Réserve utile
et mesures d'hum idité
Difficulté de calage des modèles
de bilan hydrique
Les modèles classiques de simulation du bilan hydrique utilisent la notion
de réserve utile (RU), fraction du stock d'eau du sol utilisable par la plante.
Lorsque l'on veut comparer les résultats des simulations à des mesures
d'humidité in situ, on rencontre deux problèmes. Quelle valeur de RU introduire
dans le modèle ? Quelle fraction de la RU représente le profil d'humidité mesuré ?
J.-C. COMBRES, L. LE M E Z O , M . METE, B. BOURJON C ira d , BP 3 9 8 M o n tp e llie r C edex 5, France
iean-claude.com bres@ cirad.fr
Introduction
La réserve utile est définie com m e le stock d'eau compris entre la capaci té de rétention (CR) et le point de flé trissem ent (WP). Elle ne représente q u 'u n e fa ible partie du stock d'eau total du sol (environ 20 % dans notre exem ple). Les erreurs d 'e s tim a tio n de CR et W P p e u v e n t in d u ir e une grande erreur relative sur l'e s tim a tio n de la réserve u tile . La CR est inférieure à la capacité de saturation (CS), h u m id ité m a x im a le d 'u n sol saturé d 'e a u , et sa d é t e r m in a tio n n'est pas aisée. Pour WP, on consi dère g é n é ra le m e n t q ue la p lu p a rt des pla ntes a tte ig n e n t le flé tris s e ment permanent lorsque le potentiel de l'eau dans le sol est de - 16 bars (pF = 4,2). M ais l'h u m id ité corres pondante n'est pas mesurée in situ. La mesure d'u n profil d 'h u m id ité du sol p e rm e t de d é te rm in e r le stock d'eau. Pour raisonner en termes de
c o n te n u de la RU, il fa u t p o u v o ir p o s itio n n e r ce p ro fil par ra p p o rt à celui de CR et de WP. Il est en effet possible de mesurer des hum id ités s u p é rie u re s à la CR. A in s i, e n tre deux mesures, la variation de stock ne correspond pas à la variation de RU car une partie de l'eau est perdue par drainage gravitaire rapide. Il est é g a le m e n t p o s s ib le de m e s u re r
in situ des h u m id ité s in fé rie u re s à
c e lle d é te rm in é e en la b o r a t o ir e à pF = 4,2. Il est donc nécessaire, pour caler des modèles, de déterminer in
situ le profil de CR (méthode du drai
nage interne) et le profil d 'h u m id ité minimale.
Pour l'u tilisation de modèles validés, sans comparaison avec des mesures, il suffit d 'in tro d u ire dans le modèle la v a l e u r c o r r e c t e de la RU. C o m m e n t la d é t e r m in e r ? La RU t o t a l e est la s o m m e des RU de ch aq ue co u c h e de sol ju s q u 'à une profondeur au-delà de laquelle l'eau
mesures de l'eau dans le sol
du sol n'est plus u t ilis a b le par les racines. C om m e n t d éterm iner cette profondeur ? Cette notion de RU est t e l l e m e n t c o n n u e q u ' i l s e m b le q u 'il n'y ait aucun problèm e pour la d é t e r m i n e r . P o u r t a n t , s e lo n les méthodes et les hypothèses utilisées, on peut a b o u tir à des résultats très différents.
Sa d é te rm in a tio n pose é g a le m e n t des problèm es sur les sols c a illo u teux, avec des roches basa ltiq ue s poreuses et de répartition hétérogè ne. Dans ce cas, très fréquent sur les sols d 'origine volcanique de l'île de la Réunion, les mesures d 'h u m id ité s'avèrent délicates ou impossibles. Des m é th o d e s in d ire c te s d o iv e n t être envisagées en utilisant la plante c o m m e in d ic a te u r de s a tis fa c tio n hydrique.
Les expérim entations conduites sur un sol ferraiIitique à caractéristiques andiques de l'île de la Réunion illus trent ces difficultés.
Le contexte
des essais
Le sol
Le sol ferra 11 ¡ti q ue b ru n rougeâtre développé sur basaltes (unité 45) est d é c r it par R A U N E T (1 9 9 1 ). Il est constitué de trois horizons :
- l'horizon de surface de 20 à 30 cm d'épaisseur est meuble, bien structu ré, sans ca illou x et à fort développe ment racinaire ;
- l'h orizon suivant, de 30 à 100 cm d'épaisseur est de texture très a rg i leuse, in c lu a n t q uelques c a illo u tis très altérés. La cohésion est forte. Les racines sont encore abondantes ; - en dessous, le long de fissures où
l'e au c irc u le bien, se tro u v e n t des zones meubles où les racines peu vent encore pénétrer.
Du point de vue hydrique, LANGEL- LIER-BELLEVUE (1992) d iffé re n c ie s u r le s ite de m e s u re à 2 5 0 m d'altitude :
- un h o r iz o n s u p e r f i c i e l ju s q u 'à 8 0 c m , c o r r e s p o n d a n t a u x d e u x h orizons précédents, où la c irc u la
tion de l'eau est p lutôt rapide (com p o r te m e n t h y d r o d y n a m iq u e t y p i quement ferraiIitique) qui ne favorise pas le remplissage de la microprosi-té ;
- l'h o riz o n inférieur ayant un fo n c tio n n e m e n t h y d riq u e in flu e n c é par le caractère andique de ces couches. RAUNET et LANGELLIER-BELLEVUE o n t d é t e r m i n é u n e p r o f o n d e u r m o y e n n e p r o s p e c t a b l e p a r les racines de 1,5 m et une RU corres pondant à 130 mm.
