Session 1. Quelles représentations des interactionsbiotiques dans les modèles? Exemple du Modèle GEMINI Nicolas Gross, Vincent Maire, Jean François Soussana Nicolas Gross Chargé de recherche 1 er Classe Centre d étude d biologique i de Chizé Equipe AGRIPOP 79360 Villier en Bois nicolas.gross@cebc.cnrs.fr
Colloque Agro Ecologie Modélisation (4 6 Février, 2014) Fonctionnement de l écosystème Agroécologie Maximiser le rôle de la diversité biologique Maximiser le rôle de la diversité biologique dans le fonctionnement des écosystèmes Contrainte environnementale Réponse de l individu Dynamique des espèces en interaction Suding et al. 2008 GCB
Modéliser les interactions: Les familles de Modèle Modèlede de dynamique edes populations : Modèle proie prédateur Type Lokta Voltera Modèle de compétition R* (e.g., Tilman (1985), Daufresne & Hedin 2005) Limitation: Généralisation à n espèces Croissance non explicite (modèles écophysiologies) Feedback sur renouvèlement de la ressource (liens avec les flux?) Modèle empirique et approche fonctionnelle Utilisation des traits fonctionnels (e.g. Lavorel & Garnier 2002) Limitation: permet le changement d échelle mais pas dynamique (mais voir Savage et al. 2007) Modèle biophysique: Végétation utilisépour ses propriétés physiques (Thornley, 1998; ;Wohlfarht et al. 2000) Limitation: Végétation = couche sans dynamique propre (mais voir DGVM Pitman 2003) g y q p p Problème d échelle ne considère pas la communauté spécifiquement Et la diversité dans tout ca
Modèle mécaniste GEMINI (Grassland Ecosystem Model with INdividual centered Interactions) Environnement, gestion Modèle individu centré Taille et forme des organes (traits fonctionnels) Morphologie Modèle démographique Modèle biophysique Ressource acquisition & utilisation Co limitations de N et C au niveau plante entière & feuille (functional balance hypothesis, Brouwer 1962) (coordination theory, Maire et al. 2012) Croissance individu Soussana et al. 2012 Ecol. Mod.
Modèle mécaniste GEMINI (Grassland Ecosystem Model with INdividual centered Interactions) At leaf level: Photosynthesis h in function of N distributionib i Colimitation between light and N Acclimatation to Temperature Morphology Plasticity for some traits At root level: N acquistion in function of N in plant/ soil concentration Morphology Acclimatation to Temperature At axis level: Acquisition and distribution of assimilate Functional balance Reserve dynamics Morphology Litter dynamics Leaf growth Population level Self thining Tiller dynamics Recrutment rate density dependent Competition for resource Light and N Paramètres : 66, ne varie pas dans le temps Variables d état : 10, décrit l état dynamique du système Valeur initiale : valeur d une variable au temps t=0 de la période de la simulation Soussana et al. 2012 Ecol. Mod.
GEMINI est composé de différents sous modèles Paramétré & évalué sur 14 espèces de graminées (monoculture) en 2003 2004 2004 (Maire et al. 2009 Functional Ecol.) Soussana et al. 2012 Ecol. Mod.
Impact de la dégradation de la plasticité sur les performances de GEMINI Things should be made as simple as possible, but no simpler Albert Einstein (1879 1955) Dynamique des talles Morphogénèse Plasticité d allocation (Maire et al. 2013 Ecol. Mod.)
Impact de la dégradation de la plasticité sur les performances de GEMINI t ha -1 yr -1 ) DMY (t Anthoxanthum odoratum 6 P < 0.001 N < 0.001 P*N < 0.001 P1 4 P2 P3 P4 P5 P6 2 P7 Anthoxanthum odoratum P < 0.001 C < 0.001 P*C < 0.01 Anthoxanthum odoratum P < 0.001 L < 0.01 P*L < 0.05 DMY (t ha -1 yr -1 ) 0 6 4 2 Arrhenatherum elatius P < 0.001 N < 0.001 P*N < 0.05 Arrhenatherum elatius P < 0.001 C < 0.001 P*C < 0.05 Arrhenatherum elatius P < 0.001 L < 0.01 P*L < 0.01 Les différents niveaux de plasticité maximisent la réponse des plantes aux ressources et perturbations -1-1 yr ) DMY (t ha 0 Festuca arundinacea 6 P < 0.001 N < 0.001 P*N < 0.01 4 2 Festuca arundinacea P < 0.001 C < 0.05 P*N n.s. Festuca arundinacea P < 0.001 L < 0.001 P*L < 0.001 0 60 120 360 Nitrogen level (kgn ha -1 yr -1 ) 3 6 8 0-20 -40 Cut level (nb yr -1 ) Light level (%) (Maire et al. 2013 Ecol. Mod.)
