Soii Water Balance in the SudanoSahelian Tate (Proceedings of the Niamey Workshop, February 1991). IAHS Publ. no. 199,1991. Caractéristiques hydrodynamiques et termes du bilan hydrique d'un sol sableux de basse-cote d'ivoire INTRODUCTION B. GOUE & N. R. YAO Laboratoire d'agronomie et Laboratoire de Bioclimatologie, HRSDA, 1BP V51, Abidjan, Côte d'ivoire Résumé Fondée sur la méthode de caractérisation hydrodynamique in situ d'un sol sableux, l'expérimentation dont voici les premiers résultats a pour objet la détermination de quelques paramètres hydriques d'un sable tertiaire de basse-côte d'ivoire. Les mesures neutroniques d'humidité et tensiométriques de charge hydraulique ont été effectuées en phase de ressuyage du sol, simultanément et régulièrement, pendant une période sèche d'un mois en station expérimentale après saturation complète du profil par un apport d'eau contrôlé en surface. Les premières ont permis d'estimer la capacité de rétention et la réserve utile pour un profil de sol correspondant à l'enracinement des principaux couverts végétaux de la région. Par contre, les mesures tensiométriques sont difficilement exploitables en vue de quantifier valablement les pertes par drainage à partir de ces profondeurs; ils montrent néanmoins que les relations "conductivité-teneur en eau" et "succion-teneur en eau" sont surtout influencées par la texture essentiellement sableuse de ce type de sol répandu sur le littoral ivoirien. Les sols sableux de la basse-côte d'ivoire représentent d'importantes surfaces cultivées (environ 6 km 2 ). Ils sont relativement bien connus du point de vue taxonomique: la plupart d'entre-eux dérivent de sables tertiaires et ont été qualifiés de sols ferrallitiques (Daudet & Lespinat, 18). Une zone peu large, en bordure de la mer, est constituée de sables quaternaires et est essentiellement cultivée en cocotiers. Cependant, à l'exception des travaux de Roose (1981) sur le ruissellement, ces sols ne sont pas encore bien connus du point de vue de leurs propriétés de transferts hydriques. Voilà pourquoi il a été entrepris récemment, par les instituts de recherche travaillant dans cette zone, des études dans ce sens aussi bien in situ qu'au laboratoire, afin de quantifier quelques paramètres et variables intervenant dans l'établissement du bilan hydrique à l'échelle de la parcelle; il s'agit, entre-autres, de la conductivité hydraulique, des humidités caractéristiques (capacité de rétention, point de flétrissement permanent, etc.). Les mesures systématiques de capacité de rétention et de point de flétrissement permanent sont souvent difficiles à trouver dans la bibliographie; 241
B. Goué&N.R.Yao 242 afin de remédier à cette situation Kramer (1983) a préparé quelques données (Fig. 1) caractérisant différents types de sols. Fig. 1 Réserves utiles en eau dans différents types de sol. D'autres auteurs proposent, en fonction de la teneur en argile plus limon, de prendre comme capacité de rétention l'humidité à pf 2. pour une teneur en ces éléments inférieure à 5% ou à pf 2.3 quand cette teneur est comprise entre 5 et 15% (Chamayou & Legros, 1989). METHODOLOGIE EXPERIMENTALE Les besoins en eau d'un couvert végétal, à l'échelle de la parcelle, peuvent s'estimer à partir de la méthode du bilan hydrique du sol. Ce bilan, illustré à la Fig. 2, s'écrit souvent de la façon suivante: ETR = P + I±AS±R+Rc-Dr Dans cette expression: ETR est l'évapotranspiration réelle du couvert pour un pas de temps donné (généralement la décade ou la pentade); P, la pluie reçue sur la parcelle pendant le même intervalle de temps; I, les apports par
