Implementation of a stomatal optimization approach into a light spectrum-aware model of photosynthesis and transpiration

The use of agrivoltaic systems is seen as a trade-off between energy storage and food production, however, although the measure of the power absorbed by solar panels is easily quantifiable, the same cannot be said for agricultural yield. For this reason, it is difficult to determine whether or not the use of this technique is cost-effective. The development of theories that can replicate the behavior of the plant to the variation of climatic forcings allows to evaluate the efficiency and productivity of an agrivoltaic system depending on the type of crop and the boundary conditions of the problem. In this study, an in-depth look is taken at different models for quantifying stomatal conductance with a focus on the effect that the light spectrum plays in the process of stomatal cavities regulation. The combination of the Fick’s law with Farquhar’s photo- synthetic model and with the optimality theory allows us to obtain analytical expressions for the photosynthetic rate (fc ), the intercellular CO2 concentration (ci ) and the stomatal conductance (g). The formula of g, thus obtained, depends on a single parameter (λ) and can be differentiated according to the most limiting process between Rubisco carboxy- lation (light-saturated) and RuBP regeneration (light-limited) rates. The results reveal that optimization models, maximizing g for blue instead of red light, do not provide a correct response to changing light spectrum and they are in contrast to experimental results and empirical model predictions.

L'uso di impianti agrivoltaici è visto come un trade-off tra accumulo di energia e produzione agricola, tuttavia, sebbene la misura della potenza assorbita dai pannelli solari può essere facilmente quantificata, lo stesso non si può dire della resa agricola. Per questo motivo è difficile stabilire se l'uso di questa tecnica sia o meno conveniente. Lo sviluppo di teorie in grado di replicare il comportamento della pianta al variare delle forzanti climatiche permette di valutare l'efficienza e la produttività di un sistema agrovoltaico, in funzione del tipo di coltura e delle condizioni al contorno del problema. In questo studio vengono approfonditi diversi modelli per la quantificazione della conduttanza stomatica, con particolare attenzione all'effetto che lo spettro luminoso determina nel processo di regolazione degli stomi. La combinazione della legge di Fick, del modello fotosintetico di Farquhar e della teoria di ottimizzazione, permette di ottenere delle espressioni analitiche per la velocità di assimilazione di CO2 (fc), per la concentrazione intracellulare di CO2 (ci) e per la conduttanza stomatica (g). La formula di g, così ottenuta, dipende da un unico parametro (λ) e può essere differenziata in base al processo più limitante tra le velocità di carbossilazione della Rubisco (condizioni di luce satura) e di rigenerazione della RuBP (condizioni di luce limitante). I risultati rivelano che i modelli di ottimizzazione, massimizzando g per la luce blu, non forniscono una risposta corretta al variare dello spettro luminoso e sono in contrasto con i risultati sperimentali e le previsioni dei modelli empirici, che indicano una maggiore efficacia per la luce rossa.