Si ces sols s'asséchent, ils présentent un retrait important. Lors d'u n passa ge à l'é tu v e à 1 05 °C p e n d a n t 48 heures, HUSSENET (1996) note une d im in u tio n de volum e de l'ordre de 19 % sur les 8 0 p r e m ie r s c e n t i mètres, 32 % au-delà.
Les sites et les dispositifs
de mesure de la capacité
de rétention
B O U R O N (1 9 9 0 ) a d é te rm in é les cara ctéristiqu es h y d ro d y n a m iq u e s de ce sol sur u n e t o p o s é q u e n c e allant de 150 m à 650 m d'a ltitude. D eux sites localisés à 150 et 300 m d 'altitude sont voisins du site actuel (25 0 m). La m é th o d e du d ra in a g e interne (double anneau) a été prati q u é e a v e c un a p p o r t d 'e a u de 3 0 0 m m . Les mesures d 'h u m id i t é é taie nt réalisées avec une sonde à neutrons (Solo 25) ju s q u 'à 1 m de profondeur sur un seul tube d'accès selon les p ro c é d u re s d é c rite s par DANCETTE (1970).
Le site a c tu e l est une p a r c e lle de 0 ,8 ha p la n t é e en c a n n e à s u c re (variété R570) à un é c a rte m e n t de 1,5 m, à 250 m d'altitude. Deux dis p o s itifs de mesure d 'h u m id it é par réflectométrie temporelle (TDR) sont en place depuis février 1995 pour le premier, février 1996 pour le second. Le T D R u t i l i s é (Trase s y s te m I, version 1800 de Soil M oistu re ) est c o n n e c té à un m u lt ip le x e u r 6 0 2 0 sur ch a q u e site. Les capte urs sont 3 6 s o n d e s e n t e r r a b le s à 3 b r in s (modèle GOE 6005 L 2). Sur chaque d is p o s itif une fosse la té ra le a été ouverte (fosse 1, fosse 2). Les sondes
sont installées horizontalem ent dans le sol non remanié, et sous la ligne de cannes. Elles sont équidistantes de 20 cm sur les axes longitudinal et v e rtic a l (figu re 1). Six sondes sont u tilisées par nive au , sur 6 p r o fo n deurs de mesure de 20 à 120 cm. Les fosses d'accès ont été refermées aus sitôt après l'installation. Trois années plus tard, il est peu probable que le re m a n ie m e n t du sol, en dehors de la z o n e de m esure, a it un im p a c t significatif.
Les c in é tiq u e s de ressuyage par la m éthode du drainage interne et du d ou ble anneau o nt été effectuées à la ré c o lte sur les d e u x d is p o s itifs , sans destruction des souches, mais avec les p ré c a u tio n s d'usage p ou r éviter toute évaporation de surface. Pour s 'a ffra n c h ir des d iffic u lté s de rem plissage de la m ic ro p o ro s ité et du temps de g on flem en t du sol, un apport d'eau de longue durée, d'un m ontant supérieur à 4 000 mm a été pratiqué.
Pour c a lc u le r les h u m id ité s v o lu - m iq u e s à p a r tir des c o n d u c tiv ité s (Ka) mesurées T O D O R O F F (1993) a montré que l'étalonnage standard de TOPP et al. (1980) convenait bien pour les horizons de surface jusqu'à 70 cm. En revanche, il ne convenait pas p o u r les h o r iz o n s p r o fo n d s . L 'é t a l o n n a g e de T O D O R O F F et LANGELLIER (1998) est utilisé de 80 à 120 cm. O n a donc les deux équa tions :
- é q u a t i o n 1 p o u r les h o r iz o n s superficiels (0 - 7 0 cm),
H v % = 4 ,3 .1 0 ’4 X Ka3 - 5 ,5.1 0 2 x
Ka2 + 2,92 x Ka - 5,3
- équation 2 pour les horizons p ro fonds (70 - 120 cm),
H v % = 1,8.10 '3 x Ka3 - 1,57.10 1 x Ka2 + 4,99 x K a - 9 , 6
a v e c H v % , t e n e u r en eau v o l u m ique ; Ka, constante diélectrique. Le système de mesure est sensible à la te m p éra ture. U ne fo rm u le a été é ta b lie p o u r c o r r ig e r ce tte d é riv e th e rm iq u e dans la gam m e de 20 à 32 °C. L'ajustement est exponentiel. La CR est déterminée par la méthode de MARCESSE (1967).
