profondeur d enracinement (mm)

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1 En fait, il n existe pas de relation clairement établie entre la RU et la RFU, on estime en gros que la RFU = 2/3 RU comme l indique le tableau de la figure 23. Si on ne dispose pas des mesures d humidité à la capacité de rétention et au point de flétrissement, mais de «l humidité équivalente» (He), on a la relation finale : RFU = He ρ 0, 3 profondeur d enracinement (mm) as Pour un mètre de profondeur d enracinement, le tableau de la figure 23 indique des valeur de RFU comprise entre 70 et 150 mm, qui reviennent en gros à 1 mm de RFU par cm de profondeur de sol prospecté par les racines. La figure 23 montre que la valeur de la RFU dépend avant tout de la texture des sols. La texture d un sol est liée à la taille des particules élémentaires constituants la terre fine (de diamètre inférieure à 2 mm) de ce sol. Les plus grosses fractions sont les sables grossiers (de 2 mm à 0,2 mm de diamètre), puis les sables fins (de 200 à 50 µm), puis les limons grossiers (de 50 à 20 µm) et enfin les argiles dont le diamètre est inférieur à 2µm. La proportion entre sables, limons et argiles se visualise sur un diagramme dit «des textures» (Figure 25) et définit le type de texture du sol. Depuis la texture dite AA très argileuse jusqu à LL très limoneuse, on distingue de nombreuses textures dite «de mélange» argilo-limoneuse ou argilo-sablo-limoneuse. Le nom français débute toujours par la classe granulométrique qui domine alors que c est l inverse en anglais : on termine toujours par ce qui est le plus important. En agronomie, la définition de la RFU est très importante car elle équivaut, en gros, à la quantité d eau maximale qui peut être apportée dans un sol irrigué puisque c est la quantité maximale d eau que le sol peut stockée. Elle correspond donc à la dose qui est apportée lors d un arrosage. Si l apport dépasse la RFU, il y a déclenchement du drainage en profondeur. On reviendra sur l utilisation de la notion de réserve utile dans la dernière partie du cours dans les applications en irrigation et les outils de pilotage de l irrigation qui consiste notamment à suivre le niveau de remplissage de la réserve du sol. Finalement dans toute cette deuxième partie, il apparaît clairement que pour que l eau du sol circule entre deux points, il faut qu il y ait une différence de potentiel (ou de charge hydraulique) entre ces deux points. MAIS, la circulation de l eau dans le sol ne dépend pas que de cette différence de potentiel, elle dépend aussi de l aptitude du matériau à laisser circuler les fluides, c est précisément la conductivité hydraulique. Application numérique : D après les diagrammes des textures de la figure 25, indiquer quelle est la texture des trois sols suivants. Vérifier si les deux triangles donnent les mêmes résultats : Sol 1 : 35% A, 20% Lf, 10% Lg, 15% Sf, 20% Sg Sol 2 : 15% A, 25% Lf, 27% Lg, 18% Sf,15% Sg Sol 3 : 5% A, 15% Lf, 15% Lg, 15% Sf, 15% Sg 36

2 Figure 25 La texture des sols : les deux triangles de texture les plus utilisés. 37

3 4 CONDUCTIVITE HYDRAULIQUE OU PERMEABILITE Un peu comme la conductivité électrique illustre la capacité d un matériau à laisser passer le courant électrique, la conductivité hydraulique d un système poreux représente la facilité de circulation de l eau dans ce système. C est le physicien Darcy qui a proposé le premier la définition de ce paramètre que l on désigne habituellement par la lettre K. Selon Darcy, K a les dimension d une vitesse : c est bien la vitesse de circulation de l eau dans un système poreux sous un gradient de charge hydraulique égal à 1 (Figure 26). Figure 26 : Illustration de la loi de Darcy Dans l expérience de Darcy, une colonne de sol est saturée. Lorsqu on atteint un régime permanent les niveaux à l entrée et à la sortie ne bougent plus et le débit sortant est égal au débit entrant : c est Q : le débit qui traverse la colonne de sol. Ce débit est bien sûr fonction de la section de la colonne (S), de la variation de charge hydraulique ( H) sur la longueur de la colonne (L) et bien sûr de la perméabilité du matériau traversé par le débit Q. Q S H = K (4) L Q L K = S H H Lorsque tend vers un, c'est-à-dire que H 1 tend vers zéro, K devient équivalent au L débit divisé par la section de la colonne. Plus généralement, selon la loi de Darcy, la vitesse de circulation de l eau dans un système poreux le long d un axe X ( q x ) est fonction du H gradient de charge le long de cet axe, et de la perméabilité du matériau traversé (K). x Dans cette équation, le signe moins indique que l eau circule dans le sens des potentiels décroissants. H q x = K x On peut représenter la loi de Darcy d une autre manière (Figure 27), le résultat est toujours décrit par la même équation (4). 38

4 Figure 27 : Autre représentation de la loi de Darcy Dans le système international, l unité utilisée pour décrire les vitesses est le m.s -1, or comme nous l avons déjà signalé, les circulations de l eau dans les sols sont très lentes et les perméabilités des sols sont plutôt de l ordre du mm.h -1 ou mm.j -1. Leurs valeurs dépendent essentiellement de la texture des sols : plus on descend dans les textures fines, plus la perméabilité diminue. C est ce qui est récapitulé sur la figure 28. La perméabilité des sols intervient dans la gestion des sols irrigués puisque l eau est apportée au sol à partir d un point d apport (l arroseur) et diffuse dans la porosité du sol jusqu aux racines du végétal cultivé. Il est donc fortement recommandé de tenir compte de cette valeur de K pour les arrosages et prendre des précautions tout particulièrement lorsque ces perméabilités sont très fortes (textures sableuses) ou très faibles (textures très argileuses). mm h -1 m.j -1 cm.s , ,60 0, ,3600 0, ,036 0, S L S LAS LA A K m/s K < < K < < K < Aptitudes à l arrosage Terres imperméables à ne pas arroser Terres assez imperméables à arroser avec précaution Terres perméables aptes à l arrosage K > Terres trop perméables, risques de pertes, utiliser l aspersion Figure 28 : Perméabilité et texture : des éléments clés dans la gestion de l irrigation des sols 39

5 5 APPLICATION A L IRRIGATION Tous les paramètres définis jusqu ici permettent de mieux comprendre la circulation de l eau dans les sols, qu ils soient cultivés ou non. L agriculture doit souvent s adapter à des cas de manques d eau ou d excès d eau. Pour y faire face, elle fait appel à des techniques qui sont l irrigation et/ou (le drainage agricole en cas d excès d eau) dont nous allons présenter ici les très grandes lignes directrices LES PRINCIPAUX MODES D IRRIGATION L irrigation se pratique d une part dans les zones arides ou semi-arides où l implantation des cultures aurait été impossible sans apports d eau supplémentaires aux précipitations qui sont insuffisantes pour permettre la survie des végétaux. En effet, depuis plus de ans ; les civilisations anciennes de la Mésopotamie ont pratiqué l irrigation à partir des eaux du Tigre et de l Euphrate ainsi que l Egypte dans la vallée du Nil (certains de ces anciens vieux réseaux de ans sont encore utilisés ; exemple : culture du riz aux Philippines). En climat tempéré ou de type méditerranéen, des périodes de déficit hydrique limitent le développement végétatif de certaines cultures, l irrigation est souvent essentielle pour obtenir une production rentable de cultures sensibles à la sécheresse. Dans ce cas, le stress hydrique va conduire les végétaux à fermer leur stomates de manière à réduire leur flux d eau transpirée, mais en fermant leur stomates, ils freinent également l activité photosynthétique et réduisent ainsi leur production. Ici, l irrigation est plus une irrigation «de confort» qui permet de s affranchir des aléas climatiques. Actuellement, les surfaces mondiales cultivées représentent 320 millions d hectares : c est 4 fois la superficie totale de la France et 16 % des terres arables mondiales. 60 % de ces surfaces se trouvent dans le sud-est asiatique. Figure 29 : L irrigation gravitaire dans le sud-est asiatique 40

6 Il existe 3 modes d irrigation: L irrigation gravitaire. L eau est apportée jusqu à la parcelle cultivée en suivant la gravité. C est le mode d irrigation le plus ancien qui nécessite le moins de technicité mais c est celui qui consomme le plus d eau. L eau peut circuler en nappe à la surface du sol, dans les zones à pentes fortes organisées en terrasses. Ce mode d irrigation très ancien est largement répandu dans tout le sud-est asiatique comme l illustre la figure 29.Lorsque les pentes sont très faibles et lorsqu on veut utiliser moins d eau, on peut distribuer cette eau dans des rigoles, on parle alors d irrigation «à la raie». En France, ce type d irrigation n est pratiqué que dans la région du sud-est : là où les réserves en eau sont importantes grâce aux retenues dans les Alpes mais où les vents forts très fréquents empêchent l irrigation par aspersion. L irrigation par aspersion : l eau est apportée à la parcelle cultivée en imitant la chute naturelle des précipitations de la façon la plus homogène possible sur l ensemble de la parcelle irriguée. Elle circule sous-pression dans des canalisations, passe à travers des orifices qui brisent les jets. Ces buses sont très précisément calibrées : leurs diamètres fixent les débits que pourront distribuer ces buses en fonction de la pression de l eau appliquée. Ces buses sont fixées sur des arroseurs. Plusieurs systèmes existent : la couverture intégrale, l enrouleur, le pivot et la rampe frontale sont illustrés sur la figure 30. Figure 30 : Les outils de machinisme utilisés en irrigation par aspersion La micro-irrigation ou irrigation localisée consiste à n apporter l eau que dans une zone réduite située à proximité des racines : un bulbe d humidité est maintenu constamment grâce à des goutteurs qui apportent l eau sous forme de goutte à goutte. L eau circule sous pression dans des canalisations beaucoup plus légères que dans l aspersion car les 41

7 débits et les pressions de l eau sont beaucoup plus faibles. Mis au point par les israéliens, ces dispositifs sont ceux qui consomment le moins d eau. Leur inconvénient c est que le diamètre des buses est millimétrique, ce qui les rend très sensible au bouchage : il faut donc utiliser une eau très propre que l on ne peut obtenir qu avec un système de filtration de l eau. Ces systèmes sont donc finalement assez onéreux et ne sont utilisés sur des productions à forte valeur ajoutée, comme l arboriculture ou le maraîchage LES OUTILS DE PILOTAGE DE L IRRIGATION Application numérique : Soit un sol de texture LAS, de perméabilité voisine de 20 mm.h -1, un arrosage est appliqué avec une intensité pluviométrique de 50 mm.j -1. Expliquer ce que cet arrosage va provoquer et ce que vous préconiseriez pour l éviter. Lorsque une exploitation s équipe en irrigation, le système est dimensionné généralement pour faire face aux besoins en eau de huit années sur 10 : on sait que pour les années exceptionnellement sèches, on ne pourra pas couvrir les besoins. Mais les agriculteurs prennent généralement ce risque, de manière à ne pas se suréquiper pour les 8 autres années. Une fois l installation en place, des outils existent pour aider à la prise de décision pour déclencher les arrosages aux bons moments et appliquer les bonnes doses. C est le pilotage de l irrigation, qui se base soit sur des critères climatiques, soit sur le suivi de l état hydrique du sol, soit sur celui de la plante Le critère végétal. Le flétrissement du végétal que provoque le stress hydrique peut être irréversible si l on attend trop. Lorsque ces symptômes sont visibles «à l œil nu», il est déjà trop tard pour intervenir. Il faut donc anticiper l apport ou se donner des critères d observation plus précis que l œil nu. Par exemple, le diamètre des fruits peut être mesuré à l aide de pieds à coulisse. En effet, le diamètre d une pomme va diminuer au cours d une journée lorsque le soleil est au zénith. Mais si l arbre est bien alimenté en eau, son diamètre va ré-augmenter dés que les températures vont diminuer en fin de journée. Des valeurs seuils permettent de décider le déclenchement des arrosages. Un autre exemple consiste à utiliser un amplificateur de son pour amplifier le bruit que fait la colonne d eau à l intérieur d un tronc d arbre lorsqu elle est brisée par un stress hydrique trop important. C est le phénomène de cavitation que l on ne perçoit pas sans amplificateur. D autres outils existent comme la mesure de la température de la surface foliaire. Mais ces outils sont encore très peu utilisés par les agriculteurs sur le terrain Le critère climatique La perte en eau d un couvert végétal est dû à 99% à l évapotranspiration (ET). En effet, la quantité d eau que le végétal stocke dans ses tissus est négligeable au regard de ce qu il évapotranspire tout au long de son développement. La quantité d eau évapotranpirée dépend des conditions climatiques, de l espèce végétale et du sol. Parmi les paramètres climatiques, le vent, la chaleur, et la sécheresse relative de l air au-dessus du couvert ainsi que le rayonnement capté par le couvert vont favoriser l ET. Chaque espèce végétale réagit bien sûr différemment vis-à-vis de l ET, mais c est surtout la surface foliaire qui joue sur l ET. Elle varie d une espèce à l autre mais elle varie surtout tout au long du développement du végétal. Enfin plus le sol offre une importante disponibilité en eau, plus il va favoriser l ET. 42

