements and destructive sampling, using parameters obtained from experiments executed in the nursery and glasshouse, and by undertaking a limited calibrating/optimisation exercise.
The model was run using two sources of weather data: (1) long-term mean weather data (1949-1999) obtained from South African Atlas of Climatology and Agro- Hydrology
weather data (2) and daily weather data (2008-2018) obtained from a variety of weather stations from South African Sugarcane Research Institute (SASRI) and Mondi, VitalWeather Systems and the South African Weather Services (SAWS). The long-term mean weather data represented conditions in which there was no drought whereas the period 2008 – 2018 was one in which the region experienced a record-breaking period of drought. Hence these two
datasets provided an interesting contrast.
The output from CABALA predictions were compared to observed stand volume, mean diameter at breast height, and mean height for the 18 study sites. Overall, when the long-term mean monthly weather data were used, CABALA overestimated stand mean diameter at breast height, mean height, and stand volume. When the daily weather data measured during the period when the trees actually grew (2008 – 2018) was used, the model gave better
estimations of mean diameter at breast height but tended to underestimate mean height and stand volume, especially on higher productivity sites that generally received high mean
annual precipitation. The leaf area index estimated by CABALA was compared to estimates from the MODIS LAI product and while CABALA overestimated leaf area index in many
instances, it predicted the leaf area index drop trend observed during the drought period 2014-2016 as soon as the daily weather conditions were introduced. The model with its
modified parameter set underestimated mortality in all sites irrespective of weather conditions.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Die doelwitte van hierdie navorsing was om (1) gedeeltelik te parameteriseer en te initialiseer en (2) die CABALA-prosesgebaseerde model vir baster Eucalyptus grandis x urophylla-klone in die Zululand-streek in Suid-Afrika te toets. Om hierdie doelstellings te bereik, is gedetailleerde data verkry vanaf 'n stel van 18 terreine waarop permanente steekproefpersele vir sewe of langer jare gemonitor is. In Julie 2018 is 'n data-verkrygingsveldtog onderneem en deursnee op borshoogte (DBH), en die hoogtes van alle bome op alle terreine is gemeet, grondmonsters geneem en die blaaroppervlakte-indeks geskat met behulp van 'n LP80-ceptometer van al 18 terreine. Vernietigende biomassametings en versameling van biomassa-submonsters is op 'n subversameling van vyf terreine gedoen om allometriese parameters te bepaal. Blaaroppervlakte-indeks is ook vir al 18 kompartemente verkry met behulp van die MODIS-produk wat deur NASA verskaf is. 'N Stel eksperimente in kwekerye en laboratoriumomgewings is ook onderneem om die minimum potensiaal voor die dagbreek van die blaarwater te bepaal en die verband tussen die stikstofinhoud van die blaar en die spesifieke blaaroppervlakte. Gedeeltelike parameterisering van 17 parameters van die model vir Eucalyptus grandis x urophylla is gedoen deur voort te bou op die bestaande E. globulus parameterset. Hierdie parameterset is verander deur gebruik te maak van parametergegewens uit gepubliseerde literatuur, allometriese parameters verkry uit veldmetings en vernietigende steekproefneming, met behulp van parameters verkry uit eksperimente wat in die kwekery en kweekhuis uitgevoer is, en deur 'n beperkte kalibrasie- / optimaliseringsoefening te onderneem. Die model is gebruik met behulp van twee bronne van weerdata: (1) gemiddelde langdurige weerdata (1949-1999) verkry uit die Suid-Afrikaanse Atlas van Klimatologie en Agro- Hidrologie weerdata (2) en daaglikse weerdata (2008-2018) verkry vanaf 'n verskeidenheid weerstasies van die South African Sugarcane Research Institute (SASRI) en Mondi VitalWeather Systems en South African Weather Services (SAWS). Die langdurige gemiddelde weerdata verteenwoordig toestande waarin daar geen droogte was nie, terwyl die periode 2008 - 2018 'n periode was waarin die streek 'n rekordgetroue periode van droogte beleef het. Hierdie twee datastelle het dus 'n interessante kontras gelewer. Die uitsette van CABALA-voorspellings is vergelyk met die waargenome standvolume, gemiddelde deursnee op borshoogte en gemiddelde hoogte vir die 18 studiepersele. Oor die algemeen het CABALA die gemiddelde gemiddelde deursnee op borshoogte, gemiddelde hoogte en standvolume oorskat toe die gemiddelde