Stress hydriques dans ORCHIDEE : problemes actuels

Les différents stress hydriques

Ci dessous un résumé par Nicolas Viovy (relativement ancien: 2009) des stress hydriques calculés dans ORC :

• Pour la photosynthèse/transpiration:

On calcule tout d'abord un stress comme la convolution de l'eau du sol dans chaque couche avec le profil racinaire (exponentiel) dont le coefficient varie avec le PFT. On normalise par le résidu de l'exponentiel au "fond" du sol pour que la somme fasse 1. Ensuite on applique une deuxieme fonction waterlim=MIN(stress*2,1) qui vaut donc 1 lorsque ce stress est supérieur à 0.5 et qui décroit jusqu'à 0 lorsque le stress passe de 0.5 à 0. cela permet de simuler le fait qu'il n'y a pas de fermeture stomatique tant que le sol reste modérément humide et décroit ensuite rapidement. Autre chose: en condition de sol sec, lorsqu'il pleut même assez faiblement, mais suffisemment pour humidifier les couches de surface, les plantes ouvrent leurs stomates et les referment dès que l'eau en surface est reasséché. Dans l'hydro Choinesl c'étati assez simple puisqu'il suffisait de calculer le stress pour la couche de surface et de fond et de prendre le minimum des deux. C'est un peu plus compliqué avec le modèle à 11 couches... (a implémenter?)

• Pour la decomposition du carbone sol:

La aussi on convolue l'eau du sol avec une exponentielle pour simuler le fait que la densité de carbone décroit avec la profondeur. Par contre il n'y a pas la d'effet de seuil comme pour la photosynthèse. La fonction de réponse de la decomposition est une courbe en cloche minimale au WP et maximum au FC. Par contre elle décroit ensuite quand on va de la capacité au champs vers la saturation du fait du passage d'une décomposition aérobie à une décomposition anaérobie. Dans le 2 couche cela n'était pas possible à simuler par contre ca doit être possible avec le 11 couches. Il faudrait la aussi voir comment l'utiliser.

• Pour la phénologie:

On utilise un seuil ou une dérivée d'acrroisement de l'eau du sol. Le stress est à calculer en utilisant la convolution de l'eau du sol avec le profil racinaire mais sans prendre en compte l'effet seuil du "waterlim"

• Pour les feux:

Il y a l'humidité de la litière qui est calculée pour définir la fréquence de feux de LPJ. Il s'agit de prendre en compte l'humidité des première couches de sol (profondeur à définir).

Problemes identifiés du stress pour la photosynthèse/transpiration

Agnes après investigation de Hydrol, puis discussion avec Nicolas Viovy et Vuichard a pointé plusieurs incohérences et potentiels bugs. Ci dessous, quelques échanges d'emails concernant les problèmes soulevés:

• Résumé du problem par Nicolas Vuichard avec quelques commentaires additionnels

Pour faire suite aux échanges que l'on a eues hier en réunion sur les stress hydriques définies dans hydrol, on est tous d'accord je pense sur le fait que cela doit être revu... Comme je le disais hier, j'avoue personnellement m'être sans doute un peu trop focalisé sur l'évaporation au détriment de cela ... Le stress hydrique est calculé comme décrit dans la figure 6 du doc d'Agnès (lien ci-dessous). Cette fonction est non continue au point de flétrissement et sature à 1 avant d'arriver à la capacité au champ (elle vaut 1 à partir de la moitié de la teneur en eau à saturation). Cette fonction est non linéaire du fait de la racine carrée.

Cette fonction est calculée par couche, et une convolution de cette fonction avec le profil racinaire est réalisée pour calculer un stress sur l'ensemble de la colonne de sol, tel que vu par l'ensemble des racines.

On a besoin de 3 fonctions de stress dans ORCHIDEE:

• une pour la photosynthèse/transpiration (humrel);
• une pour la phénologie et autres processus en rapport avec la végétation (nommé aussi humrel dans stomate, mais qui correspond à la variable vegstress côté sechiba, je l'appelle vegstress par la suite)
• une autre pour la décomposition de la matière organique (shumdiag)

Les deux premières doivent être convoluées avec le profil racinaire, la dernière non. Oui à ceci près que pour la décomposition, dans l'avenir, quand on aura une discrétisation verticale du carbone sol il faudra la convoluer avec celle ci. Mais que pour l'instant le profil racinaire peut aussi être considéré comme un proxy de la densité de carbone du sol et que donc dans un premier temps on pourrait alors pour shumdiag utiliser aussi la convolution avec le profil racinaire (ce qui est fait actuellement dans le 2 couches). Et donc dans les fait on aurait humrel=shumdiag Sachant qu'il vuat mieux garder les 2 puisque à terme il devraient devenir différents ! Ce que l'on souhaite, je pense, pour vegstress, c'est une fonction qui varie linéairement de 0 à 1 entre le point de flétrissement (wp) et la capacité au champ (fc). Etes-vous d'accord pour que humrel soit une fonction qui varie linéairement de 0 à 1 sur le domaine [wp; (wp+fc)/2] ?

Dernière question concernant humrel: Pour l'instant, le "seuillage" à 1 sur la moitié du domaine de validité de la fonction est effectivement fait 2 fois: une fois dans diffuco à partir du stress moyen intégré sur la colonne de sol et une fois dans hydrol lors du calcul du stress pour chacune des couches de sol. Sachant qu'il ne faut en garder qu'un, où applique-t-on le seuillage ? Sur la fonction définie pour chacune des couches (us_tmp) dans hydrol ou sur le stress intégré sur la colonne de sol (c'est à dire vegstress). De ce que je perçois, appliquer le seuillage en amont sur chacune des couches aboutit à un stress plus fort qui si on l'applique sur la fonction intégrée sur la colonne de sol. En y réfléchissant, je pense qu'il vaudrait peut être mieux appliquer la fonction sur le humrel intégré. Il faudrait que je refasse un peu de biblio la dessus pour voir le sens exact de cette formule d'un point de vu physio mais de ce que je me rappelle c'est quand même une réponse globale de la plante qui commence à fermer ces stomates quand son potentiel hydrique devient "critique" (i.e risque de cavitation). Dans ce cas je pense que ça n'a pas trop de sens de l'appliquer à chaque niveau du sol car ce n'est pas une réponse racinaire. C'est un peu plus compliqué car si il n'y a pas de mécanisme qui permette à la plante de réguler son débit au niveau racinaire instantané, sur une échelle plus longue de quelques jours il y a en réalité un effet indirect via le développement du réseau racinaire qui va se densifier la ou il y a de l'eau et se raréfier la ou il n'y en a pas, donc ça va jouer effectivement sur l'eau puisée à chaque niveau ce qui était d'ailleurs peut être la raison d'être de l'intégration de la fonction de stress au niveau de chaque niveau de ce que j'ai cru comprendre de notre discussion Agnès ?). Mais dans la mesure ou pour l'instant on n'a pas de représentation dynamique du profil racinaire, ça n'a pas trop de sens de le considérer non ?

• Complément d'information sur ce sujet (par Mathieu): Thèse de Samir Meridja avec Alain Perrier en 2011. Passage de la thèse traitant du problème: