CHAPITRE I : Acquisition des surfaces
I.1. Acquisition des surfaces par l’analyse d’images et validation de la méthode
Matériel et méthodes.
Les expérimentations effectuées en 2006 et 2007 ont eu lieu sur des parcelles expérimentales de culture mises en place au Grand-Duché de Luxembourg, à Everlange (Latitude N49°47’08.91’’ ; Longitude E 5°58’01.36’’ ; Altitude 274 m), dans le cadre du projet MACRY coordonné par le CRP-GL (Centre de Recherche Public Gabriel Lippmann) en collaboration avec le Département des Sciences et Gestion de l’Environnement de l’Université de Liège. La mise en place de ces essais a été possible grâce au support technique du Lycée Technique Agricole d’Ettelbrück et de la Chambre d’Agriculture du Grand-Duché de Luxembourg. Ce site est situé sur un plateau, comme la plupart des cultures de blé au Grand-Duché de Luxembourg. Everlange est donc représentatif de la région céréalière Redange-sur-Attert (16 790 ha de surface agricole utilisée). Le sol est de texture argilo-sableuse (El Jarroudi, 2005. ppI.5 – I.11). Une station météorologique horaire de
25
l’ASTA (Administration des Services Techniques de l’Agriculture du Grand-Duché de Luxembourg) est située à proximité du site d’essai (Station d’Useldange), condition nécessaire à l’utilisation des données dans le modèle d’avertissement PROCULTURE.
Les images numériques des trois dernières feuilles ont été prises à l’aide d’un appareil photo numérique Canon 7MG pixels. Dans un premier temps, il a été utilisé un support de fond blanc (moitié des images de 2006) sur lequel la feuille était maintenue, de façon non destructive, à l’aide d’une languette en plexiglas transparent le temps de la prise de photo. Une autre partie des mesures a été effectuée en prenant des images à l’aide d’un support de fond bleu. La feuille y a été maintenue temporairement à plat sur la planche, de manière non destructive, à l’aide de papier collant double face. L’appareil photo est maintenu à une distance de 39 cm du support à fond bleu, sur une latte en aluminium, de façon à prendre des photographies à la perpendiculaire de la feuille de blé dans son entièreté (Figure 2). Cette méthode s’est avérée plus rapide. De plus le fond bleu facilite après l’analyse d’image.
Figure 2 : Image du dispositif de prise de photos numériques de feuilles de blé d’hiver.
Seules les trois dernières feuilles de blé ont été suivies (F1, F2, F3). Le choix de suivre uniquement les trois dernières feuilles a été fait sur base d’un certain nombre d’études telles que celle de Lupton (1972) et celle de Gooding et al. (2000). En effet, bien que la matière sèche du grain puisse être accumulée d’assimilas provenant de la photosynthèse des épis, des tiges et des feuilles basses, aussi bien que des dernières feuilles, Lupton a montré qu’il pouvait être estimé que 45 % des
26
carbohydrates du grain sont dérivés de la photosynthèse de la dernière feuille. D’autres études montrent par la suite la forte relation existant entre la dégradation de la surface verte de la dernière feuille (F1) et le rendement (Gooding et al., 2000 ; Dimmock et Gooding, 2002a), bien qu’il ait également été montré la participation non négligeable des réserves des tiges, accumulées durant la préfloraison, au remplissage des grains (Bancal et al., 2007). Il est considéré ici que le suivi des trois dernières feuilles constitue un bon indicateur de l’état des processus photosynthétiques opérant pour le remplissage des grains. D’autre part, l’intérêt de prendre en compte les trois dernières feuilles plutôt que seulement la F1 sera testé dans l’utilisation des modèles d’estimation des rendements.
