Estimation of Solanum Tuberosum L. carbon assimilation by the Farquhar model : Evaluation of performance and attempts of improvement for water stress episodes

Abstract

Mechanistic models of terrestrial ecosystems are our best tools to understand and anticipate the impact of climate change on carbon, water and nutrient cycles. However, many fail to reproduce the decrease in CO2 assimilation when a prolonged period of edaphic stress occurs. As a consequence of global warming, droughts are expected to increase both in severity and frequency. Therefore, it is essential to understand the processes underlying this phenomenon as well as our current models limitations. The present study attempts to implement two possible areas of improvements. The first one consists in adding a mesophyll conductance (gm) in the conductance scheme and the second one consists in taking into account the normalized soil water content (REW) as a limiting factor of some biochemical parameters. For this purpose, gas exchange and fluorescence measurements were performed on potato plants (Solanum Tuberosum L. Agria) subjected to different soil water content regimes. It was shown that below a specific REW threshold equal to 0.6, Vcmax,app, Vcmax,real (respectively the maximum carboxylation rate of Rubisco when gm is and is not taking into account) and gm decreased rapidly. We uncovered highly significant sigmoidal dependency of these parameters with REW. These considerations allowed the implementation of several simulation scenarios. Implementation of gm and REW limitations successfully improved the results at leaf scale. Nevertheless, when upscaled to the ecosystem, its performances were poorer than the original model, even for severe drought periods. Even if these working hypotheses seem to be refuted at the ecosystem scale, the analysis showed that other uncertainties could be at the origin of these poorer performances. Special care should be paid to stomatal conductance parametrisation, solar radiation absorption models at canopy and leaf scales for future developments. Furthermore, an expression of Jmax,25◦C independent of Vcmax,25◦C should be considered.

Les modèles mécanistes des écosystèmes terrestres sont nos meilleurs outils pour comprendre et anticiper l’impact du changement climatique sur les cycles du carbone, de l’eau et des nutriments. Cependant, beaucoup d’entre eux ne parviennent pas à reproduire la diminution de l’assimilation de CO2 lorsqu’une période prolongée de stress édaphique se produit. Le réchauffement climatique devrait entraîner une augmentation de la gravité et de la fréquence des sécheresses. Il est donc essentiel de comprendre les processus qui sous-tendent ce phénomène ainsi que les limites de nos modèles actuels. La présente étude tente de mettre en œuvre deux domaines d’amélioration possibles. La première consiste à ajouter une conductance mésophyllienne (gm) dans le schéma de conductance et la seconde consiste à prendre en compte la teneur en eau normalisée du sol (REW) comme facteur limitant de certains paramètres biochimiques. Pour ce faire, des mesures d’échange gazeux et de fluorescence ont été réalisées sur des plants de pomme de terre (Solanum Tuberosum L. Agria) soumis à différents niveaux de teneur en eau du sol. Il a été montré qu’en dessous d’un seuil spécifique de REW égal à 0.6, Vcmax,app, Vcmax,rel (respectivement le taux de carboxylation maximal de la Rubisco lorsque gm est et n’est pas pris en compte) et gm diminuaient rapidement. Nous avons mis en évidence une dépendance sigmoïdale hautement significative de ces paramètres avec REW. Ces considérations ont permis la mise en œuvre de plusieurs scénarios de simulation. L’implémentation de gm et de la limitation de Vcmax,rel vis à vis de la REW a permis d’améliorer les résultats à l’échelle de la feuille. Néanmoins, lorsqu’il a été transposé à l’échelle de l’écosystème, ses performances ont été moins bonnes que celles du modèle original, même pour les périodes de sécheresse sévère. Même si ces hypothèses de travail semblent être réfutées à l’échelle de l’écosystème, l’analyse a montré que d’autres incertitudes pouvaient être à l’origine de ces moins bonnes performances. Une attention particulière devrait être portée à la paramétrisation de la conductance stomatique, aux modèles d’absorption du rayonnement solaire à l’échelle de la canopée et des feuilles pour les développements futurs. De plus, une expression de Jmax,25◦C indépendante de Vcmax,25◦C devrait être envisagée.