STICS: a generic model for simulating crops and their water and nitrogen balances. II. Model validation for wheat and maize

An evaluation of a generic crop growth model, STICS, described in Brisson et al. [11], is presented, based on an agronomic database which combines various wheat crop and maize crop situations in France. Emphasis is placed on the need to use standard references for parameterising varieties, particularly concerning the development stages. The validation was carried out for the model's output variables, defined as being the final variables of agronomic interest (yield and components, above-ground biomass, flowering and maturity dates, nitrogen contents in the plant and grain, water and nitrogen contents in the soil) using several mathematical criteria (square errors, mean deviation, efficiency). Results indicated that the two crops behave quite similarly with square errors of 1.6 t$\cdot$ha$^{-1}$ for wheat yield and 2.4 t$\cdot$ha$^{-1}$ for maize yield. The two yield components, grain number and grain weight, were simulated less successfully, as was the case for the simulations concerning nitrogen both in the plant and soil, which were systematically biased. However, the water content in the soil was simulated accurately. An analysis of the dynamics of the main state variables in the system, such as leaf area index or nitrogen nutrition index, which in some cases were extracted from the database, made it possible to reveal the shortcomings in the model and propose ways of modifying it. The results we will retain include the introduction of a relationship between grain number and maximal grain weight, which makes the “grain number” variable dependent on the variety, the consideration of leaf senescence due to environmental stress, and the end of nitrogen absorption at the onset of grain filling. These modifications help to improve modelling results of yield components and soil and plant nitrogen contents. They have little effect on biomass and yield, for which errors remain at levels of approximately 15%; the impossibility of reducing the error concerning biomass, and consequently that concerning yield, illustrates the model's robustness.STICS : un modèle générique pour simuler les cultures et leurs bilans hydrique et azoté. II. Validation du modèle pour le blé et le maïs. Une évaluation du modèle générique de culture STICS, décrit en détails dans Brisson et al. [11], est présentée. Elle repose sur une base de données agronomiques qui réunit des situations variées de culture de blé et de maïs en France. L'accent est mis sur la nécessité d'utiliser des références standards pour le paramétrage des variétés, qui concerne surtout les stades de développement. La validation est réalisée sur les variables de sortie du modèle, définie comme étant les variables finales d'intérêt agronomique (rendement et composantes, biomasse aérienne, dates de floraison et de maturité, teneurs en azote dans la plante et dans le grain, quantité d'eau et d'azote dans le sol) au moyen de plusieurs critères mathématiques (erreurs quadratiques, écarts moyens, efficacité). Il ressort que le comportement des deux cultures sont assez proches avec des erreurs quadratiques de 1,6 t$\cdot$ha$^{-1}$ pour le rendement du blé et de 2,4 t$\cdot$ha$^{-1}$ pour le rendement du maïs. La simulation des deux composantes du rendement : nombre de grains et poids du grain est plus mauvaise, de même que les simulations concernant l'azote aussi bien dans la plante que dans le sol qui apparaissent avec un biais systématique. En revanche l'eau dans le sol est correctement simulée. L'analyse de cinétiques d'évolution de variables d'état majeures du système, telles que l'indice foliaire ou l'indice de nutrition azotée, sur quelques cas extraits de la base de donnée permet de mettre en évidence les disfonctionnements du modèle et de proposer des modifications pour les corriger. On retiendra essentiellement l'introduction d'une relation entre le nombre de grains et le poids maximal du grain, ce qui rend la variable “ nombre de grains ” dépendante de la variété, la prise en compte de la sénescence des feuilles liée aux stress environnementaux, l'arrêt de l'absorption azotée au début du remplissage du grain. Ces modifications permettent d'améliorer les résultats de modélisation concernant les composantes du rendement et le bilan azoté. Elles ont peu d'effet sur la biomasse et le rendement qui restent à des niveaux d'erreur de l'ordre de 15 % ; cette incompressibilité de l'erreur sur la biomasse et par conséquent le rendement est une illustration de la robustesse du modèle

STICS. Modèle de simulation de culture. Bilan hydrique. Bilan azoté. Notice utilisateur

* INRA, Centre de Recherche d'Orléans, URD, Ardon 45160 Olivet (FRA) Diffusion du document : INRA, Centre de Recherche d'Orléans, URD, Ardon 45160 Olivet (FRA)National audienc

STICS: a generic model for the simulation of crops and their water and nitrogen balances. I. Theory and parameterization applied to wheat and corn

STICS (Simulateur mulTIdiscplinaire pour les Cultures Standard) is a crop model constructed as a simulation tool capable of working under agricultural conditions. Outputs comprise the production (amount and quality) and the environment. Inputs take into account the climate, the soil and the cropping system. STICS is presented as a model exhibiting the following qualities: robustness, an easy access to inputs and an uncomplicated future evolution thanks to a modular (easy adaptation to various types of plant) nature and generic. However, STICS is not an entirely new model since most parts use classic formalisms or stem from existing models. The main simulated processes are the growth, the development of the crop and the water and nitrogenous balance of the soil-crop system. The seven modules of STICS- development, shoot growth, yield components, root growth, water balance, thermal environment and nitrogen balance- are presented in turn with a discussion about the theoretical choices in comparison to other models. These choices should render the model capable of exhibiting the announced qualities in classic environmental contexts. However, because some processes (e.g. ammoniac volatilization, drought resistance, etc.) are not taken into account, the use of STICS is presently limited to several cropping systems. (@ Inra/Elsevier, Paris.)STICS : un modèle générique pour simuler les cultures et leurs bilans hydrique et azoté. I. Théorie et paramétrage appliqués au blé et au maïs. STICS est un modèle de culture conçu comme un outil de simulation opérationnel en conditions agricoles. Ses variables de sortie sont relatives à la production, à la fois en quantité et en qualité, et à l'environnement. Ses entrées sont relatives au climat, au sol et au système de culture. STICS est présenté comme un modèle montrant les qualités suivantes : robustesse, facilité d'accès aux données d'entrée, souplesse d'évolution par une présentation modulaire et généricité (facilité d'adaptation à divers types de plantes). Pourtant, il ne s'agit pas d'un modèle entièrement nouveau dans les formalismes utilisés. Ils sont, pour la plupart, issus de modèles existants. Les grands processus simulés sont la croissance et le développement de la culture ainsi que les bilans hydrique et azoté du système sol-culture. Les sept modules de STICS sont décrits successivement avec une discussion sur les choix théoriques comparés à ceux d'autres modèles : développement, croissance aérienne, composantes du rendement, croissance racinaire, bilan hydrique, environnement thermique de la culture, bilan azoté. Il ressort que ces choix confèrent à priori au modèle les qualités annoncées dans un contexte environnemental classique. Cependant, l'absence de prise en compte de certains processus (exemples : volatilisation de l'ammoniac, résistance à la sécheresse, ...) restreint pour l'instant son utilisation à certains systèmes de culture. (© Inra/Elsevier, Paris.