Photosynthesis of a greenhouse row crop of tomatoes. Development of an analytical model and mapping of foliage activity
Photosynthese d'une culture en rangs de tomates sous serre. Modelisation analytique et cartographie de l'activite du feuillage
Résumé
On the basis of the solar radiation interception model of Sinoquet (1989), we developed a mechanistic model of the photosynthesis of a row crop, to be used for the dynamic optimization of greenhouse climate. This model was calibrated and validated on a spring tomato crop. The canopy is divided into units of assumed uniform leaf area density, leaf angle distribution and photosynthetic PAR response. This division can be made along 2 or 3 axes, thus allowing variability along the rows to be accounted for the rows as well as across them (fig 1). From the input of incident diffuse and direct radiation on top of the canopy, the model computes, for each canopy unit, the leaf area distribution with respect to PAR interception, taking into account multiple diffusions, and photosynthetic activity. The canopy carbon gain is then computed as the sum of the unit values. Two leaf photosynthetic light-response functions were used: - one single hyperbolic function to describe the mean activity of all the leaves of the crop (model 1); - one function which includes a reduction factor proportional to leaf age, with the lowest photosynthetic rate for the oldest leaves. Measures of leaf photosynthesis were used to calibrate the model; the validation was made with in situ measures of whole-plant CO2 exchanges done under different radiative conditions (fig 2). Incident irradiance and canopy structure measurements were also performed on the same crop, and used in the model. Comparing in situ measures of crop photosynthesis with simulated data shows a good predictive value of both models, although the model with a leaf age effect under-estimates crop photosynthesis under high irradiance (fig 3). We analyzed the interaction between the date and hour of photosynthesis measurement on the residuals of the models (fig 4) and we compared the simulations performed with the two models (fig 5). From this analysis, we concluded that the under estimation of crop assimilation by model 2 is mainly due to a too high reduction factor for the oldest leaves. We simulated the experiment in which Acock et al (1978) measured the photosynthetic activity of canopy layers of different leaf age by successive partial defoliations (fig 6). Model 2, including a leaf age effect, computes a value of crop photosynthesis similar to that mesured by Acock et al (1978) but the distribution among the crop layers is distorted; the under-estimation of the activity of the older leaves is clearly shown.
Afin de fournir les éléments d’une optimisation dynamique de la régulation des différents paramètres climatiques sous serre, un modèle mécaniste du fonctionnement d’un couvert en rangs a été élaboré sur la base du modèle d’interception du rayonnement solaire de Sinoquet (1989), puis calé et validé sur une culture de tomates de printemps. A partir de la connaissance du rayonnement incident au sommet de la culture, de sa répartition en ses composantes directe et diffuse et de la position du soleil, il calcule l’interception du rayonnement en tenant compte des rediffusions, ainsi que de l’activité photosynthétique du couvert. Deux fonctions de réponse photosynthétique foliaire ont été utilisées : - une fonction hyperbolique classique caractérisant les potentialités moyennes de l’ensemble des feuilles de la culture (modèle 1); - une fonction tenant compte de l’âge des feuilles, leurs capacités photosynthétiques étant d’autant plus faibles qu’elles sont âgées (modèle 2). Le calage a été réalisé à partir de mesures de photosynthèse foliaire, la validation avec des mesures in situ de la photosynthèse de plantes entières. Les mesures nécessaires au fonctionnement du modèle (rayonnement, description géométrique de la surface foliaire) ont été faites sur la même culture. La comparaison des simulations et des mesures de photosynthèse du couvert montre une assez bonne adéquation des 2 modèles. Cependant, le modèle avec effet âge sous-estime l’activité du couvert, lorsqu’il est soumis à un fort rayonnement; ce biais peut être attribué à une sous-estimation des capacités photosynthétiques des feuilles âgées. Nous avons simulé l’expérience présentée par Acock et al (1978) où l’activité de couches de feuilles d’âges différents a été mesurée par effeuillages successifs. Le modèle 2, avec effet âge, conduit à une photosynthèse équivalente, mais répartie différemment, essentiellement réalisée par la couche supérieure. La sous-estimation des capacités photosynthétiques des feuilles âgées apparaît nettement.
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Sciences agricoles
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