4L
L'évaluation
des besoins en eau de la canne
Arrosage basse pression sur repousse (Sosuco). (© Cirad).
R. G A U D IN C ira d -c a , avenue A g ro p o lis , 3 4 3 9 8 M o n tp e llie r C edex 5, France ga udin@ en sam .in ra.fr
L
'a lim e n ta tio n n a tu re lle en eau n'est pas to u jo u rs satisfaisante p ou r l'expression du p o te n tie l de production de la canne. Si la d if férence de rendement entre les c u l tures de canne pluviale et de canne irriguée m ontre l'in té rê t de l'ir rig a tio n et permet le calcul de son e ffi cience, dès l'in itia tio n du p rojet de culture les besoins de la canne d o i vent être déterminés : notamment les v o lu m e s d 'e a u nécessaires et leur calendrier d'apport. Cette démarche co m p re n d la mesure des différents te rm e s du b ila n h y d r iq u e to u t au long du cycle et cond uit à utiliser les c o e ffic ie n ts c u ltu ra u x , fo ndem ents de la méthode clim atique. Dans cet te méthode, la canne est placée de fa ç o n o p t i m a l e du p o i n t de v u e hydrique : l'évapotranspiration réel le (Etr) est égale à l'é vapotranspira- tion maximale (Etm), et le besoin en eau est c a lc u lé par r a p p o rt à une référence d'évaporation ou bien par ra p po rta l'évapotranspiration potentielle (Etp). D'autres approches, fo n dées sur un suivi de l'état hydrique de la p la nte ou du sol, perm e tte nt d'e ffe ctue r en temps réel l'a dé qu a tion entre la dem ande en eau de la plante et l'offre par des arrosages en c o m p l é m e n t des p lu i e s . Ces m é th o d e s p e r m e t t e n t aussi b ie n d 'é v a lu e r le besoin en eau que de piloter l'irrigation. Parmi celles-ci, la m é t h o d e t e n s i o m é t r i q u e v is e le c o n trô le des m ou vem ents de l'eau dans le sol tout en essayant d'assurer une évapotranspiration réelle assez p r o c h e de l 'é v a p o t r a n s p i r a t i o n m axim ale. L 'e m p lo i de la méthode clim atique repose sur une évaluation de l'é v a p o tra n s p ira tio n , a c c o m p a gnée par la m esure des termes du b il a n h y d r iq u e de la c u lt u r e . La m é th o d e te n s io m é tr iq u e vise une sim p lifica tion de ce bilan hydrique. Ces différents aspects vont être déve lo p p é s a v a n t q u e s o it d is c u t é le c h a m p d ' a p p l i c a t i o n des d e u x méthodes.
Les progrès
accomplis dans
la prévision des
besoins en eau
L'é volution des méthodes d 'é v a lu a tion des besoins en eau est visualisée sur la figure 1.
1) Pluies A n alyse fré quentielle C oefficie nt en ra p p o rt à l'é va p o ra tio n en bac E vaporation m oyenne (décadaire) 2) Pluies C oefficie nt en ra p p o rt à l'é va p o ra tio n en bac, ou coefficient cultural (cas ETP) E vaporation m oyenne ou ETP (décadaire)
3) Pluies
E vapo tran spiratio n de référence, jo u rn a liè re
C oefficie nt cultural calé sur un m odèle de croissance (fonction de la tem pérature) 4) Pluies
E vapo tran spiratio n de référence C oefficie nt cultural calé sur un m odèle de croissance inté gran t le stress h y d riq u e éventuel
Bilan hyd rique Bilan h yd riq u e Bilan h yd rique Bilan h yd riq u e Besoins (calcul dé ca d a ire puis journalier) A nalyse fréquentielle des termes du bila n hyd rique (calcul jo urnalier) A nalyse fréquentielle de l'irrig a tio n (étude IRRIGOUEST d e la Réunion, fig u re 2) A nalyse en situation réelle
I
RendementFigure 1. Historique de méthodes d'évaluation des besoins en eau.
Figure 2. Les besoins en eau d'irrigation de la canne dans la zone Ouest de l'île de la Réunion (POSER, sous presse).
La méthode de l'analyse fréquentiel le a d 'a b o r d é té a p p l i q u é e a u x pluies. Les installations d 'irrig a tio n o n t été prévues p o u r satisfaire les besoins en eau en année quinq ue n nale sèche. Les précipitations de cet te année q u in q u e n n a le sèche sont d é p a s s é e s p a r c e lle s des a u tre s années avec une fréquence de 80 %. Avec les progrès de l'in fo rm a tiq u e , l'a na lyse fré q u e n tie lle a été a p p li quée aux termes du bilan hydrique et au besoin en eau d'irrigation. La base de calcul de l'évapotranspiration de référence est aussi m ieux définie. La dernière étape de cette évolution sera l'analyse de la situation réelle, avec p révision du rendem ent grâce à un m o d è le de c ro is s a n c e a r t ic u lé au bilan hydrique de la culture, puis en in t é g r a n t les p hases de stress hydriq ue dans les cas où l'arrosage est insuffisant ou inexistant.
Les méthodes
climatique
et tensiométrique
La méthode climatique
prédictive
Dans cette méthode, l'évapotranspi- ration de la culture, ETC, est mise en relation avec l'évapotranspiration de référence, ET0, par l'in te r m é d ia ire d'u n coefficient cultural Kc :
ETc = Kc x E T 0.
