SISOL : Un modèle d'évolution de l état structural des couches de sol cultivées

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1 33 SISOL : U modèle d'évoluto de l état structural des couches de sol cultvées J. Roger-Estrade (1), G. Rchard (), H. Bozard (3), P. Défossez (), H. Macho (4) et J. Caell (5) (1) INA P-G, UMR d'agroome INRA-INA P-G, BP 01, F Thverval-Grgo () INRA, Uté d Agroome de Lao-Rems-Mos, rue F. Chrst, F-0007 Lao Cedex (3) INRA, Uté d Agroome de Lao-Rems-Mos, F-8000 Estrées-Mos (4) CIRAD, av. Agropols, F Motpeller cedex 05 (5) ENESAD, Départemet Agroome-Evroemet, 6 boulevard Docteur Pettjea, BP 87999, 1079 Djo cedex. RÉSUMÉ La mse au pot de règles d ade à la décso e matère de traval du sol ou l évaluato de l effet des systèmes de culture sur l évoluto de la composate physque de la fertlté des sols requèret des modèles permettat d évaluer l effet des outls, de la crculato des egs et des agets aturels sur la structure du sol. L objet de cet artcle est la présetato d u tel modèle qu permet de smuler sur u pas de temps qu est celu de l opérato culturale, l évoluto d u dcateur de l effet des systèmes de culture sur la structure du sol : la proporto de volume de sol fortemet compacté (d état tere ) das la couche labourée. Ce modèle, baptsé SISOL, repose sur des hypothèses d évoluto de la proporto de zoes tassées das les couches de sol travallées sous l effet combé du retouremet par la charrue, du tassemet par les roues des egs et de la fragmetato par les outls de reprse du labour et le clmat. So évaluato sur u essa de logue durée a motré que s les courbes d évoluto de la teeur e étaet correctemet prédtes (sur ue pérode de smulato de sept as), le modèle pouvat être améloré e preat meux e compte la dsparto des zoes sous l effet du clmat et de la faue du sol. Même s so exteso à d autres types de sol que les lmos argleux du Bass Parse est souhatable, ce modèle peut, e l état, être utlsé pour comparer l effet sur l évoluto de la structure du sol de dfférets chox techques (dates d tervetos, types d équpemet, modaltés de traval du sol, successos de cultures ). Mots clés Structure du sol, traval du sol, labour, compactage, système de culture, modélsato. SUMMARY SISOL : a model to smulate the chages wth tme tlled sol structure The optmsato of tllage practces requres the evaluato of the log term effects of croppg o chages sol structure. We preset ths paper a model that smulates chages sol structure the tlled horzos of cultvated felds. The dcator of sol structure that we have modelled s based o a morphologcal descrpto of the structure whch allows a quattatve evaluato of the percetage of seve- Reçu: ovembre 003; Accepté: févrer 004 Étude et Gesto des Sols, Volume 11, 1, pages 33 à 46

2 34 J. Roger-Estrade, G. Rchard, H. Bozard, P. Défossez, H. Macho et J. Caell rely compacted zoes ad clods the tlled layer of a sol profle. The model takes to accout the spatal varato of the structure duced by traffc ad tllage. Severely compacted zoes are created uder wheel tracks ; they are cut ad trasferred durg ploughg ad dsappear whe fragmeted to fe sol durg secodary tllage or by weatherg. The model was evaluated over seve years a feld tral o a loamy sol three expermetal plots, where the crop sequeces ad feld operatos duced cotrasted chages the percetage of severely compacted zoes ad clods. However, some varatos from oe year to the ext were poorly predcted. The sestvty aalyss dd ot suggest ay modfcato of the parameter values but showed that the performace of the model could be mproved f the fragmetato due to weatherg ad secodary tllage was more precsely descrbed the model. Nevertheless the preset verso of the model ad the correspodg smulato program (SISOL) ca be used to compare the effects of dfferet techcal choces o the chages tlled sol structure. Key-words Sol structure, tllage, ploughg, compacto, croppg system, model RESUMEN SISOL: UN MODELO DE EVOLUCIÓN DEL ESTADO ESTRUCTURAL DE LAS CAPAS CULTIVADAS DEL SUELO La puesta a puto de reglas de ayuda a la decsó e matera de maejo de suelo o la evaluacó del efecto de sstemas de cultvo sobre la evolucó de la compoete físca de la fertldad de suelos requere modelos permtedo estmar el efecto de los uteslos, de la crculacó de la maquara y de los agetes aturales sobre la estructura del suelo. El objeto de este artículo es la presetacó de este modelo permtedo la smulacó de la evolucó de u dcador del efecto de los sstemas de cultvo sobre la estructura del suelo e u lapso de tempo correspodete a la operacó cultural: la proporcó de elemetos de estado tero e la capa labrada. Este modelo, bautzado SISOL, reposa sobre hpótess de evolucó de la proporcó de zoas comprmdas e las capas de suelo trabajadas bajo el efecto combado de la versó por el arado, del apsoameto por las ruedas de la maquara y de la fragmetacó por los uteslos de labraza y el clma. Su evaluacó sobre u esayo de larga duracó ha mostrado que be que las curvas de evolucó de la catdad de estaba correctamete descrtas (e u perodo de smulacó de 7 años), el modelo podría ser mejorado cosderado mejor la desaparcó de zoas bajo el efecto del clma y de la faua del suelo. La extesó de este modelo a otros suelos dferetes de los lmos arcllosos de la Cueca Parsa es deseable, pero, este modelo puede actualmete ser utlzado para comparar el efecto de la evolucó de la estructura del suelo de dferetes alteratvas téccas (fechas de las tervecoes, tpo de materal, modaldades de maejo del suelo, sucesoes de cultvos ). Palabras clave Estructura del suelo, maejo del suelo, labraza, compactacó, sstema de cultvo, modelzacó.