Les images des 3 dernières feuilles de 5 plantes marquées de repères par répétition sur 4 répétitions par variante ont été prises de façon hebdomadaire ou une fois toutes les deux semaines à partir de l’émergence de la dernière feuille, entre le stade GS 37 et GS 39 (stades phénologiques de ZADOKS et al. , 1974. voir Annexe II). Chaque répétition (parcelle) mesure 1,5m sur 7,5m et est séparée des parcelles qui l’entourent par un couloir de 1 m de largeur. Les 5 plantes suivies sont marquées d’un repère et ont été choisies de manière aléatoire au sein de chaque répétition. La disposition des répétitions est également aléatoire et a été mise en place dans le cadre du projet MACRY (Tableau 1 , 2 et 3). Afin de déterminer si le nombre de prise d’images servant à l’obtention de la surface foliaire et de la surface verte par répétition est suffisant, un test de comparaison des variances par répétition a été effectué. Les résultats du test montrent des variances par répétition non significativement différentes, ce qui valide le nombre de mesures utilisées par répétition.
27
Tableau 1 : Dispositif expérimental 2005-2006 installé pour chaque combinaison variété/précédent cultural.
GS31+
GS59
GS45 GS37 GS31 Triple
traitement (GS31-37-59)
GS59 Témoin GS39
Témoin GS59 GS39 GS45 GS37 GS31 Triple
traitement (GS31-37-59)
GS31+GS59
GS31 GS37 Triple traitement (GS31-37-59)
Témoin GS39 GS31+
GS59
GS45 GS59
GS39 GS31+
GS59
Témoin GS59 GS45 GS37 GS31 Triple
traitement (GS31-37-59) ( stades phénologiques de ZADOKS et al. , 1974, signification en Annexe II).
Légende des traitements phytosanitaires effectués aux différents stades : GS31 : 1,6 l/ha Input pro set + 1l/ ha Bravo
GS37 : 1,6 l/ha Input pro set + 1l/ ha Bravo GS39 : 1,6 l/ha Input pro set + 1l/ ha Bravo GS45 : 1,6 l/ha Input pro set + 1l/ ha Bravo GS59 : 1,6 l/ha Input pro set + 1l/ ha Bravo
GS31+59 : 0,75l/ha Opus team + 1l/ha Bravo ; GS59 =1,6 l/ha Input pro set + 1l/ ha Bravo
GS31-37-59 : GS31=0,7l/ha de Stereo +1l/ha Bravo, GS37=1,6 l/ha Input pro set + 1l/ ha Bravo et GS 59 = : 0,75l/ha Opus team + 1l/ha Bravo
28
GS31 (premier nœud) : 1.6 l/ha Input pro set + 1l/ha Bravo
GS37 (apparition dernière feuille) : 1.6 l/ha Input pro set + 1l/ha Bravo GS39 (ligule de l’épis visible) :1.6 l/ha Input pro set + 1l/ha Bravo GS45 (gaine de l’épis éclatée) :1.6 l/ha Input pro set + 1l/ha Bravo GS59 (épis dégagé) :1.6 l/ha Input pro set + 1l/ha Bravo
GS31+GS59 :GS31: 0.75l/ha Opus team + 1l/ha Bravo et GS59:1.6 l/ha Input pro set + 1l/ha Bravo
GS31+GS37+GS59 : GS31: 0.7l/ha Stereo + 1l/ha Bravo, GS37: 1.6 l/ha Input pro set + 1l/ha Bravo et GS59:
0.75l/ha Opus team + 1l/ha Bravo.
