Écologie de production théorique - Theoretical production ecology

L'écologie théorique de la production tente d'étudier quantitativement la croissance des cultures . La plante est traitée comme une sorte d'usine biologique, qui transforme la lumière , le dioxyde de carbone , l' eau et les nutriments en parties récoltables. Les principaux paramètres pris en compte sont la température, la lumière du soleil, la biomasse des cultures sur pied, la distribution de la production végétale, l'approvisionnement en nutriments et en eau.

La modélisation

La modélisation est essentielle en écologie théorique de la production. L'unité de modélisation est généralement la culture , l'assemblage des plantes par unité de surface standard. Les résultats de l'analyse pour une plante individuelle sont généralisés à la surface standard, par exemple, l' indice de surface foliaire est la surface projetée de toutes les feuilles de la culture au-dessus d'une unité de surface du sol.

Processus

Le système habituel de description de la production de l'usine divise le processus de production de l'usine en au moins cinq processus distincts, qui sont influencés par plusieurs paramètres externes.

Deux cycles de réactions biochimiques constituent la base de la production végétale, la réaction lumineuse et la réaction sombre.

  • Dans la réaction lumineuse , les photons de la lumière du soleil sont absorbés par les chloroplastes qui divisent l' eau en un radical électron, proton et oxygène qui est recombiné avec un autre radical et libéré sous forme d' oxygène moléculaire . La recombinaison de l'électron avec le proton donne les vecteurs d'énergie NADH et ATP . La vitesse de cette réaction dépend souvent de l'intensité de la lumière du soleil, de l' indice de surface foliaire, de l'angle foliaire et de la quantité de chloroplastes par unité de surface foliaire. Le taux de production brute théorique maximal dans des conditions de croissance optimales est d'environ 250 kg par hectare et par jour.
  • La réaction sombre ou cycle de Calvin lie le dioxyde de carbone atmosphérique et utilise le NADH et l'ATP pour le convertir en saccharose . Le NADH et l'ATP disponibles, ainsi que la température et les niveaux de dioxyde de carbone déterminent la vitesse de cette réaction. Ensemble, ces deux réactions sont appelées photosynthèse . Le taux de photosynthèse est déterminé par l'interaction d'un certain nombre de facteurs, notamment la température, l'intensité lumineuse et le dioxyde de carbone.
  • Les glucides produits sont transportés vers d'autres parties de la plante, tels que les organes de stockage, et convertis en produits secondaires, tels que les acides aminés , les lipides , la cellulose et d'autres produits chimiques nécessaires à la plante ou utilisés pour la respiration. Les lipides, les sucres , la cellulose et l' amidon peuvent être produits sans éléments supplémentaires. La conversion des glucides en acides aminés et en acides nucléiques nécessite de l'azote, du phosphore et du soufre . La production de chlorophylle nécessite du magnésium , tandis que plusieurs enzymes et coenzymes nécessitent des oligo-éléments . Cela signifie que l'approvisionnement en nutriments influence cette partie de la chaîne de production. L'approvisionnement en eau est essentiel pour le transport, ce qui limite donc cela aussi.
  • Les centres de production, c'est-à-dire les feuilles, sont des sources , les organes de stockage, les pointes de croissance ou autres destinations pour la production photosynthétique sont des puits . Le manque d'éviers peut également être un facteur limitant pour la production, comme cela se produit par exemple dans les vergers de pommiers où les insectes ou le gel nocturne ont détruit les fleurs et les assimilats produits ne peuvent pas être convertis en pommes. Les plantes bisannuelles et pérennes utilisent l'amidon et les graisses stockés dans leurs organes de stockage pour produire de nouvelles feuilles et pousses l'année suivante.
  • La quantité de biomasse végétale et la répartition relative de la biomasse sur les feuilles, les tiges, les racines et les organes de stockage déterminent le rythme respiratoire . La quantité de biomasse dans les feuilles détermine l' indice de surface foliaire , qui est important dans le calcul de la production photosynthétique brute .
  • les extensions de ce modèle de base peuvent inclure les dommages causés par les insectes et les ravageurs, les cultures associées , les changements climatiques, etc.

