Mithilfe funktional-struktureller Wurzelarchitekturmodelle (FSRMs) können Wurzelmerkmale ausgewählt werden, die die Pflanzenleistung unter bestimmten Umweltbedingungen optimieren. Aktuelle Simulatoren unterscheiden sich in der Art und Weise, wie sie (1) die Prozesse darstellen und in mathematische Gleichungen übersetzen; (2) mathematische Probleme durch die Wahl analytischer oder numerischer Ansätze, numerischer Schemata oder Programmiertechniken lösen; und (3) koppeln und repräsentieren den Austausch zwischen den Wurzel- und Bodendomänen. Diese Unterschiede können zu unterschiedlichen Maßen an Genauigkeit und Zuverlässigkeit führen.

Andrea Schnepf leitete den allerersten Versuch, die Wurzelwasseraufnahme aus dem Boden mithilfe von FSPMs zu vergleichen, was einen quantitativen Vergleich der Ergebnisse verschiedener Simulatoren mit Referenzlösungen und untereinander ermöglicht.

Diese Bemühungen begannen mit a Aufruf zur Teilnahme FÜR kollaboratives Benchmarking von Schnepf und Kollegen. Infolgedessen entwickelten fünf Forschungsgruppen die Wurzel-FSPMs DuMu^x, CPlantBox, R-SWMS, OpenSimRoot und SRI trug zu einem bei in silico Pflanzenartikel, der das Benchmarking beschreibt.

Die fünf Simulatoren wurden anhand eines mehrstufigen Ansatzes mit zunehmender Komplexität verglichen. Die Genauigkeit basierte auf dem Vergleich mit Referenzlösungen und vorhandenen Literaturwerten.

Bei der ersten Herausforderung wurde die Gültigkeit einzelner Domänenmodule (z. B. Wurzel ODER Boden) getestet. Die Szenarien waren einfach und das Ziel bestand darin, Vertrauen in die Genauigkeit der einzelnen modularen Teile der Simulatoren aufzubauen und dabei zu helfen, potenziell abweichende Ergebnisse der gekoppelten Benchmark-Herausforderungen zu interpretieren.

HERAUSFORDERUNG 1: MODULAR

Diese Herausforderungen betrafen die Infiltrationsfront und den Wurzelwasserdruck. Auf die Bodenoberfläche aufgetragenes Wasser gelangt durch den Versickerungsprozess in den Boden. Dies wird hauptsächlich durch die Wasserversorgung und die Bodenart gesteuert. In diesem Fall ist die Infiltrationsfront wird als die Tiefe gemessen, bis zu der Wasser zu bestimmten Zeitpunkten in den trockenen Boden eindringt, im Verhältnis zum volumetrischen Wassergehalt (dem Verhältnis des Wasservolumens zum Einheitsvolumen des Bodens).

Druckköpfe sind ein Maß für das Wasserpotential. Die Wurzelwasseraufnahme wird anhand der Differenz des Wasserdrucks zwischen dem Xylem und dem Wasserdruck des Bodens an der Schnittstelle zwischen Boden und Wurzel berechnet. In diesem Fall beschrieb das Modell die Verteilung des Wurzelwasserdrucks im Xylem über die Bodentiefe.

Benchmark A – Das Modul stellt die Infiltrationsfront von Wasser in trockenen Boden für drei Bodentypen (Sand, Lehm und Ton) genau dar.

Ergebnisse: DuMu^x, R-SWMS und OpenSimRoot waren sich alle einig für Sand, Lehm und Ton. SRI stimmte mit der Referenz für Sand und Lehm überein, weicht jedoch für Ton ab, liegt aber immer noch im Bereich anderer Simulatoren im Benchmark von Vanderborght et al. (2005).

Benchmark B – Das Modul stellt die Bodenverdunstung für drei Bodentypen genau dar.

Ergebnisse: DuMu^x, R – SWMS, OpenSimRoot und SRI waren sich alle einig für Sand, Lehm und Ton.

Benchmark C: Das Modul beschreibt genau die Wurzelwasserdruckverteilung im Xylem eines einzelnen vertikalen Wurzelsegments für drei Bodentypen.

Ergebnisse: DuMu^x, R – SWMS, OpenSimRoot und SRI waren sich alle einig für Sand, Lehm und Ton.