Matières actives :
• Input®pro set : prothioconazole 250g/l + spiroxamine 500 g/l
• Bravo : chlorothalonil 500g/l
• Opus team : époxiconazole 84g/l + fenpropimorphe 250g/l
• Stereo : cyprodinil 250g/l + propiconazole 62.5g/l
Tableau 2: Plan expérimental de Flair et Achat précédent pois ainsi que Achat
29
En 2006, les variantes Achat témoin (non traité) et Achat triple traitement (3 traitements) sur précédent jachère ont été suivies de façon hebdomadaire. Cette variété a été choisie car elle présente les caractéristiques des variétés utilisées par les agriculteurs au Grand-Duché de Luxembourg ainsi que pour sa sensibilité moyenne à la septoriose (Anonymous, 2002), principale maladie affectant le blé dans la région étudiée. Le choix d’un témoin non traité et d’un témoin traité à trois reprises avait pour objectif d’évaluer l’effet d’une protection complète contre la septoriose. En 2007, un plus grand nombre de mesures a pu être effectué, grâce à l’amélioration du dispositif de prise d’images. Les variantes Achat témoin ainsi que Achat triple traitement ont été suivies de manière hebdomadaire afin d’obtenir 2 années de données pour les variantes utilisées en 2006. Les variantes Flair témoin et Akteur témoin sur précédent jachère ont été ajoutées, celles-ci étant utilisées au Grand-Duché de Luxembourg et présentant une résistance à la septoriose différente de celle d’Achat. La variété Flair est résistante à la septoriose et la variété Akteur est sensible (Anonymous, 2002). La variante Achat témoin avec un semis précoce (10/10/2006) sur précédent blé deux années consécutives a également été utilisée afin de tester l’effet d’un précédent blé. Toutes les variantes ajoutées en 2007 ont été suivies une fois toutes les deux semaines. Cela a permis de suivre plus de variantes, et le suivi moins détaillé obtenu s’est avéré suffisant pour l’utilisation qui en a été faite à la suite de ce travail. Enfin, la variante achat témoin semis tardif (26/10/2006) sur précédent blé deux années consécutives a été suivie pour une seule date correspondant à l’observation du maximum de surface foliaire verte. Cette mesure unique a pu être utilisée pour calculer le LAI. Le récapitulatif des caractéristiques de prises d’images est présenté au sein du Tableau 4. Les produits utilisés pour les traitements phytosanitaires ainsi que leur stade d’application sont consultables dans la légende des Tableaux 2 et 3. L’ensemble du dispositif au sein duquel se trouvaient les parcelles suivies est présenté aux Tableaux 1, 2 et 3. Les autres caractéristiques de l’itinéraire cultural qui a été suivi pour 2006 et 2007 sont présentées au sein du Tableau 5 pour 2006 et du Tableau 6 pour 2007.
30
Tableau 4 :Synthèse des caractéristiques de prise d’images numériques de feuilles de blé.
Everlange 2006
Dates Fréquence Nombre de mesures Parcelles-variante
Du
Du 08/05/07 au 26/06/07 Hebdomadaire 4 Témoins Achat -préc.pois
4 Témoins sain Achat - pois
Du 08/05/07 au 19/06/07 Une semaine sur deux 4 Témoins Akteur -préc.pois
Du 08/05/07 au 19/06/07 Une semaine sur deux 4 Témoins Achat précédent
blé 2 années semis précoce
Du 03/05/07 au 26/06/07 Une semaine sur deux 4 Témoins Flair -préc.pois
13/06/07 1 date
Tableau 5 : Caractéristiques de l’itinéraire cultural suivi en 2006 à Everlange.
Traitement Variété
31
Tableau 6 : Caractéristiques de l’itinéraire cultural suivi en 2007 à Everlange.
Traitement Variété
1Matière active : trinexapac – ethyl 2 Matière active : Chlorméquat (chlorure)
Le logiciel Assess (Image Analysis Software for Plant Disease Quantification) a été utilisé pour l’analyse des images et l’obtention des surfaces foliaires et des surfaces vertes à partir de celles-ci.
Ces logiciels ont été choisis pour leur rapidité et leur facilité d’utilisation par rapport aux résultats souhaités. Le logiciel Assess présente en plus la possibilité d’automatiser facilement l’analyse des images à l’aide de macros, ce qui est d’une grande utilité pour la gestion d’une grande quantité d’images.
La dégradation de la surface verte foliaire de chacune des trois dernières feuilles au cours de la saison, pour chaque variante présente en 2006 et 2007 a été obtenue. L’ajustement d’une courbe à cette dégradation a permis d’obtenir l’équation décrivant la dégradation de la surface verte foliaire dans chaque cas et pour chaque feuille. L’équation « Surface Verte=a/(1+exp(-v*(I-JJ))) » obtenue contient 3 paramètres « a », « I » et « v », « JJ » représentant la date en Jours Julien. « a » est le plateau de la courbe, « v » la valeur de l’abscisse au point d’inflexion et « i » la valeur du point
32
d’inflexion. La recherche d’une relation entre les paramètres de ces courbes et le rendement a ensuite été effectuée.
