La lumière est le paramètre d'entrée le plus important pour un modèle de photosynthèse. La modélisation de la distribution du rayonnement solaire intercepté par les feuilles dans un couvert végétal est difficile car la disposition spatiale des feuilles crée un champ complexe d'ombres et de taches solaires. Les modèles traditionnels ne tiennent pas directement compte des taches solaires et des ombres sur les feuilles individuelles, mais utilisent plutôt une approche statistique pour déterminer les niveaux de lumière moyens à travers la canopée, qui peuvent ensuite être intégrés à un modèle de photosynthèse, entre autres.
Les modèles tridimensionnels (3D) qui représentent explicitement chaque feuille de la canopée sont devenus un outil de plus en plus précieux pour comprendre les interactions entre la structure et la fonction des plantes. Dans cette classe de modèles, la lumière est généralement moyennée sur une feuille entière plutôt que sur l'ensemble de la canopée. On suppose souvent implicitement que la représentation de chaque feuille de la canopée fournit des performances de modèle supérieures par rapport aux approches de modélisation statistique traditionnelles.
Le professeur Brian Bailey et le chercheur postdoctoral Eric Kent du Département des sciences végétales de l'Université de Californie à Davis démontrent que la moyenne sur une feuille entière (comme c'est généralement le cas dans les modèles 3D) peut entraîner des erreurs beaucoup plus importantes dans la photosynthèse de la canopée entière que les modèles statistiques traditionnels. Ils montrent que les modèles 3D de résolution des feuilles doivent représenter fidèlement les ombres sur les feuilles, ce qui nécessite des résolutions de modèle beaucoup plus élevées que celles actuellement utilisées par la communauté.
"Les ombres projetées par les feuilles voisines dans un couvert végétal créent des gradients spatiaux extrêmement importants dans le rayonnement absorbé à l'échelle de la sous-feuille, qui ne sont généralement pas entièrement résolus dans les modèles de" résolution des feuilles ". Cette incapacité à résoudre les gradients radiatifs prononcés peut se propager à d'autres modèles biophysiques dépendants et entraîner une surestimation dramatique des flux de la plante entière et de la canopée », explique Bailey.
Les auteurs ont utilisé Helios, un cadre de modélisation végétale et environnementale en trois dimensions précédemment créé par Bailey, pour déterminer comment la variation de la structure de la canopée affecte les sorties du modèle de l'absorption du rayonnement et de la photosynthèse de la canopée. Ils ont considéré trois facteurs qui affectent la structure de la canopée :
- L'angle des feuilles dans une canopée affecte l'interception de la lumière. Les angles des feuilles ont été générés selon l'un des quatre types de distribution théoriques.
- La taille de la canopée et sa densité affectent également l'interception de la lumière et sont mesurées en tant qu'indice de surface foliaire (LAI) - le rapport de la surface foliaire par unité de surface au sol. Le nombre de feuilles dans la canopée a été choisi pour atteindre l'une des quatre valeurs LAI : 0.5, 1.0, 2.0 et 3.0 (énumérées dans l'ordre d'ouvert à dense).
- La qualité de la lumière est aussi importante que la quantité. Rayonnement direct est la lumière provenant directement d'un chemin direct du soleil. Rayonnement diffus est la lumière qui a été diffusée par les molécules et les particules. La fraction de rayonnement diffus est le rapport du rayonnement solaire diffus au rayonnement solaire global. Les plantes utilisent la lumière diffuse plus efficacement que la lumière directe. Des simulations séparées ont été effectuées avec une fraction de rayonnement diffus variable : 0, 0.1 et 0.2 (énumérés par ordre de rayonnement moins diffus à plus diffus).
Ils ont découvert que les configurations de la canopée qui réduisent l'entropie du rayonnement sont plus sensibles aux erreurs dans les estimations de la photosynthèse de la canopée. On a constaté que les erreurs augmentaient pour les configurations de canopée (1) avec un LAI accru, à mesure que la canopée devenait plus dense, (2) lorsque la distribution de l'angle des feuilles était plus horizontale, ce qui augmentait la fraction de la surface foliaire projetée dans la direction du soleil, et (3 ) lorsque la fraction du rayonnement diffus entrant a diminué.
Pour tester l'effet de la résolution sur la sortie du modèle, les auteurs ont manipulé le nombre de sous-éléments par feuille. Pour chaque simulation, le nombre de sous-éléments par feuille était : 1, 9, 100 et 225 par feuille (résolution faible à élevée).
Lorsqu'un seul élément par feuille était utilisé (c'est-à-dire la résolution d'une feuille entière), les erreurs de photosynthèse étaient très élevées (> 100 %). Les erreurs ont diminué de façon exponentielle à mesure que le nombre d'éléments par feuille augmentait.
« Nous pensons que ces résultats encourageront les chercheurs à examiner de plus près l'impact de la résolution des sous-feuilles sur les erreurs de modèle. Bien que nous ne recommandions aucune résolution spécifique, car cela variera selon le modèle de plante et la géométrie de la canopée, cela entraînera probablement une augmentation de la résolution du modèle par rapport à la pratique courante actuelle », déclare Bailey.
ARTICLE DE RECHERCHE:
Brian N Bailey, Eric R Kent, Sur les exigences de résolution pour représenter avec précision les interactions entre la structure et la fonction du couvert végétal dans les modèles tridimensionnels de résolution des feuilles, in silico Plants, 2021;, diab023, https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diab023