Paramètres

Les paramètres importants des modèles de production théoriques sont donc:

Climat
  • Température - La température détermine la vitesse de respiration et la réaction sombre . Une température élevée combinée à une faible intensité de lumière solaire signifie une forte perte par respiration. Une température basse combinée à une forte intensité de lumière solaire signifie que le NADH et l'ATP s'accumulent mais ne peuvent pas être convertis en glucose car la réaction sombre ne peut pas les traiter assez rapidement.
  • Lumière - La lumière, également appelée rayonnement actif photosynthétique (PAR), est la source d'énergie pour la croissance des plantes vertes. Le PAR alimente la réaction légère , qui fournit de l'ATP et du NADPH pour la conversion du dioxyde de carbone et de l'eau en hydrates de carbone et en oxygène moléculaire . Lorsque la température, l'humidité, le dioxyde de carbone et les niveaux de nutriments sont optimaux, l'intensité lumineuse détermine le niveau de production maximal.
  • Niveaux de dioxyde de carbone - Le dioxyde de carbone atmosphérique est la seule source de carbone pour les plantes. Environ la moitié de toutes les protéines des feuilles vertes ont pour seul but de capturer le dioxyde de carbone.
Bien que les niveaux de CO 2 soient constants dans des circonstances naturelles [au contraire, la concentration de CO2 dans l'atmosphère augmente régulièrement depuis 200 ans], la fertilisation au CO 2 est courante dans les serres et est connue pour augmenter les rendements en moyenne de 24% [une valeur spécifique , par exemple, 24%, n'a pas de sens sans la spécification des niveaux de CO2 «bas» et «élevé» étant comparés].
Les plantes C 4 comme le maïs et le sorgho peuvent atteindre un rendement plus élevé à des intensités de rayonnement solaire élevées, car elles empêchent la fuite de dioxyde de carbone capturé en raison de la séparation spatiale de la capture du dioxyde de carbone et de l'utilisation du dioxyde de carbone dans la réaction d'obscurité. Cela signifie que leur photorespiration est presque nulle. Cet avantage est parfois compensé par un taux plus élevé de respiration d'entretien . Dans la plupart des modèles de cultures naturelles, les niveaux de dioxyde de carbone sont supposés constants.
Surgir
  • Biomasse des cultures sur pied - La croissance illimitée est un processus exponentiel , ce qui signifie que la quantité de biomasse détermine la production. Parce qu'une biomasse accrue implique une respiration plus élevée par unité de surface et une augmentation limitée de la lumière interceptée, la croissance des cultures est une fonction sigmoïde de la biomasse des cultures.
  • Distribution de la production végétale - Habituellement, seule une fraction de la biomasse végétale totale est constituée de produits utiles, par exemple les graines de légumineuses et de céréales , les tubercules de pomme de terre et de manioc , les feuilles de sisal et d' épinard, etc. Le rendement des portions de plantes utilisables augmentera lorsque la plante alloue plus de nutriments à ces parties, par exemple les variétés à haut rendement de blé et de riz allouent 40% de leur biomasse au blé et aux grains de riz, tandis que les variétés traditionnelles n'atteignent que 20%, doublant ainsi le rendement effectif.
Différents organes végétaux ont un taux de respiration différent, par exemple une jeune feuille a un taux de respiration beaucoup plus élevé que les racines, les tissus de stockage ou les tiges. Il existe une distinction entre «respiration de croissance» et «respiration d'entretien».
Les puits, tels que les fruits en développement, doivent être présents. Ils sont généralement représentés par un interrupteur discret, qui est activé après qu'une certaine condition, par exemple une durée de jour critique, a été satisfaite.
Se soucier
  • Approvisionnement en eau - Étant donné que les plantes utilisent le transport passif pour transférer l'eau et les nutriments de leurs racines aux feuilles, l'approvisionnement en eau est essentiel à la croissance, même si les taux d'efficacité de l'eau sont connus pour différentes cultures, par exemple 5000 pour la canne à sucre , ce qui signifie que chaque kilogramme de le sucre produit nécessite jusqu'à 5000 litres d'eau.
  • Apport en nutriments - L'apport en nutriments a un double effet sur la croissance des plantes. Une limitation de l'apport en nutriments limitera la production de biomasse conformément à la loi du minimum de Liebig . Avec certaines cultures, plusieurs nutriments influencent la distribution des produits végétaux dans les plantes. Un don d' azote est connu pour stimuler la croissance des feuilles et peut donc nuire au rendement des cultures qui accumulent les produits de la photosynthèse dans les organes de stockage, tels que les céréales en cours de maturation ou les arbres fruitiers.

Phases de la croissance des cultures

L'écologie de la production théorique suppose que la croissance des cultures agricoles courantes, telles que les céréales et les tubercules, se compose généralement de quatre (ou cinq) phases:

