Les scientifiques disposent désormais d'un nouvel outil pour prédire les effets futurs du changement climatique sur les rendements des cultures.

Des chercheurs de l'Université de l'Illinois tentent de relier deux types de modèles de cultures informatiques pour devenir des prédicteurs plus fiables de la production agricole dans la Corn Belt aux États-Unis.

"Une classe de modèles de cultures est basée sur l'agronomie et l'autre est intégrée dans des modèles climatiques ou des modèles de système terrestre. Ils sont développés à des fins différentes et appliqués à différentes échelles, " dit Kaiyu Guan, un scientifique de l'environnement à l'Université de l'Illinois et le chercheur principal de la recherche. "Parce que chacun a ses forces et ses faiblesses, notre idée simple est de combiner les points forts des deux types de modèles pour créer un nouveau modèle de culture avec des performances de prédiction améliorées."

Guan et son équipe de recherche ont mis en œuvre et évalué un nouveau modèle de croissance du maïs, représenté comme le modèle CLM-APSIM, en combinant des fonctionnalités supérieures dans le modèle de terres communautaires (CLM) et le simulateur de systèmes de production agricole (APSIM).

"Le modèle original du maïs en CLM n'a que trois stades phénologiques, ou cycles de vie. Certaines étapes importantes du développement telles que la floraison manquent, rendant impossible l'application de certaines contraintes critiques, tels que le stress hydrique ou la température élevée à ces stades de développement spécifiques, " dit Bin Peng, un chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Guan et également l'auteur principal. "Notre solution intègre le schéma de développement du cycle de vie d'APSIM, qui a 12 étapes, dans le modèle CLM. Grâce à cette intégration, les contraintes induites par la température élevée, les déficits en eau et en azote du sol, peuvent être pris en compte dans le nouveau modèle.

Peng dit qu'ils ont choisi CLM comme cadre d'hébergement pour mettre en œuvre le nouveau modèle, car il est davantage basé sur les processus et peut être couplé à des modèles climatiques.

« Ceci est important car le nouvel outil peut être utilisé pour étudier la rétroaction bidirectionnelle entre un agroécosystème et un système climatique dans nos futures études. »

En plus de remplacer le modèle phénologique original du maïs dans le CLM par celui du modèle APSIM, les chercheurs ont apporté plusieurs autres améliorations innovantes au nouveau modèle. Un nouveau schéma d'allocation carbone et un schéma de simulation du nombre de grains ont été ajoutés, ainsi qu'un raffinement du schéma de structure de la canopée d'origine.

"L'amélioration la plus séduisante est que notre nouveau modèle est plus proche d'obtenir le bon rendement avec le bon mécanisme, " dit Guan. " Le modèle CLM original sous-estime la biomasse aérienne mais surestime l'indice de récolte du maïs, conduisant à une simulation apparente de bon rendement avec le mauvais mécanisme. Notre nouveau modèle a corrigé cette lacune du modèle CLM d'origine."

Peng ajoute que le schéma phénologique de l'APSIM est assez générique. "Nous pouvons facilement étendre notre nouveau modèle pour simuler les processus de croissance d'autres cultures de base, comme le soja et le blé. C'est définitivement dans notre plan et nous y travaillons déjà.

"Tous les travaux ont été menés sur Blue Waters, un puissant supercalculateur pétascale au National Center for Supercomputing Applications (NCSA) sur le campus de l'Université de l'Illinois, " dit Peng. " Nous travaillons actuellement sur l'analyse de sensibilité des paramètres et l'étalonnage bayésien de ce nouveau modèle ainsi que sur une simulation régionale à haute résolution sur la ceinture de maïs américaine, tout cela ne serait pas possible sans les précieuses ressources informatiques fournies par Blue Waters."