Etude des bilans hydriques par simulations à l’aide du modèle SARRABIL

La disponiblité de l’eau du sol : les potentiels hydriques

Les différentes formes de l’eau du sol

Toute l’eau contenue dans un sol n’est pas disponible pour les plantes. Une partie est drainée en profondeur et l’autre est retenue trop fortementdans les micropores du sol.
Après saturation en eau de la totalité des espaces vides (la macroporosité) du sol d’un pot rempli de terre et portant une plante, l’eau dans le sol se présente sous trois formes :
L’eau de gravité ou eau de saturation qui s’écoule d’abord rapidement, puis de plus en plus lentement, quittant les espaces vides les plus grands qui se remplissent d’air.
Cette eau occupe la macroporosité du sol. Lorsque l’eau cesse de s’écouler, la terre ressuyée atteint son taux d’« humidité à la capacité au champ », valeur qui traduit sa capacité de rétention.
L’eau utilisablepar les plantes est celle que retient le sol soit à l’intérieur des fins canaux ou « capillaires », soit sous forme de films assez épais autour des éléments solides. La plante s’en nourrit tandis que s’abaisse le taux d’humidité de la terre. Mais bientôt, la plante semble souffrir de la sécheresse et se fane : le « point de flétrissement » est atteint.
Pourtant une mesure de l’humidité montre que la terre contient encore de l’eau.
L’eau non utilisableforme autour des éléments solides des films très minces, elle est retenue fortement par le sol avec tant d’énergie que la force de succion des racines (en général autour de 16 atmosphères) ne peut l’extraire.

Les potentiels hydriques

L’eau dans le sol est soumise à trois forces à savoir :
• la force de gravité ;
• la force de succion du sol.
• la force de succion des racines due à l’appel d’eauprovoqué par la transpiration des feuilles.;
La force avec laquelle l’eau est liée et retenue par le sol est appréciée énergétiquement comme un potentiel. C’est le potentiel de succion, appelée aussi potentiel matriciel. S’y ajoute la force de gravité qui s’exerce et tend à faire aller vers le bas toutes les particules. La somme des deux potentiels est le potentiel total qui est appelé également « charge hydraulique ». La relation pour la charge hydraulique H est donc la suivante :
H = h – z
Où h : pression effective de l’eau ou potentiel de succion ou potentiel matriciel
z : potentiel de gravité = profondeur comptée positivement vers le bas depuis la surface.
Pour pouvoir s’alimenter en eau, les racines des plantes doivent exercer une force de succion supérieure au potentiel de succion.

La mesure des potentiels par les tensiomètres

Les potentiels hydriques peuvent être mesurés par différents équipements, dont les tensiomètres. Les tensiomètres sont des tubes plastiques équipés de céramique poreuse à une extrémité, qui est placée dans le sol, et munis de l’autre côté d’un système manométrique à l’extrémité restant en surface, qui mesure la pression matricielle de l’eau du sol. Le tensiomètre est un outil très pratique qui permet de mesurer les potentiels hydriques totaux dans la gamme [-800 hPa ; 0 hPa]. Lorsque le potentiel du sol arrive à -800 hPa, voire à -900
Etude des bilans hydriques de systèmes de culture en labour et en SCV – 12 – hPa, de l’air entre dans le tensiomètre et il est il cesse de fonctionner. On dit alors qu’il « décroche » (MULLER, 1996).

Réserve utile

La réserve d’eau dépend du type de sol : un sol sableux retient moins d’eau qu’un sol limoneux qui, lui-même, retient moins d’eau qu’un sol argileux.
La réserve utile (RU) est la quantité maximale d’eau retenue par le sol et utilisable par les plantes.
Les plantes n’exploitent l’eau du sol qu’entre deux valeurs de stocks S, qui définissent la réserve utile :
– celle où le sol est à la teneur en eau en dessousde laquelle la culture ne parvient plus à transpirer et dite « teneur en eau au point de flétrissement permanent », Spf , évaluée classiquement par la teneur en eau à pF = 4.2 ;
– celle où le sol est à sa teneur en eau maximale au-delà de laquelle l’eau s’écoule par gravité, dite « capacité au champ », Scc .
On la calcule pour un horizon homogène d’épaisseur h.
RU = (Quantité d’eau retenue par le sol à la capacité au champ) – (Quantité d’eau retenue au point de flétrissement permanent).