La référence est le gazon dont l'éva potranspiration calculée est utilisée com m e index de la demande c lim a tiq u e d 'é v a p o ra tio n . Le c o e ffic ie n t Kc v a rie e s s e n tie lle m e n t a v ec les caractéristiques de la culture mais la date de p la ntatio n (de coupe) et le type d 'irrig a tio n sont aussi des fa c teurs qui entrent en ligne de compte. Les co efficients Kc sont déterm inés pour les différents stades de la cu ltu re. Le stock d'eau du sol est mainte nu dans des lim ite s te lle s q u e les besoins en eau de la canne soient p leinem ent satisfaits. Il s'agit en fait de gérer un bilan hydrique en m ain te na nt l'h u m id ité du sol au niveau
de la réserve fa c ile m e n t u tilis a b le (R F U ). Le b il a n h y d r iq u e s 'é c r it alors :
ETC = ETM = P + I - R - D - AS = Kc x ET0
avec : P, pluies ; I, irrigation ; R, ruis sellement ; D, drainage ; AS, varia tion de stock d'eau du sol (stock final - stock initial) ;
ou ETC = ETM = P + I - R + RC - AS avec RC, remontées capillaires. Ce bilan peut être établi si le ruissel lement est connu ainsi que le draina ge ou les remontées capillaires. Une étape essentielle et délicate est le c h o ix de la p ro fo n d e u r où sont évalués les flux profonds. C'est aussi la profondeur qui d élim ite le volum e de sol pour lequel est évalué le stock hydrique. Cette cote est choisie en- dessous des racines actives les plus profondes. Il arrive que sur un profil coexistent un m ouvem ent ascendant de l'eau vers la surface et un m ouve ment descendant de l'eau en profon deur. La cote où l'eau est im m ob ile détermine la position du plan de flux nul. C e lle -c i peu t être d é te rm in é e p a r u n e m e s u re t e n s i o m é t r iq u e . Cette situation est alors p riv ilé g ié e pour établir le bilan. Le plus souvent, il est possible de considérer une pro f o n d e u r où les p e r c o la t io n s s o n t négligeables. Dans la pratique, cela correspond à de faibles valeurs de la conductivité hydraulique associée à des valeurs élevées de la succion. Si cela n'est pas plausible, des mesures te n s io -h u m id im é triq u e s de p ro fo n deur et la caractérisation hydrodyna m ique du sol permettent d 'e xpliqu er la loi de Darcy(1). Le stock d'eau du sol, S, est déterminé par la méthode de réfle ctom é trie te m p o re lle (TDR) ou encore par la sonde à neutrons. Le maintien de l'h u m id ité du sol au nive au de la RFU p o u r la z o n e de p rélèvem ent racinaire est la c o n d i tio n la plus d iffic ile à respecter. La décision d 'irrigu er est prise dès que l'h u m id ité , mesurée à la sonde (ou
1. Loi de D arcy généralisée a u x m ilieux non saturés, ou loi de Buckingham (RICHARDS, 1960).
par un autre moyen), s'approche de la lim ite inférieure de la RFU. L 'e m p lo i de la m éthode c lim a tiq u e cond uit donc à un tableau de coeffi cients Kc, c o m m e par e x e m p le les r é s u lta ts o b te n u s p a r D E V A N N E (1990) p o u r le périm ètre irrigué de Cilaos à la Réunion (tableau 1). Lorsque l'évapotranspiration de réfé rence (ET0) n'est pas accessible, la m é t h o d e c l i m a t i q u e re p o s e sur l 'e m p l o i de l 'é v a p o r a t io n en bac com m e base de calcul :
ETC = a x EVbac
Ce mode de calcul est préférable à un passage par une double m u ltip li cation :
ET_ = K„ x ET0 = IC x K „ x EVhbac avec Kp, c o e ffic ie n t de passage de l'EVbac à l'ET0 défini par
Kp = ET0 / E V bac.
Ce c o e f f i c i e n t , i n f é r ie u r à 1, est d 'a u ta n t plus fa ib le que l'h u m id ité relative de l'a ir est fa ib le et que le v e n t est f o r t . D O O R E N B O S et PRUITT (1976) o n t étudié les effets de la position du bac par rapport à la végétation environnante sur ce coef ficient.
Un répertoire de coefficients a p p li cables à diverses situations géogra phiques est présenté dans C HAROY
e t a l. (1 9 7 8 ) . Ce c o e f f i c i e n t ne
dépasse jamais 1. Ceci est lié au fait que Kc et Kp varient en sens inverse. Ainsi, si Kc peut atteindre 1,25 pour la canne en période de grande crois sance, Kp descendra en général au dessous de 0 ,8 0 (PEREIRA e t a l., 1998).
U n e fo is les c o e f f ic ie n t s Kc ou a déterminés, ceux-ci servent à prévoir les b es o in s en eau à l'é c h e l le de l'année (tableau 2).
La canne est sevrée un mois et demi avant la récolte. Cette pratique permet de restreindre l'a lim en ta tion en eau de la plante à l'approche de la coupe. L'eau d if fic ile m e n t u tilis a b le de la réserve du sol est so llic ité e , ce qui in d u it le phénom ène de maturation de la canne (LANGELLIER, 1980). U n e v o ie d 'a m é l i o r a t i o n p o u r prendre en compte les besoins en eau des parcelles nouvellem ent plantées ou les d é b u ts de re p ou sse, est la décomposition du coefficient cultural en un coefficient de base et un coeffi cient d'évaporation du sol nu (ITIER
et al., 1996 ; ALLEN et al., 1998).
La méthode
tensiométrique directe
D ès lo rs q u e l ' i r r i g a t i o n assure l'essentiel de l'a p p ro v is io n n e m e n t en eau de la culture sur une bonne partie de son cycle, l'ajustement des doses ou des fréquences d'arrosage p e rm e t d 'a p p r o c h e r une s itu a tio n idéale où les apports d'eau couvrent les b es o in s . Le b ila n h y d r iq u e se s im plifie :
ETC = ETM = I - AS
C'est précisément ce que permet le p ilo tag e te n s io m é triq u e de l'ir r ig a tion. Cette pratique assez ancienne (R IC H A R D S et M A R S H , 1 96 1) se c a ra c té r is e p ar une é v o l u t io n en dents de scie du pote ntie l de l'eau du sol. Dans la version la plus simple de c e t te t e c h n i q u e , le s e u il de d é c le n c h e m e n t de l'arrosage et la dose à appliquer sont les paramètres à d é fin ir p o u r p ilo te r avec un seul te n s io m è tr e . T o u te fo is , l 'e m p l o i d 'u n e b a t t e r ie d e t e n s io m è t r e s f o u r n i t des in fo r m a tio n s sur l'é ta t h y d riq u e en pro fon de u r, lesquelles
Tableau 1. Coefficients culturaux Kc pour la canne à sucre (périmètre de Cilaos, Réunion) (DEVANNE, 1990).
