La modélisation des relations sol-plante

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Submitted on 5 Jun 2020

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La modélisation des relations sol-plante

Alain Mollier, Sylvain Pellerin

To cite this version:

Alain Mollier, Sylvain Pellerin. La modélisation des relations sol-plante. Séminaire du RMT : 5.

journée prospective du RMT Fertilisation et Environnement, Jan 2011, Paris, France. �hal-02802967�

La modélisation des relations sol-plante

Plan

I. Les modèles de croissance des cultures

II. Modélisation du transfert sol-plante du phosphore

III. Les modèles de transfert sol-plante: intérêt et limites pour le diagnostic et le raisonnement de la fertilisation

A Mollier et S Pellerin

UMR TCEM INRA-Bordeaux

I. Les modèles de croissance des

cultures

• Historique

Ecophysiologie

De Wit, 1970

SUCROS

SWHEAT TOMGRO ORYZA

ARCHWHEAT

WOFOST 2007

Agronomie Monteith, 1977

Sinclair et coll, 1985

GOSSYM CROPGRO

CERES APSIM,1996

STICS, 1998 ^AZODYN

1970 1980 1990 2000

Agro-Environnement ^{EPIC CROPSYST}

DAISY PASTIS

Principe de fonctionnement

Source C PAR

T °

Répartition

Photosynthèse

CO₂

Développement Variables climatiques

Puits C

f(stade dvpt ou

équilibre source/puits) Sénescence

Respiration

Prédiction de la croissance

& rendement potentiels

H₂O

PrélèvementH₂Oet Minéreaux

Prédiction des besoins en eau & éléments minéraux

(N)

I. Les modèles de croissance des cultures

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

¾Cible de ces modèles?

¾Degré de connaissance scientifique?

II. Modélisation du transfert sol-plante

du phosphore

Modélisation de l’offre en P du sol

Modèle de croissance

Variables climatiques (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

plante du phosphore

Air du sol Flux

convectif d’eau

Diffusion

Phase solide du sol Solution

du sol Biomasse

Microbienne

(croissance) mort

Matière organique O₂

CO₂

Sorption

Désorption

Exsudation

⎟⎠

⎜ ⎞

⎝

⎛ +

∂

∂

∂

= ∂

∂

∂

l e l

l b r C

r rD C r r t

b C 1 ₀ν₀

Equation de diffusion-convection

L MOD Anions (A^-)

Cations (C⁺) Complexes

Anions organiques Absorption

minérale

H⁺/OH^-

Echange

Décomplexation/complexation de surface

Dissolution/Précipitation

Ö Intégration de 2 échelles

Le système local sol-solution de sol-racine (cm

, t=jours, décades)

Géochimie + transfert réactif local

Modélisation de l’offre en P du sol

Feedback

Modèle de croissance

Variables climatiques (GR,T°)

Modélisation de l’absorption

racinaire

Le système sol-plante intégré (m

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

plante du phosphore

Root

= zero

sink R

V C R R C R R D T C C

C_a

∂ + ∂

∂

∂

∂

− ∂

∂ =

⎟∂

⎠

⎜ ⎞

⎝

⎛ +θ

∂

∂

Diffusion & mass flow

Bulk soil

P soil solid phase

Soil solution C

C b C^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 PAR

Temperature

Leaf area Root length

Integration and feedback

0 5 10 15 20 25

0 1 2 3 4

C (mg P L^-1) Ca (mg P kg^-1)

( )^d

Ca=e C

Modélisation intégrée du transfert sol-plante

Modèle numérique

Evaluation modulaire

et globale

FUSSIM-P Maize

(Mollier et al, 2008)

FUSSIM

Plant phenology &

potential growth

Intercepted

PAR

C Source

Demand for C

(C sink) Demand for (P sink) P

P Source

Plant growth

and C partitioning between shoot and root (Leaf and root expansion)

Effective P uptake

PAR

Temperature

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

Volume élémentaire

‘Control volume’

Lrv _i,j

R

- R

: rayon racinaire (cm)

- R

: mi-distance moy. entre racines (cm)

- Lrv: longueur de racine par unité de volume de sol (cm cm

)

Discrétisation du système

Discrétisation du volume de sol exploré par le système racinaire

Segment de racine

Lrv . 1

π

R

plante du phosphore

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 de

sol (H ₂ PO ₄ ^- et HPO ₄ ^-- )

P organique (20%)

Prélèvement racinaire

Minéralisation Organisation

Adsorption/Désorption Précipitation/Dissolution

C b C

∂

= ∂

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)

( ) ^d

a e C C =

-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.

plante du phosphore

Formalisation à l’échelle du segment de racine, puis intégration à l’échelle du système racinaire entier

Processus sol

Concentration et pouvoir tampon Diffusion et convection

Racines

Propriétés d’absorption (cst, MM) Géométrie – compétition

Elongation racinaire

⎟ ⎠

⎜ ⎞

⎝

⎛ + ν

∂

∂

∂

= ∂

∂

∂

l 0 0 e l

l

b r C

r rD C r r 1 t

b C

( )

(

)

m

min l

max

n

K C C

C C I I

− +

= −

1960 1970 1980 1990 2000 2010

Bouldin; Nye Marriott; Barber Claassen; Willigen; Greenwood….

