Influence de l'activite du systeme racinaire de pommiers sur la repartition des solutes en irrigation localisee

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Influence de l’activite du systeme racinaire de pommiers sur la repartition des solutes en irrigation localisee

R. Guennelon, B. Cabibel

To cite this version:

R. Guennelon, B. Cabibel. Influence de l’activite du systeme racinaire de pommiers sur la repartition

des solutes en irrigation localisee. Agronomie, EDP Sciences, 1981, 1 (4), pp.323-330. �hal-02717535�

Influence de l’activité du système ^{racinaire de} pommiers ^{sur la} répartition ^{des solutés en} irrigation

localisée

Roger ^GUENNELON Bernard CABIBEL

Ph. BERTHIER A. M. de COCKBORNE

LN.R.A., Station de Science du Sol, Centre de Recherches d’Avignon, ^Domaine Saint-Paul, F84140

Montfavet.

RÉSUMÉ

Irrigation localisée, Système racinaire, Azote nitrique, Engrais phosphatés, Engrais potassiques, Transfert,

Solutés, Pommiers.

La fertilisation des arbres fruitiers associée à l’irrigation ^localisée peut permettre d’entrevoir des réductions importantes ^{de coût} d’exploitation

^matière de main-d’oeuvre et de quantités d’engrais utilisées. Mais il faut que les éléments

P et K, facilement adsorbés _{par le} sol, puissent migrer jusqu’aux ^racines.

L’accélération des flux hydriques, ^{due à} la fonction puits ^des racines,

l’évolution des cinétiques d’adsorption ; ainsi, la répartition ^de

^éléments n’est pas limitée

environs immédiats du goutteur ^{et ils} peuvent ^arriver jusqu’aux

^où l’absorption racinaire est la plus intense.

SUMMARY Drip irrigation,

Root system, Nitrates, P-fertilizers, K-fertilizers, Transfers, Solute, Apple-tree.

Influence of ^root system activity of apple-trees concerning solutes distribution during drip-irriga-

tion

Introducing

of fertilizers of fruit trees connected with drip irrigation

^be

^to reduce greatly ^two components of agricultural practice ^{costs :} manpower and ^rates of fertilization. But it is necessary that easily soil adsorbed elements like P and K

reach the root activity

Increase of water flux, related to root sink function, is sufficiently high comparative ^{to the kinetics of} adsorption

^that the distribution of P and K is not limited to the neighbourhood ^of dripper ^and they

^{reach the}

^of highest ^root activity.

INTRODUCTION

De nombreux travaux ont été réalisés à ce jour, ^concer-

nant la distribution des solutés dans les matériaux _poreux et notamment les sols, ^en prenant ^en compte ^les phénomènes

de migration, ^de lessivage, ^de dispersion hydrodynamique

et d’adsorption réversible ou non (S ELIM et al., 1976, GU

R EG

HIAN et al., 1979). ^Le problème ^de l’absorption racinaire, ^{s’il est résolu} dans les divers modèles proposés

par l’introduction dans l’équation de transfert d’une fonc- tion puits supplémentaire, ^se heurte dans la réalité à

plusieurs difficultés :

-

détermination de la répartition ^des racines,

-

détermination des zones d’activité racinaire,

-

répartition ^de l’intensité de cette activité.

Ces difficultés sont souvent éludées ^en faisant dépendre

la fonction puits d’une cote, ^ou d’une distance _par rapport à la plante, ^{ou d’une densité} de la biomasse racinaire dans le sol (densité par ailleurs difficile à apprécier).

D’autre part, ^{on considère} généralement ^des systèmes

monodimensionnés quant à l’apport d’eau, ^{de solutés et à la}

distribution des racines, ou des systèmes ayant pour ^ces 3 paramètres ^{les mêmes axes de} symétrie.

Le but de ce travail est de mettre en évidence l’influence d’un système ^{racinaire excentré} par rapport ^{à la zone} d’apport ^{d’eau et de sels, comme cela} peut être ^{souvent le}

cas pour des systèmes d’irrigation ^de type localisé, singuliè-

rement en arboriculture.

Nous envisagerons ^tout d’abord le cas de solutés _peu ou

pas adsorbés _{par le} sol, puis ^{celui de solutés dont on admet}

la fixation rapide ^au niveau de leur point d’apport.

DISPOSITIF ET MÉTHODES

L’étude présentée ^{consiste en des} prélèvements ^{et des} analyses d’échantillons de sols dans un verger conduit en

irrigation ^localisée depuis ^sa plantation ^{en février 1973} (pommiers « Golden Delicious/EM II », ^en espacement

4 m x 4,5 m), ^en non-travail du sol et désherbage chimique.

Le sol de ce verger ^{est un} sol de limon argileux ^calcaire (tabl.l) possédant ^une capacité d’échange de l’ordre de

30-40 meq/100 g d’argile. ^{Le sol est un sol} gonflant ^à

structure prismatique conservant la trace d’un labour _pro- fond effectué en 1969. Sa porosité (et ^{surtout la} porosité

structurale (STE NG E L , 1979)) ^{est faible sur les 10} premiers

cm (croûte ^de battance) ; ^{elle est assez} forte de - 10 à

-

50 cm (correspondant ^au défoncement cité) ^{et diminue} fortement en dessous de 50 cm.

L’irrigation ^{est réalisée} à raison d’un seul goutteur par

arbre, ^{situé à 70 cm} de l’axe du tronc.

Cette irrigation ^{est une} irrigation ^de complément ^{limitée à}

la période mai-septembre, dont la dose journalière ^est égale

à 50 _p. 100 de l’évapotranspiration potentielle (E.T.P.) ^{de la} veille, pour ^une durée de 8 à 10 h _par jour.

Le débit est d’environ 61 ! h-’ _par arbre.

Les engrais, lorsqu’ils ^sont apportés dans l’eau d’irriga- tion, ^{le sont sous forme} d’ammonitrates, ^de phosphates d’ammonium, de nitrate de potassium ^{ou en} épandage ^{sur le} sol, ^{aux doses de} 150, ^{50 et 85} kg ^de N, ^{P et K} respective-

ment à l’ha, ^soit 270, ^{90 et} 150 g par arbre. En épandage ^au sol, ^{P et K sont} apportés ^{en novembre et N en} janvier ^sur

toute la surface. Dans l’eau d’irrigation par goutteur, ^{ils sont}

apportés ^{ensemble à} partir ^de juin, ^{en 4} apports ^successifs séparés ^{de 2 à} 3 semaines.

Des études réalisées en 1976 ont permis d’établir des

profils ^{hydriques en} régime permanent par ^{mesures neutro-}

niques, ^des profils hydriques après redistribution et des profils ^de répartition (fig. 1) des racines _par examen visuel de tranchées autour de certains arbres (C AB I B E L , 1978).

En août et septembre 1977, des prélèvements ^{de sol ont}

été effectués ^{sur une} profondeur ^{de 100 cm} (de ^{10 en 70} cm) après ^{un arrêt de} l’irrigation ^{de 3} jours.

Deux séries de prélèvements ^ont été effectuées : a) ^{Pour un arbre en} irrigation ^{localisée avec} épandage d’engrais ^{en surface :} prélèvements ^{sur la} ligne ^de planta- tion, ^{sous le} goutteur, ^et ensuite, ^{tous les 10 cm entre l’arbre}

et le goutteur, ^{et au-delà du} goutteur (fig. 2) : ^{les ions} N0 3 -

et K’ ont été dosés sur les échantillons prélevés.

b) ^{Pour un arbre en} irrigation localisée fertilisante : sur la

ligne ^de plantation, ^à 5, 15 cm, etc..., de part ^{et d’autre du} goutteur, ^{et dans un} plan perpendiculaire passant par le goutteur (fig. 2) : ^{les ions} N0 3 -, P0 4 ^{et K- ont été dosés}

sur les échantillons prélevés, ^à l’exception, pour P0 4 ^de

ceux des profils ^{XIII et XIV.}

Les mesures ont été réalisées :