réserve utile : exem ple la Réunion
Les modes
de calcul testés
Calcul des stocks à partir
des humidités mesurées
Le s to c k d 'e a u Sz (en m 3) d 'u n e couche de sol est le p ro d u it de son h u m i d i t é v o l u m i q u e H v z (en m 3d 'e a u /m 3de sol) par le v o lu m e considéré. Pour exprim er Sz en mm, on considère une surface de 1 m2 et l'on exprim e l'épaisseur z en mm : Sz (mm) = H vz (m3/m 3) x z (mm). Si les mesures so nt faites to us les 20 cm, on considère que la mesure est représentative d 'u n e c o uch e de 10 cm de part et d'autre du point de m e s u re . P o u r la m e s u re la p lu s proche de la surface (ici à 20 cm de la surface), on considère générale m ent que la première couche a une é p a is s e u r de 3 0 c m ( B O U R O N 1 99 0). C ette te c h n iq u e c o n d u i t à surestimer l'h u m id ité de la co uch e 0 - 10 cm en phase d'assèchement, et à la s o u s - e s tim e r en pha se de réhumectation. Il est donc préférable d 'e s tim e r l'h u m id it é de la c o u c h e 0 - 10 cm en extrapolant le gradient 20 - 40 cm à la cote 5 cm. O n calcule donc : Hv5 = H v20 - 0,75 x (Hv40 - Hv20) alors S5 = H v5 x 100, et p o u r les a u tr e s c o u c h e s Sz = H v z x 2 0 0 a v e c H v z , h u m i d i t é v o l u m i q u e au n iv e a u z ; Sz, s to c k d 'e a u sur la tr a n c h e de sol z c e n tré e sur le niveau z.
Détermination
des valeurs d'hum idité
maximale et minimale
en conditions naturelles
La parcelle a été c o nd uite sous des régim es h y d riq u e s variés re le v a n t d'autres expérimentations. Plusieurs c in é tiq u e s d 'a s s è c h e m e n t intense o n t pu être s u iv ie s sans to u t e fo is atteindre la m orta lité de la culture. O n d is p o s e d o n c des h u m id i t é s m axim ales et m in im a le s observées p our chaque couche, ainsi que des s to c k s m a x i m a l et m i n i m a l sur 130 cm. Les humidités extrêmes sont observées à des dates qui d iffèren t p o u r c h a q u e c o u c h e . Les s to c k s maximal et m inim al sont donc légè rement différents des stocks calculés à partir des humidités maximales et minimales par couche.
Méthodes de calcul
de la RU
Les résultats de plusieurs approches sont comparés.
La méthode de laboratoire
Des échantillons de sol sont prélevés par la m éthode des cylin d re s à 20, 50 et 100 cm . Les pF à 5 cm sont e x tra p o lé s , c o m m e les h u m id ité s mesurées in situ, pour permettre les c o m p a ra is o n s . Les h u m id ité s des échantillons sont mesurées en labo ratoire à différents pF. Le pF, loga rithme de la pression appliquée pour extraire l'eau, représente le logarith me du potentiel de l'eau. O n établit ainsi la courbe potentiel = f(hum idi- té). A q u e l pF, l 'h u m i d i t é e s t-e lle caractéristique de la CR in situ ? Un c h o ix inadéquat biaise l'estim ation de la RU. De nombreux travaux por tent sur ce thème, ce pF varie selon les sols, et l'o n retient en m oyenne pF = 2 ,5 . Pour ce sol, à p a r tir de mesures in situ antérieures, JOUVE (1984) et B O U R O N (1990) trouvent respectivement pF = 1,8 et pF = 1,7. La v a le u r 1,8 a été re te n u e p o u r m in im is e r les e rre u rs . O n a p o u r chaque couche : RUz = (Hv x (pF = 1,8) - Hv x (pF = 4,2)) x z.
La méthode des humidités
minimales et maximales
par couche
Pour s'affranchir du problèm e de la CR et des écarts entre les mesures in
situ et en laboratoire, on utilise les
h um id ités m axim ales et m in im a le s mesurées par couche. O n a alors : RUz = (Hvz max - Hvz min) x z.
Les méthodes mixtes
Les m éth o d e s m ixtes c o n s is te n t à prendre indifférem m ent des h u m id i tés mesurées in situ et en laboratoire.
La méthode g lo b a le
Proposée par V A K S M A N (1987), la m éthode globale consiste à ne plus r a i s o n n e r p a r c o u c h e m a is sur l'ensemble du profil. Le stock d'eau est mesuré sur une profondeur suffi-□ Goutteur
••• Sondes TDR
Figure 1. Mise en place des sondes pour la mesure de l'humidité
par la méthode de réflectométrie temporelle (TDR), sous culture de canne à sucre.
mesures de l'eau dans le sol
v $
---santé p o u r que l'h u m id ité en p ro f o n d e u r v a r i e p e u au c o u r s du temps. La RU est la différence entre le stock à la CR et le stock m in im a l observé.
La profondeur
d'enracinement à retenir
A l'exception de la méthode globale, la p ro fo n d e u r de sol à p re n d re en compte est fondée sur la profondeur d'enracinem ent de la culture. Q uelle p r o f o n d e u r p re n d re en c o m p te ? C H O P A R T (1 9 8 5 ), C H O P A R T et V A U C L I N ( 1 9 9 0 ) , C H O P A R T et M A R IO N (1994) préconisent de fixer le front racinaire à la profondeur de la dernière racine visible. On utilise p a rfo is une n o tio n plu s vague, la p ro fo n d e u r à p a rtir de la q u e lle on o b s e r v e m o in s de 5 à 10 % de racines. Des profils racinaires ont été déterminés sur le site par HUSSENET (1996), et répétés u lté rie u re m e n t, par la méthode de la grille de maille 1 0 x 1 0 cm. Au-delà de 80 cm (hori zon de type andique) on a observé un seul impact de racine à 100 cm. Selon les méthodes, on devrait rete n ir 80 ou 100 cm . Les d eu x h y p o thèses retenues sont 90 cm et 130 cm (ensemble du profil).
