Les modèles d'architecture racinaire fonctionnelle-structurelle (FSRM) peuvent être utilisés pour sélectionner des traits racinaires qui optimisent les performances des plantes dans des conditions environnementales spécifiques. Les simulateurs actuels diffèrent dans la manière dont ils (1) représentent la manière dont les processus sont capturés et traduits en équations mathématiques ; (2) résoudre des problèmes mathématiques en choisissant des approches analytiques ou numériques, un schéma numérique ou une technique de programmation ; et (3) coupler et représenter l'échange entre les domaines racine et sol. Ces différences peuvent entraîner des niveaux variables de précision et de fiabilité.

Andréa Schnepf a dirigé le tout premier effort pour comparer l'absorption d'eau des racines du sol à l'aide de FSPM qui permet une comparaison quantitative des sorties de différents simulateurs avec des solutions de référence et entre elles.

Cet effort a commencé par une appel à participation POUR l'analyse comparative collaborative de Schnepf et ses collègues. En conséquence, cinq groupes de recherche qui ont développé les FSPM racine DuMu^x, CPlantBox, R-SWMS, OuvrirSimRoot et SRI contribué à une in silico Article Plants décrivant le benchmarking.

Les cinq simulateurs ont été étalonnés à l'aide d'une approche en plusieurs étapes avec des niveaux de complexité croissants. La précision était basée sur la comparaison avec les solutions de référence et les valeurs de la littérature existante.

Pour le premier défi, la validité des modules à domaine unique (c.-à-d. racine OU sol) a été testée. Les scénarios étaient simples et l'objectif était de renforcer la confiance dans la précision des différentes parties modulaires des simulateurs et d'aider à interpréter les résultats potentiellement divergents des défis de référence couplés.

DÉFI 1 : MODULAIRE

Ces défis ont pris en compte le front d'infiltration et la hauteur de pression de l'eau racinaire. L'eau appliquée à la surface du sol pénètre dans le sol par le processus d'infiltration. Ceci est principalement contrôlé par l'approvisionnement en eau et le type de sol. Dans ce cas, le front d'infiltration est mesurée comme la profondeur à laquelle l'eau s'infiltre dans le sol sec à des moments précis par rapport à la teneur en eau volumétrique (le rapport du volume d'eau au volume unitaire de sol).

Têtes de pression sont une mesure du potentiel hydrique. L'absorption d'eau par les racines est calculée en fonction de la différence de pression d'eau entre le xylème et la pression d'eau du sol à l'interface sol-racine. Dans ce cas, le modèle décrit la répartition de la pression de charge d'eau des racines dans le xylème sur la profondeur du sol.

Benchmark A – Le module représente avec précision le front d'infiltration de l'eau dans un sol sec pour trois types de sol (sable, limon et argile).

Résultats : DuMu^x, R—SWMS et OpenSimRoot étaient tous d'accord pour le sable, le limon et l'argile. SRI était en accord avec la référence pour le sable et le limon, mais s'écartait pour l'argile, mais restait dans la gamme des autres simulateurs du benchmark de Vanderborght et coll. (2005).

Benchmark B – Le module représente avec précision l'évaporation du sol pour trois types de sols.

Résultats : DuMu^x, R—SWMS, OpenSimRoot et SRI étaient tous d'accord pour le sable, le limon et l'argile.

Benchmark C : Le module décrit avec précision la répartition de la charge de pression de l'eau racinaire dans le xylème d'un seul segment racinaire vertical pour trois types de sol.

Résultats : DuMu^x, R—SWMS, OpenSimRoot et SRI étaient tous d'accord pour le sable, le limon et l'argile.

Benchmark D : Le module décrit avec précision la répartition de la pression de l'eau des racines dans le xylème d'un système racinaire pour trois types de sols.

Résultats : DuMu^x, R—SWMS, OpenSimRoot et SRI étaient tous en accord avec la référence pour le sable, le limon et l'argile.

Les résultats positifs du défi modulaire ont renforcé la confiance dans tous les simulateurs. Alors que les auteurs ont trouvé une différence entre le SRI et la solution de référence pour le front d'infiltration de l'eau dans le sol sec dans l'argile, les résultats ont été dans l'ordre de grandeur des autres simulateurs.

Les auteurs expliquent les deux facteurs à l'origine de cette déviation. « Le débit d'eau est causé par des gradients de potentiel hydrique. Directement au front d'infiltration, il y a un changement brusque du potentiel hydrique du sol, qui ne peut être capturé avec précision que si la résolution spatiale est suffisamment fine. S'il est trop grossier, comme c'était le cas avec le SRI, le gradient réel apparaîtra maculé. Le deuxième facteur est la forte non-linéarité des fonctions hydrauliques du sol. « La conductivité hydraulique non saturée fait référence à une mesure de la capacité de rétention d'eau du sol lorsque l'espace poreux du sol n'est pas saturé d'eau. Ce facteur détermine l'amplitude du flux, qui est une fonction hautement non linéaire. Cela signifie qu'une petite imprécision dans le potentiel de l'eau peut entraîner une grande erreur de conductivité hydraulique. Les sols très secs représentent un défi particulier, et la plupart des simulateurs ont une sorte de régulation.

La taille de la grille (résolution spatiale), les critères de convergence (à quel point un modèle est considéré comme « précis » et ne peut plus être amélioré), et la méthode d'évaluation des conductivités hydrauliques du sol influencent fortement les résultats.