Coupe en Coupe en
août et en septembre octobre, novembre, décembre
Kc 0,5 0,8 1,1 0,8 0,5 0,8 1,1 0,8
Durée de la
Tableau 2. Besoins en eau nets moyens pour une coupe au 15 mai (début de campagne) Morondava, Madagascar (BARAN, 1982). Irrigation par aspersion.
sur le périmètre d'Analaiva, pl,aine de
Mois mai
(1/2)
juin juil. août sept. oct. nov. déc. jan. fév. mars avril mai
(1/2) total EVbac 83 153 163 192 227 289 317 274 233 196 212 184 83 2 606 Coefficient 0,5 0,5 0,7 0,7 0,9 0,9 0,9 1,0 1,0 1,0 0,7 0 0 -Besoins (mm) 41 76 114 134 204 260 285 274 233 196 148 0 0 1 965 Pluies (mm) - - - 22 40 135 276 196 103 - - 772 Irrigation (mm) 41 76 114 134 204 238 245 139 - - 45 - - 1 236
peuvent être mises en relation avec le déve lo pp em e nt de la plante. Par exem ple, l'a rriv é e de la saison des pluies en cours de cycle amène une recharge sur tout le profil ; une adap tation du code de pilotage dans cette période charnière peut permettre de p r é p a r e r u n e i n v e r s i o n des f l u x hydriques qui sera très profitable en période de maturation.
Les points importants de la méthode tensiométrique sont les suivants : - quel seuil retenir ?
- où placer la batterie déclencheuse et à quelle profondeur ?
- combien de batteries utiliser ? Des éléments de réponse sont d o n nés à partir de l'e xpérience acquise sur le périm è tre sucrier d 'A n a la iv a (ORIOL et al., 1995 ; G A U D IN et al., 1 9 9 0 , 1 9 9 8 ). La s itu a tio n de sols profonds à texture lim ono-sableuse h o m o g è n e , l'a rr o s a g e p a r ra m p e pivotante non lim ité par la d is p on i b ilité en eau, la c o nn aissan ce des c a ra ctéristiqu es h y d ro d y n a m iq u e s des sols étaient propices à l'étude de la d y n a m iq u e de l'eau sous canne (RAPANOELINA et al., 1999). Le seuil de succion, qui va servir au d é c le n c h e m e n t de l'arrosage, d o it être assez élevé pour que le sol res te sec en p r o f o n d e u r a v a n t les pluies ; cependant, il d o it préserver u n e m a r g e de m a n œ u v r e p o u r l'irrig a n t, c'est-à-dire que le tensio mètre d o it rester fo n c tio n n e l un ou deux jours après passage du seuil, m ême si aucun arrosage n'est p ra ti q u é . La l im i t e de d é c r o c h a g e se situant vers 900 hPa (hectopascals), un bon c o m p ro m is est o b te n u de 5 0 0 à 6 0 0 hPa. D ans la p la g e de fo n c tio n n e m e n t alors im posée (50 à 1 0 0 hPa après a rro s a g e , 5 0 0 à
6 5 0 hPa ju s t e a v a n t l'a rr o s a g e ) , l 'é v o lu t io n du p o te n tie l h y d r iq u e m o n tr e q u e la c o n s o m m a t io n en eau de la c a n n e est c o n s ta n te au cours du temps (figure 3). A u -d e là du s e u i l , le r e le v é de p o t e n t i e l m o n tr e un p o i n t d ' i n f l e x i o n q u i semble in d iq u e r un passage dans le d o m a in e de la réserve d iffic ile m e n t u t i l i s a b l e , p u is q u e la p la n t e est amenée à conso m m er m oins d'eau par unité de temps, au m oins dans la z o n e p ro s p e c té e par la mesure tensiom étrique. Le dépassement du
p o in t d 'in f le x io n in d iq u e ra it peut- être une s o llic ita tio n de la réserve en eau des horizons plus profonds, c e tte rése rve é ta n t t o u t e f o is très lim itée. Au cours de ce phénom ène de mini-stress, la photosynthèse de la canne se pou rsu it et la croissan ce n 'e st pas p é n a lis é e sur le lo n g te rm e . G lo b a le m e n t , l'e ffe t serait d o u b le m e n t bénéfiq ue : é c o n o m ie de l'eau, enracinem ent.
La p o s itio n de la b a tte rie d é c le n cheuse adoptée dans l'étude est une verticale distante de 25 à 30 cm de
Station automatique de Bras de la plaine (Réunion).)© Cirad)
o Q. CL O F ig u re 3 a 1 0008 0 0 -» 6 0 0 0 E 1 4 0 0 H 2 0 0 -o Q. Q. O I I I I I
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O' O- O' CN M O ~ n m i m i o o co CN N . CN ODate des arrosages (la dose est 2 0 r
F ig u re 3 b
Temps (¡ours) H um idité volum ique (cm3/c m 3)
Figure 3. Evolution du potentiel hydrique mesuré par le tensiomètre.
Evolution caractéristique en dents de scies (courbe a) en fonction de la date des arrosages. La montée de la succion observée à chaque cycle traduit un déplacement sur la courbe caractéristique de l'humidité du sol (courbe b), avec une consommation en eau constante, tant que le point d'inflexion n'est pas franchi (GAUDIN et al., 1998).
la ligne de canne. C'est une localisa tion privilégiée car, juste après arro sage, cette z o n e d 'in t e r ra n g est la p lu s h u m id e en ra is o n de l 'e f f e t d 'e n to n n o ir des touffes de cannes. Etant assez proche de la ligne, cette zone enregistre aussi l'effet du prélè v e m e n t r a c in a ire . Le te n s io m è tr e d é c le n c h e u r est pla cé à 25 cm de profondeur, au cours de la phase de reprise de végétation (levée-tallage) ;
le tensiomètre placé à 50 cm prend le relais en période de grande crois sance.
Plusieurs batteries sont mises en pla ce dans l'u n ité d 'ir r ig a tio n afin de p révenir un a cc id e n t de végétation qui ne serait pas lié à l'alim entation en eau. Les informations fournies par une batterie doivent être confirmées par une autre batterie . Le n o m b re
m in i m a l de b a tt e r ie s à m e ttre en œuvre est donc deux.