3 Modélsato de l évoluto de la structure du sol 35 L évaluato des effets à moye et log termes des systèmes de culture sur la structure du sol est ue composate essetelle de la mse au pot de systèmes de culture durables. L élaborato de référeces sur l effet des pratques culturales sur les états du sol a logtemps reposé sur des méthodes d ajustemet emprque, écesstat de ombreuses expérmetatos ou observatos e stuatos agrcoles (Macho, 198). Cette maère d agr apparaît mateat mal adaptée au cotexte actuel des recherches agroomques : d ue part le rythme d apparto des ovatos techologques s est fortemet accru et la écessté de modfer les pratques culturales se fat plus urgete (Meyard, 1998); d autre part ce type d études e permet que raremet d évaluer sot les effets à log terme des systèmes de culture sur l état du sol, sot les répercussos des états créés sur le foctoemet des cultures ou l evroemet. La modélsato est deveue dspesable pour attedre l esemble de ces objectfs. La structure des couches de sol cultvées évolue e permaece sous l'effet du clmat, du peuplemet végétal et des actos de l'agrculteur, qu agt sur cette parte du sol drectemet par ses techques culturales ou la crculato des egs agrcoles et drectemet par le chox des successos de cultures qu déterme le caledrer d occupato de la parcelle. Cette caractérstque du sol présete, le plus souvet, ue forte varablté spatale. Cette varablté tet e parte au fat que les cotrates mécaques qu s applquet sur le sol affectet pas, e gééral, la totalté de la couche de sol travallée. (le compactage s exerce as au drot du passage des roues des egs agrcoles, les outls de traval du sol 'opèret pas tous à la même profodeur, l effet du clmat sur le sol est maxmal au vosage de l terface etre celu-c et l atmosphère, etc ). Il e résulte ue varablté mportate de la structure au se des couches de sol travallées et, partat, ue forte varablté spatale des codtos locales de foctoemet (fltrato de l eau, actvté bologque, aérato ) qu'l est mportat d'appréheder pour predre e compte les effets de ce foctoemet sur l'evroemet. S l exste das la lttérature beaucoup de modèles qu prévoet les modfcatos de la structure sous l effet de l u ou l autre de ces dfférets processus, aucu e porte sur la prévso à moye ou log terme de l évoluto de la structure du sol sous l effet combé de ces processus, e teat compte de la varablté spatale de la structure à l échelle du profl cultural. Das les essas au champ de logue durée, les recherches portet essetellemet sur l évoluto de la costtuto du matérau (teeur e matère orgaque par exemple - Kay et al., 1988), dot o suppose que le rôle est détermat sur le comportemet mécaque du sol. D autre part, les travaux preat e compte les effets du traval du sol et des cotrates mécaques applquées à la parcelle ot été meés sur des durées qu dépasset raremet l aée de culture et ot surtout prvlégé l étude du compactage (Gupta et Raper, 1994). Il apparaît très dffcle d utlser les modèles qu e sot ssus e les echaîat das u modèle global d évoluto où alteret fragmetato, compactage et déplacemet du sol, les varables d état de ces modèles méca- stes sot de atures très dfféretes (Gupta et Larso, 198). L objectf de ce paper est de préseter u modèle d évoluto de l état structural du profl cultural développé par les utés d agroome de Grgo et de Lao-Rems-Mos qu pred e charge la varablté spatale de la structure à l échelle de la parcelle cultvée et qu tègre l effet des dfférets processus d évoluto. Ce traval a débouché sur la cocepto d u programme, baptsé SISOL (SImulato de l évoluto de la Structure des Sols Labourés), qu permet de smuler l évoluto à moye et log terme d u dcateur de l effet des systèmes de culture sur la structure des horzos travallés: leur teeur e élémets structuraux dot la porosté structurale est ulle (état tere, Macho, 198). Das ue premère parte, ous préseteros les hypothèses à partr desquelles ous avos costrut ce modèle et décrros le prcpe de so foctoemet. Das ue secode parte, ous préseteros les résultats de so évaluato sur 3 parcelles de l essa de logue durée meé sur le domae expérmetal de l uté d agroome de Lao Rems Mos, das u sol lmoeux de Pcarde. PRÉSENTATION DU MODÈLE L dcateur de l effet des systèmes de culture sur la structure Les travaux sur l étude de l évoluto de la structure du sol meés par os équpes reposet sur la méthode de caractérsato de la structure proposée par Macho (198). So utlsato e Frace depus ue vgtae d aées a perms, grâce à u recuel systématsé et objectf d formatos sur la structure du sol et ses détermats acquses lors d equêtes agroomques, de comparer de très ombreuses observatos recuelles sur ue large gamme de systèmes de culture et de types de sol. Ces formatos ot progressvemet, et de maère collectve, cotrbué à l élaborato d u corps d hypothèses sur l évoluto de l état structural du profl cultural sous l effet des systèmes de culture sur lequel repose le traval de modélsato qu fat l objet de cet artcle. Elles ot égalemet codut à proposer u dcateur de ces effets sur la structure qu permet d e quatfer l évoluto: la teeur e des horzos travallés (Macho et Roger-Estrade, 1990). Le chox d u dcateur basé sur l état tere, de préférece aux autres types d état tere (ou à la mesure de la proporto relatve des dfférets types d état et de la terre fe), repose essetellemet sur deux hypothèses: 1. La présece de das la couche travallée peut être assocée sas ambguïté aux tassemets sévères d orge athropque etraîat la dsparto quas totale de l espace poral structural. L orge des autres types d état ou de la terre fe e peut e effet être attrbuée à u seul mécasme d évoluto de la structure. Cette hypothèse, écessare pour que l dcateur pusse être cosdéré comme révélateur des effets de compactage lés au système de culture ou à so mode de codute, paraît rasoable