L’analyse effectuée par Gooding et al. (2000) a également été appliquée. Celle-ci consiste à adapter une courbe de Gompertz modifiée à la décroissance de la surface verte des trois dernières strates foliaires à partir du stade de développement complet de la F1 (GS39). Cette courbe a pour équation,
%SV=100*exp
{
-exp(-k(t-m))}
où %SV est le pourcentage de la surface des 3 dernières strates foliaires, k est le rythme de décroissance de la surface verte en jour-1, t est le temps en jours, et m le temps qui s’écoule jusqu’au point d’inflexion de la courbe en jours également. Dans le cas présent, les degrés jours ont été utilisés comme variable de temps à la place des jours. Le cumul des degrés jours depuis le stade GS39 a été utilisé pour la variable t. Les valeurs initiales de k et m qui ont permis d’obtenir l’ajustement de ce type de courbe sont respectivement -0,02 degrés-1 et 600 degrés jours.
Les valeurs de m obtenues pour chaque répétition de chaque variante suivie en 2006 et 2007 ont été comparées entre les différents traitements et variétés. La relation linéaire entre m et les rendements obtenus a également été explorée, celle-ci ayant déjà été mise en évidence avec succès par Gooding et al. (2000).
La validation de la méthode d’obtention des surfaces foliaires et des surfaces vertes par l’analyse d’images a été effectuée par la comparaison de surfaces foliaires obtenues à l’aide de cette méthode à celles obtenues par une méthode consistant à découper et peser le poids de papier des photocopies des feuilles de blés dont on a fait l’analyse des images. Cette méthode a déjà été utilisée à plusieurs reprises de manière similaire (ex. : Alem et al., 2002). 60 feuilles vertes de blé ont été prélevées au hasard. Chacune d’elle a été photographiée avec le dispositif utilisé durant toute la saison 2007 (dispositif à fond bleu). Les images obtenues ont été analysées au moyen du logiciel Assess. Les feuilles une fois photographiées ont été photocopiées. Les photocopies de feuilles ont été découpées et pesées. 10 carrés de 25cm² du même papier ont été pesés.
33
La surface correspondant au poids de papier a ensuite été calculée à partir de la connaissance du poids de 25cm² comme suit :
Surface foliaire (cm²) = (Poids en papier de la feuille (g) / poids de 25cm² de papier (g) ) * 25 cm² Une régression des moindres carrés a ensuite été effectuée sur les données de surfaces foliaires issues de l’analyse d’image et de la méthode du poids de papier.
Résultats et discussion.
Une illustration des images de feuilles de blé obtenues et de la classification des pixels de ces images est présentée en Annexe III. Les seules variantes suivies par la prise et l’analyse d’images à la fois en 2006 et 2007 sont Achat témoin précédent jachère (ou pois) et Achat triple traitement précédent jachère (ou pois).
Les conclusions suivantes peuvent être tirées de l’observation de l’évolution dans le temps (1 date de mesure par semaine ou toute les deux semaines) des moyennes des surfaces vertes des 20 F1, F2 ou F3 de chaque variante suivie à la fois en 2006 et 2007 (Figure 3) :
- Les trois traitements (Triple traitement) retardent la diminution de la surface verte sur les trois dernières feuilles, mais la décroissance du triple traitement est plus brutale une fois qu’elle survient.
Cette observation est en accord avec l’étude de Gooding (2000), dont l’une des conclusions est que les fongicides retardent l’arrivée de la décroissance de la surface verte plutôt qu’ils ne réduisent le rythme de progression de la décroissance, une fois celle-ci commencée. Dans ce cas-ci, on peut observer un gain de rendement associé à un retard de décroissance de la surface verte (Tableau 7).
