la modélisation des relations sol-plante · processus biologiques, physico-chimiques...
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3ème journée de prospective du RMT Fertilisation & Environnement - Paris, le 7 janvier 2011A L I M E N T A T I O N
A G R I C U L T U R EE N V I R O N N E M E N T
La modélisation des relations sol-plante
PlanI. Les modèles de croissance des culturesII. Modélisation du transfert sol-plante du phosphoreIII. Les modèles de transfert sol-plante: intérêt et limites
pour le diagnostic et le raisonnement de la fertilisation
A Mollier
et S PellerinUMR TCEM INRA-Bordeaux
3ème journée de prospective du RMT Fertilisation & Environnement - Paris, le 7 janvier 2011A L I M E N T A T I O N
A G R I C U L T U R EE N V I R O N N E M E N T
I. Les modèles de croissance des cultures
3ème journée de prospective du RMT Fertilisation & Environnement - Paris, le 7 janvier 2011A L I M E N T A T I O N
A G R I C U L T U R EE N V I R O N N E M E N T
• Historique
EcophysiologieDe Wit, 1970
SUCROS
SWHEATTOMGROORYZAARCHWHEAT
WOFOST 2007
AgronomieMonteith, 1977
Sinclair et coll, 1985
GOSSYM CROPGROCERES APSIM,1996
STICS, 1998 AZODYN
1970 1980 1990 2000
Agro-Environnement EPIC CROPSYSTDAISY PASTIS
Adapté
d’après Brisson, 2009
I. Les modèles de croissance des cultures
3ème journée de prospective du RMT Fertilisation & Environnement - Paris, le 7 janvier 2011A L I M E N T A T I O N
A G R I C U L T U R EE N V I R O N N E M E N T
Principe de fonctionnement
Source C
PAR
T°
Répartition
PhotosynthèseCO2
DéveloppementVariables climatiquesPuits
C
f(stade dvpt ou équilibre source/puits)
SénescenceRespiration
Prédiction de la croissance & rendement potentiels
H2
O
Prélèvement
H2
O
et Minéreaux
Prédiction des besoins en eau & éléments minéraux
(N)
I. Les modèles de croissance des cultures
3ème journée de prospective du RMT Fertilisation & Environnement - Paris, le 7 janvier 2011A L I M E N T A T I O N
A G R I C U L T U R EE N V I R O N N E M E N T
Complexité variable• Modèles « simples » fondés sur des relations
empiriques qui intègrent de nombreux processus (nombre de paramètres et variables réduit)
• Modèles mécanistes complexes: intègrent les processus biologiques, physico-chimiques élémentaires et leur dynamique (très couteux en paramètres)
• Modèles « intermédiaires »: hétérogénéité du degré de complexité des processus modélisés
Cible de ces modèles?Degré de connaissance scientifique?
I. Les modèles de croissance des cultures
3ème journée de prospective du RMT Fertilisation & Environnement - Paris, le 7 janvier 2011A L I M E N T A T I O N
A G R I C U L T U R EE N V I R O N N E M E N T
II. Modélisation du transfert sol-plante du phosphore
3ème journée de prospective du RMT Fertilisation & Environnement - Paris, le 7 janvier 2011A L I M E N T A T I O N
A G R I C U L T U R EE N V I R O N N E M E N T
Modélisation de l’offre
en P du sol
Modèle de croissance
Varia
bles
clim
atiq
ues
(GR
,T°)
Modélisation de l’absorption
racinaire
Feedback
•Objectif:•Prédire le prélèvement de P et la croissance des plantes•Moyens: Elaborer un modèle mécaniste mettant en relation la biodisponibilité du phosphore dans le sol, le prélèvement par le système racinaire et la réponse de la plante
• Espèces et éléments modèles– Maïs– P
• Échelle d ’espace et de temps: – Plante en peuplement – Durée du cycle avec un pas de temps
journalier• Cahier des charges:
– Prise en compte du caractère hautement interactif du système sol- plante (Rétro-effets)
– Gamme d ’offre du sol allant de suffisant à légèrement déficient
