Le risque environnemental en culture de laitue sous abri

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1 Christiane Raynal-Lacroix, Ctifl Patrick Bertuzzi, Inra 1 Delphine Cavaille, Ctifl, Ensiacet 2 Nadine Brisson, Inra 3 Dominique Ripoche, Inra 3 Résumé Définir l impact réel des pratiques agricoles sur la qualité des eaux d infiltration alimentant les nappes conduit à mettre en œuvre des moyens fiables de quantification du risque environnemental. Cette étude concerne l incidence des fertilisations azotées et des irrigations sur le lessivage des nitrates. Or, les transferts de nitrates via les flux d eau résultent de phénomènes complexes en systèmes cultivés et la modélisation peut être un moyen efficace d aboutir à un diagnostic sûr au plan environnemental. Le modèle Stics, testé dans sa capacité à simuler les transferts d eau et d azote en culture de laitue sous abri, offre en effet des perspectives intéressantes pour traduire les risques de lessivage des nitrates. Ses possibilités et limites sont approchées à travers l analyse comparative des valeurs simulées par le modèle et des valeurs expérimentales. Les parcelles de laitues sous abri, sites des mesures de drainage et de lessivage des nitrates Environmental risk in protected lettuce crops: diagnostic role of the STICS model? Defi ning the actual impact of cultural practices on the quality of water seeping into the water table calls for the use of reliable means for quantifying environmental risk. This study concerns the impact of nitrogen fertilisation and irrigation on nitrate leaching. Given that nitrate transfer in fl owing water in cultivated systems is a complex phenomenon, modelling can prove an effective means of reaching a reliable environmental diagnosis. The STICS model, used for its capacity to simulate water and nitrogen transfers in protected crops of lettuce, indeed appears to be a promising tool for quantifying the risks of nitrate leaching. Its potential and limits are discussed via a comparative analysis of simulation and experimental values. 1 Inra, Département environnement et agronomie, Site Agroparc, Domaine Saint Paul Avignon cedex 9 2 École nationale supérieure des arts chimiques et technologiques, 118 Route de Narbonne, Toulouse cedex 4 3 Inra, unité CSE (Climat sol et environnement), Site Agroparc, Domaine Saint Paul, Avignon cedex 9 Le risque environnemental en culture de laitue sous abri vis-à-vis de la protection de l environnement s est fortement accru L'intérêt ces dernières années. Pour l opinion publique, les questions de préservation des ressources naturelles, de qualité des eaux sont devenues des sujets sensibles. Par rapport aux problèmes de qualité des eaux précisément (nitrates, résidus de produits agropharmaceutiques), l activité agricole est considérée comme une activité à risques. L évolution du contexte agro-environnemental, l attente de résultats par rapport à l ensemble des mesures prises pour la préservation des milieux naturels et le besoin de développer une image positive de l agriculture soulignent la nécessité de disposer de moyens efficaces pour juger du réel impact des pratiques des agriculteurs. Une contribution à la définition de bonnes pratiques visant à mieux contrôler les fuites de nitrate (irrigation et fertilisation) constitue l enjeu essentiel de ce travail. 36 Infos-Ctifl/Mars 23

2 Infos-Ctifl-n 189 Fondement de la méthode Quantifier le drainage et lessivage des nitrates hors de la zone racinaire revient à analyser les transferts d eau et de nitrates dans les systèmes de culture. Or, ces transferts dépendent des caractéristiques du sol, de la culture en place, du climat et des techniques culturales mises en oeuvre, ce qui laisse entrevoir la complexité des phénomènes en jeu. La variabilité spatiale de certaines mesures sur le témoin, la diversité des modes de conduite et des pratiques agricoles justifient le recours à la modélisation. Une fois validés, les modèles permettent de multiplier les scénarios de cultures et de pratiques. Tout en visualisant l action combinée des facteurs climatiques, culturaux et des conditions de sol sur le fonctionnement de la culture et sur l impact environnemental des pratiques agricoles. Dans son fondement, un modèle de culture est un ensemble de relations mathématiques. Il comporte des variables d entrée (climatiques, par exemple), des paramètres relatifs aux différents processus physiologiques (dont certains dépendent des espèces) et des variables de sortie (production, consommation d azote ). Le modèle générique Stics (Simulateur multi-disciplinaire des Cultures Standards), conçu par l Inra et intégrant l ensemble de ces facteurs, a été retenu pour évaluer le risque environnemental en cultures légumières. L étude a eu pour support une culture de laitues sous abri. La laitue a été choisie en raison de la place qu elle occupe dans les rotations. Les cultures sous abris sont en général des systèmes à niveaux élevés d intrants et constituent donc des milieux propices au diagnostic environnemental. Les travaux ont consisté à tester la capacité du modèle Stics à rendre compte du lessivage des nitrates sous culture en comparant les valeurs simulées par le modèle et les valeurs obtenues expérimentalement (dites observées). Présentation du modèle Stics Stics est un modèle dynamique qui simule, au pas de temps journalier, le comportement du système sol-plante au cours d un cycle cultural, voire de successions culturales. Les grands processus simulés sont la croissance et le développement de la culture ainsi que les bilans hydriques et azotés au niveau du sol. Ainsi, les deux sorties du modèle concernent, d une Figure 1-Courbes de dilution-courbe maximale en trait plein épais-courbe critique en pointillés Apports azotés organiques Pratiques culturales Volatilisation NH 3 Minéralisation Nitrification N organique N ammoniacal N nitrique Organisation Fertilisation azotée minérale Stock d'azote Irrigation Dénitrification N 2 O, N 2 nitrate part, des variables de production : biomasse, rendement, d autre part, des variables environnementales : pertes d eau et de nitrates. La figure 1 rend compte des phénomènes qui, dans le modèle Stics, lient le climat, la plante, le sol, les pratiques culturales pour accéder, in fine, aux quantités de nitrates lessivés quittant le système de culture en direction de la nappe. Le climat Il est décrit par l acquisition des données suivantes : températures minimale et maximale ( C) à 1 m du sol et sous abri, rayonnement global (MJ m -2 jour -1 ), volume d eau apporté (mm) correspondant aux irrigations dans les systèmes sous abris. Les valeurs enregistrées sont traitées pour fournir au modèle des données journalières concernant la température moyenne, le rayonnement global cumulé, les irrigations et, par ailleurs, la valeur calculée de l ETP (mm). La valeur d évapotranspiration potentielle (ETP) donnée au modèle sert aux calculs de l évaporation d eau à la surface du sol puis de la demande en eau de la plante. Caractéristiques du sol Drainage eau + Lessivage nitrates Climat Pluie Température rayonnement Absorption Évapotranspiration Transpiration Évaporation Réserve en eau Le volume d eau apporté entre dans le calcul des stocks d eau du milieu. La croissance de la plante La production de biomasse est pilotée par l interception du rayonnement solaire. Dans le cas de la salade, compte tenu de sa structure en forme de pomme, l indice foliaire, ordinairement retenu pour l interception du rayonnement, est remplacé par le taux de couverture du sol. Le taux de couverture détermine aussi la partition de la demande en eau de la culture (évapotranspiration) entre évaporation directe du sol et transpiration de la culture. Les prélèvements en azote sont modélisés parallèlement à celui de la biomasse. La demande en azote (Figure 2) repose sur la courbe de dilution maximale qui lie la production de biomasse à la teneur en azote selon la relation : y = ax -b. La courbe de dilution critique fixe le seuil en dessous duquel la production de biomasse va être affectée. La croissance du système racinaire est désynchronisée de celle du système aérien. La progression du front racinaire dépend de la température, de l humidité et de la densité 37 Infos-Ctifl/Mars 23

3 Christiane Raynal-Lacroix, Ctifl Patrick Bertuzzi, Inra 1 Delphine Cavaille, Ctifl, Ensiacet 2 Nadine Brisson, Inra 3 Dominique Ripoche, Inra 3 du sol. La modélisation du profil racinaire est une étape importante dont découle l absorption hydrique et azotée. Dans le modèle, la croissance racinaire est dynamique au cours du temps. Le profil racinaire est défini par la profondeur de prospection maximale des racines et la densité racinaire (Figure 3). Le développement de la plante La température de l air détermine le développement de la plante et la croissance racinaire. Le développement de la plante se définit à travers des stades correspondant plutôt à des changements d ordre morphologique pour la laitue. Ainsi, on retient les stades «démarrage de la culture» LEV, «accélération maximale de croissance foliaire» AMF, «taux de recouvrement maximal» LAX (Figure 4) Les durées séparant les stades successifs sont propres à la variété et se déterminent en somme de degrés.jours (STP). Cette chronologie de la culture, définie en temps thermique, va déterminer la dynamique du taux de recouvrement de la culture, utilisé pour l interception du rayonnement solaire. Le Sol Il est décrit comme une succession de plusieurs couches, caractérisées par leur épaisseur, leur masse volumique, leurs humidités à la capacité au champ et au point de flétrissement permanent. Ces caractéristiques dépendent de la texture (granulométrie) du sol. Ces couches sont subdivisées en horizons élémentaires de 1 cm pour les besoins du modèle, opération totalement neutre pour l utilisateur. Les transferts d eau sont simulés en cascade par un formalisme de type réservoir, à savoir : l eau passe d une couche élémentaire à celle immédiatement inférieure dès que la teneur en eau de la première couche a dépassé le seuil de capacité au champ. Lorsqu elle atteint l humidité au point de flétrissement permanent, les racines de la culture ne peuvent plus extraire l eau. Les nitrates, en solution dans l eau du sol sont essentiellement entraînés par convection avec le flux d eau et, donc, leur transfert en profondeur, d une couche de sol à l autre, est soumis à la règle qui s applique à l eau (déversement dans le réservoir sous-jacent au-delà de l humidité à la capacité au champ). Les couches sont en outre définies par leurs caractéristiques physico-chimiques (granulométrie, teneur en azote total, ph ). Les transformations de la matière organique (humus, résidus de culture) sont modélisées sur une épaisseur de sol équivalente à la profondeur d humification (au moins égale à la profondeur de sol travaillé), en utilisant des fonctions traduisant l effet de la température et de l humidité du sol sur les processus biologiques (minéralisation, organisation et dénitrification). L itinéraire technique Les informations suivantes sont fournies au modèle : profondeur du travail de sol (profondeur de labour) densité de plantation, apports d engrais azotés et type d engrais pour détermination d éventuelles pertes par volatilisation, par exemple, irrigations et quantités correspondantes d azote nitrique. Les sorties du modèle À la modélisation des processus, qui régissent la croissance de la plante et l évolution de l azote organique du sol, est associé le calcul journalier (jours juliens) de l offre du sol en eau et en azote (stocks d eau et d azote des différents horizons analysés). Il résulte du fonctionnement de l ensemble du système sol plante atmosphère une connaissance, jour par jour, du drainage éventuel qui traduit une évolution du stock d eau à la baisse entre les jours j et j + 1. Il s agit de la perte en eau par le système, mesurée à l interface sol/sous sol, c est-à-dire à la limite inférieure de la dernière couche de sol (6 cm, dans notre essai). Cette sortie d eau du système s accompagne d un lessivage des nitrates. La connaissance des flux de nitrates, au-delà l horizon 6 cm, permet de définir un risque environnemental de la culture associé à un sol, un climat, un itinéraire technique. L intérêt majeur de l outil tient à la possibilité de simuler divers scénarios possibles. Les conditions expérimentales, le matériel et les méthodes Trois tunnels plastique ; Une placette par tunnel,r1, R2, R3 ; Variété : Locness (obt. Vilmorin) Culture du 12 avril 22 au 3 juin 22 Densité : 11,1 plantes/m 2 Caractéristiques du sol : À titre d exemple, résultats d analyses de la placette R1 5 (Tableaux 1). Figure 2-Courbes de dilution- Figure 3-Profil racinaire-évolution dans le temps Azote (% matière sèche) coube maximale courbe critique Matière sèche (t/ha),1,2,3,4,5 Culture A Culture B Figure 4-Évolution de la culture 1 Taux de recouvrement Évolution dans le temps de la culture B LEV AMF LAX STP ( C jour -1) Apports d ammonitrate (Tableau 2-cf. hortipratic azote pages 15 à 162). Tableau 2-Apports d ammonitrate d après analyses des solutions de sol et besoins des plantes Azote (kg/ha) 3/5/2 14/5/2 Total R R R Acquisition de données r Données climatiques par jour : T ( C) et humidité de l air (à 1 m de la surface du sol, sous abri) T ( C) de sol à 15 cm, -35 cm, -55 cm, pas 38 Infos-Ctifl/Mars 23

4 Infos-Ctifl-n 189 de temps des mesures = 1 h RG station météo Lanxade r Analyse physico-chimique et densité du sol avant mise en culture à -25 cm (H1), cm (H2), et 45-6 cm (H3). r Suivi sol : 1 carottes de terre par placette (Rx)et par horizon (Hx) par semaine teneur en azote nitrique des trois horizons teneur en azote ammoniacal de H1 taux d humidité (par rapport au poids frais) des trois horizons r Suivis plante : 1 laitues par placette et par date de prélèvement par semaine matière fraîche par laitue matière sèche moyenne teneur moyenne en azote total (et teneur moyenne en nitrates à la récolte) surface projetée au sol par la salade (appareil photographique et mesure de l aire) profils racinaires (notation qualitative sur profondeur) et densité des racines Six séries de mesures dans le temps sur trois plantes/placette. Les données expérimentales r Production de biomasse, taux de couverture et prélèvements en azote Les laitues atteignent, à récolte, des poids frais moyens de 55, 545 et 519 g pour les placettes R1, R2, R3, respectivement. La durée du cycle est de 53 jours correspondant à une somme de température de 62 degrés.jours (zéro végétatif = 3,5 C). La figure 5 représente l évolution de la masse fraîche moyenne par plante, produite au cours du cycle cultural. Les résultats diffèrent peu d une placette à l autre et les écarts types sont de l ordre de 15 % à la récolte. Le taux de recouvrement est le rapport entre la surface de la salade projetée au sol et la surface de sol disponible pour chaque plante, soit 9 cm 2 pour une densité de 11,1 plantes/m 2. L aire occupée par la salade est déterminée au moyen du logiciel d image Scion, à partir des clichés de salades réalisés simultanément aux autres mesures. Le taux de recouvrent (TR) est liée à la somme de température (STP) par la formule suivante : TR = TR maximal =,9 STP = somme des degrés.jours. Tableau 1-Résultats d analyses de la placette R1 Horizons H1 = -25 cm H2 = cm H3 = 45-6 cm Argile g/kg Limons fins g/kg Limons grossiers g/kg Sables fins g/kg Sables grossiers g/kg ph eau 7,4 7,3 7,3 Matière organique 1, 9,5 7,5 Azote total %,6,8,5 CEC Metson meq/1 g Capacité de rétention % 11,28 1,98 11,77 Point de flétrissementpermanent % 3,59 3,69 3,4 Tableau 3-Calendrier des mesures et correspondance entre jours du calendrier actuel (JC), jours juliens (JJ), échelle de temps retenue dans Stics et semaines de culture JC 1/4 17/4 23/4 3/4 6/5 15/5 22/5 29/5 4/6 JJ Sem. cult. S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 Coef 1 et 2 = coefficients ajustés sur les données expérimentales et qui dépendent de la variété de la salade. Dans l essai considéré, coef 1 =,17, coef 2 = 5,78 (R 2 =,994). La figure 6 rend compte de la surface occupée par la salade (TR) en fonction des degrés. jours cumulés (STP) au cours de la période de culture et par placette (écarts types moyens proches de 15 %). Cette représentation des données permet de situer les stades clefs du développement de la plante et de préciser le nombre de degrés. jours entre les stades «LEV : démarrage de la culture», «AMF : accélération maximale de la croissance foliaire», «LAX : taux de recouvrement maximal», utile au calage de Stics. La figure 7 montre l évolution des prélèvements en azote parallèlement à la production de matière sèche (valeurs moyennes des trois placettes). Le tableau 4 précise les valeurs de matière sèche (MS) et de prélèvements en azote par placette. révolution des stocks d eau et d azote Le calcul des stocks d eau et d azote est fait à partir des mesures d humidité (en % du poids frais pour les stocks d azote, et en % du poids sec pour les stocks d eau), de la concentration en azote minéral (mg/l) dans la solution du sol déterminée dans les différents horizons chaque semaine, puis de la masse volumique du sol (g/cm 3 ). La comparaison des stocks d eau, définis à deux dates, en tenant compte des irrigations Figure 5-Évolution de la masse de matière fraîche par plante (moyenne des trois placettes) Masse de matière fraîche par plante (g) Avril Mai Juin Jours de prélèvement (mm) et de la demande en eau réelle (ETR en mm) sur l intervalle de temps correspondant, permet d estimer les pertes en eau par le système (drainage) ou les remontées capillaires sur la période considérée. Connaissant la concentration moyenne en nitrates de l eau drainée, il est possible de calculer les fuites de nitrates au-delà de l horizon 6 cm. Préalablement à l analyse des résultats, sont précisées les étapes clefs de la détermination des stocks d eau (STK eau) et d azote minéral (STK azote) puis des flux correspondants. Les bases de calcul STKeau = 1 * θ * z z avec θ = ω.jd STKeau = quantité d eau (mm) sur l horizon z 39 Infos-Ctifl/Mars 23

5 Christiane Raynal-Lacroix, Ctifl Patrick Bertuzzi, Inra 1 Delphine Cavaille, Ctifl, Ensiacet 2 Nadine Brisson, Inra 3 Dominique Ripoche, Inra 3 θ = humidité volumique de la couche de sol z (m 3 /m 3 ) z = épaisseur de la couche de sol (m) ω = humidité pondérale (g eau/g sol sec) jd = masse volumique du sol (g/cm 3 ) Les stocks d eau sont définis par couche de sol (-25 cm, cm, 45-6 cm) puis cumulés sur les trois couches pour obtenir le stock d eau sur l horizon -6 cm. Le bilan hydrique permet d accéder au flux d eau à 6 cm. Il équilibre les entrées d eau (irrigations) et les sorties (évapotranspiration) comme suit : STK eau j = STK eau i FLUXPROF STK eau i, STK eau j = quantités d eau (mm) présentes sur l horizon (-6 cm) les jours i et j, i étant antérieur à j = somme des irrigations sur la période i j (mm) = évapotranspiration réelle cumulée sur la période i j (mm) ETR = Kc * ETP Kc = coefficient cultural ETP = évapotranspiration potentielle (calculée par la formule de Villèle : ETP =,67*Rg/L où Rg = rayonnement global et L = chaleur latente de vaporisation FLUXPROF = flux d eau (mm) De cette équation, on déduit FLUXPROF, connaissant tous les autres termes. Si le flux d eau est négatif, il y a drainage ; dans le cas contraire, on identifie une remontée capillaire. Schématisation du bilan hydrique IRRI STKi STKj drainage remontée capillaire FLUX D'EAU ETR cm 25 cm 45 cm 6 cm lution d extraction (mg/l) avec un coefficient d extraction = 1/2 H = humidité pondérale par rapport au poids frais de l échantillon de terre (%) d = densité apparente du sol sec p = profondeur de l horizon de sol analysé (m) tf = fraction volumique de terre fine. Le flux de nitrates à la profondeur 6 cm résulte du produit entre la quantité d eau drainée à 6 cm et la concentration moyenne en nitrates de l horizon 45-6 cm entre deux dates de mesures. FLUX N = FLUX PROF * CNmoy * 1-2 FLUX N = flux de nitrates (kg NO 3 /ha) FLUX PROF = flux d eau (mm) CN moyenne= concentration moyenne en NO 3 des solutions de sol de l horizon 45-6 cm. Les stocks d eau et d azote reflètent l état du système à une date donnée; les flux d eau et d azote traduisent un drainage ou une remontée capillaire et une éventuelle perte de nitrates entre deux dates, c est-à-dire pour une période minimale d une semaine dans le cadre de cette étude. Humidité pondérale du sol, stocks et flux d eau L humidité pondérale, indépendante de la hauteur de l horizon étudié, à la différence des stocks d eau qui intègrent cette donnée, autorise une comparaison des résultats entre horizons. Le profil des courbes d humidité pondérale (% poids sec) analysé par horizon est similaire entre les trois placettes. La placette R1 est retenue par la suite et sert de base à l interprétation des résultats. La figure 8 rend compte de l évolution temporelle des taux d humidité pondérale de chaque horizon parallèlement à la teneur en eau à la capacité au champ. Tout d abord, la baisse constatée des valeurs d humidité doit être rapprochée du régime des irrigations, particulièrement élevé en début de culture et moins abondant dans la figure 6-Évolution du taux de recouvrement (TR) en fonction de la somme de température (STP) 1,2 1,,8,6,4,2, TR STP ( C,jour -1 ) R1 R2 R3 figure 7-Production de matière sèche et prélèvements en azote en fonction de la somme de température (moyenne des trois placettes) 3, 2,5 2, 1,5 1,,5, Matière sèche en t/ha Quantité d'azote en kgn/ha Somme de température en C/jour Masse de matière sèche produite moyenne en t/ha Quantité d'azote contenue dans les plantes en kg N/ha deuxième moitié du cycle, passée la phase critique d installation du système racinaire dans le sol. À ceci s ajoute l accroissement de la demande en eau (évapotranspiration) réelle avec le développement des plantes. D autre part, on constate que les profils d humidité diffèrent sensiblement entre horizons. Les variations dans le temps sont très marquées sur l horizon 1, intermédiaire sur l horizon 2 et très atténuées sur l horizon 3. L horizon 1, qui se trouve à l interface sol/atmosphère, est donc plus directement soumis aux effets des irrigations et de l évapotranspiration et joue un rôle tampon 29 Nombre de feuilles moyen par plante Les stocks d azote sont établis pour chaque horizon puis sur la hauteur totale -6 cm. STK azote = C* * d * p * 1 * tf STKazote = quantité d azote minéral présent dans l horizon considéré (kg/ha) C = concentration en azote minéral de la so- Tableau 4- Quantités de matière sèche (MS) produite et d azote prélevé Placettes MS (t/ha) Prélèvements en azote (kg/ha) R1 2,7 79 R2 2,8 77 R3 2,62 82 Moyenne 2,72 79 Ecart type % 4, 7 4 Infos-Ctifl/Mars 23

6 Infos-Ctifl-n 189 vis-à-vis des horizons inférieurs, rôle qui se manifeste à travers un gradient décroissant de sensibilité. À noter que le système racinaire atteint la couche cm dans le dernier tiers de la culture avec une prospection au-delà 35 cm dans la dizaine de jours qui précède la récolte. Les stocks d eau mesurés, comparés aux stocks «limites» : maximaux à la capacité au champ et minimaux au point de flétrissement, témoignent d un niveau de réserve hydrique suffisant tout le long du cycle, y compris dans la deuxième phase au cours de laquelle la fréquence des irrigations chute fortement. À titre d exemple, sont présentés les résultats relatifs à l horizon 1 (Figure 9). Une sous évaluation de départ de l humidité à la capacité au champ, peut expliquer certains résultats de stocks d eau supérieurs à cette valeur seuil. L analyse des flux d eau (Figure 1) permet de préciser la période de drainage important (semaines 2 et 3) relativement à une période où les pertes en eau restent très limitées (semaines 5 et 6). Par rapport à la quantité totale d eau sortant du système, 8 à 95 % des drainages selon les placettes, ont lieu sur la première période Ces résultats mettent aussi en évidence les remontées capillaires surtout en fin de cycle cultural. Stocks d azote minéral et flux de nitrates On constate une bonne homogénéité dans l évolution des stocks d azote entre placettes, pour les trois horizons, à l image des résultats obtenus pour l eau. La figure 11 traduit l évolution des stocks d azote minéral sur l horizon -25 cm, les amplitudes observées sur le profil -6 cm étant déterminées surtout par l horizon 1. Comme pour l eau, les autres horizons présentent une relative inertie par rapport aux apports et exportations d azote. Les stocks d azote tendent à croître en début de culture, la relance des irrigations activant les processus de minéralisation, tandis que dans le même temps, les prélèvements en azote par la laitue restent très faibles. Les doses d azote appliquées en phase exponentielle de croissance (5 et 14 mai, soit 123 et 134 jours juliens) se répercutent simultanément au niveau de l évolution des stocks puis, juste après, on constate une diminution des stocks à relier à l intensité des prélèvements en azote : 2 à 25 kg par semaine, les trois dernières semaines de culture, comparés à 5 puis 1 kg les deux semaines précédentes. Les périodes de lessivage des nitrates (figure 12) coïncident sans surprise avec les périodes de drainage, les nitrates migrant avec le flux d eau qui joue le rôle de vecteur. Les fortes irrigations en début de culture provoquent l essentiel des pertes en nitrates (8 %) tandis que l apport d engrais couplé à un régime hydrique proche de l évapotranspiration réelle, présente un faible risque environnemental. Les résultats des simulations Le modèle Stics a été utilisé pour simuler la croissance de la culture sur tout le cycle cultural. Les sorties du modèle sont calculées à un pas de temps journalier, pas de temps le mieux adapté compte tenu de la durée de culture. Les résultats de la modélisation sont analysés par rapport aux valeurs expérimentales avec une évaluation statistique des simulations. Ainsi pour chaque variable on calcule : - l écart moyen (MD) - l écart relatif moyen (RMD) - l écart quadratique moyen (RMSE) - l écart quadratique relatif moyen (RRMSE) - l efficience du modèle (EF) L écart moyen (MD) équivaut à une mesure du biais des résultats de la simulation. Les valeurs positives traduisent une sous-estimation du modèle et les valeurs négatives, une sur-estimation. Cet écart peut aussi s exprimer en écart relatif par rapport à la moyenne (RMD). L écart quadratique moyen (RMSE) représente la dispersion des points autour de la droite 1:1. Il donne plus de poids aux écarts importants par rapport à MD. On peut le présenter relativement à la moyenne ; il s agit de l écart quadratique relatif moyen (RRMSE). Enfin, l efficacité du modèle (EF) est basée sur la relation entre l écart moyen calculé sur les valeurs simulées et observées et l écart moyen expérimental. Si EF tend vers 1, les valeurs simulées et observées sont voisines, voire se confondent. À l inverse, EF proche de zéro, indique une mauvaise prédiction du modèle. Les valeurs simulées et celles issues de l expérimentation sont représentées graphi- Figure 8-Évolution du taux d humidité pondérale dans les trois horizons de sol et teneurs en eau correspondantes à la capacité au champ - Placette R1- Taux d'humidité (% de terre fine) Avril -25 cm cm 45-6 cm Juin HCC -25 cm HCC cm HCC 45-6 cm Figure 9 -Évolution du stock d eau au cours du cycle cultural et stocks limites à la capacité au champ (HCC) et au point de flétrissement (HPF) -Placette R Stock d'eau en mm 1 17 Avril Mai Dates de prélèvement Juin -25 cm HCC HPF Figure 1-Flux d eau à 6 cm -Placette R1- Valeurs négatives = drainage-valeurs positives = remontée capillaire Flux d'eau en mm drainage remontées capillaires Semaine de culture quement en parallèle, ce qui permet une première approche de la qualité des simulations. Pour des questions pratiques et conformément à la présentation des données expérimentales, l essentiel des résultats des simulations concerne la placette R1. 41 Infos-Ctifl/Mars 23