DÉFI 2 : RACINE UNIQUE COUPLÉE

Pour le deuxième défi du benchmarking, la validité des simulateurs pour les modèles couplés racine-sol a été testée. L'objectif de ce benchmark était le développement de gradients de potentiel hydrique autour d'une seule racine verticale. "Comme les modules sol uniquement et racine uniquement ont été bien résolus par les différents simulateurs, toute différence dans les résultats du benchmark le plus difficile peut être principalement attribuée aux approches de couplage et à la façon dont les gradients de potentiel hydrique du sol qui se développent autour des racines sont reconnus. », a expliqué Schnepf.

Pour ce défi, DuMu^x a été utilisé de deux manières :

1. DuMu^x a été utilisé pour représenter à la fois le sol et les domaines racinaires, et le problème résultant a été résolu dans une approche de couplage dans laquelle la valeur interpolée du potentiel hydrique du sol au périmètre racinaire a été utilisée (DuMu^x_CYL); et
2. DuMu^x a été utilisé pour représenter le sol tandis que le sous-problème racinaire et le couplage ont été résolus par CPlantBox. Pour cette méthode, la valeur moyenne du potentiel hydrique du sol au périmètre racinaire a été utilisée (DuMu^x_CPlantBox).

SRI n'a pas participé à ce défi en raison de contraintes de temps, mais ils ont participé au défi 3.

Benchmark E1 : Le modèle couplé décrit avec précision la répartition de la charge de l'eau dans le sol en raison de l'écoulement radial de l'eau vers une seule racine verticale pour trois types de sol.

Résultats : DuMu^x_CYL et DuMu^x_PBox étaient en accord avec la référence pour le sable et le limon, mais déviés pour l'argile. R—SWMS et OpenSimRoot étaient en accord avec la référence pour le sable et l'argile, mais déviaient pour le limon. SRI avait un bye pour ce défi.

Benchmark E2 Le modèle couplé décrit avec précision le moment d'apparition du stress hydrique du sol en raison de l'écoulement radial de l'eau vers une seule racine verticale pour trois types de sol.

Résultats : DuMu^x_CYL, DuMu^x_PBox, R—SWMS et OpenSimRoot étaient tous en accord avec la référence pour le sable, le limon et l'argile. SRI avait un bye pour ce défi.

Tous les modèles ont eu des performances similaires pour ce défi. Écarts dans la répartition de la pression de l'eau du sol en raison de l'écoulement radial de l'eau vers une seule racine verticale entre le DuMu^x les variations et R—SWMS & OpenSimRoot étaient dues à des différences dans la technique numérique utilisée pour diviser le sol en unités spatiales discrètes.

DÉFI 3 : SYSTÈME RACINAIRE COUPLÉ

Pour le troisième défi, le plus difficile, la validité des simulateurs pour les modèles couplés racine-sol avec les systèmes racinaires a été testée.

Pour ce défi, DuMu^x a été utilisé de deux manières :

1. DuMu^x a été utilisé pour représenter à la fois le sol et les domaines racinaires et en utilisant la méthode de support du noyau, ils représentent la résistance de la rhizosphère au flux d'eau (DuMu^x-ks); et
2. le module de sol de DuMu^x a été couplé à CPlantBox comme ci-dessus. De plus, des modèles de rhizosphère à symétrie radiale 1D, également basés sur DuMu^x, ont été résolus autour de chaque segment racinaire pour déterminer le potentiel hydrique à l'interface racine-sol.

Benchmark F : Le modèle couplé décrit avec précision l'absorption d'eau par le système racinaire à partir d'un sol en train de s'assécher et la transpiration qui en résulte au fil du temps.

Résultats : Tous les modèles ont eu des performances similaires pour le défi final. Il a été constaté que tous devaient tenir compte explicitement de la résistance supplémentaire à l'écoulement de l'eau dans le sol en train de sécher pour éviter une surestimation importante de l'absorption d'eau par les racines. Les différents simulateurs ont utilisé des approches assez différentes pour le faire. Alors que R-SWMS et SRI surestimaient encore légèrement la transpiration, tous les simulateurs ont obtenu un ordre de grandeur correct.

De ce benchmarking, les auteurs ont pu conclure que les simulateurs ne présentaient pas d'autres bugs ou erreurs qui auraient pu rendre leurs solutions inexactes. Les connaissances acquises grâce à ce défi et la participation des utilisateurs et des développeurs des modèles peuvent conduire à d'autres améliorations du modèle.

LIRE L'ARTICLE:

Andrea Schnepf, Christopher K Black, Valentin Couvreur, Benjamin M Delory, Claude Doussan, Adrien Heymans, Mathieu Javaux, Deepanshu Khare, Axelle Koch, Timo Koch, Christian W Kuppe, Magdalena Landl, Daniel Leitner, Guillaume Lobet, Félicien Meunier, Johannes A Postma, Ernst D Schäfer, Tobias Selzner, Jan Vanderborght et Harry Vereecken. Benchmarking collaboratif de modèles d'architecture racinaire fonctionnelle-structurale : Comparaison quantitative de l'absorption d'eau racinaire simulée, in silico Plantes, 2023 ; diad005, https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diad005

Tous les benchmarks et solutions de référence correspondantes ont été publiés sous forme de Jupyter Notebooks sur le repository GitHub https://github.com/RSA-benchmarks/collaborative-comparison.

Ce manuscrit fait partie du plus récent in silico Plant Numéro spécial sur le modèle structurel fonctionnel de l'usine.