II. Modélisation du transfert sol- plante du phosphore
3ème journée de prospective du RMT Fertilisation & Environnement - Paris, le 7 janvier 2011A L I M E N T A T I O N
A G R I C U L T U R EE N V I R O N N E M E N T
Air du sol
Fluxconvectif
d’eauDiffusion
Phase solidedu sol
Solutiondu sol
BiomasseMicrobienne(croissance)
mort
Mat
ière
orga
niqu
e
O2CO2
Sorption
Désorptio
n
Exsudation
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ +
∂∂
∂∂
=∂∂
llel Crb
rCrD
rrtCb 00
1 ν
Equation de diffusion-convection
MODL
Anions (A-)Cations (C+) Complexes
Anions organiques
Absorptionminérale
H+/OH-EchangeDécomplexation/complexationde surfaceDissolution/Précipitation
Intégration de 2 échellesLe système
local sol-solution de sol-racine
(cm3, t=jours, décades)
Géochimie
+ transfert
réactif
local
Modélisation de l’offre en P du sol
Feedback
Modèle de croissance
Varia
bles
clim
atiq
ues
(GR
,T°)
Modélisation de l’absorption
racinaire
Le système
sol-plante
intégré(m3
de sol et peuplement, t=durée
du cycle)
Ecophysiologie
plante
entière(Assimilation-Gestion
C –
Big Leaf/Root)
Processus modélisés
II. Modélisation du transfert sol- plante du phosphore
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II. Modélisation du transfert sol- plante du phosphore
Root =
zero sink R
CVRCR
RRD
TC
CCa
∂∂
+∂∂
∂∂
−=∂∂
⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛ θ+∂∂
Diffusion & mass flow
Bulk soil
P soil solid phase
Soil solution C
CCb a
∂∂
=
Plant growth
P uptake by roots
P soil availability
Plant phenology and potential growth
Intercepted PAR
C Source
Demand for C (C sink)
Demand for P (P sink)
P Source
Leaf and root expansion Effective P uptake
PARTemperature
Leaf area Root length
Inte
grat
ion
and
feed
back
0
5
10
15
20
25
0 1 2 3 4
C (mg P L-1)
Ca (mg P kg-1)
( )daC e C=
Modélisation intégrée du transfert sol-plante
Modèle numérique
Evaluation modulaire
et globale
FUSSIM-P Maize(Mollier
et al, 2008)
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FUSSIM
Plant phenology &
potential growth
Intercepted
PAR
C Source
Demand for C
(C sink)
Demand for P
(P sink)
P Source
Plant growth
and C partitioning
between shoot and root (Leaf and root expansion)
Effective P uptake
PARTemperature
Leaf area Root length
Processus: Assilimation
et Gestion
C Modélisation
de la demande
P Couplage
C x P
Modélisation de la croissance
II. Modélisation du transfert sol- plante du phosphore
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Volume élémentaire
‘Control volume’
Lrvi,j
R0- R0
: rayon racinaire (cm)- R1
: mi-distance moy. entre racines (cm)-
Lrv: longueur de racine par unité
de volume de sol (cm cm-3)
Discrétisation du système
Discrétisation du volume de sol exploré
par le système racinaire
Segment de racine
Lrv.1
π
R1
II. Modélisation du transfert sol- plante du phosphore
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P minéral
lié
à
la phase solide
(80%)
- Adsorbé-
constitution des minéraux
II. Modélisation du transfert sol- plante du phosphore
Spéciation
et compartimentation du P dans
les sols
Solution desol (H2
PO4-
et HPO4--)
P organique(20%)
Prélèvement
racinaire
Minéralisation
Organisation
Adsorption/Désorption
Précipitation/Dissolution
CCb a
∂∂
=
Modélisation de la phytodisponibilité
de P
0
5
10
15
20
25
0 1 2 3 4
C (mg P L-1)
Ca (mg P kg-1)
( )da CeC =
-La concentration en P dans la solution du sol est supposée en équilibre avec la quantité de P adsorbée sur la phase solide du sol.
-Le transfert de P entre la phase solide du sol et la solution du sol est décrit par une équation de type Freundlich, et est supposé instantané.