-

par gravimétrie pour les teneurs en eau pondérale,

-

par électrode spécifique pour l’ion nitrate,

-

par extraction à l’acétate d’ammonium et photométrie

de flamme _pour K + ,

-

par extraction à l’oxalate d’ammonium (J OR E T ^&

HEBERT, 1955) ^et colorimétrie au vanadomolybdate

d’ammonium _{pour P.}

Certains résultats ont été exprimés ^en moyenne mobile bidimensionnelle : si X;, Xji,,, X;&dquo; ^{Xi:; sont les mesures}

correspondant ^{à 4} prélèvements adjacents, ^nous appelle-

RÉSULTATS ET DISCUSSIONS I. Élément mobile : Ion nitrate

A. Irrigation ^localisée fertilisante

En examinant l’ensemble des échantillons situés dans le

plan ^{contenant l’arbre et le} goutteur (fig. ^{2 et} 3), ^on peut observer une très nette dissymétrie ^{de la} répartition ^des

nitrates. Les profils ^{1 et VII situés à 5 cm de} part ^{et d’autre} du goutteur (fig. 3) ^sont peu différents ; ^on y ^note cependant

un début d’élargissement ^en direction de l’arbre de la zone

de redistribution des nitrates en surface. Cette tendance s’accroît _pour devenir très marqué ^{à 35 cm de} part ^{et d’autre} du goutteur. ^{Dans le même} temps, la redistribution en

surface s’accroît, ^mais plus faiblement, dans la direction

opposée ^à l’arbre, cependant qu’en profondeur ^{on observe}

2 phénomènes :

-

à l’opposé de l’arbre _par rapport ^au goutteur, ^les variations de la concentration en nitrates s’identifient bien

avec celles de la zone saturée (ou voisine de la saturation) ^en

cours d’irrigation ;

-

entre le goutteur ^et l’arbre, ^la concentration en nitrates diminue et cette diminution coïncide avec la zone la plus largement ^colonisée par le système ^racinaire.

Lorsqu’on s’éloigne ^du goutteur, ^les profils ^{de concentra-}

tion à l’opposé de l’arbre (à ^{65 et 75} cm) ^{ne reflètent} plus ^la

morphologie ^{de la zone} saturée, ^alors qu’au voisinage ^de l’arbre, ^{à 55 cm du} goutteur, ^la concentration en surface diminue _par rapport ^aux distances précédentes ^tandis que les concentrations ^en profondeur présentent ^une légère augmentation ^relative.

Cet aspect de la distribution des sels solubles qui, ^{dans le}

cas des nitrates, ^{révèle la teneur} consécutive aux apports ^les plus récents, peut s’expliquer par l’interaction du bulbe

d’irrigation ^{localisée et de la zone} d’activité racinaire. Par suite de l’utilisation de l’irrigation ^localisée depuis ^la planta-

tion du _verger, les racines de petites dimensions présentent

une abondance maximum à la profondeur de 25-45 cm (C

A

BIBEL, 1978), à mi-distance entre l’arbre et le goutteur,

et une plus ^faible fréquence, ^à l’emplacement ^du goutteur.

La zone d’absorption de l’eau la plus ^{intense se} situant donc entre arbre et goutteur, le flux des sels solubles est plus important ^en direction de cette zone qui, lors de la redistri- bution entre chaque irrigation, ^{alimente une zone} d’enrichis- sement en surface _par évaporation.

La pénétration ^maximale apparente ^en profondeur ^des

nitrates se situe aux alentours de 90 cm. Une répartition homogène de l’azote à 90-100 cm autour du goutteur, ^dans

un volume hémisphérique ^{centré sur le} goutteur, aboutirait à

une concentration _moyenne de l’ordre de 60 _{I -lg .} g ’, pour

une année de fertilisation : des teneurs plus ^{élevées n’ont} été obtenues qu’en ^surface et, ^en particulier, jamais ^à l’opposé de l’arbre _par rapport ^au goutteur ; la diffusion et la redistribution de N dans cette direction est donc faible.

D’ailleurs, ^{si l’on se réfère} à des E.T.P. de l’ordre de 0.3 à 0.5 mm - h-’, ^on peut ^montrer que le débit (6 t ’ h-’) ^assure,

par arbre et par jour, ^un approvisionnement ^{en eau} toujours inférieur à celui qu’il ^faudrait pour compenser l’E.T.P. (6 ^à 91. h-

1

). ^Les transferts hydriques ^{sont donc très bien} orientés dans le sens goutteur-arbre ^{et il en est de même du}

sens de transfert des nitrates.