7 Christiane Raynal-Lacroix, Ctifl Patrick Bertuzzi, Inra 1 Delphine Cavaille, Ctifl, Ensiacet 2 Nadine Brisson, Inra 3 Dominique Ripoche, Inra 3 Les simulations des variables : taux de recouvrement, production de matière sèche et prélèvements en azote, soulignent la qualité de réponse du modèle. Les valeurs simulées reproduisent bien les données observées, analyse confortée par les résultats de l évaluation statistique (figures 13, 14 et 15 tableau 5). Le poids de ces variables sur les simulations des stocks d eau et d azote, puis des flux correspondants (cf. paragraphe «La croissance de la plante»), est tel que la qualité des données simulées doit être assurée. Concrètement, ceci s est traduit par un travail sur plusieurs paramètres d entrée du modèle. La recherche d optimisation à ce niveau vise à mieux décrire les variables concernées, à savoir : le taux de recouvrement, l évolution du système racinaire, la courbe de dilution de l azote et donc les exportations de la plante. Cette étape franchie, les variables intéressant l humidité du sol, le stock d azote minéral dans les trois horizons, puis le drainage et le lessivage des nitrates hors du système de culture ont été successivement étudiées et les résultats des simulations confrontés aux données «vraies» acquises expérimentalement sur le terrain. Teneurs en eau et flux hydriques L allure générale des teneurs en eau (figure 16) est relativement bien simulée sur l horizon 1. Toutefois, on constate une sous-estimation du modèle par rapport aux valeurs expérimentales. STICS fixe la limite supérieure de la variable humidité à la capacité au champ, soit 11,28 %, à ce niveau pour la placette R1. L écart entre valeurs simulées et valeurs observées est à rapprocher d une sous-évaluation de l humidité à la capacité au champ par le laboratoire prestataire de service, conformément à l observation faite au paragraphe «Les résultats expérimentaux». Sur les horizons 2 et 3, sont relevées des différences attribuables en partie aux mêmes causes. D autre part, les variations temporelles d humidité sont lissées, surtout sur le dernier horizon. La qualité des simulations tend à baisser avec les horizons profonds (H2 et H3). La dynamique des flux d eau (figure 17) est concordante avec les observations (figure 1). L essentiel des sorties d eau du système se limite à la première partie du cycle ; le modèle reproduit qualitativement Figure 11-Évolution du stock d azote minéral dans l horizon -25 cm -Placette R Figure 12-Quantité d azote lessivé au cours du cycle cultural -Placette R STK N (kg N.ha -1 ) Avril Apport d'engrais 32,6 kg N.ha -1 36,7 kg N.ha -1 les phénomènes observés. Toutefois le drainage simulé cumulé sur la période de culture reste inférieur aux données expérimentales sur les trois placettes Tableau 5-Critères statistiques d évaluation des simulations-placette R1 R Quantité d'azote lessivé (kg N.ha -1 ) Juin Semaine de culture Drainage (mm) Simulé Expérimental R R R (tableau 6). Enfin, le modèle ne permet pas de simuler d éventuelles remontées capillaires. Cette limite de Stics par rapport à la modélisation Figure 13-Évolution du taux de recouvrement des plantes - Placette R1- valeurs simulées Figure 14-Évolution de la matière sèche (t/ha) - Placette R1- valeurs simulées Figure 15-Évolution de la quantité d azote prélevé (kg/ha) - Placette R1- valeurs simulées MD RMD RMSE RRMSE EF Taux de recouvrement,3,7,6,13,97 Matière sèche (t/ha) -,5 -,7,9,11,99 Prélèvements en azote (kg/ha) -2,2 -,9 3,,11,99 Humidité du sol sur l horizon -1,6 -,15 2,7,24 -,8-25 cm Stock d eau sur la couche -6 cm -1, -,1 15,,15 -,64 Stock d azote minéral - sur l horizon -25 cm -9,5 -,34 11,1,39,61 - sur la couche de sol -6 cm -9,3 -,15 15,2,24,48 1,,83,67,5,33,17 2,25 1,8 1,35,9,45 82,4 68,87 54,93 41,2 27,47 13, Infos-Ctifl/Mars 23

