Développement et implémentation d’un module phosphore dans le modèle de sol-culture STICS pour simuler le fonctionnement des agro-écosystèmes tempérés et tropicaux.

Development and implementation of a phosphorus module of the STICS crop model to simulate tropical and temperate agroecosystems functioning

• Auteur / Autrice : Mounir Seghouani
• Direction : Alain Mollier
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences agronomiques et forestières
• Date : Soutenance en 2024
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et Environnements
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ISPA - Interaction Sol-Plante-Atmosphère
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : BIONUT - BIOGéochimie des NUTriments
• Jury : Président / Présidente : Isabelle Bertrand
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Éric Justes, Noura Ziadi, Benjamin Dumont
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Éric Justes, Noura Ziadi

Mots clés

Mots clés libres

Phosphore

Modélisation

Agronomie

Écophysiologie

Nutrition des plantes

Agronomy

Phosphorus

Crop nutrition

Ecophysiology

Crop growth model

Résumé

La modélisation du cycle du phosphore (P) dans les agrosystèmes reste peu développée en comparaison avec l’azote (N). Les approches utilisées par la majorité des modèles sol-culture intégrant P sont trop peu mécanistes pour la représentation des processus physico-chimiques dans le sol et manquent de généricité et de robustesse dans la représentation des processus physiologiques à l’origine de la demande de la plante et du prélèvement dans le sol. Afin de lever ces verrous, l’objectif central de mes travaux a été de proposer des formalismes simulant le cycle de P dans les modèles sol-culture à la fois plus mécanistes, génériques et robustes. Pour y parvenir, il a d’abord s'agit d'implémenter un module simulant le cycle du P dans le modèle sol-culture STICS. Ce couplage soulève la question de la prise en compte et la formalisation des réponses à des limitations multiples. Dans une première partie, j’ai couplé le modèle STICS avec un modèle simulant l’offre du sol, la demande des cultures, le prélèvement par les racines, le partitionnement dans la plante du P et les conséquences d’une déficience en P sur la culture. Le modèle a été évalué sur un jeu de données issus d’essais pluriannuels de fertilisation phosphatée du maïs implantés sur quatre sites en France hexagonale. Le modèle a simule l’accumulation finale de P (R2 = 0.82 ; rRMSE = 16 %) et de biomasse (R2 = 0.62 ; rRMSE = 10 %) dans les parties aériennes et les grains (P : R2 = 0.7 ; rRMSE = 20 % ; Biomasse R2 = 0.56 ; rRMSE = 11 %) avec une bonne précision. Le modèle a aussi été en mesure de reproduire la dynamique temporelle d’accumulation du P et de la réponse des cultures à la limitation en P entre les sites et les traitements. Le modèle peut être utilisé en l’état pour prédire et analyser la réponse des cultures à la disponibilité en P en zone tempérée à l’échelle d’une saison culturale et contribuer ainsi à l’amélioration du raisonnement de la fertilisation P. Son extension à des échelles plus longues ou à des zones tropicales nécessite l’intégration de nouveaux mécanismes. La deuxième partie porte sur une revue de la littérature sur la colimitation N-P dans les agrosystèmes. J’ai établi un cadre conceptuel permettant de classifier la réponse des cultures à la colimitation, et analysé les résultats de 32 essais de fertilisation publiés. Cette analyse a montré que 84% des situations suivaient l’hypothèse de limitation multiple (MLH), impliquant une réponse adaptée de la culture à la colimitation, alors que seulement 16% des cas suivaient la loi du minimum (LM), encore pourtant très largement considérée en agronomie. La confrontation de la littérature sur les mécanismes impliqués dans la réponse des cultures à la colimitation N-P avec un état des lieux des représentations développées dans les modèles sol-culture a enfin permis de dégager des pistes d’amélioration de ces modèles. Dans une troisième partie, j’ai appliqué ce cadre conceptuel précédemment mentionné à l’étude de la réponse de la canne à sucre à la colimitation en N, P, et potassium (K) à l’aide des indices de nutrition. Des modèles mixtes linéaires ont été développés pour traiter les données issues de quatre essais pluriannuels de fertilisation situés à La Réunion. Les situations de colimitations étaient omniprésentes (98 % des situations). Les modèles basés sur la MLH ont été plus performants que ceux basés sur la LM et ont permis de montrer que le statut nutritionnel en N, P et K expliquait 38% de la variation de la biomasse de la canne à la récolte. L’intégration des mécanismes d’interactions NxP permettraient de mieux gérer la colimitation N-P dans le modèle, et de mieux appréhender agronomiquement ces situations.

Crop models are useful tools for understanding the complexity of agrosystems. The modeling of the P cycle in agrosystems remains underdeveloped compared with that of nitrogen (N) or carbon. In addition, crop models managing P use the same approach. Other aspects, such as P demand and soil-plant P transfer, are often poorly represented, which limits the genericity and robustness of these crop models. The central hypothesis of my work is that it is possible to represent the P cycle in agrosystems using a more mechanistic, robust and generic approach. In order to achieve this, it was first necessary to implement a module simulating the P cycle in the STICS soil-crop model, which has already demonstrated its robustness for simulating nitrogen and water, and which incorporates relevant formalisms to extend its validity domain to P. Secondly, the dependence of the P cycle on that of N raised the question of the agronomic importance of N-P colimitation and its implementation in soil-crop models. In the first part, I coupled the STICS model with a model simulating soil P supply, crop P demand, P uptake by roots, P partitioning in the plant and the consequences of P deficiency on crop growth. The model was evaluated on a dataset derived from four long-term phosphate fertilization trials for maize at four sites in mainland France. The evaluation showed that the model performed well in simulating the final accumulation of P (R² = 0.82; Relative Root Mean Squared Error (rRMSE) = 16%) and biomass (R² = 0.62; rRMSE = 10%) in the crop, as well as P in grain (R² = 0.7; rRMSE = 20%) and grain yield (R²2 = 0.56; rRMSE = 11%). The model is also able to reproduce the dynamics of P accumulation and crop response to P limitation between different sites and treatments within the same site. The proposed model can be used to analyze and optimize crop response to P availability in temperate zones over a single growing season. Its extension to longer time scales or to tropical zones requires the integration of new mechanisms. In the second part, I conducted a literature review on N-P colimitation in agrosystems. I established a conceptual framework for classifying crop response to colimitation. Various fertilization trials from published works were analyzed using this conceptual framework. Of the 32 trials analyzed, 84% followed the multiple limitation hypothesis (MLH), which implies an adapted crop response to colimitation, while only 16% followed the law of minimum (LM), which is still widely recognized by agronomists. The NxP interaction was found to be significant in 63% of cases. Mechanisms that could explain crop response to N-P colimitation were identified. These experimentally observed mechanisms were compared with an inventory of crop models managing N-P colimitation, the majority of which use LM. Avenues for improving colimitation management by crop models were proposed. In a third and final part, I applied the previously mentioned conceptual framework to the study of sugarcane response to colimitation in 3 elements: N,P, and potassium (K). Crop response was characterized using nutrition indexes based on the establishment of corresponding dilution curves. Linear mixed models were developed to process data from four multi-year sugarcane fertilization trials in La Réunion. Colimitation situations were found to be frequent on the different sites (98% of situations were colimited by at least two elements). MLH was also able to explain the variability of sugarcane response better than LM, confirming the results of the literature review. In line with the scientific literature, the statistical models developed showed that the N, P and K nutritional status of sugarcane at harvest explains 38% of the variation in sugarcane yield at harvest. The integration of NxP interaction mechanisms would enable better management of N-P colimitation in the model, and a better agronomic understanding of these situations.