Topography-based Nitrogen Transfert and Transformations

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  Contacts :

Sylvain Ferrant / Centre d'Etude Spatiale de la BIOsphère (CESBIO)

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Description du modèle :

Le modèle TNT2 est basé sur le couplage de deux modèles fonctionnant séparément mais synchronisés d'après un principe "producteur-consommateur", et communiquant à chaque pas de temps de calcul.

TNT2 a été développé àl’Unité Mixte de Recherche" Sol Agro et hydrosystème Spatialisation" ( SAS) et par la Société de reCHErche en Modélisation et Environnement (SCHEME).

Le premier modèle est un modèle hydrologique distribué : TNT, le second est un modèle agronomique de culture : STICS (Brisson et al., 1998).

Le module hydrologique (TNT) reprend en grandes parties les hypothèses du modèle hydrologique TOP-MODEL (Beven et Kirkby, 1979; Beven, 1997) en abandonnant l’hypothèse de recharge uniforme de la nappe, pour représenter l’hétérogénéité des intrants azotés et des chemins de l’eau. Le bassin versant est décomposé en un ensemble de mailles correspondant à la plus petite unité du modèle. Celui ci prend en compte une double porosité (de rétention et de drainage), et les calculs se font à pas de temps journalier, en suivant un arbre de drainage mono directionnel (une maille se déverse dans une seule maille) ou multi-directionnel (une maille peut se déverser dans plusieurs mailles) qui conditionne l’orientation des flux. Cet arbre dépend directement de la topographie de surface, et est calculé à partir d’un modèle numérique de terrain.

Le module de croissance de culture reprend les principes du modèle agronomique STICS (Brisson et al., 1998), sélectionné car prenant en compte principalement l'impact du stress hydrique et azoté sur la croissance des cultures et l'élaboration des rendements.


Etude de l'impact de l'hydrologie de sub-surface sur la croissance des cultures :

implication sur la spatialisation de la productivité agricole et le surplus azoté spatialisé dans les parcelles

Afin d'étudier les interactions entre hydrologie de sub-surface et croissance des cultures, nous développons des méthodes d'assimilation des données satellites haute résolution spatiales et temporelles type Sentinel-2 dans des approches de modélisation des systèmes de cultures, couplées à une modélisation hydrologique de bassin versant.

Dans l'exemple présenté sur le gif animé ci-dessous, le modèle agro-hydrologique TNT2 (Topography-based Nitrogen Transfert and Transformations), développé à l’Unité mixte de Recherche Sol Agro et hydrosystème Spatialisation, calibré classiquement sur les débits et flux de nitrate dans la rivière pour la période 2006-2010, est utilisé pour spatialiser la croissance des cultures dans le temps et l'espace.

Ce modèle décrit, au pas de temps journalier et à l’échelle de la maille, l’organisation latérale et verticale des écoulements de l’eau dans le bassin versant, la croissance des plantes en fonction des conditions pédoclimatiques, les transferts et les biotransformations de l’azote dans le sol et le sous-sol.

Série d'images FORMOSAT-2
 
Une série de données LAI (indice foliaire) dérivée des séries d'image Formosat-2 est utilisée pour obtenir un profil de croissance de LAI pour chaque pixel Formosat-2 (8*8m).
Cette variable biophysique observées pour chaque date d'acquisition d'image Formosat-2 (cercles noirs) est interpolée dans le temps pour chaque pixel: la courbe rouge représente la moyenne de l'interpolation des LAIs des cultures de blé (gauche) et de tournesol (droite).

Une carte du LAI interpolé est représentée tous les 10 jours (carte de gauche) et comparée au simulation décadaire du LAI-TNT2 (carte de droite).
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La comparaison montre une bonne capacité du modèle à reproduire le cycle de croissance des cultures, mais montre qu'il y a une calibration spécifique nécessaire des situations pedoclimatiques : les hétérogénéités de croissance observées dans les versants sont associées à des stress hydriques liés à la position et la profondeur du sol dans les versants.

Une amélioration de la prise en compte des conditions pedoclimatiques semble nécessaire dans le modèle afin de mieux reproduire l'hétérogénité observée. Par exemple, le couplage agro-hydrologique semble favoriser une hydromorphie systématique au niveau des chemins d'écoulement de l'eau. ces zones sont très souvent saturées ce qui limite le développement de la culture. Le phénomène n'est pas systématiquement observé sur le terrain et n'est pas révélé par l'observation satellite.

Une amélioration des modélisations va passer par l'inversion de la réserve utile et une meilleure modélisation des chemins de l'eau en testant différents arbres de drainages.