gemiddelde maandelikse weerdata gebruik is. Wanneer die daaglikse weerdata gemeet is gedurende die periode waarin die bome werklik gegroei het (2008 - 2018), is die model beter geskat oor die gemiddelde deursnee op borshoogte, maar die gemiddelde hoogte en standvolume is onderskat, veral op plekke met hoër produktiwiteit wat gewoonlik hoë gemiddelde jaarlikse neerslag ontvang. Die blaaroppervlakte-indeks wat deur CABALA geskat is, is vergelyk met ramings van die MODIS LAI-produk, en hoewel CABALA in baie gevalle die blaaroppervlakte-indeks oorskat het, het dit die voorspelling van die dalingstendens van die blaaroppervlakte-indeks voorspel gedurende die droogteperiode 2014-2016 sodra die daaglikse weersomstandighede ingestel is. Die model met sy gewysigde parameterset het die sterfte op alle terreine onderskat, ongeag die weersomstandighede.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Die doelwitte van hierdie navorsing was om (1) gedeeltelik te parameteriseer en te initialiseer en (2) die CABALA-prosesgebaseerde model vir baster Eucalyptus grandis x urophylla-klone in die Zululand-streek in Suid-Afrika te toets. Om hierdie doelstellings te bereik, is gedetailleerde data verkry vanaf 'n stel van 18 terreine waarop permanente steekproefpersele vir sewe of langer jare gemonitor is. In Julie 2018 is 'n data-verkrygingsveldtog onderneem en deursnee op borshoogte (DBH), en die hoogtes van alle bome op alle terreine is gemeet, grondmonsters geneem en die blaaroppervlakte-indeks geskat met behulp van 'n LP80-ceptometer van al 18 terreine. Vernietigende biomassametings en versameling van biomassa-submonsters is op 'n subversameling van vyf terreine gedoen om allometriese parameters te bepaal. Blaaroppervlakte-indeks is ook vir al 18 kompartemente verkry met behulp van die MODIS-produk wat deur NASA verskaf is. 'N Stel eksperimente in kwekerye en laboratoriumomgewings is ook onderneem om die minimum potensiaal voor die dagbreek van die blaarwater te bepaal en die verband tussen die stikstofinhoud van die blaar en die spesifieke blaaroppervlakte. Gedeeltelike parameterisering van 17 parameters van die model vir Eucalyptus grandis x urophylla is gedoen deur voort te bou op die bestaande E. globulus parameterset. Hierdie parameterset is verander deur gebruik te maak van parametergegewens uit gepubliseerde literatuur, allometriese parameters verkry uit veldmetings en vernietigende steekproefneming, met behulp van parameters verkry uit eksperimente wat in die kwekery en kweekhuis uitgevoer is, en deur 'n beperkte kalibrasie- / optimaliseringsoefening te onderneem. Die model is gebruik met behulp van twee bronne van weerdata: (1) gemiddelde langdurige weerdata (1949-1999) verkry uit die Suid-Afrikaanse Atlas van Klimatologie en Agro- Hidrologie weerdata (2) en daaglikse weerdata (2008-2018) verkry vanaf 'n verskeidenheid weerstasies van die South African Sugarcane Research Institute (SASRI) en Mondi VitalWeather Systems en South African Weather Services (SAWS). Die langdurige gemiddelde weerdata verteenwoordig toestande waarin daar geen droogte was nie, terwyl die periode 2008 - 2018 'n periode was waarin die streek 'n rekordgetroue periode van droogte beleef het. Hierdie twee datastelle het dus 'n interessante kontras gelewer. Die uitsette van CABALA-voorspellings is vergelyk met die waargenome standvolume, gemiddelde deursnee op borshoogte en gemiddelde hoogte vir die 18 studiepersele. Oor die algemeen het CABALA die gemiddelde gemiddelde deursnee op borshoogte, gemiddelde hoogte en standvolume oorskat toe die gemiddelde gemiddelde maandelikse weerdata gebruik is. Wanneer die daaglikse weerdata gemeet is gedurende die periode waarin die bome werklik gegroei het (2008 - 2018), is die model beter geskat oor die gemiddelde deursnee op borshoogte, maar die gemiddelde hoogte en standvolume is onderskat, veral op plekke met hoër produktiwiteit wat gewoonlik hoë gemiddelde jaarlikse neerslag ontvang. Die blaaroppervlakte-indeks wat deur CABALA geskat is, is vergelyk met ramings van die MODIS LAI-produk, en hoewel CABALA in baie gevalle die blaaroppervlakte-indeks oorskat het, het dit die voorspelling van die dalingstendens van die blaaroppervlakte-indeks voorspel gedurende die droogteperiode 2014-2016 sodra die daaglikse weersomstandighede ingestel is. Die model met sy gewysigde parameterset het die sterfte op alle terreine onderskat, ongeag die weersomstandighede.
Description
Thesis (MFor)--Stellenbosch University, 2021.
Keywords
Process-based models, Eucalyptus nitens, CERES-N model, Zululand, Eucalyptus grandis, CABALA process-based model