Résultats
Cinétiques de ressuyage
par drainage interne
En analysant l'é v o lu tio n tem porelle du logarithme népérien de l'h u m id i té MARCESSE (1967) met en éviden ce deux phases : une cinétique rapi de de d ra in a g e g ra v it a ir e , et une c in é tiq u e lin é a ire lente ne fa isan t intervenir que les forces capillaires. La p re m iè re phase est très ra p id e dans ce sol (moins de 15 h) com m e l'a v a it m ontré LANCELLIER-BELLE- VUE (1992). Dans la phase linéaire la régression Ln(Hv) = at + b, a été établie pour chaque couche. L'expo n e n tie lle de l'o rd o n n é e à l'o rig in e donne l'h u m id ité à la CR.
La c a p a c ité au cham p
La capacité au cham p (CC), notion a g r o n o m iq u e , est c la s s iq u e m e n t d é fin ie c o m m e l'h u m id ité d 'u n sol ressuyé, 48 heures après des pluies s a turan te s . D ans le cas de ce sol à ressu yag e e x t r ê m e m e n t r a p id e (figure 2), l'h u m id ité à 48 heures est très élo ign ée de la CR. C'est p o u r q u o i nous pro po son s de d é fin ir la CC c o m m e l ' h u m i d i t é à p a r t i r de l a q u e l l e l ' é v o l u t i o n d e v i e n t log-linéaire, son évolution ne faisant plus appel aux forces gravitai res. Elle est déterminée à partir de l'ana lyse des résidus entre la d ro ite de régression L n (H v ) = f(t) et Ln(H v) mesurée. Elle est très p ro c he de la CR, pour ce type de sol.
Les effets des techniques
de mesure
O n constate (figure 2) un com porte ment fortem ent différencié des trois premières couches ferraiI¡tiques de 20 à 60 cm. Pour les couches 80, 100, et 120 cm les humidités sont quasiment identiques, et l'écart entre la capacité de saturation et la capacité de réten tion est très faible. Les CR obtenues (tableau 1) sont voisines sur les deux fosses de mesure, mais systématique ment plus faibles sur la fosse 2. Elles diffèrent sensiblement de celles déter minées par B O U R O N sur ses sites à 150 et 300 m d'altitude et se rappro chent de celles du site à 650 m, plus franchement andique. Il est vraisem blable que ces écarts reposent essen tiellement sur les techniques utilisées.
Avec la sonde à neutrons, les étalon nages in situ sont peu précis, d 'u n e part à cause de la densité, d'autre part à cause de la r e p ré s e n ta tiv ité des c y lin d re s prélevés par ra p p o rt à la sphère d'influence de la sonde. Enfin, les faibles variations d 'h u m id ité lors de l'étalonnage induisent des erreurs liées à la régression ; ceci rend les éta lonnages peu fiables pour les horizons profonds (BOURON, 1990). De plus, il est probable que sur ce type de sol, un apport de 300 mm soit insuffisant pour saturer la microporosité.
Les humidités
caractéristiques
L'écart entre la CS et la CR (tableau 2) d é c r o î t a v e c la p r o f o n d e u r . Il représente, p o u r to u t le p r o fil, un é c a r t de s to c k s de 64 m m (50 % environ de la RU).
Les humidités maximales mesurées in situ sont supérieures à la CR. L'écart décroît également avec la profondeur et représente 35 mm (27 % de la RU) sur l'ensemble du profil.
A ve c une irriga tion goutte à goutte q u o tidien ne , les mesures a u to m a ti sées peuvent exceptionnellem ent se produire dans des conditions transi toires d'excès d'e au (pendant l'i r r i gation), et fo u rn ir des valeurs c o m prises entre la capacité de saturation et la c a p a c ité de ré te n tio n . Si l'o n r e t ie n t ces h u m id ité s m a x im a le s p our caractériser la CR, on fait des erreurs importantes (35 mm), corres p o n d a n t à une s e m a in e d 'é v a p o transpiration (4 à 6 mm/jour).
Tableau 1. Comparaison des capacités de rétention sur cinq sites classés dans la même unité de sol.
Profondeur Humidité volumique à la capacité de rétention (m3 d'eau/m3 de sol) (cm)
Parcelles étudiées par BOURON Parcelles étudiées par TDR
en fonction de l'altitude (réflectométrie temporelle)
150 m 300 m 650 m Fosse 1 Fosse 2 20 0,39 0,40 0,48 0,444 0,422 40 0,41 0,42 0,47 0,478 0,493 60 0,42 0,44 0,53 0,515 0,499 80 0,43 0,47 0,56 0,554 0,53 100 0,43 0,46 0,56 0,557 0,53 120 - - - 0,551 0,529
réserve utile : exem ple lo Réunion
Temps (h)
F ig u re 2 a
Temps (h)
F ig u re 2 b
L'hum idité à pF = 1,8 surestime légè rem ent l'h u m id ité à la CR de façon plus marquée en surface. L'écart est de 2 4 m m (1 8 % de la R U ). O n aurait pu c h o is ir un seuil de pF un peu plus élevé (1,9 ou 2) et des seuils différents pour chaque couche. Mais en fonction de quoi les déterminer ?