Par cette m éthode, les besoins nets en eau de la canne sont satisfaits en te m p s réel. Ils c o rr e s p o n d e n t aux arrosages, p ou r la période hors sai son des pluies. Le drainage est faible.
Les limites des deux
méthodes
Les m éthodes c lim a tiq u e et te n s io m é triq u e fo n t c h a c u n e app el à un support, l'évaluation de l'évapotrans piration de référence et de la réserve utile pour la première, la connaissan ce des propriétés h ydrodynam iques du sol p o u r la seconde. Ce dernier support permet d'élaborer le code de pilotage tensiom étrique. Plus la c ir culation de l'eau est aisée dans le sol, et plus l'u tilisation du dispositif d 'ir r i gation peut être souple, plus le code est facile à élaborer. Dans les situa tions où le sol a un fo nc tio nn em e nt h ydro d y n a m iq u e c o m p liq u é (super position d 'h oriz o ns de texture d iffé rente, hétérogénéité latérale, etc.), le pilotage tensiométrique sera difficile à assurer c o n v e n a b le m e n t car les mesures tensiométriques devront être m u ltip lié e s et la rech erche du bon code risque de s'avérer infructueuse. Dans ce cas, la m éthode clim a tiqu e reste b ien sûr p e rfo rm a n te mais sa réussite va dépendre, entre autres, de la qualité de la mesure de la deman de évaporative et du degré de perti nence avec lequel la notion de réser ve u t ile et sa m esu re d é c r iv e n t la relation eau-sol-plante (COMBRES et
al., 1999 ; G A U D IN et al., 1999).
L'évaluation de
l'évapotranspiration
Les mesures lysimétriques
Le lysimètre est une cuve de d im en sions déterminées où l'on cultive la canne. L'évapotranspiration du co u vert (Et) se d é d u it de la mesure des termes du bilan hydrique :
Dans le cas le plus simple, le terme AS q u i re p ré s en te la v a r ia t io n du stock d'eau de la cuve est obtenu par pesée du d is p o s itif (PERRIER et al., 1974). Les autres termes (P, pluie, I, irrigation et D, drainage) sont mesu rés. Le lysim ètre à dra in ag e est un dispositif moins coûteux que le lysi m ètre à pesée. Il p e u t é v e n tu e lle m ent être m aintenu à niveau d'eau constant grâce à un siphon au fond de la cuve.
Le lysimètre devait permettre d'accé d er à l'Etm d 'u n e c u ltu re , puisque l'h u m id ité du sol peut être m ainte nue au voisinage de la capacité de ré te n tio n (ou c a p a c ité au c h a m p ) grâce à des arrosages successifs. Si la culture est un gazon bien entretenu en phase active de croissance, l'Et mesurée est par définition l'Etp. De tels disp ositifs o n t été installés dans les années soixante sur les sta tions d 'e x p é rim e n ta tio n en hydrau liq u e a g r ic o le de T a rn a (près de Maradi, Niger) et M ogtedo (près de Zorgo, Burkina-Faso) pour d éte rm i ner l'évapotranspiration de la canne à sucre. Les lysimètres d'une surface de 3 m 2 (1,50 m x 2 m) et d'une pro fondeur de 1 m étaient au centre de p a rc e lle s plus grandes c u ltiv é e s à l'identique (63 à 1 76 m 2 pour la can ne, 1 0 0 0 m 2 p o u r le g a z o n ). Les e x p é rim e n ta te u rs de l'é p o q u e o n t souvent constaté (et essayé de co rri ger) une d if fé r e n c e de c ro is s a n c e entre les cannes cu ltivé es dans les cuves et celles poussant dans la sur face de garde. Dans la situation de Mogtedo (canne de 14 mois coupée fin ja n v ie r ) , les to n n a g e s é t a ie n t 1 0 0 ,1 t / h a d a n s les c u v e s et 137,6 t/ha à l'extérieur (IRAT, 1969). En terme de consomm ation en eau et d'évapotranspiration, l'inégalité sui vante s 'a p p liq u e p ou r la d euxièm e m oitié du cycle, à partir de la phase de grande croissance (7 mois) : Etm > Evgac > Et0 (= Etp).
Le gazon de référence est Paspalum
n o ta tu m ou D ig ita ria d ecu m b en s.
Les b e s o in s en eau de la c a n n e dépassent de 40 % ceux du gazon au
boom-stage.
Les critiques formulées à l'encontre des lysimètres sont souvent les sui vantes :
- effet « pot de fleur » et consom m a tion de luxe, qui peuvent se traduire par une verse de la canne ;
- difficulté à obtenir les mêmes co u verts et enracinements dans la cuve et à l'extérieur.
Dans le cas de cannes assez hautes (dès 6 mois), l'a dvection locale d'air sec (déficit de saturation de l'air éle vé) peut aussi jouer un grand rôle et e xpliqu er que l'Etm mesurée sur de tels dispositifs dépasse l'Etp, car le gazon, ou une surface plane évapo- r a t i v e , sera m o in s a ff e c té p a r l'a d v e c tio n que la canne (BISWAS, 1988). Le facteur advection est pris en compte dans le cadre du c h oix de la ré fé r e n c e é v a p o r a t iv e u tilis é e dans la méthode clim atique.
L'évapotranspiration
de référence
et le bilan d'énergie
L 'o b te n tio n de données c lim a to lo - giques est indispensable pour le ca l cu l de l'é v a p o tra n s p ira tio n p o te n tie lle . Dans la fo rm u le de Penman (1 9 4 8 ), d e u x fa c te u rs p r in c ip a u x apparaissent : le rayo nn em en t net, Rn (en Joules / c m 2, jour) et le p ou v o ir évaporant de l'air, Ea (en mm /
jour). GENERE (1985, 1990) utilise p o u r le c a lc u l de Rn et de Ea les p aram ètre s su iva nts : le ra y o n n e m ent solaire g lobal, l'a lb é d o de la surface, la température de l'air sous abri, la tension réelle de la vapeur d'eau sous abri, la fraction d'insola tion et la vitesse du vent à 2 mètres du sol. L'acquisition et le traitement des données peuvent être a utom ati sés, c o m m e c 'e s t le cas a v e c le rés e a u de s ta tio n s C IM E L à la Réunion.