8 Plusieurs hypothèses vont être formulées pour calculer ET : Hypothèse 1 : Le sol et le végétal sont supposés non limitants : le sol est supposé être à la capacité de rétention en eau et le végétal est supposé être en pleine période de croissance avec un couvert végétal continu, l espèce utilisée comme référence est une fétuque : un couvert engazonné. On calcule alors l ETP (ou ET 0 ) : évapotranspiration potentielle (ou de référence) uniquement à partir de mesures climatiques : vitesse du vent, température, humidité relative de l air et rayonnement. Hypothèse 2 : Le sol est toujours supposé non limitant (humidité à la capacité au champ), on calcule alors ce que le couvert végétal peut évapotranspirer compte tenu de l espèce cultivée et de son stade de développement : c est l ETM (ou ET c ) : évapotranspiration maximale (ou de la culture) que l on calcule à partir de l ETP. ETM = Kc x ETP ou ET c = Kc x ET 0 avec Kc : coefficient cultural Kc est proche de 0,1 dans les semaines qui suivent le semis tant que la surface foliaire reste faible. Quand le végétal atteint sa pleine croissance et que le couvert est continu, Kc est égal à 1, il peut même dépasser la valeur de 1 (jusqu à 1,15) car certaines espèces développent des surfaces foliaires beaucoup plus importantes qu un couvert engazonné, comme le maïs, la pomme de terre Hypothèse 3 : Le sol comme les autres paramètres sont considérés réellement tels qu ils se présentent, on mesure alors l ETR : évapotranspiration réelle. Malheureusement, il n existe pas de formule définissant ce paramètre. Lorsque les cultures n ont pas d autres facteurs limitant que la disponibilité en eau, en milieu tempéré et méditerranéen (là où il n y a pas de problème de salinité de sols), l irrigation va venir compléter les précipitations (P) de manière à ce que le végétal puisse être à son maximum d évapotranspiration. Finalement les apports d eau (I) doivent être tels que l on ait : ETP = I + P (5) Couvrir les besoins, c est donc l objectif de l irrigation. A cet objectif s ajoutent de nombreuses contraintes. La plus forte est sans doute le sol car c est lui qui est utilisé comme réservoir dans lequel on apporte l eau que la plante pourra utiliser dans les jours suivants. La deuxième contrainte forte est le machinisme : ne pouvant intervenir n importe quand, les irrigants doivent être capables de prévoir de semaine en semaine les besoins en eaux de leurs couverts. C est pour faire face à ces multiples contraintes que le bilaneaumètre a été mis au point. Application numérique : Soit une culture de pomme de terre qui donne 50 tonnes de tubercules par hectare à la récolte. Il s agit bien sûr de poids frais, sachant que ces tubercules contiennent 80% d humidité. Cette eau mise en réserve dans les tissus de la pomme de terre représente qu elle lame d eau? Sachant que l ETP du mois de juillet est en moyenne de 130 mm dans la région toulousaine, que représente cette eau mise en réserve par rapport à ce qui est évapotranpiré pendant toute la culture? Le bilaneaumètre : un outil de pilotage de l irrigation par aspersion La conception de cet outil est basée sur le fait que les apports sont calés de manière à couvrir les besoins selon l équation (5). Ensuite, l irrigation par aspersion est une irrigation dite «intermittente», c'est-à-dire que l on apporte une dose qui équivaut à ce que le sol peut stocker, on laisse ensuite la plante utiliser cette eau avant de revenir sur la parcelle. Contrairement à la microirrigation où le bulbe d humidité est maintenu constamment pendant toute la période d irrigation, en aspersion les apports sont distants de plusieurs jours voire quelques semaines. 43