Les hum id ités m in im a le s mesurées de 2 0 à 60 c m s o n t in fé r ie u r e s à c e lle s m esu ré es en la b o r a t o ir e à pF = 4,2. A u -d e là de cette p ro fo n deur, c'est l'inverse. De ce fait l'écart sur le profil n'est que de 12 mm (9 % de la RU). Ce p hé no m è ne est bien c o n n u en s u r fa c e et d é c r i t p a r ALLEN et al. (1998) pour les 10 à 15 premiers centimètres (séchage à l'air libre). M ais un tel écart sur 60 cm d o it a v o ir une autre origin e. B O U RON (1990) a m o n tré le décalage existant entre les courbes liant le pF et l'h u m id ité obtenues in situ et en la b o ra to ire . Pour les fa ib le s pF, il peut aller jusq u'à 10 % d 'h u m id ité v o lu m iq u e . O n ne possède pas de mesures in situ à des pF élevés. Il est
Figure 2. Evolution de l'humidité à différentes profondeurs : cinétique de ressuyage.
2a. Suivi exprimé en % d'humidité en fonction du temps (heures). 2b. Suivi exprimé en Ln(humidité) en fonction du temps (heures).
Tableau 2. Humidités mesurées sur les deux emplacements du site expérimental. Les humidités à CS, CR, CC sont mesurées lors des cinétiques de ressuyage. Les humidités maximales et minimales sont mesurées en conditions naturelles, celles à pF = 1,8 et à pF = 4,2 sont obtenues en laboratoire.
Profondeur Fosse 1 Fosse 2
(cm)
es Max pF 1,8 CR CC pF 4,2 Min es Max CR CC Min
5 0,531 0,463 0,485 0,419 0,410 0,354 0,219 0,524 0,485 0,369 0,361 0,152 20 0,533 0,480 0,491 0,444 0,438 0,365 0,285 0,531 0,486 0,422 0,415 0,251 40 0,536 0,511 0,499 0,478 0,475 0,380 0,369 0,541 0,515 0,493 0,487 0,382 60 0,534 0,530 0,499 0,515 0,511 0,429 0,422 0,539 0,511 0,499 0,495 0,41 80 0,587 0,578 0,565 0,554 0,553 0,446 0,476 0,631 0,541 0,530 0,526 0,468 100 0,587 0,584 0,565 0,557 0,556 0,446 0,483 0,595 0,545 0,530 0,526 0,465 120 0,587 0,568 0,565 0,551 0,55 0,446 0,485 0,582 0,568 0,529 0,525 0,477 Stock (mm) 0-130 726 697 686 662 658 538 526 736 682 638 631 506
La valeur à 5 cm est calculée, les autres sont mesurées. La précision est de 0,01 m3 d'eau/m3 de sol. Les humidités sont exprimées en m3 d'eau/m3 de sol.
mesures de l'eau dans le sol
---vraisem b la ble q u 'u n écart persiste, ce qui expliquerait les divergences.
Conséquences
sur l'estimation
de la réserve utile
Il faut être très vigilant sur la m étho de de détermination de la RU. Selon les seuils d 'h u m id i t é m a x im a le et m inim ale choisis pour le calcul de la RU, et selon les profondeurs d'enra c in e m e n t retenues, on o b tie n t des valeurs différentes (tableau 3). Les différentes hypothèses sont a p rio ri logiques, et ne paraissent pas aber rantes. P o u rta n t dans la p ra tiq u e , elles conduisent à des résultats très co ntrastés a lla n t de 61 à 1 76 mm selon les modalités retenues.
La RU obtenue selon
les différentes approches
La méthode g lo b a le
P ro p o s é e p a r V A K S M A N N , la m é th o d e g lo b a le q u a n tifie b ien la part complète du stock qui a c o n tri bué à l'évapotranspiration. O n pour rait craindre q u 'e lle m in ore la v é ri ta b le RU. Un stress h y d riq u e plus intense a u ra it pu abaisser le stock m in im a l de q u e lq u e s m illim è tre s , g uè re p lu s c o m p te te n u du stress subi. Mais cette méthode ne peut en aucun cas surestimer la RU. Elle est inse nsib le à la p ro fo n d e u r c h o is ie
dès que le niveau bas de mesure est suffisamment profond.
Les d eu x fosses du m êm e site, qui o n t des h u m id ité s très d ifférentes, ont, par cette méthode des RU quasi m e n t i d e n t iq u e s . C e c i s o u l i g n e l'im portance d'étalonner chaque site de mesure avant de les utiliser pour des travaux de modélisation.
Cette a pproche globale fo u rn it une valeur moyenne de RU de 130 mm id e n tiq u e à c e lle é ta b lie par R A U NET sur 150 cm.
M étho d es donnant
des résultats similaires
O n obtient des résultats similaires en u tilis a n t la CC au lieu de la CR du fa it que ces d eu x valeurs sont très voisines. O n o btie nt également des résultats assez proches en intégrant sur tout le profil (130 cm) les RU par couches calculées à partir de la CR (ou CC) et de l'h u m id ité m inim ale de la c o u c h e . M a is c e tte m é t h o d e , com m e toutes les suivantes, est sen sible à la profondeur d'intégration.
La méthode de laboratoire
Elle fo urnit une valeur un peu supé rieure (148 mm sur 130 cm), liée à la lé g è r e s u r e s t i m a t i o n de CR p a r pF = 1,8. M ais cette relative p ré c i sion n'a pu être obtenue que grâce à des c in é tiq u e s de ressuyage et des mesures de pF antérieures q u i o n t p e rm is de c h o is ir pF = 1,8. A v e c pF = 2 , 5 , la RU a u r a i t été so us- estimée.
