Comparaison des cadres hydrologiques pour la simulation de la dynamique de la biomasse des cultures, de l’eau et de l’azote dans un système soja-maïs à drainage souterrain : approche en cascade et approche informatique

Citation

Smith, W., Qi, Z., Grant, B., VanderZaag, A., Desjardins, R. (2019). Comparing hydrological frameworks for simulating crop biomass, water and nitrogen dynamics in a tile drained soybean-corn system: Cascade vs computational approach. Journal of Hydrology X, [online] 2 http://dx.doi.org/10.1016/j.hydroa.2018.100015

Résumé en langage clair

Des modèles agricoles biophysiques sont nécessaires pour évaluer les options d’atténuation fondées sur des données scientifiques afin d’améliorer l’efficacité et la durabilité des systèmes de culture. Il est essentiel qu’ils puissent simuler avec exactitude l’hydrologie du sol et les flux de nutriments qui influent fortement sur la croissance des cultures, les processus biogéochimiques et la qualité de l’eau. La présente étude visait à comparer le rendement du modèle DeNitrification DeComposition (DNDC), qui utilise des processus hydrologiques simplifiés, à un modèle plus complet d’écoulement de l’eau, le modèle RZWQM2 (pour la qualité de l’eau dans la zone racinaire), afin de déterminer quels processus suffisent pour simuler la dynamique de l’eau et de l’azote et recommander des améliorations. Les deux modèles ont été étalonnés et validés pour simuler l’hydrologie du sol, les pertes d’azote dans les canalisations de drainage et la biomasse des cultures à l’aide d’observations détaillées d’une rotation maïs-soja en Iowa, avec et sans cultures de couverture. Le modèle DNDC a donné des résultats satisfaisants pour une vaste gamme de paramètres comparativement à un modèle plus complexe sur le plan hydrologique. Le rendement du soja et du maïs ainsi que la biomasse du maïs au cours de la saison de croissance ont bien été simulés par les deux modèles. Les rendements du soja ont également été très bien simulés par les deux modèles; toutefois, la biomasse du soja a été surestimée par le modèle RZWQM2 dans les traitements de validation. L’ampleur de la biomasse du seigle d’hiver et de l'absorption de N ont bien été simulées, mais le moment du début de la croissance au printemps était parfois inexact. Les estimations annuelles et mensuelles du débit dans les canalisations et des pertes d’azote dans les canalisations ont bien été simulées par les deux modèles; toutefois, le modèle RZWQM2 a donné de meilleurs résultats pour la simulation de la teneur en eau du sol et de la dynamique du débit quotidien de l’eau vers les canalisations de drainage. Le modèle DNDC a surestimé la teneur en eau du sol près de la surface du sol et l’a sous-estimée dans le profil en profondeur. Nous recommandons que des aménagements visant le modèle DNDC soient réalisés afin d'inclure des fonctions améliorées de densité racinaire et de pénétration des racines, un profil de sol hétérogène et plus profond, une nappe phréatique fluctuante et un drainage par canalisations mécaniste. Cependant, l’inclusion de processus à forte intensité de calcul doit être évaluée dans son contexte afin d’améliorer l’exactitude en fonction de l’applicabilité générale du modèle.

Résumé

Des modèles agricoles biophysiques sont nécessaires pour évaluer les options d’atténuation fondées sur des données scientifiques afin d’améliorer l’efficacité et la durabilité des systèmes de culture. Il est essentiel qu’ils puissent simuler avec exactitude l’hydrologie du sol et les flux de nutriments qui influent fortement sur la croissance des cultures, les processus biogéochimiques et la qualité de l’eau. La présente étude visait à comparer le rendement du modèle DeNitrification DeComposition (DNDC), qui utilise des processus hydrologiques simplifiés, à un modèle plus complet d’écoulement de l’eau, le modèle RZWQM2 (pour la qualité de l’eau dans la zone racinaire), afin de déterminer quels processus suffisent pour simuler la dynamique de l’eau et de l’azote et recommander des améliorations. Les deux modèles ont été étalonnés et validés pour simuler l’hydrologie du sol, les pertes d’azote dans les canalisations de drainage et la biomasse des cultures à l’aide d’observations détaillées d’une rotation de maïs (Zea mays L.) et de soja (Glycine max (L.) Merr.) en Iowa, avec et sans cultures de couverture. Le modèle DNDC a donné des résultats satisfaisants pour une vaste gamme de paramètres comparativement à un modèle plus complexe sur le plan hydrologique. Le rendement du soja et du maïs ainsi que la biomasse du maïs au cours de la saison de croissance ont bien été simulés par les deux modèles (EQMN < 25 %). Les rendements du soja ont également été très bien simulés par les deux modèles (EQMN < 20 %); toutefois, la biomasse du soja a été surestimée par le modèle RZWQM2 dans les traitements de validation. L’ampleur de la biomasse du seigle d’hiver et de l'absorption de N ont bien été simulées, mais le moment du début de la croissance au printemps était parfois inexact. Les estimations annuelles et mensuelles du débit dans les canalisations et des pertes d’azote dans les canalisations ont bien été simulées par les deux modèles; toutefois, le modèle RZWQM2 a donné de meilleurs résultats pour la simulation de la teneur en eau du sol et de la dynamique du débit quotidien de l’eau vers les canalisations de drainage (DNDC : CNS −0,32 à 0,24; RZWQM2 : CNS 0,35 à 0,69). Le modèle DNDC a surestimé la teneur en eau du sol près de la surface du sol et l’a sous-estimée dans le profil en profondeur. Nous recommandons que des aménagements visant le modèle DNDC soient réalisés afin d'inclure des fonctions améliorées de densité racinaire et de pénétration des racines, un profil de sol hétérogène et plus profond, une nappe phréatique fluctuante et un drainage par canalisations mécaniste. Cependant, l’inclusion de processus à forte intensité de calcul doit être évaluée dans son contexte afin d’améliorer l’exactitude en fonction de l’applicabilité générale du modèle.