4 36 J. Roger-Estrade, G. Rchard, H. Bozard, P. Défossez, H. Macho et J. Caell das la gamme des textures recotrées le plus souvet das les sols cultvés des régos tempérées.. L état présete ue certae stablté temporelle, du mos das la parte de l horzo travallé stuée sous l horzo de reprse. Cette hypothèse est détermate vs-à-vs de la capacté de l dcateur à jouer u rôle de révélateur des effets cumulatfs du système de culture sur la structure du sol (de jouer u rôle de «mémore» des effets de tassemet). Elle est étayée par pluseurs observatos au champ ayat motré la persstace du sur des pérodes de l ordre de quelques aées (Macho et Sebllotte, 1975 ; Macho, 198). Elle est égalemet cofortée par les résultats de Coulomb et al. (1993) qu motret que le labour etraîe pas de varato mportate de la proporto de au se de l horzo de sol comprs etre le lt de semece et le fod de labour et que cette opérato, s elle dmue le calbre des élémets, exerce pas ue acto de fragmetato suffsammet tese pour les fare dsparaître (e les trasformat e terre fe). Hypothèses sur les mécasmes d évoluto de la teeur e La teeur e évolue, das l horzo travallé, sous l effet de tros processus: créato, trasfert et dsparto. Cet dcateur permet doc de quatfer le solde du bla des actos de compactage (qu créet du ) et de fragmetato (qu dmuet la proporto de e trasformat les mottes e terre fe) qu s exercet sur la couche travallée. Lorsque le traval du sol compred u labour, cette opérato fluece égalemet fortemet l évoluto de l dcateur. La charrue mélage des volumes d états structuraux dfférets et dmue le calbre des volumes de sol tassés créés par les passages de roues. De plus, cette opérato, e retourat le sol, remote près de la surface des élémets d état tere, les soumettat à l acto de fragmetato des agets clmatques et des outls de reprse. Das le modèle, les hypothèses fates sur ces tros processus sot les suvates: 1. La créato de mottes d état tere est athropque : elle est due aux tassemets par les roues des egs agrcoles. Pour u type de sol doé, la quatté de créée est plus ou mos mportate suvat les codtos d'humdté et les caractérstques de la cotrate mécaque applquée.. C est la fragmetato pus le basculemet latéral par la charrue des volumes tassés qu etraîet l apparto de mottes das les partes du profl stuées hors des passages de roue postéreurs au labour. Ce trasfert de etre compartmets du profl s effectue alteratvemet, d u labour à l autre, vers la drote et vers la gauche. 3. Lors des reprses, la ature des outls utlsés etraîe ue fragmetato tese au se de l'horzo H1. Das cet horzo, les mottes dsparasset, état trasformées e terre fe par les outls de reprse du labour. Cette acto de fragmetato est reforcée par celle des agets clmatques, maxmale das cet hor- zo au cotact de l atmosphère, y comprs das des stuatos où la teeur e argle est de l ordre de 0 %. Structure du modèle Das le programme SISOL, la face d observato du profl cultural est représetée comme u esemble de quadrats réparts sur ue grlle de malle carrée 1 cm x 1 cm (fgure 1). Chacu est déf par ses coordoées et u état tere pouvat avor deux modaltés: et o-. Lors de chaque opérato culturale, ue parte des quadrats est modfée (tableau 1): modfcato de la posto, sas chagemet d état (lors du labour) ou modfcato de l état sas chagemet de posto (forcé à das les zoes tassées, sous les passages de roues; forcé à o- das l horzo de surface, fortemet fragmeté par les outls de reprse et le clmat). Le prcpal térêt d ue telle structure de modèle est qu elle offre la possblté de fare varer la proporto des quadrats qu sot, sous les passages de roues, forcés à l état. Pour prévor cette proporto, ous avos utlsé des relatos, étables sur le type de sol du domae expérmetal d Estrées-Mos, lat les caractérstques de la cotrate applquée (charge sur esseu et largeur d appu au sol) et l humdté du sol à l mportace du volume de créé sous les roues. Les modèles de compactage dot o dspose à l heure actuelle e se prêtaet pas drectemet à cet objectf (Défossez et al., 004). C est pourquo ous avos chos ue atttude plus pragmatque e établssat ces relatos à partr d observatos réalsées das le cadre du dspostf expérmetal d Estrées-Mos. Celu-c se prêtat partculèremet be à ue telle approche: les codtos d humdté lors des opératos culturales couvret ue gamme étedue (du pot de flétrssemet permaet jusqu à la capacté au champ) et les matérels employés représetet la quas totalté des codtos de compactage (charge sur esseu, largeur d appu au sol) que l o peut recotrer e stuato de grade culture (Rchard et al., 1999). Après avor sélectoé des stuatos pour lesquelles la teeur e état presque ulle avat le passage de la roue, l humdté au momet du passage a été mesurée, as que la talle de la zoe créée lors du roulemet, e utlsat ue méthode basée sur l aalyse d mages (cf. fra). Les relatos ot été étables à partr de la talle relatve de la zoe, calculée e fasat le rapport etre la surface de la zoe et ue surface de référece détermée par le produt de la largeur maxmale du peumatque et la profodeur de traval. Les tassemets affectat la parte du sol stuée sous le fod de labour ot pas été prs e compte. Les opératos aalysées ot été classées e 3 groupes, e focto de l testé de la cotrate mécaque applquée au sol (Roger-Estrade et al., 000). Les cotrates les plus fables étaet applquées par u premer groupe d opératos compreat le déchaumage et la préparato du lt de semeces. Les cotrates les plus fortes étaet dues aux passages de egs utlsés pour la récolte (mossoeuses, remorques, arracheuse de betteraves), du fat prcpalemet de la très forte charge sur esseu. Ef, les opératos de sems des cultures de prtemps etraîaet u veau de cotrate termédare, e raso

