L'interception de la lumière décrit l'efficacité avec laquelle une plante capte la lumière du soleil avec ses feuilles. Maximiser cette interception est essentiel pour améliorer la photosynthèse, qui influence directement le rendement des cultures. Une nouvelle étude compare l'efficacité de modèles simples, intermédiaires et complexes pour calculer avec précision l'interception de la lumière. En simulant diverses caractéristiques de la canopée et des architectures végétales au cours d'une saison de croissance, la recherche démontre que, malgré les différences de complexité de modélisation, le modèle le plus simple est suffisant pour les calculs d'interception de la lumière chez le maïs.

Plusieurs facteurs influencent l’interception de la lumière, notamment :

  • propriétés optiques des feuilles telles que la couleur et la teneur en eau,
  • l'architecture des plantes telles que la taille, l'angle, la distribution et la forme des feuilles, et
  • les conditions environnementales telles que l’ombrage des autres plantes, la couverture nuageuse et les angles solaires.
Schéma simplifié de la réflexion, de la transmission, de l'absorption et de l'émission du rayonnement.

La lumière qui n’est pas interceptée est soit réfléchie par sa surface, soit transmise à travers les feuilles et atteint les parties inférieures de la plante.

Un modèle simple d'interception de la lumière qui capture les aspects clés de la géométrie des cultures a été développé par J. Goudriaan il y a près de 50 ans et est encore largement utilisé aujourd'hui. Il représente les rangées de la canopée comme des blocs, séparés par des chemins vides. Les blocs sont caractérisés par la hauteur et la largeur et la quantité de matériau foliaire contenue dans le volume du bloc. radiation Le composant du modèle de bloc, qui calcule la lumière entrante, suppose que la lumière entrante provient d'un ciel couvert uniforme et que l'interception de la lumière par le bloc est uniforme.

En revanche, les modèles fonctionnels-structurels des plantes (FSPM) représentent les rangées de la canopée en tenant compte de la structure 3D, de la taille, de l'orientation et des propriétés optiques des feuilles et des tiges individuelles. La composante de rayonnement du FSPM utilise un algorithme de traçage de rayonsIl fonctionne en traçant le chemin des rayons lumineux en 3D et capture les angles solaires affectés par le jour de l'année, la latitude et l'heure de la journée.

Les FSPM nécessitent l'estimation de nombreux paramètres, ce qui entraîne des exigences élevées en matière de données et une complexité de calcul importante. En revanche, des méthodes plus simples comme l'approche par blocs nécessitent moins de données et ont des temps de calcul beaucoup plus courts.

Dr. Shuangwei Li de l'Université agricole de Chine et ses collègues ont étudié si l'approche par blocs peut calculer l'interception de la lumière aussi précisément qu'un FSPM.

Étant donné que les modèles FSPM et en blocs utilisés par le Dr Li différaient sur deux aspects clés (la manière dont ils simulent le rayonnement et la canopée), il serait impossible de déterminer quels facteurs ont contribué aux différences entre leur interception de lumière simulée. Pour déterminer si les variations entre les résultats du modèle FSPM et du modèle en blocs étaient dues à la composante rayonnement, elle a créé une intermédiaire Modèle utilisant le lancer de rayons pour le modèle de rayonnement et des structures en blocs pour la canopée. La comparaison du modèle intermédiaire avec le FSPM démontrera comment les représentations simplifiées des plantes et de la canopée influencent l'interception de la lumière calculée, tandis que la comparaison avec le modèle en blocs illustrera l'impact de la composante de rayonnement simplifiée sur l'interception de la lumière.

Coupes transversales à travers la canopée des cultures en bandes pour les modèles FSPM, Intermédiaire et Bloc, et leur approche pour représenter la canopée et le rayonnement.

Les auteurs ont effectué des simulations à l'aide des trois modèles au cours d'une saison de croissance, l'architecture des plantes et les caractéristiques de la canopée, comme la hauteur de la canopée et la densité des feuilles, changeant quotidiennement. Les simulations intègrent également les changements quotidiens de l'architecture des plantes qui influencent la quantité de lumière absorbée, transmise ou réfléchie par la canopée. Ces changements ont été modélisés en détail pour le FSPM, avec une approche plus générale pour le modèle intermédiaire (feuilles uniformes), tandis que le modèle en blocs utilise une valeur fixe dans ses calculs.

Les auteurs ont découvert que, bien que les trois modèles diffèrent dans leurs simulations quotidiennes d'interception de la lumière, l'interception totale de la lumière au cours de la saison de croissance était comparable dans les trois modèles. La différence entre le modèle de bloc (l'approche la plus simple) et le FSPM (l'approche la plus complexe) n'était que de 3.1 %.

Malgré les hypothèses simplificatrices formulées dans le modèle en blocs concernant la représentation de la canopée et le calcul de l'interception de la lumière, l'interception de la lumière estimée était proche des estimations faites avec des modèles plus complexes et réalistes qui utilisent le traçage de rayons et la représentation 3D de l'architecture végétale. Ces résultats soutiennent l'utilisation du modèle en blocs de Goudriaan pour calculer l'interception de la lumière dans le maïs au lieu du FSPM.

LIRE L'ARTICLE:

Shuangwei Li, Wopke van der Werf, Fang Gou, Junqi Zhu, Herman NC Berghuijs, Hu Zhou, Yan Guo, Baoguo Li, Yuntao Ma, Jochem B Evers, Une évaluation du modèle récapitulatif de Goudriaan pour l'interception de la lumière dans les canopées en bandes, à l'aide de modèles végétaux fonctionnels et structurels, in silico Plants, Volume 6, Numéro 1, 2024, diae002, https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diae002