8 Infos-Ctifl-n 189 des transferts ascendants d eau est mise en évidence dans les conditions expérimentales de cet essai (cf. figure 1). Stocks d azote et lessivage des nitrates Le profil des stocks d azote simulés dans l horizon 1 est en accord avec celui des valeurs observées (figure 18). Les amplitudes dans l évolution des stocks reproduisent bien les apports d azote les 3 mai (123 jours juliens) et 14 mai (134 jours juliens). L évolution cohérente des stocks par rapport aux points de mesure se traduit par une valeur d efficacité du modèle satisfaisante (tableau 5). En revanche le modèle sous estime les stocks, résultat à rapprocher des différences entre valeurs observées et simulées au niveau hydrique. Il faut relativiser ces résultats par rapport à la variabilité des mesures de stock d azote dans un sol dont la variation observée est généralement supérieure à 2-3 % de la valeur moyenne estimée. Le lessivage simulé, comme dans le cas des données observées, apparaît dans la première partie du cycle (figure 19). Il coïncide avec le phénomène de drainage qui peut être associé au niveau élevé des irrigations dans le même temps. Le modèle situe les pertes en azote sous forme de nitrates, dans cette période, entre 8 et 1 kg/ha selon les placettes, et les mesures expérimentales entre 13 et 26 kg/ha. Ces différences entre valeurs simulées et observées résident dans l appréciation des flux d eau qui déterminent les niveaux de lessivage. In fine, la concentration en nitrates de l eau sortant du système varie de 48 à 96 mg/l d après les simulations et de 11 à 22 mg/l d après les résultats expérimentaux Les écarts sont sensibles mais l ordre de grandeur de l ensemble des valeurs reste analogue. Des résultats prometteurs Cette première approche du modèle Stics, appliqué à une culture de laitue sous abri, présente des perspectives intéressantes sur le plan du diagnostic environnemental. La confrontation des observations expérimentales et des résultats de simulation souligne la qualité de réponse du modèle pour les variables de croissance de la culture (taux de recouvrement, matière fraîche ou sèche et exportation d azote). Au niveau des variables sol (stock d eau et azote), les résultats obtenus sont à la fois : satisfaisants sur le plan de la cinétique comparée d évolution des stocks d eau et d azote, insuffisants sur le plan des comparaisons des variables simulées et expérimentales. Cependant, pour l azote minéral, la comparaison modèle-expérience doit être relativisée au regard de la variabilité spatiale (CV entre 2 à 3 %) des stocks d azote ordinairement observée in situ. Ceci dit, l intérêt du modèle est évidente. Il offre une vision globale du système en intégrant les facteurs plante, sol, climat et techniques culturales et permet de tester plusieurs scénarios en intervenant judicieusement sur tel ou tel de ces facteurs. Il faut, toutefois, mettre l accent sur la nécessité de recueillir des données de très bonne qualité concernant, en particulier, le rayonnement global, les mesures d humidité (HCC à mesurer in situ), et d azote minéral du sol en s assurant de la représentativité des échantillons prélevés. r Bibliographie r BRISSON N., MARY B., RIPOCHE D., et al., STICS : a generic model for the simulation of crops and their water and nitrogen balances. I. Theory and parametrisation applied to wheat and corn. Agronomie 18 : r BRISSON N., RUGET F., GATE F., ET AL., 22. STICS : a generic model for simulating crops and their water and nitrogen balances. II. Model vali- dation for wheat and maize. Agronomie 22 : r LACROIX A., Les solutions agronomiques à la pollution azotée. Courrier de l environnement, INRA 24 / r NICOLARDOT B., MARY B., HOUOT S., ET AL., La dynamique de l azote dans les sols cultivés. In : Maîtrise de l azote dans les agrosystèmes. Lemaire G. et Nicolardot B. (ed.), INRA éd., Paris r RAYNAL-LACROIX C., ET AL., Azote, cultures légumières et fraisier, environnement et qualité. Edition Ctifl, Paris r SAUBOUA E., 21. stochastique fonctionnelle du transfert d eau et d azote sous culture de maïs. Thèse de doctorat, spécialité : géophysique, géochimie et géomécanique, Université Joseph Fourier, Grenoble r BERTUZZI P. ET AL., 22. CULTURE D UNE SALADE SOUS ABRI. SAVOIR ÉVALUER LA MINÉRALISATION NETTE DE L AZOTE AU CHAMP. Infos Ctifl, 183 : Figure 16- Evolution de l humidité du sol sur l horizon H1 Placette R1- valeurs simulées 13,19 11,93 1,67 9,4 8,14 6,88 Figure 17-Évolution des quantités d eau drainées (mm) à 6 cm -Placette R1-7,5 6, 4,5 3, Figure 18-Évolution du stock d azote minéral (kg/ha)dans l horizon -25 cm-placette R1- valeurs simulées 44,47 36, 27,54 19,8 1, Figure 19-Évolution des quantités d azote lessivé (kg/ha) à 6 cm, simulées par Stics 8,31 6,93 5,55 4,18 2,8 1,42 1, Infos-Ctifl/Mars 23