5 Modélsato de l évoluto de la structure du sol 37 de l utlsato de peumatques étrots. Les résultats sot présetés à la fgure. O costate que la créato des zoes débute à partr d u seul d humdté varable suvat le type d opérato. Le volume créé croît esute avec l humdté. Pour établr les relatos paramétrées das SISOL, ous avos cosdéré que la secto de la zoe créée sous la roue état rectagulare. Cette secto est le produt de la largeur par la profodeur de la zoe créée sous la roue, toutes deux crossat léaremet avec l humdté moyee de la couche labourée. La largeur croît avec l humdté lorsque celle-c dépasse u certa seul, appelé W 0, caractérstque du groupe d opératos cosdéré; elle est maxmale (égale à la largeur du peumatque) pour u seul d humdté appelé W fl qu déped lu auss du groupe d opératos cosdéré. La profodeur croît égalemet à partr de W 0 et attet sa valeur maxmale (égale à la profodeur de labour) pour u seul d humdté appelé W fd, qu déped égalemet du groupe d opératos cosdéré. Les courbes obteues e multplat les deux relatos léares ot été portées sur le graphe de la fgure b. O costate qu elles ajustet relatvemet be les pots expérmetaux. Les équatos utlsées das la procédure de calcul du déplacemet des quadrats lors du labour sot ssues d ue aalyse du modèle de retouremet du sol par la charrue publé par Roger- Estrade et al. (000), dot le prcpe est préseté à la fgure 3. Le mouvemet latéral de la bade de terre découpée par la charrue compred deux rotatos successves das u pla perpedculare au ses d avacemet de l outl. Ce mouvemet cesse lorsque la bade de terre repose sur la derère bade découpée au passage précédet. L agle d claso de la bade de terre est alors tel que so sus est égal au rapport profodeur sur largeur de labour. Pour modélser la fragmetato de la bade de terre lors de ce mouvemet, ous l avos dvsé e rectagles plus petts glssat le log d u axe parallèle à l claso de la bade jusqu au fod de labour. Fgure 1 - Das le modèle SISOL, la face d observato du profl cultural est représetée, comme u esemble de quadrats régulèremet réparts sur ue malle carrée de 1 cm x 1 cm. Chaque quadrat est déf par ses coordoées et ue structure : (e or sur le schéma) ou o- (e blac). Roue L : passage effectué lors de la préparato du lt de semeces ; roue L1 : passage effectué au sems. Fgure 1 - The observato face of a sol pt s represeted the SISOL model as a set of pxels. Each of them s defed by ts co-ordates ad a structure ( black) or o- ( whte). Roue L : wheel track correspodg to a secodary tullage operato ; roue L1 : wheel track at sowg. Roue (L) Roue (L1) Lt de semeces Fod de labour Tableau 1 - Règles pour le chagemet d'état des quadrats à chaque opérato culturale. Table 1 - Chages the quadrat structure after each cultvato opérato asthey are smulated by SISOL. Etat Etat après avat opérato ue opérato de préparato ue opérato etraîat u labour du lt de semeces u tassemet o o o o

6 38 J. Roger-Estrade, G. Rchard, H. Bozard, P. Défossez, H. Macho et J. Caell Fgure - Prcpe de l évaluato de la talle relatve de la zoe tassée sous la roue (a) et varato de cette talle relatve e focto de la teeur e eau moyee de la couche labourée (b). Les trats ples correspodet aux ajustemets réalsés pour établr la relato etre la talle relatve de la zoe et l humdté moyee de la couche labourée pour chaque groupe d opératos. Types d'opératos : groupe 1 = déchaumage et préparato du lt de semeces ; groupe = broyage des palles et sems des cultures de prtemps ; groupe 3 = récoltes. Fgure - Prcple for the evaluato of the relatve sze of the compacted zoe uder the wheel track (a) ad varato of ths relatve sze as a fucto of the mea water cotet of the tlled horzos (b).pla les o the graph correspod to the relatoshps betwee the relatve sze of the zoe ad the mea water cotet of the tlled horzo, ftted to the expermetal data show o the graph. Cultvato operato were dvded three groups : group 1 = stubble breakg ad secodary tllage ; group = choppg ad sowg of sprg crops ; group 3 = harvestg. A B

7 Modélsato de l évoluto de la structure du sol 39 Fgure 3 - Schéma du prcpe du modèle de retouremet de la bade de terre découpée par la charrue. La bade découpée est représetée e secto das u pla perpedculare au ses d avacemet de la charrue. Le mouvemet compred deux rotatos successves (a), pus ue traslato (b) qu smule l'effodremet de la terre e fod de rae, après retouremet (exemple avec deux plas de csallemet découpat la bade). A', B', C', D' : posto des pots A, B, C et après retouremet ; P = Profodeur de labour, L = Largeur de labour. Fgure 3 - Sol movemet durg ploughg explaed as a successo of a rotato of the whole furrow (a) followed by a breakup to sldes ad ther traslato (b). Example wth three sldes. A', B', C', D' : locato of dots A, B, C et after rotato of the furrow ; P = ploughg depth ; L = ploughg wdth. A B Le ombre de plas élémetares dvsat la bade de terre a été chos suffsammet grad pour que la couche labourée retrouve après labour so épasseur tale (à partr d u ombre de l ordre d ue dzae de plas de csallemet, la dmeso des crêtes au sommet du profl et celle des vdes près du fod de labour devet églgeable). Cec état dspesable pour pourvor echaîer la smulato des effets sur le sol des opératos successves de l téra- re techque. Cela revet à predre e compte das la modélsato du labour lu-même, le phéomèe de dmuto de volume de la bade de terre cosécutf au fosoemet occasoé par le labour qu, das la réalté, s effectue durat les mos qu suvet cette opérato. Ce découpage de la bade de labour e modfe pas la proporto de quadrats d état tere. E revache, ce chox de modélsato péalse l utlsato du modèle pour smuler d autres

