La modélisation du fonctionnement des systèmes sol-plante-organismes du sol est essentielle pour (i) aider à la compréhension des observations, (ii) hiérarchiser les processus (iii) quantifier les flux et (iii) prévoir les cycles de C et des nutriments (N, P et K en particulier) en fonction des pratiques agronomiques et des changements globaux. Les modèles actuellement développés au sein de notre UMR couvrent les principales disciplines scientifiques qui y sont représentées : (a) la biologie des sols ; (b) l’écophysiologie végétale ; (c) la biogéochimie et le transport-réactif.
L’UMR comprend une vingtaine de chercheurs/ingénieurs ayant une activité de modélisation, en tant que développeurs ou simples utilisateurs. Nous privilégeons une approche mécaniste afin de renforcer la capacité cognitive et prédictive des modèles.
Modèles
Les nombreux modèles actuellement utilisés et/ou développés dans l’UMR couvrent des champs très différents, et se répartissent dans les trois thèmes de recherche. Les modèles développés ou utilisés intègrent différentes représentations de la végétation et du sol abiotique et biotique. Ils répondent à nos questions de recherche et modélisent numériquement :
- le fonctionnement des plantes et croissance de la biomasse végétale aérienne et souterraine : photosynthèse , allocation du carbone et production (bois, fruits), croissances racinaires, effet des nutriment, impacts de la gestion, impacts de scénarios climatiques, changements d’échelles (arbre, parcelles, région)
- la prise en compte de l’hétérogénéité spatiale du fonctionnement à différentes échelles : compétitions pour la lumière, micro-climat, développement racinaires et racines profondes, hétérogénéités du sol et son biofonctionnement,
- les relations matières organiques issues des litières aériennes et souterraines et micro-organismes : mortalité des racines ou les rhizodépôts, place de la biomasse microbienne dans les modèles, niches
- les relations processus géochimiques - transferts de l’eau, des gaz, et des éléments minéraux – processus biologiques : acquisition hydrominérale des plantes et activités biologiques et
- certains aspects d'écologie microbienne : analyse combinatoire de la relation diversité-fonctionnement
Un accent est mis sur les questions de couplage des processus et de changements d’échelles. Cette démarche de modélisation est enrichie par (i) des données acquises dans les conditions contrôlées du laboratoire (microcosmes et mésocosmes) (ii) et la manipulation de larges jeux de données issus de nos propres sites expérimentaux ou réseaux d’observation, en vue de valider (ou non) les hypothèses formulées. Ces données sont également analysées avec des modèles statistiques (analyses multivariées, etc.), des techniques d’inversion numériques.
Illustrations
Modèle MAESPA
Représentation schématique avec ajout du calcul de la température des feuilles et de l’air dans le couvert (https://doi.org/10.1016/j.agrformet.2018.02.005).
Modèles racinaire
Simulation d’une plantation de palmier à huile âgée de 11 ans (uniquement les racines primaires sont représentées).
Simulation des zones absorbantes d’une plantation de palmier âgée de 5 ans (densité de plantation de 143 arbres/ha, soit 9 m entre arbres)
Simulation des zones absorbantes d’un eucalyptus âgé de 1 an
Min3P
Min3P est un modèle couplant les processus de transport de masse (eau, solutés, gaz), les processus géochimiques (spéciation aqueuse, dissolution-précipitation, adsorption/désorption), ainsi qu’un certain nombre de processus biologiques (e.g. https://doi.org/10.1029/2001WR000862; https://doi.org/10.1016/j.gca.2007.11.010). Ce modèle est maintenu par l’Université de Colombie Britannique (Vancouver), avec qui nous collaborons dans l’objectif d’apporter des améliorations concernant, pour l’essentiel, la prise en compte des processus biologiques. Les travaux suivants ont été réalisés:
- dans le cadre du projet Pestdynasoilroots, couplage de Min3P avec le modèle d’architecture racinaire ArchiSimple. La figure distributions de densités de surface racinaire considérées par le modèle Min3P-ArchiSimple en utilisant des volumes élémentaires de différentes finesses et, dans un objectif de vérification numérique du couplage, système racinaires calculé à l’origine par le modèle ArchiSimple (https://doi.org/10.1007/s11104-016-3092-x
- et application à l’acquisition du phosphore en sol carbonaté. La figure illustre le résultat du modèle MIN3P-ArchiSimple étendu à deux espèces (céréale et légumineuse) (https://doi.org/10.1007/s11104-016-3092-x). Example après un temps simulé de 60 jours : (A) distance inter-rang 35 cm, (B) distance inter-rang 5 cm;
- dans le cadre du projet H2020 Remix, extension du modèle Min3P-ArchiSimple à deux systèmes racinaires et application aux cultures associées : facilitation de l’acquisition du phosphore par une céréale cultivée en association avec une légumineuse fixatrice d’azote en sol carbonaté (https://doi.org/10.1007/s13593-019-0562-6). Couplage avec modèle FSM (function and structure model) pour la partie aérienne de la plante, en lien avec la plateforme OpenAlea, et application à l’acquisition de l’eau en culture associée (Braghiere et al., 2019 - soumis) ;
- introduction des formalismes utilisés par les modèles de dynamique de la matière organique du sol (https://doi.org/10.1007/s10596-019-09862-3).
Projets
- Pestdynasolroot
- MIRGAP
- MACACC
- Comet Global
Animateur
Guerric Le Maire