Le flux maximal arrivant aux racines est calculé sous

l’hypothèse “zero sink”, i.e.

R=R ₀ => C _L =0

(de Willigen & van Noordwijk, 1994).

( ) ^{ρ − σ}

Δ ρ π

= G ,

) 1 C (

D L

z A

2 rv

max

Prélèvement effectif

=

Min. (Demande, Offre potentielle)

Root

= zero

sink R

V C R

R C R R D T

C C

C _a

∂ + ∂

∂

∂

∂

− ∂

∂ =

⎟ ∂

⎠

⎜ ⎞

⎝

⎛ + θ

∂

∂

Diffusion & mass flow

Bulk soil

0 R

R R

Modélisation du transport et du prélèvement II. Modélisation du transfert sol-

plante du phosphore

Prinicipales entrées Prédictions

Général

Discrétisation spatiale et temporelle Conditions initiales et aux limites Croissance de la plante

Climat

Croissance potentielle aérienne Paramètres Monteith

Caractéristiques racinaires Relations allométriques Demande en P

Biodisponibilité et transport de P

P Conc. + sorption/desorption paramètres Prop. Diffusion (Dw, f, theta)

Demande en P

Prélèvement racinaire (NU)

Cmin, conc. minimale pour l’absorption racinaire

Prélèvement de P

Prélèvement cumulé f(temps)

Localisaton zones prélèvement dans le sol

Croissance

Croissance en biomasse aérienne et racinaire

LAI

Root length density

Sol

Evolution de la biodisponibilité globale et locale en P dans le sol

plante du phosphore

Thermal time (°Cd)

0 100 200 300 400

P-uptake (g P m-2 )

0.0 0.5 1.0 1.5

Measured P0 Measured P1.5 Measured P3 Predicted P0 Predicted P1.5 Predicted P3

Thermal time (°Cd)

0 100 200 300 400

Leaf area index (m2 m-2)

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

Measured P0 Measured P1.5 Measured P3 Predicted P0 Predicted P1.5 Predicted P3

a)

Thermal time (°Cd)

0 100 200 300 400

Root dry weight (g m-2 )

0 20 40 60 80

Measured P0 Measured P1.5 Measured P3 Predicted P0 Predicted P1.5 Predicted 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

Simulation of localization of P-uptake in soil profile

Localisation of cumulated P-uptake after 50 days

plante du phosphore

Exemples d’utilisations du modèle

intégré de transfert sol-plante de P

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0

Cp 0-25 cm mg P / l In d ice rel a ti f p a r rap p o rt au té m o in

Indice Total dw TARTAS Indice Shoot dw

Indice Root dw Indice P up

TARTAS Prediction of plant response to soil P availability

Relative value

prélèvement et la croissance du maïs

( ^{X , Z , T} )

Q Z L

D L Z X

D L X T

L

L RV

L rv

Z , L rv

X , L

rv

⎟ − 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

20 18 241614

22

Distance à la plante (cm)

5 10 15 20 25 30 35

Profondeur (cm)

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 12 6 10

10 16 14 2018

Distance à la plante (cm) 5 10 15 20 25 30 35

10

20

30

40

50

60

70

2

2

2

4 4

6 6

8 8

10 10

16

14 12 22

20 18

24

Distance à la plante (cm) 5 10 15 20 25 30 35

Profondeur (cm)

10

20

30

40

50

60

70

Deep root system

Control Shallow root

system

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

0.00 0.20 0.40 0.60 0.80

0 10 20 30 40 50

Temps (jours)

P u p ta k e g P/ m ²

Dx=3.6 Dz=3.6 Dx=14.4 Dz=3.6 Dx=3.6 Dz=14.4

Shallow root system +25% / control

Deep root system +7% / control

Control

l’architecture racinaire sur le prélèvement de P

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

X

Méthodes 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

Intérêt et limites pour le diagnostic et

le raisonnement de la fertilisation

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

Indicateur de biodisponibilité du P:

Extractant Chimique

Nvx Indicateurs de biodisponibilité:

Cp et réapprovisionnement par phase solide

Modélisation empirique basée sur l’expérimentation

Modélisation mécaniste:

élaboration d’indicateurs intégrateurs pertinents /

fonctionnement

Ô variabilité

Effet prop. sol

Les limites des modèles de transfert sol-plante

• Dilemmes à gérer:

– Généricité et complexité: Nombre élevé de paramètres, difficiles à acquérir Î Difficulté à mettre en œuvre

– Simplicité: intégration dans les outils d’aide la décision

– Validation globale vs validation spécifique

Un 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 Î 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

Poursuite 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

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

Merci de votre attention