Bilan hydrique et évapotranspiration

2.1. Définition et équation du bilan hydrique

Le bilan hydrique de la parcelle agricole est établi pour simuler l’évolution du stock

d’eau (Δ ) disponible dans le sol pour la croissance de la plante. Le bilan est calculé par la

différence entre la quantité d'eau fournie à la plante et celle qu’elle utilise, en mm d’eau

[Eq. 3.1] (Figure 3-1). Pour une culture, le stock est contenu dans les horizons de sol

contenant les racines. Les apports principaux sont effectués via les précipitations (P) et les éventuelles irrigations (I). D’autre part, l’évapotranspiration (ETca) et la percolation (Pe) sont les deux composantes essentielles des pertes. L’évapotranspiration correspond à la

18 Compagnie d’Aménagement des Coteaux de Gascogne, gestionnaire de l’eau.

19

2. Bilan hydrique et évapotranspiration

114

quantité d’eau transférée vers l’atmosphère par évaporation (sol), et par transpiration (plante). Les pertes par ruissellement (R) peuvent aussi être importantes, particulièrement dans le cas de parcelles présentant une forte pente.

ΔS = P + I - ETca - Pe - R [Eq. 3.1]

L'évolution du stock d'eau dans le sol (ΔS) dépend donc du bilan entre les différents flux entrant et sortant. La réserve utile (RU, en mm) représente la quantité maximale d’eau disponible pour la plante dans le sol. C’est une valeur intégratrice qui est fonction de la profondeur de sol occupée par le système racinaire et des caractéristiques du sol. La RU est mesurée par l’écart entre deux points d’humidité remarquables : l’humidité à la « capacité

au champ » (Hfc pour « Humidity at field capacity ») et celle au « point de flétrissement »

(Hwp pour « Humidity at wilting point »). La capacité au champ est la capacité de rétention

maximale en eau du sol. Elle correspond plus précisément à la quantité d'eau retenue, après 48 heures d'égouttement de l'eau libre vers la nappe phréatique, par un sol préalablement gorgé d'eau (par des pluies ou un arrosage intensif). Le point de flétrissement permanent correspond quant à lui au seuil en deçà duquel l'humidité du sol ne permet plus à la plante de prélever l'eau dont elle a besoin, car la réserve utile en eau du sol a été entièrement consommée. La plante flétrit alors puis meurt si ce taux d'humidité perdure. Ces valeurs d’humidité dépendent essentiellement de la texture du sol et peuvent être estimées à partir

des pourcentages de sable, de limon et d’argile (Jamagne et al., 1977 ; Bruand et al., 2003).

Figure 3-1: Bilan hydrique d’une culture (CEV: contenu en eau de la végétation ; CES: contenu en eau du sol).

2.2. Méthodes d’estimation de l’évapotranspiration

l’échelle parcellaire, on retrouve les méthodes du bilan hydrique (Damagnez, 1968 ; Katerji

and Hallaire, 1984), les méthodes lysimétriques (Ducrocq, 1987 ; Marek et al., 1988), la

méthode des flux de sève (Sakuratani, 1981 ; Granier, 1985, 1987 ; Edwards et al., 1997 ;

Burgess et al., 2001 ; Fernández et al., 2001) ou encore les méthodes

micro-météorologiques (méthode des fluctuations turbulentes telles que Eddy-Covariance,

méthode des gradients, rapport de Bowen, etc.). Cependant, leur mise en œuvre nécessite un équipement parfois très coûteux et des moyens humains importants.

D’autres méthodes peuvent être utilisées pour calculer l’évapotranspiration, parmi lesquelles on retrouve les approches de modélisation des transferts d’eau et d’énergie entre

le sol, la végétation et l’atmosphère (SVAT) (Braud et al., 1995 ; Sinclair and Seligman, 1996 ;

Olioso et al., 1999 ; Boulet et al., 2000). Ces modèles plus ou moins complexes permettent de calculer séparément l’évaporation et la transpiration, de mieux connaître les besoins en eau des plantes et les conditions génératrices de stress hydrique. Néanmoins, ils nécessitent souvent un nombre relativement important de paramètres, rendant leur spatialisation parfois plus difficile. D’autre part, il existe des approches de modélisation plus simplifiées fondées sur la paramétrisation des processus d’évaporation et transpiration. Les méthodes

développées par la FAO (Allen et al., 1998) suivent ce concept et sont largement utilisées

tant pour la recherche que dans un but plus opérationnel par les gestionnaires de l’eau.