8 40 J. Roger-Estrade, G. Rchard, H. Bozard, P. Défossez, H. Macho et J. Caell Évaluato du modèle Ue premère évaluato a porté sur le sous-modèle de compactage. Les relatos présetées à la fgure ot été évaluées d abord séparémet pour chaque groupe d opératos pus globalemet sur l esemble des observatos expérmetales. Pour l évaluato globale du modèle SISOL, ous dsposos, sur chacue des parcelles, de 7 valeurs observées (ue valeur par a, calculée sur le profl cultural observé au sems de chaque culture de la succescaractérstques de la structure que la teeur e (par exemple la talle des élémets structuraux ). Pour smuler la dsparto du, ous avos cosdéré qu elle état maxmale das l horzo de surface, dot l épasseur est égale à la profodeur de traval des outls de reprse: tous les quadrats sot forcés à l état tere o- das cet horzo, lors des opératos de reprse du labour, quelles que soet les codtos d humdté. Là ecore, cette atttude revet à attrbuer à l opérato de reprse elle-même ue acto de fragmetato qu est due o seulemet à celle, brutale, des outls de reprse, mas égalemet à l acto, plus progressve, du clmat (alteraces humectato-dessccato, geldégel). L orgagramme du modèle SISOL est préseté à la fgure 4. La localsato tale des zoes d état tere est lue par le programme comme u tableau de quadrats dot la talle déped de celle du profl modélsé. Chaque pas du modèle correspod à ue opérato culturale. A chaque étape les caractérstques de l équpemet utlsé (charge sur esseu, largeur de traval et des peumatques, profodeur de traval ) sot lues das u fcher as que les codtos d humdté lors du passage. Lors des opératos de reprses du labour, les quadrats stués das l horzo de surface correspodat à la profodeur de traval sot forcés à l état o-. A chaque étape, la teeur e est évaluée par la proporto de quadrats dot l état tere est. Ef, le programme fourt ue carte de la répartto des pots d'état tere dot quatre exemples sot présetés à la fgure 5. MATÉRIEL ET MÉTHODES Estmato de la teeur e das l essa de Mos. Le modèle a été évalué e comparat ses sortes aux mesures de teeur e de la couche labourée effectuées sur 3 parcelles de l essa de logue durée de Mos, stué sur u sol de lmo profod et qu compare 3 systèmes de culture dot o atted des effets très cotrastés sur l évoluto de l état structural. Cet essa et les caractérstques du sol sur lequel l est mplaté sot décrts e détal das l artcle Bozard et al. (004). Tros parcelles ot été reteues, ue par système de culture, qu apparteaet pas au jeu des parcelles ayat serv à mettre au pot le module de compactage de SISOL. Das ces parcelles, déommées PI, PII et PIII e focto du uméro du système de culture auquel elles apparteaet, la teeur e a été évaluée tous les as quelques jours après le sems de chaque culture de la successo. Pour ce fare, o a creusé das chaque parcelle ue fosse d observato (3 m de largeur et 0,6 m de profodeur), perpedculare au ses de traval et de crculato des egs, localsée das la parcelle de maère à évter les passages de roues effectuées lors des opératos de tratemet et de fertlsato (ces passages sot stués tous les 4 m). Sur la face d ob- des egs, localsée das la parcelle de maère à évter les passages de roues effectuées lors des opératos de tratemet et de fertlsato (ces passages sot stués tous les 4 m). Sur la face d observato, préparée de maère à être auss plae que possble, les zoes ot été délmtées au couteau pour faclter leur repérage sur les photographes. La face a esute été photographée tous les 6,5 cm e utlsat u apparel mu d u objectf à fable dstorso (Nkko 50 mm), stué à evro 1,3 m de la face d observato. Cec a perms l terprétato stéréoscopque des mages à partr de laquelle o a dessé mauellemet des cartes des zoes. L utlsato d u logcel d aalyse d mage (VISILOG ) a perms de calculer, sur ces cartes, le rapport de la surface cumulée des zoes à la surface totale de la parte de l horzo labouré stuée etre le lt de semece et le fod de labour. Af d estmer la précso de cette estmato, 9 profls ot été réalsés das ue même parcelle e La précso de la mesure a été assmlée au coeffcet de varato des 9 mesures de teeur e ( %). E 1990, date de mse e place de l essa, la teeur e état, das chacue des tros parcelles, égale à 18,5 %. Durat toute la pérode d étude, les postos par rapport au bord de la parcelle de tous les passages de roues ot été systématquemet mesurées et eregstrées das u fcher paramètre. La précso de ce postoemet est de l ordre de 10 cm. De même o a mesuré et eregstré, à chaque terveto, la teeur e eau massque moyee de la couche labourée (4 profls hydrques par parcelle, établs par pas de 5 cm de 0 à 30 cm de profodeur). Smulatos Les smulatos ot été effectuées sur ue pérode de 7 as, de 1990 à Durat ce laps de temps, 34, 31 et 3 opératos culturales ot été pratquées respectvemet sur les parcelles PI, PII et PIII. Les caractérstques des équpemets utlsés fguret das Bozard et al. (004). Les profls ayat serv à évaluer la teeur e sur le terra état postoés e dehors des passages de roues lors des opératos de tratemet, ces opératos ot pas été prses e compte das les smulatos. Celles-c ot commecé avec le sems des premères cultures de l essa e 1990 (pos e PI, betterave sucrère e PII et maïs e PIII) et se sot termées e 1997, les tros parcelle état alors e blé. La carte de structure tale a été dédute de l observato fate e Les postos par rapport au bord de la parcelle des passages successfs de charrue ayat pas été localsées sur l essa, elles ot été trées au sort à chaque labour.

