Modélisation tri-dimensionnelle de la croissance du système racinaire des plantes en milieu hétérogène avec un automate voxellaire : concepts de modélisation et application à des arbres en agroforesterie

Modelling plant root growth in 3D heterogeneous soil conditions with the voxel automata approach : modelling concepts and application to agroforestry trees

• Auteur / Autrice : Rachmat Mula
• Direction : Christian Gary
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences du sol
• Date : Soutenance en 2005
• Etablissement(s) : Montpellier, ENSA

Mots clés

Mots clés contrôlés

Peupliers

Noyers

Modélisation tridimensionnelle

Plantes -- Croissance

Racines (botanique)

Agroforesterie

Mots clés libres

Sols hétérogènes

Résumé

Le modèle dynamique du système racinaire doit assurer la cohérence des règles d'allocation du carbone aux différentes parties du système racinaire et l'efficacité de la capture de ressources. Un tel modèle serait capable de prédire la croissance d'un système racinaire dans un sol hétérogène. Nous proposons un tel modèle, économe en paramètres, avec un automate voxellaire, étendu en 3D. Le besoin d'un tel modèle résulte de l'observation au champ pour deux espèces d'arbres, noyers hybrides (Juglans nigra x regia cv NG23) et peupliers hybrides (Populus euramericana cv I214), cultivées avec ou sans des cultures intercalaires pendant 10 ans dans le sud de la France. Les systèmes racinaires des arbres dans les parcelles agroforestières étaient beaucoup plus profonds que ceux des arbres forestiers, et se développaient horizontalement sous le volume de sol occupé par les racines des cultures. Cette plasticité du système racinaire des arbres a été confirmée par des expériences en grands conteneurs avec des substrats hétérogènes, ou en enrichissant localement quelques voxels du conteneur avec de l'eau ou de l'azote. L'automate racinaire simule la croissance de racine fine et de racine de structure (et sa topologie). Certains paramètres permettent de caractériser la plasticité ou réactivité de chaque espèce à la variabilité des conditions d'activité racinaire. Des expériences d'arbres en grands conteneurs et une expérience de split-root ont permis de paramétrer le modèle pour le noyer hybride (Juglans hindsii x regia) et le merisier (Prunus avium L. ). Les valeurs des paramètres ajustés pour les noyers et les merisiers permettent d'utiliser le modèle pour prédire les enracinements d'arbres dans des conditions du sol variées. Mais pour cela, il faut que l'automate soit couplé avec un modèle d'arbre entier et un modèle de sol.

Dynamic models of root systems should link the pattern of carbon allocation to different parts of the root system and the efficiency of belowground resources capture. Such a model could predict the dynamic growth of root systems in 3D heterogeneous soils. We present such a ‘parsimonious’ model with only six parameters, based on the voxel automata approach. Evidence for the need of such a model was provided by a field study of the spatial root distributions of two tree species, hybrid walnut trees (Juglans nigra x regia cv NG23) and hybrid poplars (Populus euramericana cv I214) cultivated with or without the competition with winter intercrops in southern France. Tree root distributions in the agroforestry plots were much deeper than those observed in the forestry plots, and/or extended laterally beneath the crop zone. More evidence of root plasticity was provided by pot experiments with heterogeneous substrates, or by enriching a small patch in water and/or nitrogen inside the container. The voxel automaton simulates both fine and coarse root growth, and automatically generates its topology. Both the control of ‘genetic’ and environmental factors are incorporated in the root growth process. Container experiments and a split-root experiment were used to parameterise the model for hybrid walnut trees (Juglans hindsii x regia) and wild cherry trees (Prunus avium L. ). The estimated parameter values for walnut and wild cherry trees allow the voxel automata model to be used to predict root patterns of both tree species in various heterogeneous soil experiments. For this purpose, an integration of the root model into a model of tree growth is necessary.