La méthode des humidités
maximales et minimales
par couche
Sur ce ty p e de sol, c ette m é th o d e fournit une forte surestimation de la RU (+ 3 3 %) dans nos c o n d it io n s e x p é rim e n ta le s c a r les h u m id ité s maximales surestiment la CR.
La méthode mixte
A s so cier une h u m id ité c a ra c té ris tiq u e m esu ré e in situ (CR ou CC) avec une h u m id ité m in im a le déter m in é e en l a b o r a t o i r e (pF = 4 ,2 ) c o nd uit à des résultats aléatoires. La RU est du même ordre de grandeur, légèrement inférieure, à ce lle de la m éth od e g lo b a le sur la fosse 1. En revanche, sur la fosse 2 elle est net te m e n t in f é r ie u r e (- 3 0 % ). C 'e s t assurém ent une « p s e u d o -v a ria b i lité » spatiale uniqu em en t liée à la méthode de calcul.
L'impact de la profondeur
d'enracinement
La c o h é re n c e des RU déterm inées sur 1 3 0 cm, pour un sol qui ne pré sente pas d 'o b s ta c le p h y s iq u e à la pénétration des racines sur au moins
1 5 0 cm , v ie n t d 'ê tre analysée. Dès q u e l 'o n i n t r o d u i t la p r o f o n d e u r d'enracinement, la RU est fortement sous-estimée par rapport à la métho de globale. Les écarts relatifs entre les m é th o d e s so nt a c c en tué s . O n obtient ainsi avec la méthode mixte - sur la fosse 2 une valeur de RU infé rieure de moitié.
Pourquoi l'intro du ction de la p rofon deur d'enracinem ent observée in situ c o n d u it-e lle à une sous-estim ation de la RU ? D 'u n e part, l'estim ation de la densité racinaire sur un plan ne fournit pas obligatoirem ent une bon ne image de la répartition volu m iq ue des ra c in e s a u x fa ib le s d e n s ité s . D'autre part, la notion de RU est une sim plification relative à un fo nctio n nement global. Si l'on veut prendre en compte la répartition racinaire, il f a u d r a i t in t é g re r les m é c a n is m e s c o m p le x e s de tra n s fe rt d 'e a u des z o n e s n o n p r o s p e c t é e s p a r les ra c in e s vers ces d e rn iè re s , et des Tableau 3. Valeur de la RU selon le mode de calcul pour deux profondeurs
d'enracinement.
Mode de calcul RU sur 130 cm RU sur 90 cm
hiv à pF = 1,8 - Hv à pF = 4,2 148 mm 100 mm
Fosse 1 Fosse 2 Fosse 1 Fosse 2
Stock CR - stock min 134 131
Stock CC - stock min 130 125
Hv à CR - Hv min 136 132 108 108
Hv à CC - Hv min 132 125 104 103
Hv max - Hv min 171 176 134 142
Hv à CR - Hv à pF = 4,2 124 100 81 67
réserve utile : exem ple la Réunion
Mesure de la transpiration d'un couvert
de canne à sucre
FERRAND (1991 ) a utilisé la méthode de mesure des flux de sève par bilan d'énergie (Dynamax Inc.) pour mesurer la transpiration d'un couvert de cannes à sucre. Six cap teurs SGB 32 sont utilisés. La parcelle était en 5e repous se de 9 mois, variété R570, assurant une pleine couver ture. A ce stade la c o ntribu tion de l'évaporation du sol dans l'évapotranspiration est négligeable. Le sol est un sol brun sur coulée de la phase IV de la Fournaise sans recouvrem ent pyroclastique, unité 50, et cartographié com m e peu profond (50 cm) à fortes pierrosité et hétéro généité spatiale. RU = 50 mm.
La transpiration (TR) ainsi mesurée est rapportée à l'éva- potranspiration de référence (ET0). Ce rapport est suivi au cours d'une cinétique d'assèchement de la parcelle. Elle a été préalablement irriguée en excès pour s'assurer qu'au temps t0 de la cinétique, l'eau n'était pas un fac teur limitant.
Tant q u 'il y a de l'eau dans la réserve fa cile m e nt u t ili sable (RFU), le rapport TR / ET0 reste voisin de 1. Ensuite, il d écroît et est p ro p o rtio n n e l au contenu re la tif de la réserve difficile m e nt utilisable (RDU). La cinétique a été perturbée par deux pluies le 30e jo u r (30 mm) et le 42 e jo u r (10 mm). Le conte nu de la RU a été sim u lé avec IR RICANNE (COMBRES et KA M IE N IA R Z , 1992) p our différentes valeurs de RU en supposant que pour ce sol RFU/RU = 0,5. O n constate (figure 3) :
- que TR/ ET0 reste voisin de 1 jusqu'à une évaporation cum ulée de 100 mm. D on c RFU = 100 mm ;
- que la relation est moins nette pour la réserve d iffic ile m ent utilisable, vraisem b la ble m e nt du fait des p hé n o mènes d'hystérésis ;
- la valeur anormale de 1,2 correspond à une journée de pluie où ET0 est faible et où les erreurs de mesure sont plus grandes.
O n a donc une RU de 200 mm si l'on considère que RFU = 0,5 RU, ou de 150 mm si l'on prend RFU = 2/3 RU. La RU est d o n c 3 à 4 fois s u périeure à c e lle estimée en pédologie.