9 Dans cette optique, l irrigant doit prévoir les besoins des couverts quelques jours, voire quelques semaines à l avance et doit travailler sur des valeurs d ETP cumulées dans ces intervalles de temps. Le bilaneaumètre est basé sur le principe que si la pluviométrique varie énormément d une année sur l autre, la somme (ou le cumul des ETP) varie assez peu : on fournit aux irrigants un graphique (abaque) sur lequel il va reporter les pluies et en déduire les apports nécessaires de manière à ce que ces apports couvrent les besoins P + I ( ETP ) sans apporter plus d eau que ce que le sol peut stocker P + I ( ETP ) + RFU. Finalement, le bilaneaumètre constitue un graphique sur lequel est tracée la courbe des ETP. La même fonction ETP moyennes cumulées pendant toute la saison d irrigation ( ) décalée de la valeur de la RFU est tracée sur le même graphique ( ETP ) + RFU l irrigant décide de ses apports d eau (I) de manière à ce que la courbe représentant le cumul des pluies et des irrigations P + I reste toujours comprise entre les deux courbes prédessinées sur le graphique ce qu il signifie qu il respecte la règle suivante : ( ETP) RFU ETP P + I + Chaque fois qu une période sans pluie survient, l irrigant reporte un trait horizontal sur le graphe, proportionnel aux nombres de jours, lorsque qu il se rapproche trop de la courbe des besoins, il déclenche l arrosage. Il n est pas conseillé de remplir la RFU (50 mm dans la figure 31) à chaque apport car il y a un problème de perméabilité des sols que nous avons évoqué précédemment. Figure 31 : Le principe du bilaneaumètre Le bilaneaumètre présente l avantage de pouvoir être suivi dans un bureau sans avoir à se déplacer sur les parcelles. Par contre comme on l a mentionné ci-dessus, il est conçu à partir des ETP moyennes, or si ces valeurs restent stables pour 5 années sur 10, il est clair que certaines années s avèrent beaucoup sèches ou plus froides que les autres, ce qui conduit à des erreurs non négligeables sur les courbes cumulées. En fait, il faudrait pouvoir corriger les courbes prédessinées en fonction du type de l année climatique en cours. Pour l instant, à ma 44

10 connaissance, ce changement de courbes en cours de campagne n est pas fait. Par contre d autres outils existent Le critère sol Pour suivre l état hydrique du sol, de nombreux appareils ont été décrits dans la première partie de ce cours. L outil le plus utilisé pour le pilotage de l irrigation, c est le tensiomètre. Cet instrument est léger et peu onéreux. Par contre il donne une valeur ponctuelle du potentiel hydrique. Il faut donc nécessairement plusieurs tensiomètres par profil mais il faut aussi positionner judicieusement les tensiomètres par rapport aux arroseurs. Un premier tensiomètre est placé généralement à la base de l horizon le plus colonisé par les racines : 30 cm en culture annuelle et la moitié de la profondeur totale d enracinement en culture pérenne. La plupart du temps deux autres tensiomètres sont placés à 30 cm et 60 cm en dessous du premier tensiomètre. Par rapport aux arroseurs, il est important de ne pas mettre ces tensiomètres ni trop près ni trop loin de ces points de distribution de l eau (figure 32). Figure 32 : Position des tensiomètres par rapport aux arroseurs. Les tensiomètres utilisés en irrigation par aspersion ou en microirrigation sont moins précis que les tensiomètres à mercure présentés au début de ce cours (fig. 16) car la lecture des dépressions se fait à l aide d un manomètre à aiguille gradué en centibar ou kilopascal. On peut rappeler les relations suivantes : 1 bar = 0,1 MPa = 10 6 Pa 1 cbar = 0,1*10 4 Pa = 1 kpa Il faut rappeler que la valeur indiquée par le tensiomètre est une dépression relative (par rapport à un plan d eau libre en équilibre avec la pression atmosphérique), c est donc des 45