Benchmark D: Das Modul beschreibt genau die Wurzelwasserdruckverteilung im Xylem eines Wurzelsystems für drei Bodentypen.

Ergebnisse: DuMu^x, R – SWMS, OpenSimRoot und SRI stimmten alle mit der Referenz für Sand, Lehm und Ton überein.

Die positiven Ergebnisse der modularen Herausforderung stärkten das Vertrauen aller Simulatoren. Während die Autoren einen Unterschied zwischen SRI und der Referenzlösung für die Infiltrationsfront von Wasser in trockenen Boden im Ton fanden, waren die Ergebnisse anders in der Größenordnung anderer Simulatoren.

Die Autoren erläutern die beiden Faktoren, die diese Abweichung auslösen. „Wasserfluss wird durch Gradienten im Wasserpotential verursacht. Direkt an der Infiltrationsfront kommt es zu einer starken Änderung des Bodenwasserpotentials, die nur bei ausreichend feiner räumlicher Auflösung genau erfasst werden kann. Wenn es zu grob ist, wie es bei SRI der Fall war, erscheint der tatsächliche Gradient verwischt.“ Der zweite Faktor ist die starke Nichtlinearität der bodenhydraulischen Funktionen. „Die ungesättigte hydraulische Leitfähigkeit bezieht sich auf ein Maß für die Wasserspeicherfähigkeit des Bodens, wenn der Porenraum des Bodens nicht mit Wasser gesättigt ist. Dieser Faktor bestimmt die Größe des Flusses, bei dem es sich um eine stark nichtlineare Funktion handelt. Das bedeutet, dass eine kleine Ungenauigkeit des Wasserpotentials zu einem großen Fehler der hydraulischen Leitfähigkeit führen kann. Sehr trockene Böden stellen eine besondere Herausforderung dar und die meisten Simulatoren haben eine Art Regelung.“

Die Gittergröße (räumliche Auflösung), Konvergenzkriterien (ab welchem ​​Punkt ein Modell als „genau“ gilt und nicht mehr verbessert werden kann) und die Methode zur Bewertung der hydraulischen Bodenleitfähigkeit haben großen Einfluss auf die Ergebnisse.

HERAUSFORDERUNG 2: GEKOPPELTE EINZELWURZELN

Für die zweite Herausforderung des Benchmarkings wurde die Validität der Simulatoren für die gekoppelten Wurzel-Boden-Modelle getestet. Der Schwerpunkt dieses Benchmarks lag auf der Entwicklung von Wasserpotentialgradienten um eine einzelne vertikale Wurzel. „Da die Module „Nur Boden“ und „Nur Wurzeln“ von den verschiedenen Simulatoren gut gelöst wurden, können Unterschiede in den Ergebnissen des anspruchsvollsten Benchmarks hauptsächlich auf die Kopplungsansätze und darauf zurückgeführt werden, wie gut die Bodenwasserpotenzialgradienten erkannt werden, die sich um die Wurzeln herum entwickeln “, erklärte Schnepf.

Für diese Herausforderung, DuMu^x wurde auf zwei Arten verwendet:

1. DuMu^x wurde verwendet, um sowohl den Boden als auch die Wurzeldomänen darzustellen, und das resultierende Problem wurde in einem Kopplungsansatz gelöst, bei dem der interpolierte Wert des Bodenwasserpotentials am Wurzelumfang verwendet wurde (DuMu^x_CYL); Und
2. DuMu^x wurde zur Darstellung des Bodens verwendet, während das Wurzelteilproblem und die Kopplung von CPlantBox gelöst wurden. Für diese Methode wurde der gemittelte Wert des Bodenwasserpotentials am Wurzelumfang verwendet (DuMu^x_CPlantBox).

SRI nahm aus Zeitgründen nicht an dieser Herausforderung teil, wohl aber an Herausforderung 3.

Benchmark E1: Das gekoppelte Modell beschreibt genau die Verteilung des Bodenwasserdrucks als Ergebnis der radialen Wasserströmung zu einer einzelnen vertikalen Wurzel für drei Bodentypen.

Ergebnisse: DuMu^x_CYL und DuMu^x_PBox stimmte mit der Referenz für Sand und Lehm überein, weicht jedoch für Ton ab. R—SWMS und OpenSimRoot stimmten mit der Referenz für Sand und Ton überein, wichen jedoch für Lehm ab. SRI hatte für diese Herausforderung ein Freilos.