243 Caractéristiques hydrodynamiques d'un sol sableux Fig. 2 Schéma du bilan hydrique du sol. P, I: pluie, irrigation; ETR évapotranspiration réelle; R ruissellement; D: drainage; Rc: remontée capillaire; A S: variation de stock hydrique. irrigation; R, les pertes ou apports latéraux par ruissellement superficiel; Rc, la remontée capillaire ou mouvement ascendant de l'eau; Dr, le drainage ou mouvement descendant de l'eau; AS, la variation de stock hydrique pour une tranche de sol (AZ) comprise entre la surface et une profondeur de référence Z. Dans cette relation, on néglige la part d'eau liée du végétal qui représente environ 1% de ce qui y transite (Couchât, 1974) et le ruissellement considéré comme nul sur sols cultivés. A l'échelle régionale ou pour des pas de temps plus longs (par exemple l'année) les termes majeurs de cette relation seront la pluie (P) et l'évapotranspiration réelle (ETP). Inspirée de la méthode développée par Vachaud et al. (1978), cette étude propose d'évaluer, en station expérimentale, la capacité au champ d'un sol sableux intensément mis en culture pour les essais agronomiques; ce paramètre s'avère être important dans l'analyse des variations de teneur en eau du sol. Afin de caractériser les écoulements en milieu poreux, on utilise généralement la loi de Darcy qui pour les sols non saturés peut s'écrire (Hillel, 1988): q = - (6)*grad H
B.Goué&N.R.Yao 244 Pour un écoulement vertical cela donne: q = -X(6)*(AH/AZ) L'équation générale de l'écoulement, tenant compte des processus transitoires et permanents prend en considération l'équation de continuité et devient: 59/6f = -(6ç/8Z) Dans ces expressions on a: q, flux volumique, vitesse de Darcy; K(Q), conductivité hydraulique; elle dépend très fortement de la teneur en eau (8); H, charge hydraulique; Z, profondeur; r, temps. Durant une période sèche d'un mois comprise entre janvier et février 199 on a saturé le sol et suivi les profils de ressuyage après un apport d'eau contrôlé en surface. Les mesures d'humidité et de charge hydraulique sont faites en vue de suivre les variations de stocks et de gradients hydriques au cours du temps. L'humidimètre utilisé pour cette expérimentation est une sonde de 9 mci dont l'étalonnage dit "gamma-gravimétrique" permet de mesurer les densités apparentes sèches in situ grâce un "gamma-densimètre" de 1 mci: on détermine donc simultanément les constantes neutroniques de la sonde (a et b) et la densité apparente sèche (d) du sol à chaque cote (Z). Des échantillons de sol ont été également prélevés pour l'analyse granulométrique et la détermination de l'humidité à pf 4.2 prise comme valeur du point de fiétrissement permanent d'une plante. Afin de saturer complètement le profil, on utilise un dispositif d'infiltration à deux anneaux (Zante, 1984). La charge d'eau maintenue constante jusqu'à saturation complète est de 15 mm d'eau. Cinq tensiomètres à mercure sont installés de façon circulaire, à 3 cm du tube d'accès de l'humidimètre aux cotes 2 cm, 4 cm, 6 cm, cm et 1 cm. Pour exprimer la capacité au champ, le point de fiétrissement permanent et la réserve utile dans les mêmes unités que celles utilisées pour la pluie, l'évaporation ou les doses d'irrigation, par exemple en millimètres d'eau, les résultats sont exprimés de la façon suivante: m = teneur en eau pondérale, en pourcents de grammes d'eau par grammes de sol sec; 6v = teneur en eau volumique, en pourcents de centimètres cubes d'eau par volume total de sol en centimètres cubes; d = densité apparente sèche, en grammes de sol sec par volume total de sol en centimètres cubes; Sz = stock d'eau à la cote Z, en mm d'eau. La relation entre la teneur en eau volumique (v), les constantes (a et b) et les comptages neutroniques (N) est: N = aqv + b
245 Caractéristiques hydrodynamiques d'un sol sableux RESULTATS ET DISCUSSION Le Tableau 1 donne les résultats d'analyse de laboratoire. Concernant la granulométrie on voit qu'il s'agit d'un sol à texture grossière, surtout en surface; cependant, plus en profondeur, le taux de particules fines (argile + limon) augmente de 1 à 2%. Cette caractéristique est très importante pour la rétention de l'eau, car dans les couches profondes prévaut la microporosité qui retient l'eau par capillarité alors que les couches supérieures sont le domaine des macropores remplis d'eau et d'air en condition non saturée. Tableau 1 Paramètres physiques de la parcelle déterminés au laboratoire ou par étalonnage Cote Z(cm) PFP: Bm d v Texture: Al Li Sa Constantes neutroniques: a b 1 2 3 4 5 6 7 9 1 11 12 13 14 15 3.7 3.6 3.2 2.9 4. 3. 2.4 3.1 3. 3.1 3.5 5. 5.1 5.1 6.1 1.4 1.4 1.61 1.61 1. 1. 1. 1. 1.67 1.67 1.64 1.64 1.64 1.64 1.65 5.2 5. 5.2 4.7 4.9 4.9 4.5 5. 5. 5.2 5.7 8.2 8.4 8.4 1.1 4.8 5.3 3.9 5.3 5.6 5.3 5.8 8.2 1.7 14.3 16. 17.9 18.9 18.2 19.8 4.9 3.9 5.3 5.6 6.1 5.1 5.7 5.4 6.7 4.9 6.4 5. 7.4 6. 6.7 88.4 89.2 89.7 88.4 88.3 88.3 89.1 85.4 82.5.2 76.2 76. 72.7 74.7 72.7 PFP: Point deflétrissementpermanent; Bm: humidité pondérale (%); Qv: humidité volumique (%):Qv =Qm * d; d: densité apparente sèche; Al: argile (%); Li: limon (%); Sa: sable; a, b: constantes neutroniques obtenues par étalonnage et utilisées pour calculer la teneur en eau volumique. Les valeurs de densités apparentes sont caractéristiques des sols sableux; le passé cultural du site expérimental explique la valeur plus faible de la densité en surface (d = 1.4) où subsistent encore les effets des précédents culturaux ayant allégé le sol dans cette zone (labour, système racinaire). Le drainage de ce sol est très rapide durant les premières heures surtout à partir des couches supérieures; en raison de la faible teneur en particules fines le processus est plus lent en surface. La période de saturation des couches supérieures est très brève après cessation de l'apport d'eau en surface. Ceci est à prendre en considération quand on essaie de déterminer la capacité au champ d'un sol sableux in situ, car le drainage gravitationnel y cesse pratiquement au bout de quelques heures à deux jours (Fathy, 1973). La décroissance des stocks hydriques en fonction du temps peut être
B.Goué&N.R.Yao 2 ajustée à une fonction logarithmique décroissante (Fig. 3). La capacité de rétention est prise comme l'ordonnée à l'origine de la tangente à la partie "lente" de la courbe. Fig. 3 Profil de drainage du sol (Z = 6 cm). A partir de ces valeurs de capacité au champ et des valeurs de point de flétrissement permanent déterminé au laboratoire (Tableau 1) on déduit la réserve utile en eau (RU) du sol. Par exemple, pour la cote Z = 6 cm on obtient les valeurs suivantes: stock hydrique: 5( = 16.5-12.3 In t (coefficient de corrélation r = 94%) capacité de rétention: 95 mm point de flétrissement permanent: 29.9 mm réserve utile: 65.1 mm (Pour la régression logarithmique on remplace le temps t = par t =.1). En général dans les sols sableux la réserve utile varie de 25 à 1 mm, pour les sols limoneux de 1 à 175 et pour les sols argileux de 175 à 25 mm (Brower et al., 1985). L'analyse des charges hydrauliques (Tableau 2) montre qu'en dehors des dix premiers jours de mesure il est difficile de déduire des valeurs de gradient en phase de drainage. L'assèchement des couches superficielles et la macroporosité qui y règne font que le tensiomètre à la cote Z = 4 cm "décroche" régulièrement et ne réagit pas convenablement aux variations d'humidité.