Evapotranspiration et besoin en eau des cultures

Généralités

L’évaporation du sol

L’eau s’évapore à la surface du sol sous l’effet cumule de la température, du rayonnement et de la vitesse du vent.
Cette évaporation est exprimée en mm ou en litres d’eau par m2.

La transpiration de la plante

De même que le sol, les végétaux sont soumis à la température, au rayonnement et au vent, facteurs qui entraînent automatiquement une évaporation de l’eau au niveau des ouvertures stomatiques quand ils sont ouverts. Cette évaporation, qui s’appelle « transpiration » pour les êtres vivants, est en principe impérative de jour car elle refroidit les feuilles. Elle entraîne par ailleurs une circulation de l’eau dans la plante, des racines vers les feuilles: la transpiration est ainsi « le moteur de la plante », lui permettant de puiser les éléments nutritifs du sol et les remonter. Cependant, si la plante a des difficultés pour puiser l’eau du sol (la Réserve Facilement Utilisable est épuisée) à la même vitesse que le climat l’exige, elle a le pouvoir de diminuer sa transpiration en fermant plus ou moins ses stomates. La fermeture des stomates entraîne cependant un ralentissement de la photosynthèse et donc, de la production de matière sèche : la plante souffre et le rendement n’est pas bon. Et à l’extrême, si ses feuilles et organes
Etude des bilans hydriques de systèmes de culture en labour et en SCV – 14 – chauffent trop et trop longtemps, des fonctions physiologiques et enzymatiques peuvent être altérées.
Les deux flux « évaporation du sol » et « transpiration de la culture » sont particulièrement difficiles à mesurer directement. Transpiration et évaporation sont donc obtenus généralement par bilan, ne donnant cependant accès qu’à la somme des deux flux, l’évapotranspiration. Cette évapotranspiration qui correspond à la quantité d’eau utilisée par la plante et son environnement est le besoin en eau de la culture.

L’évapotranspiration potentielle

La valeur de la demande atmosphérique en eau est évaluée par le biais d’une évapotranspiration potentielle de référence, ETo. Autrefois, on utilisait le sigle ETP.
Elle est définie comme l’évapotranspiration d’un couvert végétal bas, continu et homogène (un gazon) dont l’alimentation en eau n’est pas limitante et qui n’est soumis à aucune limitation d’ordre nutritionnel, physiologique ou pathologique. Pour ce gazon « standardisé » elle ne dépend donc que du climat. Grossièrement, ETo varie dans les régions tropicales entre 2 mm/jour et 7 mm/jour.
Dans le passé, les valeurs d’Eto étaient obtenues en effectuant des mesures très précises de bilan hydrique d’un gazon standard (Fétuque Manade) bien irrigué à l’aide de dispositifs spéciaux (lysimètres).
Mais rapidement, différentes formules physiques ontété établies (et calibrées et validées par comparaison aux mesures sur lysimètres) permettant de déterminer les valeurs d’ETo en fonction des paramètres climatiques: formules de Penman, Blaney Criddle, Hargreaves, …
A l’heure actuelle, un standard universel est préconisé: la formule de Penman-Monteith. Elle est considérée comme la plus fiable (FAO, 1998).