Cette interprétation ^{est conforme aux} figures de redistri- bution de l’eau entre chaque phase d’irrigation. ^{Elle est} également ^{en accord avec le résultat} d’autres essais ayant

permis ^de situer, par rapport ^{au bulbe} d’irrigation, les ^zones où l’activité racinaire est suspendue, ^affaiblie ou, ^au

contraire, ^{très intense} (CABIBEL, 1978).

B. Irrigation ^{localisée avec} engrais en ^couverture

On peut s’attendre à ce que, dans ce cas, les teneurs en

N03 ^soient plus faibles, par suite de la non-simultanéité de

l’apport ^{d’eau et de solutés. Ces teneurs ne} dépendent ^alors pratiquement que de la quantité de nitrates solubles, ^encore présents ^{dans le} sol, ^{dans un faible} rayon ^autour du goutteur (fig. 4). ^Le profil ^{« nitrate} » enregistré directement sous le goutteur présente ^un élargissement ^{vers 45-50 cm} qui ^cor- respond toujours ^{au maximum de} pénétration ^{du bulbe en}

cours de fonctionnement. Si l’on compare ^avec le profil

moyen d’une parcelle identiquement fertilisée, ^{mais arrosée}

par aspersion, ^{on peut noter des teneurs du même ordre de} grandeur, ^avec toutefois la tendance à une plus ^faible pénétration ^en profondeur.

Les profils ^{à 10 et 20 cm du} goutteur ^en direction de l’arbre sont caractérisés _par un élargissement superficiel ^de

la zone enrichie en N03, ^{alors que ce} phénomène ^{ne se} produit de l’autre côté du goutteur qu’à partir ^{de 30 cm.}

Dans cette région, la redistribution après chaque phase d’irrigation contribue à faire progresser ^un front salin, enrichi en nitrates, ^aux dépens ^{de la zone}

sous-goutteur » ; du côté de l’arbre, le flux induit _par l’absorption ^racinaire produit ^{le même effet au} voisinage ^du bulbe ; ^en profondeur

et au fur et à mesure que l’on se rapproche ^de l’arbre, l’absorption des nitrates devient prépondérante par rapport à l’accélération du flux. Aux différences de niveau des teneurs près, ^{on constate donc des} phénomènes analogues dans les 2 types d’apport ^de fertilisants, justiciables ^{de la} même explication, c’est-à-dire l’augmentation ^{du flux de} solutés _par l’augmentation ^du flux de fluide vecteur,

compensée ^ici par ^une absorption plus importante ^{dans la}

zone d’activité racinaire.

II. Éléments présentant ^des phénomènes d’adsorption

A. Ion phosphate

L’application ^d’acide phosphorique ^{sous forme de} phos- phates solubles n’est en général pas recommandée en

irrigation ^localisée du fait de la précipitation possible ^dans

les conduites de distribution et des déplacements ^réduits

vers la zone racinaire, ^{surtout en} sols calcaires (HIRA ^&

SI N

GH, 1977-1978 ; RAUSCHKOLB et al., 1976). ^{Ce dernier} phénomène ^{est bien} marqué lorsque l’on travaille avec de faibles vitesses de déplacement ^{dans les} pores ^et qu’on

laisse agir la redistribution du fluide vecteur en l’absence de flux d’alimentation. Lorsque ^le déplacement ^{de l’eau est} accéléré, ^{la mobilité des ions} P0 4 -- peut ^{être accrue} par

rapport ^aux cinétiques ^{des réactions} d’adsorption. ^{On a} tenté de montrer que ^ce pouvait ^{être le cas} lorsque ^{l’activité}

racinaire crée un flux de direction préférentielle. ^Pour cela,

on a comparé la distribution des ions N0 3 ^et P0 4 ---, ^en irrigation localisée, dans les 3 cas de figure ^suivants (fig. 2) ; a) ^{sur la} ligne ^{entre l’arbre et le} goutteur (profils ^de prélèvements ^{1 à} VI).

b) ^{sur la} ligne ^du goutteur à l’opposé de l’arbre (profils ^de prélèvements ^{VII à} IX).

c) perpendiculairement ^{à la} ligne ^de plantation (profils ^de prélèvements ^{A à} F).