247 Caractéristiques hydrodynamiques d'un sol sableux Tableau 2 Charges hydrauliques H (mb) mesurées in situ Z(cm) t (h) 2 4 6 1.1.5 1. 1.5 2. 2.5 3. 4. 5. 6. 7. 8. 22. 24. 28. 32. 48.. 72.. 12. 144. 168. 192. 216. 24. 264. 288. 312.. 48. 4. 552. 648. 744. 25 3 3 5 5 58 6 64 66 66 74 84 88 98 16 132 «# «3 6 6 64 7 74 76 82 92 98 11 124 1 152 186 216 31 44 585 676» 5 68 68 68 76 76 76 86 86 86 88 12 12 14 16 12 126 13 14 1 1 158 188 232 354 64 «9 9 92 92 92 98 98 14 14 16 18 114 12 124 124 13 134 138 144 1 148 16 168 1 212 278 428 68 11 11 11 114 114 114 12 12 122 124 13 134 1 138 142 142 1 15 15 154 158 158 1 168 176 19 174 «A partir d'autres observations sous cultures on a pu établir une relation entre la conductivité hydraulique (K) et la teneur en eau volumique (6v) de la forme: K(&v) = (.k) exp(y9v) où x varie de 5 à 9 et y de.3 à.4. CONCLUSION Ce sol, à grande vitesse d'infiltration, est très perméable. Sa capacité de rétention est moyenne. Les sols pour lesquels le concept de capacité au champ est le plus soutenable sont les sols à texture grossière où la perte d'eau à partir de la zone supérieure est plus rapide et plus perceptible. C'est dans ce type de sol
B. Goué&N.R.Yao 248 que la méthode utilisée est la plus appropriée. Pour les sols à texture moyenne et fine le processus peut se prolonger de nombreux jours. La connaissance des réserves utiles en eau est nécessaire pour les applications de l'agrométéorologie à l'agriculture pluviale ou irriguée. La poursuite des travaux décrits pourrait se concevoir en y incluant les études d'infiltration. Ce processus est d'une importance pratique car il détermine souvent le ruissellement pendant les orages et les risques d'érosion. REFERENCES Brower, C, Goffeau, A. & Heibloem, M. (1985) Irrigation, Water Management, Training Manual no. 1. Introduction to Irrigation. International Institute for Land Reclamation and Improvement and FAO Land and Water Development Division. Couchât, P. (1974) Mesure neutronique de l'humidité des sols. Université Paul Sabatier, Thèse no. 584, Toulouse. Chamayou, H. & Legros, J. -P. (1989) L'eau dans le sol. Dans: Les Bases Physiques, Chimiques et Minéralogiques de la Science du Sol, 327-4. Agence de Coopération Culturelle et Technique, Paris: Presses Universitaires de France. Daudet, F. A. & Lespinat, P. A. (18) Etude des éléments du bilan hydrique naturel d'une culture et leurs interactions. ORSTOM; Centre d'adiopodoumé: Laboratoire de Bioclimatologie et de Radioisotopes. Fathy, I. M. (1973) Physical properties of sandy soils in relation to cropping and soil conservation practices. Report of the FAO/UNDP Seminar on Reclamation and Management of Sandy Soils in the Near east and North Africa, 47-72. FAO Soils Bulletin no. 25. Hillel, D. (1988) L'Eau et le Sol. Principes et Processus Physiques. Collection Pedasup, Sciences et Techniques: Academia Louvain-La-Neuve. (Traduit de l'anglais par L. W. de Backer). Kramer, P. (1983) Water Relations of Plants. Academic Press, New York. Roose, E. J. (1981) Dynamique actuelle des sols ferrallitiques et ferrugineux tropicaux d'afrique Occidentale. Etude expérimentale des transferts hydrologique et biologique de matières sous végétations naturelles ou cultivées. ORSTOM Paris, Collection Travaux et Documents, no. 13, Thèse d'etat, Orléans. Vachaud, G., Dancette, C, Sonko, S. & Thony, J. L. (1978) Méthode de caractérisation hydrodynamique in situ d'un sol non saturé. Application à deux types de sol du Sénégal en vue de la détermination des termes du bilan hydrique. Ann. Agron. 29 (1), 1-. Zante, P. (1984) Caractérisation et évolution des propriétés hydriques des sols alluviaux de la vallée du fleuve Sénégal. Périmètre irrigué de Tïlene (région du fleuve). ORSTOM, Centre de Dakar-Hann.