Réduction de l’évapotranspiration et réserve facilement utilisable

La réserve facilement utilisable

Les plantes commencent à souffrir d’un déficit hydrique et ferment leurs stomates bien avant que la réserve utile ne soit vidée, c’est-à-dire, bien avant que les humidités (et potentiels hydriques) n’arrivent au niveau du point de flétrissement permanent (pF 4,2). Les processus physiologiques et la production de matière sèche sont donc réduits bien avant le pF 4,2.
De ce constat, le concept de réserve facilement utilisable a été conçu. La réserve facilement utilisable ou RFU est la quantité d’eau que peut utiliser la plante sans avoir à fermer ses stomates, et donc sans souffrir en aucune façon surle plan hydrique. Quand elle est épuisée, la plante commence à réguler sa transpiration. La RFU est donc la quantité d’eau (une réserve) comprise entre la capacité au champ et une humiditéparticulière minimale Hum minen dessous de laquelle la plante commence à réguler sa consommation (Fig.4) .
D’une manière générale, la RFU varie de 1/2 à 2/3 de la RU selon les types de sol. Mais cette convention est plus ou moins arbitraire. En effet, plus l’évaporation est forte (climat tropical), plus la RFU est faible par rapport à la RU. Par ailleurs, il faut tenir compte de l’adaptation de certaines espèces ou variétés à de légers déficits hydriques.
Pour rendre compte de la régulation de la transpiration à partir d’un certain niveau d’épuisement de la RU, il existe plusieurs approches.

Réduction de l’évapotranspiration selon la FAO

– tant que la réserve du sol (Stock – Stock au pFp) est supérieure à un certain niveau de la RU (tant que la réserve reste dans la RFU), ETR/ETM= 1 ; ce niveau varie de 50 % de la RU pour les espèces les plus sensibles, à 33% de la RU pour les espèces les plus résistantes (Fig. 4) : RFU va de 50% à 33% de la RU;
– quand la réserve du sol descend en dessous du niveau considéré (quand la RFU est épuisée: soit donc quand 50% à 66% de la RU est épuisée), alors le rapport ETR/ETM est proportionnel au dessèchement du sol;