L’interprétation ^{des résultats obtenus} pour P par ^extrac- tion à l’oxalate d’ammonium, comparés ^{aux teneurs en}

azote nitrique, ^{doit être} assortie des considérations sui- vantes :

a) ^{le P extrait ne} correspond pas nécessairement à la totalité de la fraction de cet élément qui ^a atteint le point ^de prélèvement ^considéré par suite des différents mécanismes d’insolubilisation (A RVI EUx, 1972 ; BOUVIER, 1974) ;

b) l’enrichissement constaté ne résulte _pas seulement du dernier apport, ^mais dépend également des fumures des années antérieures ;

c) par contre, les teneurs en azote nitrique ^reflètent davantage ^les apports ^les plus récents, compte ^{tenu du}

lessivage ^et de la redistribution en période pluvieuse.

Les valeurs utilisées sont les _moyennes mobiles bidimen- sionnelles de 4 échantillons.

La majeure partie ^des échantillons, appartenant ^aux profils ^{VII à} IX, ^{se trouve en} dehors de la zone d’extension du système racinaire : il n’y ^a pas de corrélation entre la

répartition ^{des teneurs en} NO3 ^{et P} (fig. ^{5 :} échantillons

repérés par ^un carré noir).

Dans les 2 autres cas, la plupart ^des prélèvements ^se

trouvent à proximité ^{des zones} d’activité des racines et on

obtient les corrélations suivantes (fig. ^{5 et} 6).

P

0,14 Log ^{N - 0.16 r 2 =} 0,69 (prélèvements ^{1 à} VI)

P

0,227 Log ^{N - 0.43 r 2}

0,85 (prélèvements ^{A à F)}

Le phosphore ^{soluble à} l’oxalate d’ammonium est

exprimé ^en mg ! g-’ ^et l’ion nitrate en J .lg ’ g- 1 ^{d’élément N.}

On peut ^{donc dire} qu’en dehors de la zone de redistribu- tion _par diffusion, ^le déplacement ^de P0 4 ^est lié à celui de

N03. ^{La forme} de la fonction de régression ^traduit cepen- dant la mobilité plus faible des phosphates par rapport ^au nitrate. Sur les profils ^{A à F} (les plus proches ^de l’arbre)

avec les valeurs exactes pour ^une maille de 10 cm, ^{on a}

même _pu tester une régression ^linéaire (fig. 6).

P

0,016 ! ^{N -} 0,096 ^{avec r 2}

0,60

La forme de la relation liant P à N n’est d’ailleurs _pas

déterminante, puisque ^{l’on ne cherche à traduire} qu’une

liaison statistique ^non explicative.

On peut cependant essayer de situer les teneurs en P observées _par rapport ^aux apports : ^{si l’on considère} que le niveau _moyen de P avant le départ de la fertilisation se

situait aux environs de 0,03 mg ! g-’, l’enrichissement du

profil apparaît ^notable jusqu’à ^{80 cm} environ du point d’apport ; ^{en admettant une} distribution parfaitement ^homo- gène ^et isotrope, ^on aboutirait sur la base de l’apport ^d’une

seule année à un taux moyen de 0,054 mg ! g-’ ; ^{en cumulant}

la fumure de 4 _ans, on obtiendrait 0,216 mg ! g-’, ^ces

chiffres étant des maxima ne tenant compte ni de l’insolubi-

lisation, ^{ni du} prélèvement par les plantes ; ^{il est à noter}

cependant ^{combien ces} prévisions globales d’enrichisse-

ment sont voisines des teneurs mesurées.

Quoi qu’il ^en soit, ^{une très} grande partie de la variation des teneurs du sol en P est expliquée par les variations de l’azote nitrique. ^{Comme on a vu} que celles-ci dépendaient

des transferts hydriques préférentiels, ^on peut dire que dans les sols en place, ^la migration ^des orthophosphates ^solubles

est plus importante que dans des milieux poreux adsorbants

homogènes, ^sans interaction des racines.