L'évapotranspiration potentielle, ca l cu lé e selon la fo rm u le de Penman ou par d'autres moyens (formule de B la n e y -C rid d le ou fo rm u le s im p li fiée fondée sur le rayonnement), est une évapotranspiration de référence. E lle est la r g e m e n t d é p a s s é e p a r l'é v a p o t r a n p ir a t i o n de la c u lt u r e quand celle-ci couvre com plètement le sol. En d'autres termes le c o e ffi cient cultural dépasse 1 (tableau 3). Trois facteurs expliquent que le coef ficient cultural dépasse 1 :
- la surface évaporante de la canne est b e a u c o u p plus im p o rta n te que celle d'un gazon. En repousse, le sol est r e c o u v e r t p a r les f e u i l l e s quelques mois après la coupe ; - l'effet du vent sera plus im portant sur la canne que sur le gazon ; - le dernier facteur est lié à la p hy siologie de la canne. En période de
b o o m - s t a g e , sa c r o is s a n c e p e u t
Tableau 3. Valeurs moyennes du coefficient cultural Kc retenues en fonction de la période de coupe sur le périmètre de Banfora, Burkina-Faso (MONTENY, 1991 ).
Couverture totale toute l'année Canne coupée en novembre Canne coupée en mars Janvier 1,1 0,4 1,1 Février 1,1 0,8 1,1 Mars 1,15 1,0 -Avril 1,2 1,2 0,4 Mai 1,25 1,25 0,8 Juin 1,1 1,1 1,1 Juillet 1,1 1,1 1,1 Août 1,1 1,1 1,1 Septembre 1,1 1,1 1,1 Octobre 1,2 1,2 1,2 Novembre 1,4 - 1,4 Décembre 1,2 0,3 1,2
atteindre des pointes de 3 cm / jour. L'activité photosynthétique qui sou t ie n t c e tte m o n té e est fo r c é m e n t accompagnée d 'u ne forte transpira tion.
Le c o e f f ic i e n t c u lt u r a l est en fa it variable à un pas de temps plus court q u e c e lu i h a b it u e ll e m e n t re te n u p o u r l 'é v a lu a t io n des b e s o in s (le mois dans les tableaux précédents), n ota m m ent en zone soudano-sahé- l i e n n e où p e n d a n t les jo u r n é e s d'harmattan, le bilan d'énergie de la c u lt u r e est a u g m e n té d 'u n te rm e d'a dvection conséquent. M O N TE N Y (19 91 ) a b ie n mis en é v id e n c e ce phénomène sur le périm ètre sucrier de Banfora en mesurant le rapport de B o w e n sur une p a r c e lle de 25 ha située au cœ ur d 'u n e zone irriguée de 1 200 ha. Ce rapport est la quan tité d'énergie utilisée pour la v apori sation de l'eau rapportée au rayon nement net reçu par la culture. Pour u ne jo u r n é e r e p ré s e n ta tiv e de la période chaude et sèche (novembre à m i- d é c e m b r e ) , ce r a p p o r t v a u t 1,37 (Rn = 11,9 M é g a jo u le /m 2. jour ; Vaporisation = 16,3 MJ / m 2. jour), alors que p ou r la saison chaude et un peu hum ide (mi-février à avril) ce rapport vaut 0,89. Dans le prem ier cas, c'est le surplus d'énergie appor té par l'harm attan qui entraîne une très forte consomm ation de l'eau : de façon exception ne lle , l'évapotrans- piration de la culture peut dépasser 1,5 fois l'évapotranspiration de réfé rence, ce qui c o n firm e , m algré les critiques formulées à leur encontre, les données lysimétriques rapportées précédemment. Dans le second cas (rapport de Bowen inférieur à 1), la culture perd une partie de son éner gie sous la fo rm e de c h a le u r sen sible. En saison fro id e et sèche, on enregistre une baisse du rapport de B o w e n j u s q u ' à 0 , 7 8 , d u e s e lo n M O N T E N Y (1991) à un refroidisse ment nocturne : la baisse de la tem pérature du sol serait préjudiciable à une bonne absorption de l'eau.
Figure 4. Données bioclimatologiques de Banda, Tchad (FOREST, 1985).
L'évapotranspiration
de référence
et l'évaporation en bac
En l'a b s e n c e de m esure des p a ra mètres de l'é v a p o tra n s p ir a tio n de référence, l'é v a p o ra tio n du bac de classe A est adopté e p o u r c a le r le bilan hydrique de la méthode c lim a tique. Simple à première vue, la mise en œuvre de cette mesure sur le bac suppose n é a n m o in s le resp ect de n orm es c o n c e rn a n t son e m p la c e m e n t p a r r a p p o r t a ux c h a m p s de canne, ses d im en s ion s , sa h auteur par rapport au sol, le niveau d'eau, et l'entretien.
La relation entre l'Etp et l'é v a p o ra tio n du bac n'e st pas u n iq u e . Elle évolue au cours de l'année, notam ment quand le vent devient un élé ment important du clim at. La bande sahélienne offre d'excellentes illu s trations de ce processus (figure 4). C e tte p r o b l é m a t i q u e du v e n t se retrouve lorsque sont évaluées l'e ffi cience et l'u n ifo rm ité de l'irrigation par aspersion (DUC, 1973).
Dans la mesure où l'évaporation bac in tè g re m ie u x que l'E tp (p a rfo is à cause du m od e de c a lc u l de cette dernière, ou en raison de données clim atiques partielles) une partie de la composante d'a dvection du bilan d'énergie, elle a souvent été retenue c o m m e une a p p ro c h e de l'é v a p o - transpiration m aximale de la culture (C H A R R O Y et al., 1 97 8). C e p e n dant, l'utilisation de cette procédure est soumise à deux lim itations : - d'un point de vue théorique, l'éva- p o t r a n s p i r a t i o n m a x i m a l e p e u t
d é p a s s e r l 'é v a p o r a t i o n en b a c , notamm ent au cours de la phase de
b oom stage si tous les autres facteurs
de production sont à l'o p tim u m ; - d'un point de vue pratique, le bac n'est pas forcém ent idéalement pla cé dans le site.
