Présentation du modèle STICS

Le modèle STICS-culture pure a été créé en 1996, il simule le fonctionnement des cultures à pas de temps journalier, à l’échelle de la parcelle agricole. Ses variables d’entrées concernent le climat, le sol et le système de culture. Le système de culture est défini par un peuplement de plantes (espèce et variété) et l’itinéraire technique appliqué dans la parcelle. Ses variables de sorties concernent la production (quantité et qualité) et l’environnement (flux d’eau et d’azote). Les processus simulés sont la croissance et le développement de la culture, ainsi que les bilans hydriques et azotés. La culture est représentée par sa biomasse aérienne et sa teneur en azote, son indice foliaire ainsi que le nombre et la biomasse des organes récoltés (Brisson et al., 2009). STICS permet de simuler le bilan hydrique, carboné et azoté en intégrant les effets de stress hydrique et azoté sur le fonctionnement des cultures.

STICS a été développé pour simuler différentes cultures et itinéraires techniques, sans que sa structure globale soit modifiée. Cette généricité est facilitée par l'organisation du modèle en modules faisant appel à un certain nombre de sous-modules traitant de mécanismes spécifiques (Figure 2.1).

Figure 2.1 : Schéma simplifié d’organisation des différents modules du modèle de culture STICS. Développement phénologique Croissance aérienne Élaboration de rendement Pratiques culturales Microclimat Croissance racinaire Fonctionnement hydrique Fonctionnement azoté Transfert d’eau, d’azote et de

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Ces modules peuvent être classés en trois groupes : un premier ensemble de trois modules traite de l’écophysiologie des parties aériennes des plantes (modules de développement, croissance aérienne, élaboration du rendement) ; un second ensemble de quatre modules concerne le fonctionnement du sol en interaction avec les parties souterraines des plantes (modules croissance racinaire, bilan hydrique, bilan azoté, transferts) ; un troisième ensemble permet la gestion des interactions entre les techniques culturales et le système sol - culture, qu’il s’agisse des apports d’eau, d’engrais ou du microclimat (Brisson et al.,2009). Il existe également des options de choix de formalisme pour chaque module qui permet d’adapter l’utilisation du modèle à des systèmes de culture variés.

La version STICS-Cultures associées est une extension de STICS-culture pure qui considère le système non pas composé d’une seule espèce mais de deux espèces cultivées en même temps. Pour pourvoir utiliser cette version, il est nécessaire d’activer trois options du formalisme qui sont le « transfert radiatif » pour le rayonnement, « la densité vraie » pour la croissance racinaire et « le modèle résistif » pour les besoins des cultures en eau. Pour STICS-cultures associées, l’adaptabilité des principaux formalismes avait été déjà réalisée par Brisson et al., (2004). La description suivante des modules de STICS n’est pas exhaustive ; seuls les modules indispensables à la compréhension de notre travail de modélisation sont présentés. La description de chaque module et les différents formalismes sont détaillés par Brisson et al., (2009).

2.1.1.1 Le développement

Le développement de la plante dans le modèle STICS prend en compte plusieurs stades d’évolution de l’indice foliaire et des stades reproducteurs. Les durées séparant les stades successifs sont propres à l’espèce et à la variété. Ces durées sont évaluées en unités de développement, reproduisant le temps physiologique de la plante (conditionné par la température de l’air). La signification de chaque stade en fonction des stades physiologiques du blé est représentée dans le tableau 2.1.

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Tableau 2.1 : Description des stades de développement clés dans STICS en fonction des stades physiologiques du blé d’hiver.

Stades STICS Signification Blé

LEV Germination-levée Levée

AMF Fin phase juvénile Epi 1 cm

LAX Indice foliaire maximale Epiaison

SEN Début scénscence nette Peu après début du remplissage des grains LAN Indice foliaire nul Maturité physiologique

FLO Floraison

DRP Début remplissage des grains MAT maturité physiologique

2.1.1.2 Interception du rayonnement

L'interception du rayonnement dans la version STICS-cultures associées est calculée par le formalisme "Transfert radiatif", qui prend en compte la géométrie du couvert (espacement et orientation des rangs) et la forme du profil de densité foliaire. L’ensemble constitue le volume du couvert de chaque espèce (Brisson et al. 2004). Ce volume, défini par une hauteur et une largeur, présente une forme simple avec une section soit triangulaire ou rectangulaire. Cette forme est supposée constante tout au long du cycle. En revanche, le modèle est capable de simuler des inversions de dominance entre les deux espèces au cours du cycle de croissance.

2.1.1.3Croissance aérienne : LAI, biomasse totale

Le module « croissance aérienne » permet de calculer le LAI (Leaf Area Index), et la croissance en biomasse. Le LAI dépend à la fois du stade de développement, de la température et de l'état trophique, hydrique et azoté de la plante. La croissance en biomasse aérienne est calculée à partir de l'efficience de conversion du rayonnement intercepté. Cette efficience est dépendante du stade de développement de la plante et des stress hydrique et azoté. Les stress sont représentés par des indices variant entre 0 et 1, qui vont réduire les fonctions vitales de la plante. Ces stress sont de nature abiotique exogène (stress azoté, hydrique, thermique, dont l’effet du gel) et endogène (stress trophique : concurrence entre les feuilles et les fruits pour les assimilas disponibles).

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2.1.1.4 L’azote

L'accumulation journalière de l’azote dans la plante dépend de l'accumulation du carbone et de la disponibilité de l’azote dans le sol. L’absorption de l’azote par chaque espèce dépend de la profondeur des racines, de leurs distributions dans les couches du sol et de la demande de la culture en azote. La demande de la culture est définie par le concept de courbe maximale de dilution d'azote. L'offre du sol est déterminée au niveau des couches élémentaires de 1 cm jusqu’à la profondeur maximale atteinte par les racines.

2.1.1.5 Croissance racinaire

Le module « croissance racinaire » calcule la croissance du front racinaire et la densité racinaire en fonction de la température du sol, l'humidité du sol et de sa densité apparente. Dans STICS, la croissance des racines est déconnectée de la croissance aérienne. Les racines jouent uniquement un rôle fonctionnel d’absorbeur d’eau et d’azote minéral. Il existe toutefois un lien indirect entre aérien et souterrain par l’intermédiaire de la température qui intervient aux deux niveaux et par l’efficience de conversion au stade juvénile. L'arrêt de la croissance du front racinaire peut être conditionné par la présence de contraintes liées au sol (par exemple, roche mère, sécheresse, pénétrabilité).

2.1.1.6Fonctionnement hydrique :

Le module fonctionnement hydrique s'appuie sur le calcul des différents termes d'offre et de demande hydrique de la plante. L'offre du sol est déterminée par le bilan entre la somme d'apports (la pluie, l'irrigation et les remontées capillaires) et la somme de pertes (évaporation, ruissellement et drainage). La demande en eau des plantes ainsi que l'évaporation du sol, sont calculées grâce à une approche "résistive" décrite dans Brisson et al., (2004).