B. Ion potassium

Dans un sol argileux ^{à assez forte} capacité d’échange (avec prédominance ^{d’illite et de} vermiculite), ^{on doit} s’attendre à une migration extrêmement lente du potas- sium ; ^la répartition ^du potassium échangeable ^{qui reflète la}

distribution de cet élément au cours des fertilisations successives, ^mais plus particulièrement ^des dernières réali- sées, ^devrait donc être très différente de la répartition ^des

nitrates.

Nous avons recherché les corrélations existant entre K

échangeable ^{et les teneurs en} nitrates, ^en considérant

séparément, ^{comme dans le cas des ions} P0 4 --, ^les profils

de prélèvements :

-

entre l’arbre et le goutteur (I ^à VI) (fig. 7)

-

dans le plan perpendiculaire ^{à la} ligne, les plus proches

de l’arbre (A ^à F) (fig. 8)

-

dans le même plan, ^mais plus éloigné (F ^à L) (fig. 8)

-

sur la ligne, ^{au-delà du} goutteur (VII ^à XIV) (fig. 7) On obtient les corrélations suivantes, correspondant ^aux

4 situations ci-dessus :

K = 60,70 Log N + 12,05 ^avec r z = 0,74

K = 65,50 Log N - 44,08 ^avec r 2 = 0,87

K = 76,39 Log N - 50,23 ^avec r Z = 0, 72

K

6,59 Log ^{N +} 140,88 ^{avec r 2}

0,01

On n’observe donc aucune relation dans la dernière zone

qui ^est celle de la densité racinaire la plus faible, voire nulle.

Un calcul de l’ordre de grandeur ^{de K} (pour ^{une distance}

de parcours inférieure à 50 cm correspondant ^{à la} profon-

deur d’enrichissement) apporté ^{sur 4 années} de fertilisation conduirait à un enrichissement de 360 _{mg .} kg-’, ^{sans tenir}

compte de la fixation ni de l’absorption par la plante. ^En fait, compte ^tenu d’un niveau _moyen initial de 50 _{mg !} kg-’

de potassium échangeable, l’enrichissement maximum n’est que de 150 _{mg :} les ordres de grandeur ^sont donc relative- ment respectés.

On peut ^{donc dire} que, pour l’ion K! comme pour l’ion

PO Q

--, ^{dans les} conditions énoncées _pour l’irrigation ^{et la} fertilisation, ^la migration prédomine ^sur la fixation lorsque

les racines induisent un flux hydrique suffisamment rapide.

En l’absence de racine, par contre, les ^{nitrates se} répartis-

sent en fonction de la circulation de l’eau et de sa redistribu- tion, alors que les ions K’ et P0 4 -- ^{ne se} déplacent que fort peu, à l’exception ^{de la zone} d’élargissement de la tache

superficielle ^{et du flux vers} la surface dû à l’évaporation.

Dans le cas de l’épandage ^des engrais ^en surface, ^les dosages ^{des ions K + et} P0 4 ^{ne révèlent,} aussi bien en

irrigation ^localisée qu’en aspersion, qu’un léger enrichisse-

ment des 2 niveaux supérieurs analysés.

CONCLUSIONS

Même dans un sol dont les propriétés physico-chimiques pourraient ^favoriser l’immobilisation des ions K + et des ions

P0 4

--, l’accentuation des transferts hydriques ^sous

l’action de l’évapotranspiration, ^au voisinage ^des racines, autorisent des déplacements ^{de ces} ions, beaucoup plus importants que ^ceux que laissent prévoir ^des expériences ^de

laboratoire sur des milieux _poreux homogènes, ^{en l’absence}

de fonction « puits » pour l’eau.

Il conviendrait d’ajouter ^{à cela, la} possibilité de transferts

prioritaires ^de solutés dans des éléments de porosité ^structu-

rale (pores ^ou fentes) ^{même de} petites dimensions, qui

réalisent localement, ^{de manière} hétérogène, ^{des circula-}

tions en régime saturé dans un milieu globalement ^non

saturé.

Reçu ^{le 21 octobre 1980.}

Accepté ^{le 21} janvier 1981.

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