Importance de la coordination des paramètres pour GEMINI Trait fonctionnels: attribut morphologique, physiologique permettant le maintien des espèces dans leur environnement (Violle et al. 2007) Traits co varient le long d axes de spécialisation (Wright et al. 2004) Notion de trade off et de syndrome de traits SLA? Leaf Life Span Difficulté de tester l effet de traits en particulier sur la fitness/performance d une espèce à cause des liens entre traits Utilisation de GEMINI (voir Maire et al. 2013 Plos One)
Colloque Agro Ecologie Modélisation (4 6 Février, 2014) Importance de la coordination des paramètres pour GEMINI EExpérimentation in silico de éi i i ili d l importance de la coordination entre traits pour coordination entre traits pour la performance des plantes Exploration d un espace de traits 4Dimensions (4 traits, SLA, H, LLS, TD) 10 valeurs par trait & par espèce dans un «full factorial design» (12 espèces) Maire et al. 2013 Plos One
Importance de la coordination des paramètres pour GEMINI N (cm²/g) Slope SLA TD in vs low A Ob bserved SLA Observ 350 0.30 400 300 0.25 0.20 250 300 0.15 200 0.10200 150 0.05 100 0.00 (A) (A) R² = 0.86 *** Predicted SLA max (A) 100 HighN r² = 0.70 *** r² = low 0.95 N*** 50 100 200 300 400 050 2000 100 4000 150 6000 200 8000 250 10000 300 12000350 SpeciesTiller Predicted SLA Density in low (Tiller/m²) N (cm²/g) Performance des plantes maximisée pour certaines combinaisons de traits Valeurs de trait maximisant la performance pour GEMINI sont celles mesurées sur le terrain GEMINI prédit une plasticité différentielle entre espèces en fonction de leur traits Plasticité observée prédite par le GEMINI Explication écophysiologique sur l origine des trade offs entre traits Chaque espèce est une combinaison particulière de traits, possédant un plasticité intrinsèque qui maximise sa fitness dans un espace fonctionnel n trait Maire et al. 2013 Plos One
Conclusions GEMINI offre une plateforme générique pour l étude du rôle de la diversité spécifique et fonctionnelle (intra interspécifique) dansle maintien du fonctionnement et de la stabilité des écosystèmes dans le temps 900 800 Effet biodiversité est prédit par GEMINI: e (kg/m²) Biomass 700 600 500 400 300 basé sur des différentiations fonctionnelles entre plantes (Maire et al. 2012 New Phytol) 200 r ² = 0.57 *** 100 0 1 2 3 4 5 6 Nombre d'espèces
Conclusions GEMINI offre une plateforme générique pour l étude du rôle de la diversité spécifique et fonctionnelle (intra interspécifique) dansle maintien du fonctionnement et de la stabilité des écosystèmes dans le temps Applications: conception de prairies semées diverses à bas intrants (ANR PRAIS, Isabelle Litrico) Modèle transposable milieux de culture, praires temporaire ou permanentes Résilience des écosystèmes face aux changements climatiques Predic cted log response e (BM) to CO2 0.4 r² = 0.47 *** 0.3 0.2 0.1 0.0-0.1-0.2-0.3 100 150 200 250 300 350 Observed SLA (350 ppm)
Conclusions GEMINI offre une plateforme générique pour l étude du rôle de la diversité spécifique et fonctionnelle (intra interspécifique) dansle maintien du fonctionnement et de la stabilité des écosystèmes dans le temps Applications: conception de prairies semées diverses à bas intrants (ANR PRAIS, Isabelle Litrico) Modèle transposable milieux de culture, praires temporaire ou permanentes Résilience des écosystèmes face aux changements climatiques GEMINI offre possibilité de liens avec les réseaux trophiques: Organismes du sols (Module SoilOpt) Herbivores (Module Canopt)
Merci de votre attention Ce travail a été réalisé dans le cadre du Projet ANR DISCOVER INRA Clermont: Merci à: Vincent Maire David Hill Raphael Martin JF Soussana Juliette Bloor Sébastien Fontaine Denis Vile Frédérique Louault Jena: Tanja Reinholds Christian Wirtz Raphael Proux