Le recours à l'évapotranspiration de r é f é r e n c e (A L L E N e t a l. , 1 9 9 8 ) constitue certainem ent la m eilleure réponse à cette d o u b le p r o b lé m a tique.
Les outils du bilan
hydrique
Les tensiomètres
Le te n s io m è tr e est un o u t i l assez ancien (RICHARDS, 1949, 1960), qui mesure l'é ta t é n e rg é tiq u e de l'eau dans le sol, c'est-à-dire son potentiel matriciel. La partie sensible du dispo s itif est une b o u g ie en c é ra m iq u e poreuse mise en contact avec le sol. Le trou d'installation est creusé avec u n e t a r iè r e d 'u n d ia m è tr e v o is in de c e lu i de la b o u g ie ( f ig u r e 5). La bougie remplie d'eau est liée à un système manométrique, par exemple une c o lo nn e de mercure ; Le systè me reste en place et nécessite une p u r g e r é g u l i è r e a v e c de l'e a u b o u illie dégazée.
La mesure peut se faire jusqu'à une lim ite de potentiel où le tensiomètre « décroche ». En effet, c'est l'attrac- < tio n du sol p o u r l'e a u q u i crée la dépression mesurée. Cette
dépres-Tube de purge Bouchon — Surface du sol C a n n e - tensiom étrique re m plie d'ea u B o u g ie
-m
^ ^ / T u b e assurant la transmission de la pressionPlanche m anom étrique
Cuve à mercure Piquet d 'in s ta lla tio n
Sol de succion - h (de potentiel m a triciel h)
ï t
* j f L , Egalité de la pression en 1 et 2 : P, = Pi™ - K pHg g p2 = Pa.m - (h ,+ a+ z-h) pra g A vec p Hg = 1 3 ,6 g /c m 3 et prau = l g / c m 3, on tire : h = -1 2 ,6 h, + a + zFigure 5. Mesure de la succion du sol avec un tensiomètre en place.
sion étant transmise par l'eau dans le dispositif, elle ne peut aller au-delà de la pression de vapeur d'eau satu rante qui est dépendante de la tem pérature (74 hPa à 40 °C, 42 hPa à 30 °C). Pour une pression atmosphé rique de 1 000 hPa par exemple, la lim ite de mesure est donc - 926 hPa à 40 °C et - 9 5 8 hPa à 30 °C. Ces valeurs sont décalées en zone d 'a lti tude, car la pression est m o in d re . Cette lim ite n'est pas gênante en sols légers, car la plage de f o n c t io n n e m ent de l'appareil couvre alors plus de la m oitié de l'intervalle d 'h u m id i té entre la capacité de rétention et le p o in t de flé tris s e m e n t p erm a ne nt, v o ire près de 90 % en sables gros siers (RICHARDS, 1949). Cette bon ne p ris e en c o m p te de la réserve facilem ent utilisable confirm e l'in té rêt de l'e m p loi des tensiomètres pour le pilotage de l'irrigation.
Le tensiomètre est un appareil plutôt destiné à une utilisation en série qu'à un usage isolé. En effet, les mesures faites en deux points donnent accès au sens du m o u v e m e n t de l'e a u entre ces deux points. Le dispositif le plus couram m ent utilisé est une bat terie de tensiomètres im plantée sur un p r o f i l , a v e c a u ta n t de t e n s i o m ètre s q u e le p e r m e t la p la n c h e m a n o m é t r iq u e (s o u v e n t c in q ). La g ra n d e u r prise en c o m p te p o u r sa variation dans l'espace n'est pas le
p o te n tie l m a tric ie l m ais la charge h y d ra u liq u e . C e lle -c i se d é d u it du p o te n tie l m a tr ic ie l en a jo u t a n t le p otentiel gravitaire égal à l'opposé de la profondeur : H = h - z. Les pro
fils de ch arge h y d r a u liq u e rensei g ne nt im m é d ia te m e n t sur la situa tio n h y d ro s ta tiq u e ou h y d r o d y n a m ique du site étudié (figure 6), et ce d'autant m ieux que le sol est profond et h o m o g è n e . A in s i, la p ré s e n c e d 'u ne nappe profonde sera signalée par un profil vertical coupant la d ro i te de saturation. Un drainage à flux constant est repérable par un profil p a ra llè le à la d ro ite de saturation, d 'a u ta n t plus é lo ig n é d 'e lle que le flux sera faible. C'est le type de pro fil qui peut se rencontrer sous canne à sucre en saison des pluies, ou lors d'irrigations prolongées.
La sonde à neutrons
Cet a ppareil perm et de mesurer in
s itu l'h u m i d i t é v o lu m iq u e du sol.
Son p rincipe de fonctio nn em e nt est le suivant : une source de neutrons rapides (mélange a m é ric iu m -b é ry l lium) est descendue dans le tube de m e s u re e n fo n c é dans le so l. Ces
Figure 6. Profils tensiométriques typiques dans le cas d'un sol profond homogène. S : droite de saturation, correspond à la surface de la nappe, h = 0, H = -z (bissectrice). N : profil influencé par une nappe, le niveau piézométrique est donné par son
intersection avec S.
E : bas de profil, en équilibre hydrostatique indiquant la présence d'une nappe en profondeur.
D1 et D2 : profils à drainage constant. Le flux d'eau traversant le profil est d'autant plus faible que D est éloigné de S.
Q : profil montrant un flux ascendant dans sa partie supérieure, un flux descendant dans sa partie inférieure. PFN, le plan de flux nul se situe là où la tangente au profil est verticale.
neutrons sont ralentis par les chocs élastiques q u 'ils subissent avec les atom es du m ilie u . L 'in flu e n c e des noyaux d'hydrogène, don t la masse est proche de ce lle du neutron, est p répondérante dans le phénom ène de ralentissement. Les neutrons dont l 'é n e r g i e est d i m i n u é e j u s q u ' à l'é q u ilib re avec le m ilie u (neutrons th e r m iq u e s ) so nt d é te cté s par un compteur. Leur nombre est sensible ment proportionnel au taux d 'h y d ro gène du m ilie u , d o n c à l'h u m id ité v o l u m i q u e (MARCESSE et C O U CHAT, 1973 ; HILLEL, 1980). La sphère d 'in f lu e n c e de l'h u m id i- mètre à neutrons est définie com m e le volum e de sol contenant 95 % du f lu x de n e u tro n s th e rm iq u e s . Son rayon est d o n n é par la fo rm u le de V A N BAVEL (1963) :
R (cm) = 15 (1/0)1/3.
