Environnement de modélisation hybride multi-échelle pour les cultures intercalaires : obtenir le meilleur des modèles de plantes et de cultures

Multiscale Hybrid Modelling Framework for Intercropping: the best of Plant and Crop Models

• Auteur / Autrice : Oriane Braud
• Direction : Marc Jaeger, Myriam Adam
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Inscription en doctorat le 13/11/2023
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : AGAP Institut, Amélioration Génétique et Adaptation des Plantes
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Phénotypage et modélisation des plantes dans leur environnement agro-climatique (PhenoMEn)

Mots clés

Mots clés libres

Cultures associées

Agro-écologie

Simulation hybride

Modèles structure-fonction de plante

Modèle de culture

Modélisation multi-échelle

Intercropping

Agroecology

Hybrid simulation

Functional-structural plant model (FSPM)

Crop model

Multiscale modelling

Résumé

Les systèmes alimentaires actuels sont confrontés à des défis environnementaux et économiques croissants, nécessitant des approches plus durables pour garantir la sécurité alimentaire mondiale. L'agroécologie est une voie prometteuse vers la durabilité avec la diversification des cultures, comme les pratiques de cultures associées. Ces pratiques consistent à cultiver au moins deux espèces végétales sur une même parcelle agricole et sur une portion significative de leur cycle de culture (Vandermeer, 1989). Du fait du large coût des expérimentations au champ, la modélisation apparaît comme une solution pertinente pour optimiser ces systèmes agricoles complexes. Parmi les différents modèles basés sur les processus pour simuler la croissance des cultures associées, il en existe deux grands types : les modèles de culture et les modèles structure-fonction de plantes, dits FSPM. D'un côté, l'utilisation de modèles de culture permet de tester in silico les performances d'une grande variété de combinaisons Génotype d'une culture 1 x Génotype d'une culture 2 x Environnement (sol et climat) x Management (GxGxExM). Ces modèles représentent les cultures à une échelle dégradée. D'autre part, les FSPM, à l'échelle de l'organe, peuvent permettre de mieux comprendre les processus sous-jacents des interactions entre les plantes (Evers et al., 2019). Les deux approches ont toutefois des limites et des difficultés à répondre aux questions clés : a) comment modéliser les cultures associées avec des modèles de culture qui considèrent une distribution homogène du couvert végétal et des systèmes racinaires sans hétérogénéité spatiale et temporelle ? b) comment simuler une culture associée sur plusieurs saisons tout en étant limité par la complexité des interactions plante-plante et plante-environnement (FSPM) (Gaudio et al., 2022) ? Dans le cadre du projet européen Horizon IntercropValuES, nous tentons de définir une méthode d'évaluation des formalismes pour les cultures associées dans les modèles de culture, de l'appliquer sur le modèle STICS, et si besoin de proposer de nouvelles approches pour améliorer la qualité de prédiction. L'approche hybride multi-échelle choisie dans le projet est une approche top-down qui consiste à contraindre la croissance de la canopée en considérant explicitement l'arrangement spatial et l'architecture des plantes à l'échelle de l'organe, avec un modèle 3D structural et paramétrique. Il s'agit ensuite de simuler des processus physiologiques et biophysiques à cette échelle plus fine, et de se servir de cette simulation comme référence pour l'évaluation du formalisme du modèle de culture. On étudie donc dans quelle mesure la considération de l'architecture des plantes et d'un arrangement spatial explicite peut avoir un effet sur les processus dans des cultures en mélange. Si l'incertitude d'un processus liée à des traits architecturaux ou spatiaux est suffisamment élevée, son formalisme pourra être revisité dans le modèle de culture, en investiguant de nouveaux formalismes faciles à intégrer dans les modèles de culture, c'est-à-dire génériques, avec peu de paramètres, et une robustesse et une précision acceptables.

Contemporary food systems face growing environmental and economic challenges, requiring more sustainable approaches to guarantee global food security. Agroecology is a promising way to achieve sustainability through crop diversification, such as intercropping. These practices involve growing two or more plant species on the same agricultural plot over a significant portion of their crop cycle (Vandermeer, 1989). Given the high cost of field experimentation, modelling appears to be a relevant solution for optimizing these complex agricultural systems. Among the various process-based models available for simulating the growth of intercrops, there are two main types: crop models and Functional-Structural Plant Models (FSPMs). On the one hand, the use of crop models enables in silico testing of the performance of a wide variety of combinations Crop genotype 1 x Crop genotype 2 x Environment (soil and climate) x Management (GxGxExM). These models represent crops at a degraded scale. On the other hand, FSPMs, at the organ scale, can provide a better understanding of the processes underlying plant interactions (Evers et al., 2019). However, both approaches have limitations and difficulties in answering key questions: a) how to model intercrops with crop models that consider a homogeneous distribution of plant canopy and root systems without spatial and temporal heterogeneity? b) how to simulate an intercrop over several seasons while being limited by the complexity of plant-plant and plant-environment interactions (FSPM) (Gaudio et al., 2022)? As part of the European Horizon IntercropValuES project, we are attempting to define a method for evaluating formalisms for intercrops in crop models, apply it to the STICS model, and if necessary propose new approaches to improve prediction quality. The hybrid multi-scale approach chosen in the project is a top-down one, which consists in constraining canopy growth by explicitly considering the spatial arrangement and architecture of plants at the organ scale, with a structural and parametric 3D model. The aim is then to simulate physiological and biophysical processes at this finer scale, and to use this simulation as a reference for evaluating the formalism of the growth model. The extent to which the consideration of plant architecture and explicit spatial arrangement can have an effect on processes in intercrops is therefore investigated. If the uncertainty of a process linked to architectural or spatial traits is significant enough, its formalism can be revisited in the crop model, by investigating new formalisms that are easy to integrate into crop models, i.e. generic, with few parameters, and acceptable robustness and accuracy.