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II. Modélisation du transfert sol- plante du phosphore
Formalisation à l’échelle du segment de racine, puis intégration à l’échelle du système racinaire entier
Processus solConcentration et pouvoir tamponDiffusion et convection
RacinesPropriétés d’absorption (cst, MM)Géométrie – compétitionElongation racinaire
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ν+
∂∂
∂∂
=∂∂
l00lel Crb
rCrD
rr1
tCb
( )( )minlm
minlmaxn CCK
CCII−+−
=
1960 1970 1980 1990 2000 2010 Bouldin; Nye
Marriott; Barber Claassen; Willigen; Greenwood….
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Le flux maximal arrivant aux racines est calculé sous l’hypothèse “zero sink”, i.e. R=R0 => CL =0(de Willigen & van Noordwijk, 1994).
( )σρ−ρ
Δπ=,G
)1(CDLzA2
rvmax
Prélèvement effectif =
Min. (Demande, Offre potentielle)
Root =
zero sink R
CVRCR
RRD
TC
CCa
∂∂
+∂∂
∂∂
−=∂∂⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ θ+∂∂
Diffusion & mass flow
Bulk soil
0 R0 R R1
Modélisation du transport et du prélèvement
II. Modélisation du transfert sol- plante du phosphore
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Prinicipales
entrées Prédictions
GénéralDiscrétisation
spatiale
et temporelleConditions initiales
et aux limites
Croissance
de la planteClimatCroissance
potentielle
aérienneParamètres
MonteithCaractéristiques
racinairesRelations allométriquesDemande
en P
Biodisponibilité
et transport de PP Conc. + sorption/desorption paramètresProp. Diffusion (Dw, f, theta)Demande
en P
Prélèvement
racinaire
(NU)Cmin, conc. minimale
pour l’absorption
racinaire
Prélèvement
de PPrélèvement
cumulé
f(temps)Localisaton
zones prélèvement
dans
le sol
CroissanceCroissance
en biomasse
aérienne
et racinaireLAIRoot length density
SolEvolution de la biodisponibilité
globale
et locale en P dans
le sol
II. Modélisation du transfert sol- plante du phosphore
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Thermal time (°Cd)
0 100 200 300 400
P-up
take
(g P
m-2
)
0.0
0.5
1.0
1.5
Measured P0Measured P1.5Measured P3Predicted P0Predicted P1.5Predicted P3
Thermal time (°Cd)
0 100 200 300 400
Leaf
are
a in
dex
(m2
m-2
)
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
Measured P0Measured P1.5Measured P3Predicted P0Predicted P1.5Predicted P3
a)
Thermal time (°Cd)
0 100 200 300 400
Roo
t dry
wei
ght (
g m
-2)
0
20
40
60
80
Measured P0Measured P1.5Measured P3Predicted P0Predicted P1.5Predicted P3
b) c)
Field evaluation: Comparison of predicted and observed variables
P-uptake Shoot and Root growth
(Mollier
et al., 2008; Faget, 2006; Maire, 2005)
II. Modélisation du transfert sol- plante du phosphore
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Simulation of localization of P-uptake in soil profile
Localisation of cumulated P-uptake after 50 days
II. Modélisation du transfert sol- plante du phosphore
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Exemples d’utilisations du modèle intégré
de transfert sol-plante de P
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0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0Cp 0-25 cm mg P / l
Indi
ce re
latif
par
rapp
ort a
u té
moi
n
Indice Total dw TARTASIndice Shoot dwIndice Root dwIndice P up
TARTAS
Prediction of plant response to soil P availability
Rel
ativ
e va
lue
1. Simulation de valeurs seuils de CP
dans le sol pour le prélèvement et la croissance du maïs
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( )T,Z,XQL
ZLD
ZXLD
XTL
LRVLrv
Z,Lrv
X,Lrv +λ−⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛
∂∂
∂∂
+⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
∂∂
∂∂
=∂∂
2. Analyse par simulation de l’impact de modifications de l’architecture racinaire sur le prélèvement de P
0
0
0
2
2
4
4
8
8
6
6
12
10
10
201816142422
Distance à la plante (cm)
5 10 15 20 25 30 35
Prof
onde
ur (c
m)
10
20
30
40
50
60
70
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
0
0 0
2
2
2
4
4
8
8
6
6
12
10
10
16 142018
Distance à la plante (cm)
5 10 15 20 25 30 35
10
20
30
40
50
60
70
2
22
4
4
6
6
8
8
10
10161412
22201824
Distance à la plante (cm)
5 10 15 20 25 30 35
Pro
fond
eur (
cm)
10
20
30
40
50
60
70
Deep
rootsystemControl
Shallow
rootsystem
Dx=Dz Dx>Dz Dx<Dz
Cp=0.5 mg P/L
