[Doctorant] Oriane Braud

[Doctorant] Oriane Braud: Environnement de modélisation hybride multi-échelle pour les cultures intercalaires : obtenir le meilleur des modèles de plantes et de cultures

Sujet de thèse labellisé par #DigitAg

Environnement de modélisation hybride multi-échelle pour les cultures intercalaires : obtenir le meilleur des modèles de plantes et de cultures

O Braud

Je fais ma thèse au CIRAD (Centre de coopération International en Recherche Agronomique pour le Développement) à Montpellier, dans les UMR AGAP (Amélioration Génétique et Adaptation des Plantes méditerranéennes et tropicales) et AMAP (botAnique et Modélisation de l’Architecture des Plantes), sur la modélisation multi-échelle des cultures associées, dans le cadre d’un projet européen concernant les cultures associées. Je sors de l’INSA de Lyon, je suis ingénieure en bio-informatique et modélisation, j’ai fait tous mes stages dans le monde de la recherche, et notamment dans le domaine de l’écologie / agronomie, qui m’a bien plu, donc je voulais tenter l’expérience de la thèse.
Je travaille sur la modélisation des cultures associées, une pratique agro-écologique qui implique de cultiver au moins deux espèces ensemble, et donc des interactions interspécifiques. Or les modèles existants sont soit calibrés à l’échelle de la parcelle et ne prennent pas assez en compte l’hétérogénéité du système, ce sont les modèles de culture, soit calculent les processus en prenant en compte l’architecture de la plante à l’échelle de l’organe mais sont très complexes, ce sont les modèles structure-fonction (FSPM). Les deux approches sont complémentaires et on va donc essayer de prendre les avantages des deux afin de, à terme, améliorer les modèles de culture afin qu’ils prennent en compte les interactions interspécifiques, ce qui permettra d’améliorer leur précision.
On mange environ trois fois par jour et cette simple action vitale a un impact important sur l’environnement, alors il me paraît important de travailler à réduire notre impact environnemental dans ce secteur, donc pourvoir mettre mes compétences au profit d’un développement optimisé des pratiques agro-écologiques me plaît beaucoup. 
Cela fait presque un an que j’ai débuté ma thèse, et j’ai déjà élaboré une méthodologie pour tester les hypothèses des modèles de culture pour les cultures associées grâce à une approche multi-échelle. J’ai également conçu un modèle de plante structural et paramétrique qui est au cœur de cette méthodologie, puisqu’il permet de représenter en 3D la croissance d’une culture simulée par un modèle de culture, en considérant des traits architecturaux et un arrangement spatial que ce dernier modèle ne prend pas en compte. Ainsi, pour un processus écophysiologique donné, on peut tester l’incertitude liée à ces traits architecturaux et spatiaux, et déterminer dans quelle mesure le formalisme correspondant dans le modèle de culture devrait les prendre en compte. Si besoin, il s’agira ensuite de trouver de nouveaux formalismes à intégrer au modèle de culture afin qu’il soit plus précis, robuste et générique.

  • Date de démarrage : 13 novembre 2023
  • Unité: Agap, Cirad
  • Université : Université de Montpellier
  • Ecole doctorale : I2S – Information, Structures, Systèmes 
  • Discipline / Spécialité : Informatique
  • Directeur de thèse : Christophe Pradal, UMR Agap, Cirad
  • Encadrant(es) : Marc Jaeger, UMR Agap, Cirad et Myriam Adam, UMR Amap, Cirad
  • Financement : Projet EU IntercropValuES
  • #DigitAg : Axe 6 : Modélisation et simulation (systèmes de production agricole), Axe 5 : Fouille de données, analyse de données, extraction de connaissances, Challenge 1 : Le challenge agroécologique, Challenge 8 : Développement agricole au Sud

Mots-clés : Cultures associées, agro-écologie, modélisation multi-échelle, FSPM, modèles de culture

Résumé: Les systèmes alimentaires actuels sont confrontés à des défis environnementaux et économiques croissants, nécessitant des approches plus durables pour garantir la sécurité alimentaire mondiale. L’agroécologie est une voie prometteuse vers la durabilité avec la diversification des cultures, comme les pratiques de cultures associées. Ces pratiques consistent à cultiver au moins deux espèces végétales sur une même parcelle agricole et sur une portion significative de leur cycle de culture (Vandermeer, 1989).
Du fait du large coût des expérimentations au champ, la modélisation apparaît comme une solution pertinente pour optimiser ces systèmes agricoles complexes. Parmi les différents modèles pour simuler la croissance des cultures associées, il en existe deux grands types : les modèles de culture et les modèles structure-fonction de plantes, dits FSPM. D’un côté, l'utilisation de modèles de culture permet de tester in silico les performances d’une grande variété de combinaisons Génotype d’une culture 1 x Génotype d’une culture 2 x Environnement (sol et climat) x Management (GxGxExM). Ces modèles représentent les cultures à une échelle dégradée. D’autre part, les FSPM, à l’échelle de l’organe, peuvent permettre de mieux comprendre les processus sous-jacents des interactions entre les plantes (Evers et al., 2019).
Les deux approches ont toutefois des limites et des difficultés à répondre aux questions clés : a) comment modéliser les cultures associées avec des modèles de culture qui considèrent une distribution homogène du couvert végétal et des systèmes racinaires sans hétérogénéité spatiale et temporelle ? b) comment simuler une culture associée sur plusieurs saisons tout en étant limité par la complexité des interactions plante-plante et plante-environnement (FSPM)  (Gaudio et al., 2022) ?
Dans le cadre du projet européen Horizon IntercropValuES, nous tentons de définir une méthode d’évaluation des formalismes pour les cultures associées dans les modèles de culture, de l’appliquer sur le modèle STICS, et si besoin de proposer de nouvelles approches pour améliorer la qualité de prédiction. 
L’approche hybride multi-échelle choisie dans le projet est une approche top-down qui consiste à contraindre la croissance de la canopée en considérant explicitement l’arrangement spatial et l’architecture des plantes à l’échelle de l’organe, avec un modèle 3D structural et paramétrique. Il s’agit ensuite de simuler des processus physiologiques et biophysiques à cette échelle plus fine, et de se servir de cette simulation comme référence pour l’évaluation du formalisme du modèle de culture. On étudie donc dans quelle mesure la considération de l’architecture des plantes et d’un arrangement spatial explicite peut avoir un effet sur les processus dans des cultures en mélange. Si l’incertitude d’un processus liée à des traits architecturaux ou spatiaux est suffisamment élevée, son formalisme pourra être revisité dans le modèle de culture, en investiguant de nouveaux formalismes faciles à intégrer dans les modèles de culture, c’est-à-dire génériques, avec peu de paramètres, et une robustesse et une précision acceptables.

Contact: oriane.braud [AT] cirad.fr - +33695549775
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