9 Modélsato de l évoluto de la structure du sol 41 Fgure 4 - Orgagramme du programme SISOL. Fgure 4 - SISOL flow chart. Lecture du profl tal := 0 := +1 Lecture des caractérstques de l'opérato Tassemet NON Traval du sol? OUI Labour? OUI Evaluato de la teeur e NON Dess d'ue carte structurale du profl après l'opérato Fragmetato Déplacemet et découpe des bades de labour NON Derère opérato? OUI FIN

10 4 J. Roger-Estrade, G. Rchard, H. Bozard, P. Défossez, H. Macho et J. Caell Fgure 5 - Exemples de cartes structurales produtes par le modèle : évoluto de la proporto et de la localsato des quadrats après 4 opératos culturales : (a) Sems de betterave. Tassemet modéré par les roues du tracteur trat le semor ; (b) Récolte de la betterave. Tassemets mportats par les roues de l arracheuse et les remorques ; (c) Labour. Fragmetato et déplacemet des volumes tassés lors de la récolte de la betterave ; (d) : préparato du lt de semeces pour le blé. Pas de tassemet, créato d u ouveau lt de semeces. Les quadrats sot e or (ue carte compred quadrats). Fgure 5 - Examples of structural maps draw by the programm : smulated chages of the percetage ad locato of the pxels the tlled horzo, after four cultvato operatos : (a) sugar beet sowg. Moderate compacto durg sowg ; (b) sugar beet harvest. Heavy compacto by the harvester ad the tralers ; (c) ploughg. Fragmetato ad dsplacemet of the compacted sol volumes (d) secodary tllage before wheat sowg. No compacto ad creato of a ew seed bed. pxels are black (oe map comprses pxels). RMSE 1 = 1 O- P so), sot 1 observatos au total. Les crtères statstques utlsés pour évaluer les performaces du modèle sot (Smth et al., 1996): Das ces équatos, est le ombre d'observatos, O repésete - l erreur quadratque moyee : (1) RMSE 1 = 1 O- P - l effcece de modélsato : () MEF 1 - = 1 = 1 O- P O - O O- P r = 1 - O O O- O 1 P - P P - P 1

11 MEF 1 - = 1 - O O = 1 Modélsato de l évoluto de la structure du sol 43 - le coeffcet de corrélato : (3) r P - P mètres, ous avos étudé l effet d ue varato des valeurs des seuls d humdtés au compactage (W 0 et W fd ) et de la profodeur de reprse, sur l effcece de modélsato (MEF). RÉSULTATS ET DISCUSSION = 1 O - O = 1 O- O Les valeurs des crtères statstques reteus pour évaluer le sous-modèle de compactage as que les performaces globales du modèle SISOL, sot présetées au tableau. La performace plus fable du sous-modèle de compactage pour les pots du premer groupe d opératos (déchaumage et préparato du lt de semeces) s explque par la plus forte varablté des valeurs fables (< 0 %) de la proporto de créée sous les roues. Sur l esemble des tros parcelles, les valeurs de la RMSE, de la MEF et du coeffcet de corrélato (r) sot satsfasates. Cocerat la prévso de la teeur e, la RMSE (10 % evro) est légèremet supéreure à l écart-type des valeurs mesurées (6 %); les valeurs de r et de l effcece de modélsato traduset à la fos ue coïcdece et ue assocato correcte des valeurs smulées aux valeurs observées (Smth et al., 1996). La tedace d évoluto de la teeur e a été correctemet smulée par le programme, das les tros parcelles reteues pour so évaluato (fgure 6). Ce pourcetage est resté, das la parcelle PI, féreur à celu mesuré das les deux autres parcelles tout au log de 1 = 1 P - P 1 la pérode de smulato. Das les parcelles PII et PIII, après ue pérode de stablté pedat les premères aées de l expérmetato, lées à des codtos sèches lors des tervetos culturales, le pourcetage augmete avat de dmuer à ouveau pour attedre ue valeur mmale légèremet supéreure à la valeur tale. Das la parcelle PIII, la teeur e augmete à ouveau la derère aée de la smulato. Ces caractérstques de l évoluto de l dcateur, très dfféretes etre parcelles, ot été reprodutes par le programme. Ce derer a toutefos sous-estmé les valeurs maxmales attetes das les parcelles PII et PIII, et mmsé la chute des teeurs e durat les deux derères aées de la smulato. Les résultats de l aalyse de sesblté aux valeurs des prcpaux paramètres du modèle sot présetés à la fgure 7. Nous avos testé l effet sur l effcece de modélsato d ue varato des paramètres du sous-modèle de compactage (seuls d humdté W o et W fd ) et du paramètre fxat la profodeur de traval lors des opératos de reprse du labour (r). Ue augmetato des seuls d humdté au compactage se tradut par ue dmuto de la quatté de créé par le tassemet; l augmetato de la profodeur de reprse se tradut par u taux de dsparto du plus élevé. Ces résultats suggèret qu ue augmetato de la valeur de ces dfférets paramètres amélorerat les performaces globales du modèle. Cepedat, ue aalyse plus fe motre qu ue modfcato des seuls d humdté das le sous-modèle de compactage dmue ses performaces propres; par alleurs, la valeur de r a été mesurée avec so à