2.3. La méthode FAO-56

La méthode FAO est basée sur les concepts d’évapotranspiration de référence (ET0) et

de coefficients culturaux (Kc) introduits pour simuler la réponse spécifique de la culture (Figure 3-2).

L’ET0 est considérée comme étant la demande climatique. Elle est définie comme « le

taux d’évaporation d’une surface étendue de gazon, en croissance active, ayant une hauteur uniforme de 8 à 15 cm, couvrant complètement le sol, ayant un albédo de 0,23 et ne souffrant pas de stress hydrique » (Allen et al. 1998). Nous avons utilisé pour ce travail la formulation dérivée de paramètres climatiques proposée par Penman-Monteith [Eq. 3.2]. Le détail des équations est présenté dans l’Annexe 3.

2. Bilan hydrique et évapotranspiration 116 ^{[Eq. 3.2]}

Le coefficient Kc regroupe les réponses de la surface en termes d’évaporation et de transpiration et traduit la différence de fonctionnement entre le gazon et la culture étudiée. Ce coefficient est établi expérimentalement pour une région et une culture données, puis confiné dans des tables pour une utilisation ultérieure dans des régions similaires. Dans cette approche, le cycle de culture est subdivisé en quatre phases (Figure 3-3):

- la phase initiale, du semis à environ 10% de couverture du sol,

- la phase de développement du couvert se terminant lorsque la couverture du sol est complète,

- la mi-saison qui se termine par le début de la sénescence foliaire, - la phase de l’arrière-saison ou de maturation.

En conditions standards (absence de tout stress environnemental), le papier de la FAO-56 propose différentes méthodes de calcul de l’évapotranspiration des cultures. La première

méthode appelée « single crop coefficient » définit l’évapotranspiration (ETc) comme le

produit de l’ET0 par le coefficient cultural Kc [Eq. 3.3] (Figure 3-2). La méthode « dual crop

coefficient » découple les processus d’évaporation et de transpiration en deux termes : le coefficient d’évaporation Ke et le coefficient de transpiration Kcb *Eq. 3.4+.

Dans le cas de conditions non-standards, l’ETc est ajustée (devient alors « ETc adj »²⁰)

avec l’ajout du coefficient Ks traduisant le stress hydrique de la culture. On obtient alors les

équations [Eq. 3.5 et Eq. 3.6] (Figure 3-2). Le coefficient cultural est alors supposé tenir

compte à la fois de la différence de fonctionnement entre le gazon et la culture étudiée, mais aussi de l’ensemble des stress environnementaux autres que le stress hydrique. Dans

le cas de la méthode « dual crop coefficient » [Eq. 3.6], le coefficient Kcb est défini de

manière théorique comme étant le rapport entre ETca et ET0 lorsque le sol est sec (Ke=0) et

que la culture ne présente pas de stress hydrique (Ks=1).

ETc = Kc * ET0 [Eq. 3.3]

ETc = (Kcb + Ke) * ET0 [Eq. 3.4]

ETc adj = Ks * Kc * ET0 [Eq. 3.5]

ETc adj = (Ks * Kcb + Ke) * ET0 [Eq. 3.6]

20

Figure 3-2: Evapotranspiration de référence (ET0), évapotranspiration de la culture en conditions standards (ETc) ou en conditions non-standards (ETc adj) selon la méthode

« single crop coefficient » (source : Méthode FAO-56, Allen et al., 1998).

Figure 3-3:Evolution du coefficient cultural (Kc) en trois phases : Kc initial, Kc de mi-saison et Kc de fin de saison (source : FAO, Allen et al., 1998).