Cp=0.05 mg P/L
Iso-contours des densités racinaires après 50 j de simulation
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0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
0 10 20 30 40 50
Temps (jours)
P u
ptak
e g
P/m
²
Dx=3.6 Dz=3.6Dx=14.4 Dz=3.6Dx=3.6 Dz=14.4
Shallow
root
system+25% / control
Deep
root
system+7% / control
Control
2. Analyse par simulation de l’impact de modifications de l’architecture racinaire sur le prélèvement de P
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3. Utilisation du modèle pour des recherches génériques sur les relations ‘architecture racinaire -
prélèvement minéral’
Analyse de sensibilité globale du modèle de transfert sol-plante
Range of critical P requirement
Temps
Biomasse
Biomasse
[P%]
Range of potential growth
P demand
P-bioavailable
Variabilité génétique
et/ou
Facteurs environnementaux
Gamme de P X
Propriétés physico- chemiques du sol
Expérimentations numériques
XMéthodes statistiques
(Sobol, FAST…)Root
properties
• Importance des processus locaux pour la prédiction du prélèvement à l’échelle de la plante entière?• en faible disponibilité P: Définition d’ideotypes X Fourniture du sol en P
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III. Les modèles de transfert sol-plante: Intérêt et limites pour le diagnostic et
le raisonnement de la fertilisation
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Les apports des modèles de transfert sol-plante
• Cadre conceptuel pour l’étude des interactions complexes au sein du système sol-plante
• Intégration des connaissances• Outil de prédiction:
– Exploration numérique: Analyse de sensibilité, évaluation ex-ante de pratiques
– Ecart prédictions-observations: définition de questions de recherche
– Diagnostic et établissement de références améliorés
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Indicateur de biodisponibilité du P:Extractant Chimique
Nvx Indicateurs de biodisponibilité:Cp et réapprovisionnement par phase solide
Exemple définition de nouveaux indicateurs
Modélisation empirique basée sur l’expérimentation
Modélisation mécaniste: élaboration d’indicateurs intégrateurs pertinents /
fonctionnement
(d’après
Morel et al, 2000; Morel et Denoroy: Projet
CASDAR RIP)
variabilitéEffet prop. sol
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Les limites des modèles de transfert sol-plante
• Dilemmes à gérer:– Généricité et complexité: Nombre élevé de paramètres, difficiles à acquérir
Difficulté à mettre en œuvre– Simplicité: intégration dans les outils d’aide la décision
– Validation globale vs validation spécifiqueUn modèle générique prédira en moyenne correctement sur dans une large
gamme de situations, mais peut-être mis en défaut dans des situations spécifiques
Modèle générique Simplification pour application dans un domaine plus restreint (calibration sur essais in situ adaptés)
• Analyse multifactorielle limitée:– Malgré leur complexité, les modèles intègrent toujours un nombre réduit de
facteurs (C, N, eau, P, K) et considèrent rarement les interactions. Les facteurs biotiques sont peu pris en compte
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Les perspectivesPoursuite de l’acquisition de connaissances
scientifiques– Plante:
• Précision de la demande sur l’ensemble du cycle• Meilleure représentation du système racinaire• Considération des symbioses• Réponse multi-contrainte• Compétition – Facilitation: peuplements hétérogènes
– Biodisponibilité• Mécanismes de réapprovisionnement par le sol• Intégration du pool de P organique: lien avec dynamique
microbienne du sol• Géochimie: interactions en espèces chimiques
– Intégration• Prélèvement hydrique x minéraux• Hiérarchisation des processus
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Les perspectives• Développement des plates-formes de
modélisation:– Plante Virtuelle: OpenAlea
– Sol Virtuel
Meilleure intégration des processus biologiques – physiques – chimiques et de leurs interactions
Exploration numérique de la complexité du système sol- plante
Système de culture
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Merci de votre attention
http://www.bordeaux-aquitaine.inra.fr/tcem
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