chaque opérato de reprse, et l apparaît pas justfé de la dmuer pour meux ajuster les valeurs smulées aux observatos. Ces remarques suggèret plutôt que c est par costructo que le modèle a tedace à sous-estmer la dmuto de la teeur e mottes : la dsparto du, lée aux processus mécaques de fragmetato (par les outls) et de fssurato (par le clmat et la faue) Tableau - Evaluato du sous-modèle de compactage et du modèle SISOL : valeur de l erreur quadratque moyee (RMSE), du coeffcet de corrélato (r) et de l effcece de modélsato (MEF). Table - Evaluato of the compacto sub-model ad the SISOL model. RMSE (%) r MEF Sous-modèle de compactage a Groupe d opérato N 1 ( = ) 14 0,77 0,36 Groupe d opérato N ( = 18) 1 0,97 0,80 Groupe d opérato N 3 ( = 5) 11 0,94 0,83 Toutes opératos ( = 65) 1 0,90 0,76 Modèle SISOL b Parcelle PI ( = 7) 9 0,96 0,85 Parcelle PII ( = 7) 11 0,75 0,57 Parcelle PIII ( = 7) 6 0,7 0,50 Esemble des parcelles ( = 1) 9 0,88 0,74

12 44 J. Roger-Estrade, G. Rchard, H. Bozard, P. Défossez, H. Macho et J. Caell Colza/Blé/Pos/Blé Fgure 6 - Test du modèle sur les parcelles du domae expérmetal d'estrées-mos : comparaso des évolutos de la teeur e (symboles de pette talle) avec les valeurs mesurées après le sems de chaque culture de la successo (symboles de grade talle). Fgure 6 - Evaluato of the model usg expermetal results from the Estrées- Mos feld tral : comparso betwee the tme chages the percetage of areas smulated by the model (small symbols) ad measured values (bg symbols). Teeur e D (%) de l'horzo H Maïs/Blé/BS/Blé Travaux e codtos sèches Maïs/Blé/BS/Blé Travaux e codtos humdes Numéro d'ordre de l'opérato

13 Modélsato de l évoluto de la structure du sol 45 Fgure 7 - Effet de la varato de la valeur des tros paramètres du modèle sur l effcece de modélsato. = W 0 ; = W fl ; = r (profodeur de reprse). Fgure 7 - Effect of the varato of three parameters of the model upo the modellg effcecy. =W 0 ; = W fl ; = r (secodary tllage depth). MEF est prse e compte que de maère très smple, e fasat l hypothèse que cette dsparto est totale das l horzo fragmeté par les outls de reprse. S la fragmetato lors de la reprse elle-même e fat pas dsparaître tout le de cet horzo, o peut peser qu e cours de culture, l effet du clmat complète l acto des outls et fat dsparaître tout le stué das l horzo de reprse. Cepedat, cette acto clmatque (évetuellemet reforcée par celle de la faue) affecte probablemet auss ue parte du profl stuée plus profodémet, das la parte supéreure de l horzo labouré o reprs. La profodeur attete vare probablemet avec les codtos clmatques (testé du gel hveral et/ou de la dessccato pedat l été ). CONCLUSION Varato de la valeur du paramètre (%) Utlsat ue descrpto smplfée des processus mécaques mplqués das l évoluto de l état structural du profl cultural, le modèle proposé permet de décrre de maère relatvemet satsfasate l évoluto de la teeur e au se des horzos labourés. Ces premers résultats mettet e évdece l mportace que joue le tassemet, partculèremet lors des opératos de récolte et d mplatato des cultures, sur l évoluto de la structure. Mas ls cofrmet égalemet que la seule modélsato du compactage e sufft pas à redre compte des varatos de l dcateur, comme le lassat présager les résultats obteus e equête ou das les stuatos expérmetales de Grgo. Ce modèle, be qu féodé aux codtos à partr desquelles l a été costrut, peut e l état être utlsé pour étuder l effet à moye et log terme sur la structure d u certa ombre de chagemets techques (suppres- so occasoelle du labour, règle d emplo des outls, largeur et profodeur de traval ). Il représete égalemet u outl prometteur pour l étude de la varablté spatale de la structure du sol. E effet, cette approche présete l avatage sur celles qu sot basées sur les outls de la géostatstque (Goovaerts, 199). de pouvor reler la varablté observée aux actes techques qu e sot, pour parte, resposables. Néamos, pluseurs améloratos peuvet lu être apportées. Deux pstes de traval sot, à l heure actuelle, evsagées. La premère cocere l amélorato de la modélsato des processus mécaques prs e compte. Les efforts de modélsato ot jusqu à préset porté sur les deux processus majeurs d évoluto de la structure, lés à l actvté athropque: le déplacemet et le compactage. L aalyse des performaces du modèle, mas égalemet le souc de pouvor e étedre l utlsato à des stuatos mos athropsées, vtet à progresser das la modélsato des processus de fragmetato et de fssurato sous l effet des agets aturels (clmat, races, faue). Des travaux exstet sur ce thème (Hallare, 1987; Stegel et Bourlet, 1987) qu mértet d être poursuvs e utlsat les ouvelles méthodes désormas accessbles (tomographe, Spae et al., 1994; Hejs et al., 1995) ou e développat des approches