- Les courbes de la F1 en 2006 présentent un plateau situé à plus de 10 cm² au-dessus de celles de 2007.
Les surfaces vertes de 2006 sont plus importantes dès le début et le restent jusqu’à la fin de la décroissance. Aucune augmentation de rendement correspondant aux différences de surfaces foliaires vertes entre 2006 et 2007 n’est observée (Tableau 7). La présence de surfaces vertes foliaires et de surfaces foliaires des F1 plus importantes en 2006 sans augmentation de
34
rendement correspondant par rapport à 2007 peut être expliquée, à l’échelle de la parcelle, par un nombre de brins (tallage) plus important au m² en 2007. Un plus grand nombre de brins au m² rend le couvert plus dense, ce qui réduit la quantité des ressources disponibles par plante.
Les parcelles présentant un nombre de brins plus important au m² peuvent donc, malgré des surfaces foliaires réduites, fournir un rendement parcellaire plus important. C’est pourquoi cette donnée (le nombre de brins par m²) est prise en compte dans le calcul du LAI utilisé pour les modèles d’estimation des rendements (Chapitre II). Aucune étude n’a été trouvée, montrant un effet important de l’année sur la surface foliaire du blé, comme cela est observée ici. L’étude de Rossi et al. (1997) fait cependant état de surfaces foliaires de blé atteignant 40 cm² pour la F1, alors que les plus grandes surfaces foliaires de F1 observées ici atteignent un maximum de 32 cm² (Figure 3, SF = SVmax). Cette étude, effectuée en Italie, montre que la surface foliaire du blé peut variée dans une certaine gamme dont les paramètres (climat, variété, amendements, traitements phytosanitaires…) restent à être déterminés. Concernant l’amendement azoté, l’étude de Lovell et al. (1997) fait état de surfaces foliaires plus importantes sur les parcelles ayant reçu un amendement important.
- La chute plus précoce de la surface verte du témoin en 2006 peut être due à des conditions très peu favorables pour le maintien de cette surface verte après le stade GS40. La sécheresse de 2006 pourrait expliquer cette différence. En effet, l’augmentation des températures hâte l’arrivée de la sénescence (Spiertz, 1977 ; Gooding, 2000). Cette chute ne peut pas être due aux maladies qui étaient peu présentes au stade GS 40, stade auquel la chute commence.
35
Tracé de Moyennes - Evolution de la surface verte de la F1 de Achat témoin et Achat témoin sain en 2006 et 2007
stade (Zadoks, 1976)
Figure 3 : Cinétique de dégradation de la surface verte foliaire des trois dernières strates de Achat témoin et Achat triple traitement (=Témoin Sain) sur un précédent jachère en 2006 et 2007. A.
Cinétique de la F1 B. Cinétique de la F2 C. Cinétique de la F3
L’observation de l’évolution des moyennes des surfaces vertes des trois dernières feuilles des variantes témoins suivies par la prise et l’analyse d’images uniquement en 2007 (Flair témoin,
36
- Les 3 dernières feuilles de Achat témoin suivent une cinétique de dégradation de la surface verte de chute plus tardive que celle des autres variantes. Il est notamment constaté une chute beaucoup plus précoce de la surface verte lorsque cette variété est utilisée sur un précédent blé deux années. Le rendement de Achat témoin est supérieur au rendement des autres variantes (Tableau 7).
Tracé de Moyenne (F1_ SV en Cm & - Everlange 2007)
39 48 59 62 69 77 82 90
Tracé de Moyennes (F3_ SV_ Cm ²_ Everlange 2 007)
39 40 48 55 59 62 69 77 82 90 variétés non traitées présentes en 2007. A. Cinétique de la F1 B. Cinétique de la F2 C. Cinétique de la F3.
L’adaptation de la courbe d’équation « Surface Verte=a/(1+exp(-v*(I-JJ))) » à la dégradation de la surface verte a fourni des valeurs des paramètres « a », « v » et « i » différentes pour chaque parcelle de chaque variante.