Faisant appel à une pelle m écanique brise-roche on a pu constater :
- que les racines de canne traversent les blocs de basalte ; - qu'à 180 cm de profondeur (limite de la pelle utilisée)
les racines cordon étaient encore très nombreuses. Les valeurs déterminées sont en c o ncordance avec les observations racinaires. Auparavant on n 'im a gin ait pas que les racines de canne puissent traverser les 30 cm de basalte.
Cette approche indirecte peut être envisagée lorsque les mesures d 'h u m id ité du sol ne sont pas réalisables. La RU ainsi déterminée est suffisante pour les simulations et le p ilo ta g e de l'ir r ig a tio n . M ais l'h é té ro g é n é ité spatiale peut être un handicap qui nécessite plusieurs répétitions. Or, la méthode est lourde sur le plan instrumental et sur celui du traitem ent. Elle nécessite, co m m e la m éthode de V A K S M A N N , de lo n g u e s p é r io d e s sans p lu ie s (2 m o is ) p o u r a t t e in d r e un n iv e a u d 'a s s è c h e m e n t suffisant.
Figure 3. Evolution du ratio Transpiration / ETM en fonction du stock d'eau (mm).
mesures de l'eau dans le sol
remontées capillaires des zones sous- jacentes. Ces mécanismes ne sont pas intégrés dans les modèles classiques de bilan hydrique basés sur la RU. Un m o d è le de transfert m u lti-c o u c h e s serait nécessaire. R ec h erc he r une précision en introduisant la mesure du fro n t racinaire, peut c o n d u ire à des e rr e u rs im p o r ta n t e s , t o u t au moins dans ce type de sol.
Toutefois il est évident que des c u l tu re s à e n r a c in e m e n t s u p e r f ic ie l explorent une RU plus faible qu'une c u lt u r e à e n r a c in e m e n t p r o fo n d . Quelle profondeur choisir pour déter miner ia RU ? La profondeur à consi dérer est limitée soit par la profondeur du sol, soit par la p ro fo n d e u r de la zone d'influence des racines. L'obser vation des profils racinaires conduit à sous-estimer la profondeur utile pour la RU. Il c o n v ie n t de rechercher la p r o f o n d e u r de la d e r n iè r e r a c in e visible et la majorer de 20 à 40 cm, du m o in s dans n o tre e x e m p le . C ette m ajoration, vraisem blablem ent liée aux remontées capillaires doit varier selon le type de sol. Il reste donc une marge d'incertitude pour l'utilisation des modèles courants basés sur la RU. Elle explique certainement les écarts fréquemment observés dans la biblio graphie, entre valeurs mesurées et valeurs simulées par ces modèles.
Conséquences
pour le calage
et l'utilisation
de modèles
La réserve utile, base très utilisée du b il a n h y d r i q u e , est en g é n é r a l connue avec une très grande incerti tude car elle traduit l'interaction de la plante et du sol. Les notions co u ram ment admises peuvent conduire à des écarts d 'estim ation du simple au d o u b le . Ceci est dû au fa it que l'h u m id ité maximale mesurée in situ peut être supérieure à la CR, que les m in im a in situ et en lab oratoire ne correspondent pas, et que la p rofon deur racinaire traduit mal l'épaisseur de la couche de sol qui contribue à l'évapotranspiration.
Le c a la g e de m o d è le s de b il a n h y driq ue à pas de temps jo u rn a lie r nécessite un é talo nn ag e p ré a la b le des sites de mesure. La d é te rm in a t i o n des CR p a r c o u c h e , p a r la méthode du drainage interne, et cel le des h u m id ité s m in im a le s obser vables après une lon gu e phase de stress, sont in c o n to u rn a b le s . Il est rec o m m an dé d 'u tilis e r des p ro fo n deurs de mesures légèrement exces sives pour ne pas biaiser l'étalonna ge. La RU est la différence entre le s to c k à la CR et le s to c k m in im a l observé.
Lors des mesures de suivi pour cala ge, l'h u m id ité m aximale est bornée à la capacité de rétention. Le contenu de la RU est l'écart entre le stock cal culé à partir des humidités mesurées (éventuellement bornées) et le stock m inim al.
Lorsqu'il s'agit d'utiliser des modèles sans les comparer à des mesures (par exem ple p our p ilo te r l'irrigation), il fa u t , à l 'i n v e r s e , i n t r o d u i r e u n e va le ur de RU dans le m odèle. Une marge d 'e rre u r un peu plus élevée (de 15 à 2 0 % ) est a c c e p t a b l e . L'idéal est de disposer d'un site où la RU a été étalonnée pour la culture. L'approche de laboratoire peut être suffisante si la profondeur utile n'est pas sous-estimée. L'observation de la plante (RONDEAU, 1992) permet de vérifier si le calage est correct. Dans les cas critiques où le taux de roches et leur c o ntribution sont d iffi ciles à déterminer, aucune des solu tions envisagées ne peut fo urnir une b o n n e e s tim a tio n de la RU. Il faut alors utiliser des méthodes indirectes en utilisant la plante com m e indica teur du contenu de la RU. L 'é v o lu tion du rapport entre la transpiration et la d e m a n d e c l i m a t i q u e (FER- RAND, 1991), ou celle de l'élonga- tio n jo u rn a liè re des tiges de canne (RO ND EA U , 1992), au cours d 'u ne cinétique d'assèchement permettent de valider ou d 'in v a lid e r les valeurs fo u r n ie s p a r l 'a p p r o c h e p é d o l o gique.