théorques ovates (fractales, Reu et Sposto, 1991). La secode porte sur l exteso du domae d applcato à d autres sols que celu sur lequel le modèle a été calé. E effet, et cec est tout partculèremet vra pour le sous-modèle de compactage, les paramètres utlsés correspodet aux caractérstques (texture, teeur e matères orgaques) du sol de la stato expérmetale d Estrées-Mos. Pour evsager l applcato à d autres stuatos, l faut étedre la paramétrsato à d autres types de sol, dot le comportemet mécaque (résstace au tassemet, apttude à la fragmetato) est dfféret. Il apparaît dffcle d evsager la voe de l expérmetato, logue et coûteuse, sas l assocer à la modélsato. Nous evsageos as d adapter à la prévso de la teeur e des modèles exstats (par exemple Krby et al., 1997 ou O Sullva et al., 1999), avat d evsager u reparamétrage pour d autres types de sol. BIBLIOGRAPHIE Bozard H., Rchard G., Défossez P., Roger-Estrade J., Boff J., Etude de l effet à moye et log terme des systèmes de culture sur

14 46 J. Roger-Estrade, G. Rchard, H. Bozard, P. Défossez, H. Macho et J. Caell la structure d u sol lmoeux-argleux du Nord du Bass Parse: les esegemets de l essa de logue durée d Estrée-Mos (80). Etude et Gesto des Sols, V11 1. Coulomb I., Caell J., Macho H., Comportemet du sol au labour II : évoluto de l état structural au cours du labour. Agroome, 13, Défossez P., Rchard G., Bozard H., Roger-Estrade J., Modélsato du compactage sous l effet des passages d egs agrcoles. A paraître das Etude et Gesto des Sols. Goovaerts P., Factoral krgg aalyss: a useful tool for explorg the structure of multvarate spatal sol formato. J. Sol Sc., 43, Gupta S.C., Larso W.E., Modelg sol mechacal behavor durg tllage. I : Predctg tllage effects o sol physcal propertes ad processes, P. Uger, D.M. Va Dore Jr, F.D. Whsler, E.L. Skdmore (Eds). Amerca Socety of Agroomy, Madso, USA, Spec. Publc. 44, pp Gupta S.C., Raper R.L., Predcto of sol compacto uder vehcules. I : Sol compacto ad crop producto, B.D. Soae, C. va Ouwerkerk (Eds). Elsever, Amsterdam, pp Hallare V., Méthodes de mesure du retrat vertcal d u sol argleux. I: Sol Compacto ad Regeerato, G. Moer, M.J. Goss (Eds). Balkema, Rotterdam/Bosto, pp Hejs A., De Lage J., Schoute J.F.T., Bouma J., Computed tomography as a tool for o destructve aalyss of flow patters macroporous clay sols. Geoderma, 64, Kay B.D., Agers D.A., Groeevelt P.H., Baldock P.H., Quatfyg the fluece of croppg hstory o sol structure. Ca. J. Sol Sc., 68, Krby J.M., Blude B.G., Tre C.R., Smulatg sol deformato usg a crtcal state-model : II. Sol compacto beeath tyres ad tracks. Eur. J. Sol. Sc., 48, Macho H., Ifluece des systèmes de culture sur le profl cultural : élaborato d ue méthode de dagostc basée sur l observato morphologque. Thèse INA P-G, Pars. 14 p. Macho H., Sebllotte M., Aalyse et prévso des coséqueces des passages successfs de dfférets outls sur le profl cultural. Bull. Tech. If. 30/303, Macho H., Sebllotte M., Aalyse et prévso des coséqueces des passages successfs de dfférets outls sur le profl cultural. Bull. Tech. If. 30/303, Macho H., Roger-Estrade J., Caractérsato de l'état structural et étude de so évoluto à court et moye terme sous l'acto des systèmes de culture. I : Les systèmes de culture, L. Combe, D. Pcard (Eds). INRA, Pars, pp Meyard J.M., La modélsato du foctoemet de l agrosystème, base de la mse au pot d térares techques et de systèmes de culture. I : La codute du champ cultvé : pots de vue d agroomes. A. Barès (Ed.). ORSTOM, Pars. pp Ney B., Foctoemet hydrque de sols à argle goflate cultvés. I. Aalyse expérmetale des foctoemets hydrques assocés à deux états structuraux e vertsol rrgué. Agroome 7, O Sullva M.F., Heshall J.K., Dckso J.W., A smplfed method for estmatg sol compacto. Sol Tll. Res. 51, Rchard G., Bozard H., Roger-Estrade J., Boff J., Guérf J Feld study of sol compacto due to traffc: pore space ad morphologcal aalyss. Sol, Tllage Res., 51, Reu M., Sposto G., Fractal fragmetato, sol porosty, ad sol water propertes: I. Theory. Sol Sc. Soc. Am. J. 55, Roger-Estrade J., Rchard G., Bozard H., Boff J., Caell J., Macho H., Modellg structural chages tlled topsol over tme as a fucto of croppg systems. Eur. J. Sol Sc., 51, Spae P., Thovert J.F., Jacqu C.J., Ldqust W.B., Joes K.W., Adler P.M., Sychrotro computed mcrotomography of porous meda: topology ad trasport. Phys. Rev. Let. 73, Smth J., Smth P., Addscot T., Quattatve method to evaluate ad compare Sol Orgac Matter (SOM) models. I: Evaluato of Sol Orgac Matter Models, D.S. Powlso, P. Smth, J. Smth (Eds). Sprger-Verlag, Berl. pp Stegel P., Bourlet M., Fssurato d u sol argleux goflat après compactage : effet de l humectato. I : Sol Compacto ad Regeerato, G.Moer, M.J. Goss (Eds). Balkema, Rotterdam/Bosto. pp