Une sim ple a p p lic a tio n n um ériqu e (0 = 0 ,3 0 c m 3 / c m 3, R = 22 cm ; 0 = 0,15 cm3 1 cm 3, R = 28 cm) montre q ue les v a ria tio n s im p o rta n te s de l'h u m id ité qui seraient présentes à l'échelle centimétrique le long du tube ne sont pas com plètem ent restituées par la mesure.
Les lim ite s de la so n d e so nt b ie n connues :
- la méthode est inapplicable pour la m esu re à p r o x im i t é de la s u rfa ce (première mesure à 20 cm). L'emploi d 'u n réflecteur neu tro niq ue permet de com m encer les mesures à 10 cm ; - la m éthode est inutilisable quand l'in s ta lla tio n du tube perturbe trop les c a r a c t é r i s t i q u e s h y d r o d y n a m iq ue s du m ilie u (cuirasse, sols à galets, cailloux) ;
- l'étalonnage d oit parfois être effec tué pour chaque horizon du sol ; - le c o m p t a g e est i m p r é c i s . Ce d é fa u t de p ré c is io n est in h é re n t à l'e m p lo i de la ra d io a c tiv ité et peut être dim inu é par le choix d'u n temps de comptage plus long ou la répéti t i o n de la m e s u re . La p r é c is i o n accessible sur le terrain est de 1 % en hum idité volum ique.
I n t r o d u i t e s u r le t e r r a in à la f in des a n n é e s 6 0 et au d é b u t des années 70, la méthode neutronique a rendu de grands services en per mettant d'effectuer pour chaque site
étudié les cinétiques d 'in filtra tio n et de drainage (figure 7) ou de suivre les v a ria tio n s de sto ck d 'e a u sous culture. La détermination d'un para m ètre essen tiel en a g r ic u lt u r e , la capacité de rétention, a ainsi gagné en f i a b i l i t é (M ARC ESSE, 1 9 6 7 ; DANCETTE, 1970 ; VALET et M A R CESSE, 1980).
Les sondes
réflectométriques
La réflectom étrie tem p ore lle (TDR :
tim e d o m a in reflectom etry) repose
sur la mesure du temps de propaga tio n a lle r - r e to u r d 'u n e im p u ls io n électromagnétique le long de sondes
enfoncées dans le sol jo u a n t le rôle de guides d'onde. Ce temps dépend de la longueur des guides (2 à 3 tiges en acier inoxydable parallèles mesu rant 15 à 70 mm, voire plus), et de la vitesse à laquelle l'o nd e é lectrom a gnétique traverse le matériau. Cette vitesse (v) dép en d de la constante d ié l e c t r i q u e du m ilie u (Ka) se lo n l'équation suivante :
Ka = (c / v) 2
a vec, c, la c é lé r it é de la lu m iè r e (vitesse dans le vide).
Cette constante vaut 1 pour l'air, 3 à 5 pour les particules minérales et 80 pour l'eau, dans le d om aine de fré quence utilisé (autour du gigahertz). Le temps de propagation de l'o nd e va d o n c d ép en dre essen tiellem en t
C om ptages neutroniques en im pulsions p a r seconde
100 200 300 400
% A + L
Figure 7. Profils neutroniques obtenus par DANCETTE et al. (1969) sur le périmètre expérimental de 120 ha de Richard-Toll (Sénégal).
Cet exemple rappelle la nécessité de l'étalonnage pour obtenir l'humidité volumique et l'intérêt d'associer des mesures tensiométriques à la mesure de l'humidité pour connaître les flux profonds. La présence de discontinuités granulométriques et d'une nappe influencent fortement la dynamique de l'eau. La connaissance de ces facteurs permet de mieux définir les apports pour satisfaire les besoins en eau de la canne.
(g) : profil de la fraction argile + limons (A + L) 1 ) profil neutronique initial sec
2) profil neutronique obtenu 1 jour après le premier apport de 125 mm 3) profil neutronique obtenu 27 ¡ours plus tard
4) profil neutronique obtenu 7 jours après un second apport de 200 mm, effectué un mois après le premier apport.
de la teneur en eau du sol. Un éta lonnage permet de relier la constante diélectrique à l'h u m id ité volum ique. Le d is p o s itif de m esure p e u t c o m prendre plusieurs séries de guides. Le volum e de sol exploré par une sonde correspond à un rayon de 3 cm e nvi ron autour des tiges. Ceci permet des mesures assez proches de la surface du sol. Les tiges peuvent être im p la n tées horizontalem ent, à partir d 'u ne fosse, ou verticalem ent (diamètre des tiges autour de 5 mm). Le m ultiple xa ge permet de travailler avec plusieurs guides d'ondes, ou sondes, sim ulta nément. Celles-ci peuvent être c o m p lè te m e n t enterrées. L 'in s ta lla tio n assez facile du matériel de mesure et sa souplesse d 'u t i li s a t i o n re n d e n t cette technique très intéressante pour les cas où la te n e u r en eau du sol varie beaucoup à l'échelle centim é- trique, com m e par exem ple sous un g o u tte u r ou à p r o x im ité d 'u n p e tit asperseur employé en irrigation loca lisée (NCUYEN-THE, 1992 ; T O D O - ROFF et LANGELLIER, 1994).
Un développem ent récent de la tech n iq u e se t r a d u i t p a r la r e s titu tio n
d 'u n profil d 'h u m id ité à partir d'u ne sonde atteignant un mètre (T O D O - ROFF, 1998).