11 valeurs qui sont toutes négatives. Par commodité d écriture, ce signe disparaît souvent des graphiques (fig. 33), cependant, il doit rester présent dans les esprits. Figure 33 : Les relevés tensiomètriques lors du pilotage de l irrigation par aspersion, avec des arrosages à dose fixe et à fréquences variables. Les deux inconvénients des tensiomètres c est que d une part ils nécessitent de venir faire une lecture quotidienne des valeurs : l irrigant doit se déplacer tous les jours sur la parcelle et reporter les valeurs lues sur un graphique. D autre part, cet outil peu onéreux ne permet pas de mesurer des dépressions qui dépassent 800 mbar : au-delà de cette valeur, de l air rentre dans le tensiomètre, la colonne à l intérieur du tensiomètre est brisée et les pressions ne sont donc plus transmises : l aiguille du manomètre chute à zéro : on dit que le tensiomètre décroche. Par expérience, on a constaté que lorsque le premier tensiomètre décroche, l arrosage peut être déclenché. Si les tensiomètres fonctionnent correctement, les tensions chutent immédiatement après ce premier apport d eau comme l illustre la figure 33. Ensuite, au fur et à mesure que le végétal consomme l eau apportée, le sol s assèche et les tensions réaugmentent progressivement comme indiqué sur la figure 33. On ne déclenchera une nouvelle irrigation que lorsque la tension indiquée par le tensiomètre placé à 60 cm de profondeur rattrape la valeur qu il indiquait avant l arrosage précédent, ou même dépasse légèrement cette valeur de manière à être absolument sûr que toute l eau apportée au premier arrosage a bien été consommée par la plante. Il faut souligner que ce fonctionnement «théorique» illustré par la figure 33 peut être modifié sur le terrain lorsque l irriguant a moins de souplesse par exemple sur l utilisation du matériel ou lorsque le sol n est pas parfaitement homogène. FIN DU COURS Corrections des applications numériques du cours de la semaine 2 Par définition, les points situés sur la surface piézométrique sont sur un plan d eau libre en équilibre avec la pression atmosphérique, donc la composante du potentiel de pression dans le potentiel total (H) est égale à zéro. L expression du potentiel total est donc fortement simplifiée puisqu il devient égal au potentiel de gravitation lié uniquement à l altitude du point considéré (z). Finalement, au niveau de la surface piézométrique, on a l égalité suivante : H = z. Or, ceci est exactement l équation de la bissectrice du graphe de la 46

12 figure 15. On peut donc repérer la position de la surface piézométrique avec le point d intersection entre le profil du potentiel hydrique et la bissectrice du graphe H = f(z). Sur le graphe de la figure 15, le potentiel total au point A est égal à 40 cm d eau : il a exactement cette valeur là au point B. N ayant pas de différence de potentiel entre ces deux points, il ne peut pas y avoir de circulation de l eau. En fait, on a dans ce graphe la représentation d une nappe d eau au repos au sein de laquelle l eau ne circule pas. Au-dessus du point A du graphe de la figure 15, il y a trois possibilités : Le potentiel est constant : l eau ne circule pas : c est un état qui ne dure pas mais qui peut s observer quand la pluie cesse. Le potentiel décroît de bas en haut du profil, ce qui signifie que l eau circule du point A vers la surface du sol : c est l ET qui fait remonter l eau de façon ascendante dans le profil. Le potentiel décroît du haut vers le bas du profil, car la pluie continue à tomber et l eau continue à circuler de façon descendante dans le profil. Le tableau de la figure 23 indique que les sols de texture limoneuse (L) ont une RFU de 1 mm par cm de profondeur d enracinement, ce qui signifie qu en culture annuelle où la grande majorité de l enracinement sera dans les 30 premiers centimètres, on peut considérer que la RFU est égale à 30 mm. 47