  • Germination - La recherche agronomique a indiqué une dépendance à la température du temps de germination (GT, en jours). Chaque culture a une température critique unique (CT, température de dimension) et une somme de température (température de dimensions fois temps), qui sont liées comme suit.
Lorsqu'une culture a une température totale de 150 ° C · j par exemple et une température critique de 10 ° C, elle germe en 15 jours lorsque la température est de 20 ° C, mais en 10 jours lorsque la température est de 25 ° C. Lorsque la somme des températures dépasse la valeur seuil, le processus de germination est terminé.
  • Epandage initial - Dans cette phase, la culture ne couvre pas encore le champ. La croissance de la culture dépend linéairement de l' indice de surface foliaire, qui à son tour dépend linéairement de la biomasse des cultures. En conséquence, la croissance des cultures dans cette phase est exponentielle.
  • Couverture totale du champ - dans cette phase, la croissance est supposée dépendre linéairement de la lumière incidente et du taux de respiration, car près de 100% de toute la lumière incidente est interceptée. En règle générale, l' indice de surface foliaire (LAI) est supérieur à deux à trois dans cette phase. Cette phase de croissance végétative se termine lorsque la plante reçoit un certain signal environnemental ou interne et commence la croissance générative (comme dans les céréales et les légumineuses) ou la phase de stockage (comme dans les tubercules).
  • Attribution aux organes de stockage - dans cette phase, jusqu'à 100% de toute la production est dirigée vers les organes de stockage. Généralement, les feuilles sont encore intactes et par conséquent, la production primaire brute reste la même. Prolonger cette phase, par exemple par une fertilisation soigneuse, une gestion de l'eau et des ravageurs entraîne directement une récolte plus élevée.
  • Maturation - dans cette phase, les feuilles et autres structures de production meurent lentement. Leurs glucides et protéines sont transportés vers les organes de stockage. En conséquence, le LAI et, par conséquent, la production primaire diminue.

Modèles de production végétale existants

Les modèles de production végétale existent à différents niveaux de portée (cellule, physiologique, plante individuelle, culture, région géographique, global) et de généralité: le modèle peut être spécifique à une culture ou être plus généralement applicable. Dans cette section, l'accent sera mis sur les modèles basés sur les cultures, car la culture est le principal domaine d'intérêt d'un point de vue agronomique.

Depuis 2005, plusieurs modèles de production végétale sont utilisés. Le modèle de croissance des cultures SUCROS a été développé pendant plus de 20 ans et est basé sur des modèles antérieurs. Sa dernière révision connue date de 1997. L' IRRI et l'Université de Wageningen ont développé plus récemment le modèle de croissance du riz ORYZA2000 . Ce modèle est utilisé pour modéliser la croissance du riz. Les deux modèles de croissance des cultures sont open source . Il existe également d'autres modèles de croissance végétale plus spécifiques aux cultures.

SUCROS

SUCROS est programmé dans le langage de programmation informatique Fortran . Le modèle peut et a été appliqué à une variété de régimes météorologiques et de cultures. Le code source de Sucros étant open source , le modèle est ouvert aux modifications des utilisateurs ayant une expérience de programmation FORTRAN. La version officielle maintenue de SUCROS se décline en deux saveurs: SUCROS I, qui a une croissance illimitée non inhibée des cultures (ce qui signifie que seuls le rayonnement solaire et la température déterminent la croissance) et SUCROS II, dans lequel la croissance des cultures n'est limitée que par le manque d'eau.

ORYZA2000

Le modèle de croissance du riz ORYZA2000 a été développé à l'IRRI en coopération avec l'Université de Wageningen . Ce modèle est également programmé en FORTRAN. Le champ d'application de ce modèle est limité au riz , qui est la principale culture vivrière de l'Asie.

Autres modèles

Le Département de l'agriculture des États-Unis a parrainé un certain nombre de modèles de croissance des cultures applicables pour diverses grandes cultures américaines, telles que le coton , le soja , le blé et le riz . D'autres modèles largement utilisés sont le précurseur de SUCROS ( SWATR ), CERES , plusieurs incarnations de PLANTGRO , SUBSTOR , le CROPWAT parrainé par la FAO , AGWATER , le modèle EPIC spécifique à l'érosion et le système de culture CropSyst .

Un modèle de croissance et de concurrence moins mécaniste, appelé modèle de conductance, a été développé, principalement à Warwick-HRI, Wellesbourne, Royaume-Uni. Ce modèle simule l'interception de la lumière et la croissance de plantes individuelles en fonction de l'expansion latérale de leurs zones de couronne. La compétition entre les plantes est simulée par un ensemble d'algorithmes liés à la compétition pour l'espace et à l'interception lumineuse résultante lorsque la canopée se ferme. Certaines versions du modèle supposent le dépassement de certaines espèces par d'autres. Bien que le modèle ne puisse pas prendre en compte l'eau ou les nutriments minéraux, il peut simuler la croissance individuelle des plantes, la variabilité de la croissance au sein des communautés végétales et la compétition inter-espèces. Ce modèle a été écrit en Matlab. Voir Benjamin et Park (2007) Weed Research 47, 284–298 pour une revue récente.

Les références

  • Écologie de la production théorique , notes universitaires, Université agricole de Wageningen, 1990

Lectures complémentaires