Benchmark E2 Das gekoppelte Modell beschreibt genau den Zeitpunkt des Einsetzens von Bodenwasserstress als Folge des radialen Wasserflusses in Richtung einer einzelnen vertikalen Wurzel für drei Bodentypen.

Ergebnisse: DuMu^x_CYL, DuMu^x_PBox, R-SWMS und OpenSimRoot stimmten alle mit der Referenz für Sand, Lehm und Ton überein. SRI hatte für diese Herausforderung ein Freilos.

Alle Modelle schnitten bei dieser Herausforderung ähnlich ab. Unterschiede in der Druckhöhenverteilung des Bodenwassers als Folge der radialen Wasserströmung zu einer einzelnen vertikalen Wurzel zwischen den DuMu^x Variationen und R-SWMS & OpenSimRoot waren auf Unterschiede in der numerischen Technik zurückzuführen, die zur Aufteilung des Bodens in diskrete räumliche Einheiten verwendet wurde.

HERAUSFORDERUNG 3: GEKOPPELTES WURZELSYSTEM

Für die dritte und schwierigste Herausforderung wurde die Gültigkeit der Simulatoren für die gekoppelten Wurzel-Boden-Modelle mit Wurzelsystemen getestet.

Für diese Herausforderung, DuMu^x wurde auf zwei Arten verwendet:

1. DuMu^x wurde verwendet, um sowohl den Boden als auch die Wurzeldomänen darzustellen und unter Verwendung der Kernel-Support-Methode den Rhizosphärenwiderstand gegenüber dem Wasserfluss darzustellen (DuMu^x-ks); Und
2. das Bodenmodul von DuMu^x wurde wie oben an CPlantBox gekoppelt. Darüber hinaus 1D-radialsymmetrische Rhizosphärenmodelle, ebenfalls basierend auf DuMu^x, wurden um jedes Wurzelsegment herum gelöst, um das Wasserpotential an der Wurzel-Boden-Grenzfläche zu bestimmen.

Benchmark F: Das gekoppelte Modell beschreibt genau die Wasseraufnahme des Wurzelsystems aus einem trocknenden Boden und die daraus resultierende Transpiration im Zeitverlauf.

Ergebnisse: Alle Modelle schnitten bei der letzten Herausforderung ähnlich ab. Es wurde festgestellt, dass alle den zusätzlichen Widerstand gegen den Wasserfluss im trocknenden Boden explizit berücksichtigen mussten, um eine übermäßige Überschätzung der Wurzelwasseraufnahme zu vermeiden. Dabei verwendeten die verschiedenen Simulatoren ganz unterschiedliche Ansätze. Während R-SWMS und SRI die Transpiration immer noch leicht überschätzten, haben alle Simulatoren die richtige Größenordnung ermittelt.

Aus diesem Benchmarking konnten die Autoren schließen, dass die Simulatoren keine anderen Fehler oder Fehler aufwiesen, die ihre Lösungen hätten ungenau machen können. Die aus dieser Herausforderung gewonnenen Erkenntnisse und die Beteiligung von Nutzern und Entwicklern der Modelle können zu weiteren Modellverbesserungen führen.

DER ARTIKEL::

Andrea Schnepf, Christopher K Black, Valentin Couvreur, Benjamin M Delory, Claude Doussan, Adrien Heymans, Mathieu Javaux, Deepanshu Khare, Axelle Koch, Timo Koch, Christian W Kuppe, Magdalena Landl, Daniel Leitner, Guillaume Lobet, Félicien Meunier, Johannes A Postma, Ernst D. Schäfer, Tobias Selzner, Jan Vanderborght und Harry Vereecken. Kollaboratives Benchmarking funktional-struktureller Wurzelarchitekturmodelle: Quantitativer Vergleich der simulierten Wurzelwasseraufnahme, in silico Pflanzen, 2023; diad005, https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diad005

Alle Benchmarks und entsprechenden Referenzlösungen wurden in Form von Jupyter Notebooks im GitHub-Repository veröffentlicht https://github.com/RSA-benchmarks/collaborative-comparison.

Dieses Manuskript ist Teil der neuesten Version von in silico Plant Funktionelles strukturelles Anlagenmodell Sonderausgabe.