Conclusion
En dissociant l'effet du clim at de celui du d é v e lo p p e m e n t de la p lante, la m éth od e c lim a tiq u e de d é te rm in a tion des besoins en eau se place à un niveau d'application très général. Les co efficients c u ltu ra u x Kc sont asso ciés à une situ atio n où la n u tritio n minérale de la canne est satisfaisante et où les ennemis de la culture (mala dies, etc.) sont inopérants. Aucun fac teur lim ita n t de la croissance n'est identifié, excepté ceux liés au clim at (ra y o n n e m e n t, te m p éra ture). Cette m é t h o d e d o n n e d o n c u n e b o r n e s u p é rie u re des besoins en eau qui peut servir pour le choix et le dimen- sionnement d'un système d'irrigation. Sur le terrain, la canne ne pousse pas f o r c é m e n t d a n s des c o n d i t i o n s idéales. Il y a donc le risque d 'a pp or te r p lu s d 'e a u q u e n é c e s s a ire en a p p liq u a n t sans d is c e rn e m e n t les c o e f f i c i e n t s c u l t u r a u x . Le b il a n
h y d riq u e d o it d o n c être c o n trô lé à c h a q u e c a m p a g n e , sur le t e r r a in p ou r é viter des dérives trop im p o r ta n te s , e t a p p o r t e r les c o r r e c t if s nécessaires, par e xem ple en tenant compte de l'évolution du rendement potentiel de chaque repousse. La m éthode te nsio m é triq ue est une a lterna tive intéressante mais il faut p o u v o ir m o b ilis e r la ressource en eau à tout m om ent : c'est le cas d'un pivot d'arrosage m uni d'une unité de p om pa ge ind ép en da nte, mais cela n'est plus possible si plusieurs pivots d o i v e n t r e s p e c te r un p l a n n i n g d 'e m p lo i (lim ita tio n de l'énergie ou de l'eau). Cette lim itation vaut à plus forte raison sous un canon d'arrosage ou un asperseur déplaçable.
Les t e n s io m è t r e s p e r m e t t e n t de suivre en d irect la relation eau-sol- plante alors que les coefficients c u l tu ra u x , in d is p e n s a b le s p o u r fa ire t o u r n e r les m o d è le s de b il a n h y d r iq u e , d o i v e n t ê tre a m é lio ré s p ou r bien te n ir co m p te de la situa tio n lo c a le (DANCETTE, 1991). Ils o n t d o n c to us les d e u x leu r p la c e d a n s la p a n o p l i e des o u t i l s de l'exploitant.
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Résumé. ..Abstract... Resumen
R. GAUDIN — L'évaluation des besoins en eau de la canne.
Plusieurs exemples illustrent l'e m plo i de la méthode clim atique pour d éterm iner les besoins en eau de la canne. La référence à l'évaporation doit être précisée : pour des études anciennes, il s'agit de l'évaporation d'un gazon ou de l'évaporation en bac. Dans les études plus récentes, la fo rm u le de Penman, où sont rentrés les paramètres afférents à un gazon en croissance, est de plus en plus u tilis é e . Les c o e ffic ie n ts c u ltu ra u x s'établissent autour de 0,4 dans les premiers mois du cycle et atteignent 1,1 à 1,2 en phase de grande croissance. Ces valeurs sont à majorer lorsque le vent modifie le bilan d 'é n e rg ie de la c u ltu re : c'e s t le cas en p é rio d e d 'h a rm a tta n pour la zone so u d a n o -sa hé lien n e. La méthode tensiométrique de pilotage des irrigations est aussi une méthode directe de détermination des besoins en eau, applicable lorsque la ressource en eau n'est pas limitée et lorsque la circulation de l'eau au sein du sol est favorisée par la grande profondeur et l'homogénéité du profil et par la prépondérance des sables. L'emploi des méthodes climatique et tensiométrique va de pair avec l'établissement du bilan hydrique de la culture. Trois outils sont décrits : les tensiomètres, la sonde à neutrons, les sondes réflectométriques.
Mots-clés : besoins en eau, S a c ch a ru m , irr ig a tio n , méthode climatique, bilan hydrique, tensiomètre, sonde à neutrons, Afrique.
R. GAUDIN — Evaluation of sugarcane water requirements.
There are several examples of the use of the climatic method to determine sugarcane water requirements. It is im p o rta n t to be sp ecific a b o u t any re fe re n c e to evaporation: in older studies, this refers to evaporation from grass or from a pan, while in more recent studies, Penman's fo rm u la , which integrates the parameters relating to growing grass, has increasingly been used. The crop coefficients are around 0.4 in the initial months of the cycle, reaching 1.1 to 1.2 during the main growth stage. These values are higher if the wind affects the crop energy balance, as is the case during the Harmattan in Sudanian-Sahelian areas. The tensiometric method of irrigation control is also a direct way of determining water requirements, which can be used if water supplies are not limited and water circulation within the soil is favoured by the depth and h o m o g e n e ity o f the p ro file and the preponderance oí sand in the soil. Using climatic and tensiometric methods goes hand in hand with establishing the crop w a te r balance. Three tools are described: tensiometers, neutron probes and reflectometric probes. Keywords: water requirements, Saccharum, irrigation, climatic method, water balance, tensiometer, neutron probe, Africa
R. GAUDIN — Evaluación de los requerimientos hidricos de la caña.
Varios ejemplos ¡lustran el empleo del método climático para determinar los necesidades de agua de la caña. Debe precisarse la referencia a la evaporación: en estudios más antiguos, se trata de la evaporación de césped o de la evaporación en recipiente. En los estudios más recientes se utiliza cada vez más la fórmula de Penman, en la que e n tra n los p a rá m e tro s re la tiv o s a un césped en crecim iento. Los coeficientes de cultivo se establecen a lre d e d o r de 0 ,4 en los p rim eros meses del ciclo y alcanzan 1,1 a 1,2 en la fase de gran crecimiento. Dichos valores deben incrementarse cuando el viento modifica el balance de energía del cultivo: esto ocurre en periodo de h arm attan en la zona sudano saheliense. El método tensiométrico de control de riegos es también un método directo para d ete rm in ar los requerim ientos hidricos, aplicable cuando los recursos de agua no son limitados y cuando la gran profundidad, la homogeneidad del perfil y el predominio de arenas favorecen la circulación del agua en el suelo. El e m p le o de los m étodos clim á tico y tensiométrico va acompañado del establecimiento del balance hídrico del cultivo. Se describen tres instrumentos: te n s ió m e tro s , sonda de n e u tro n e s y sondas reflectométricas.
Palabras clave: requerim ientos hidricos, Saccharum , riego, método climático, balance hídrico, tensiómetro, sonda de neutrones, Africa.