La linéarité de la relation entre le rendement et un des paramètres « a », « i » et « v » a été explorée par l’établissement d’une régression linéaire multiple. Les résultats montrent qu’aucun de ces paramètres n’explique la variabilité des rendements observés (Tableau 8).
Le coefficient Bêta du Tableau 8, qui est un coefficient de régression obtenu si on effectue d'abord un centrage-réduction de toutes les variables afin d'obtenir pour chacune une moyenne
A. B.
C.
37
égale à 0 et un écart-type égal à 1, permet de comparer la contribution relative de chaque variable explicative du rendement. Aucune des relations établies ne présente une significativité suffisante (c.a.d. avec un p<0.05) pour que le poids relatif de chacun des paramètres dans l’explication de la variabilité des rendements observés puisse être considéré.
Tableau 8 : Résultats de l’analyse de régression multiple entre les paramètres des courbes de dégradation de la surface verte et les rendements.
F1 F2 F3
synthèse
régression R²= ,105 ; p<,761 R²= ,181 ; p<,456 R²= ,140 ; p<,616
Bêta p Bêta p Bêta p
Année 0,778 n.s. 0,773 n.s. 0,276 n.s.
Variante -0,180 n.s. -0,229 n.s. -0,153 n.s.
a 0,575 n.s. 0,436 n.s. 0,128 n.s.
v 0,011 n.s. -0,183 n.s. -0,222 n.s.
i 0,271 n.s. 0,407 n.s. 0,296 n.s.
Légende : n.s. : Non Significatif (p>0,05).
La régression non linéaire a également été testée sans obtenir de meilleurs résultats (p toujours supérieur à 0,05).
L’application de la courbe de Gompertz modifiée, telle que l’ont appliquée Gooding et al. en 2000 a permis de mettre en évidence une différence significative entre le témoin Achat et Achat triple traitement (3 traitements). L’analyse de variance sur les valeurs du point d’inflexion m montre une différence hautement significative élevée (R²=88% ; p<0,00001) entre le témoin et le triple traitement. La même analyse de variance effectuée sur k n’a pas permis de mettre en évidence cette différence. Les courbes obtenues, similaires à celles présentées ci-dessus, montrent que les fongicides retardent l’arrivée de la décroissance plutôt qu’ils ne réduisent le rythme de celle-ci après qu’elle a été entamée. Aucune différence variétale significative n’a été observée au moyen de m et k. Les régressions linéaires entre les paramètres des courbes de Gompertz de toutes les données de 2006 et 2007 et le rendement montrent que m est lié au rendement (R²= 62%, p<0,05), contrairement à k (Figure 5). Ces résultats confirment les résultats obtenus par Gooding et al.
(2000).
38
N uage d e P oi nts (Fe uil le d e d onné es 1 23 v*2 8c) Var2 = 1,7431+0,01*x; 0,95 Int. Conf.
55 0 600 650 700 750 800 850 900 95 0
m (degrés jours ) 6
7 8 9 10 11 12 13
Rendement (T/Ha)
r² = 0,6204; r = 0,7876; p = 0,0000007; y = 1,7431 + 0,01*x
Figure 5 : Régression linéaire par la méthode des moindres carrés entre le rendement et les valeurs de m de toutes les variantes de 2006 et 2007.
Validation de la méthode d’analyse d’images.
La régression des moindres carrés entre les données issues de l’analyse d’image et l’autre méthode est proche de la bissectrice, de significativité et de corrélation élevée (voir R² et p sur la Figure 6).
Cette régression valide la méthode d’obtention de surfaces par l’analyse d’image.
6 8 10 12 14 16 18
SF Img (cm²) 6
8 10 12 14 16 18 20
SF poids papier (cm²)
y = 0,5975 + 1,0017*x; r = 0,9766; p = 0.0000;r² = 0,9537
Figure 6: Régression des moindres carrés entre les données issues de l’analyse d’image et la méthode de poids en papier des photocopies des feuilles.
39