Les m o d è le s à base de RU s o n t simples, mais la déterm ination de la RU l'est moins.
B ib lio g ra p h ie
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Résumé... Abstract... Resumen
J.-C. COMBRES, L. LE MEZO, B. BOURON, M. METE — Réserve utile et mesures d'humidité. Difficultés i de calage des modèles de bilan hydrique. I La réserve utile d'un sol cultivé en canne à sucre est éva lu é e selon les d iverses m éthodes c o u ra m m e n t i utilisées, qui peuvent conduire à de fortes divergences. | Des essais o n t p erm is d 'é ta b lir des c in é tiq u e s de Ire ss uya ge , avec su iv i de l'h u m id ité du sol p ar i réflectométrie temporelle, pour accéder à la capacité de i rétention. Des mesures d'humidité du sol tout au long de : plusieurs cycles de cu ltu re , in clua nt de fo rts stress : h yd riq u e s , fo u rn is s e n t les h u m id ité s m a x im a le et i minimale observées por couche et les stocks hydriques ’ m a x im a l et m in im a l sur l'e n se m b le du p ro fil. Des ' prélèvements au cylindre ont été réalisés pour déterminer i en laboratoire les humidités à différents pF (allant de i pF = 1,8 à pF = 4,2. Le ressuyage rapide, le faible pF i (1,8) et les fortes humidités volumiques (44 % à 20 cm, i 55 % à 120 cm) associés à la capacité de ré te ntion i s'expliquent par le caractère andique du sol ferrallitique. ! La profondeur d'enracinement à considérer, qui est la i source des plus g ra n d e s e rre u rs , est discu tée . En I
conclusion, il est préconisé de prendre pour réserve utile i la différence entre les stocks d 'eau à la capacité de i rétention et le stock minimal observé sur une profondeur ; excé da nt, de 20 à 30 cm, la p ro fo n d e u r ra cin a ire \
maximale. Des méthodes alternatives, comme la mesure i de l'évapotranspiration par flux de sève, peuvent fournir de bonnes estim ations pour les sols rocheux, où les méthodes classiques donnent des résultats plus incertains. Mots-clés : réserve utile, capacité de rétention, Réunion,
Saccharum, réflectométrie temporelle.
J.-C. COMBRES, L. LE MEZO, B. BOURON, M. METE — Available reserve and moisture measurement. Difficulties of calibrating waterbalance models. The available reserve of soils planted with sugarcane is evaluated by several commonly used methods, which can produce very diverging results. Trials established drying kinetics, and soil moisture content was monitored by time domain reflectom etry, with a view to determining the retention capacity. Soil moisture measurements over several crop cycles, including periods of severe water stress, provided values fo r m axim u m and m inim um moisture content per layer and maximum and minimum water reserves for the profile as a whole. Core samples were taken fo r laboratory determ ination of moisture contents at pF 1.8 and 4.2. The rapid drying, low pF (1.8) and high moisture contents (44% at 20 cm, 55% at 120 cm) associated w ith the re te ntion capacity could be attributed to the andic nature of the ferrallitic soil. The rooting depth to be considered, which is the source of greatest error, is discussed. In conclusion, the authors recommend taking as the available reserve the difference between water reserves at retention capacity and the minimum reserve observed over a depth of 20 to 30 cm more than m aximum root depth. Alternative methods, such as measuring transpiration by sap flow, can provide good estimates for rocky soils, fo r which conventional methods are less reliable.
Keywords: available reserve, retention capacity, Réunion,
Saccharum, time domain reflectometry
J.-C. COMBRES, L. LE MEZO, B. BOURON, M. METE — Reseva útil y mediciones de la humedad. Dificultades de la fijación de modelos de balnce hidricao.
La reserva útil de un suelo cultivado con coña de azúcar se evalúa según los distintos m étodos co rrien te m e nte empleados que pueden llevar a importantes divergencias. Gracias a unos ensayos se han podido establecer unas cinéticas de secado, con seguimiento de la humedad del suelo por reflectom etría tem poral, para acceder a la capacidad de retención. Las medidas de humedad del suelo d u ra n te va rio s ciclos de c u ltiv o , in clu y e n d o importantes estrés hidricos, proporcionan las humedades máxima y minima observadas por capa y las reservas hidricas máximas y minimas sobre el conjunto del perfil. Se tomaron muestras con cilindro para determinar en el laboratorio las humedades en pM 1,8 y 4,2. El secado rá p id o , el bajo pM (1 ,8 ) y las a ltas hum edades volumétricas (44% a 20 cm, 55% a 120 cm) asociadas a la capacidad de retención se explican por el carácter ándico del la tis o l. Se discute la p ro fu n d id a d de enraizamiento considerada como origen de los mayores errores. En conclusión, se recomienda tomar como reserva útil la diferencia entre las reservas de agua en capacidad de retención y la reserva m ínim a observada en una profundidad que supere, de 20 a 30 cm, la profundidad radicular máxima. Métodos alternativos, como la medido de la evapotranspiración por flu jo de savia, pueden proporcionar buenas estimaciones en suelos rocosos, en los que los métodos clásicos ofrecen resultados más inciertos.
Palabras clave: reserva útil, capacidad de retención, Reunión, Saccharum, reflectometría temporal.