La place des SCV dans l’amélioration de la culture du riz pluvial

Présentation des SCV

Les systèmes en semis direct sur couverture végétale ont été mis au point dans différents pays tropicaux (Brésil, Chili, Australie) et tempérés (Etats-Unis d’Amérique) pour lutter contre la dégradation des sols, en particulier tous les phénomènes érosifs. Le principe de base des systèmes sur couverture végétale (SEGUY et BOUZINAC, 2001 ; DOUNIAS, 2001) est d’assurer une protection permanente du sol contre les érosions par des mulch de biomasses vivantes ou mortes. Le sol n’est jamais labouré (sauf au départ s’il est trop compacté), d’où le terme de « semis direct », ni sarclé non plus, car il ne faut pas altérer la couverture ni les premiers centimètres de sol. On distingue les systèmes sur couverture vive (couverture du sol assurée pas une « culture de couverture » dans laquelle les cultures commerciales sont cultivées) et les systèmes sur couverture morte (protection assurée par les cultures, les résidus et/ou des biomasses apportées).
Le premier impact positif est qu’il n’y a presque plus de ruissellement et plus d’érosion (SCOPEL, 1994 ; ARREOLA, 1996; FINDELING, 2001 ; SCOPEL et al, 1998 ; SEGUY et al, 2001). Il a aussi été constaté que le sol s’ameublit du fait de sa protection, des activités racinaires, des apports de biomasse (aériennes, racinaires), et des activités de la macrofaune (vers de terre, larves) qui se multiplie : sa macroporosité et sa microporosité augmentent. La mésofaune et la microflore du sol se développent également. Ces agents agissent en retour positivement sur les systèmes : activités « foreuses », « mélangeuses », dégradation et minéralisation des biomasses, intervention dans l’alimentation des plantes (oxydations et chélations des minéraux par les bactéries). Certains éléments peuvent être libérés par le sol (activités biologiques et physico-chimiques plus fortes) ou remontés des horizons profonds par les racines (GOBAT et al, 1998; BOURGUIGNON, 1996).
L’autre grand avantage des mulch est qu’ils permettent de contrôler les adventices, annulant les tâches de sarclage. En système sur couverture morte, le recours aux herbicides est parfois nécessaire en début de cycle en cas d’adventices. En système sur couverture vive, leur usage est obligatoire pour contrôler la couverture avant l’installation de la culture : il s’agit d’un usage extrêmement raisonné et précis, avec des doses très faibles non polluantes, car il ne s’agit juste que d’affaiblir la couverture de façonlocalisée, et surtout pas de l’éliminer. En fin de cycle de la culture « commerciale », la couverturereprendra sa place.
Ainsi, les systèmes sur couverture végétale, implicitement « en semis direct », permettent-ils : de lutter contre la dégradation des sols et maintenir, voire restaurer/améliorer leur fertilité pour augmenter leur productivité et tout à la fois, de réduire les coûts de production des agriculteurs pour améliorer leurs marges, en diminuant à la fois les intrants (engrais) et temps de travaux (une fois les systèmes en place): pas delabour, pas de sarclage.
Les travaux de mise au point de systèmes SCV à Madagascar ont été l’œuvre de l’ONG TAFA, en collaboration avec le CIRAD et le FOFIFA. Ils ont tout d’abord porté sur les principales cultures pluviales : le maïs, la pomme de terre, le haricot, le soja. Les systèmes mis au point ont cherché depuis quelques années à intégrer des productions fourragères Etude des bilans hydriques de systèmes de culture en labour et en SCV – 21 – (avoine, vesce, Brachiaria, Arachis, Tifton ). Des résultats positifs ont été obtenus concernant la restauration durable de la fertilité, l’augmentation de la productivité, et la réduction globale des coûts (travail, intrants). De très nombreux résultats en attestent sur différentes cultures et pour de nombreuses situations (TAFA, rapports d’activité 1992 à 2001 ; CHARPENTIER et al, 1999 et 2000). Ainsi les systèmes SCV en maïs, soja et haricot produisent-ils plus tous les ans, quel que soit le niveau de fumure (même sans apport minéral, soit uniquement avec du fumier), alors qu’avec labour, et mêmes des fumures élevées, la productivité stagne ou régresse et est , par ailleurs, plus fluctuante face aux aléas. Les systèmes avec couverture vive sont plus rapidement performants, en particulier ceux intégrant des légumineuses.
Malgré tous leurs avantages, il n’en reste pas moins que les itinéraires en SCV sont jusqu’ici encore peu adoptés par les agriculteurs sur les hautes terres. Cela se comprend car ils ont été mis au point progressivement au cours de la dernière décennie, et les toutes premières actions de diffusion n’ont commencé qu’en 1995-1996. Logiquement, on peut déplorer l’insuffisance de structures de formation et d’encadrement forméesaux SCV. Il y a par ailleurs une certaine méconnaissance des plantes à associer, à intégrer aux systèmes (type crotalaire, qui pousse cependant naturellement partout sur les Hautes Terres, vesce, Arachis, Brachiaria, Tifton, Desmodium ) et, de plus, aucune production ni marché de leurssemences. Mais l’adoption des systèmes SCV pose aussi diverses difficultés pour leur diffusion.

Difficultés « culturelles »

Ils représentent en effet une véritable « révolution de pensées », un bouleversement des habitudes (abandon du labour, l’acceptation de « ne pas avoir un champ au sol bien nettoyé »), qui implique une nécessaire intégration, compréhension des concepts de leur fonctionnement, et l’acceptation de ce que cela implique, dont en premier lieu le maintien permanent d’une biomasse en surface pour la protection de la parcelle.

Difficultés liées à la gestion de la biomasse

La nécessité du maintien d’une biomasse sur les parcelles, les besoins éventuels de biomasse pour l’écobuage, introduisent potentiellement une compétition « agriculture-élevage ». Cet aspect apparaît comme la principale difficulté à résoudre pour la diffusion des SCV (HARRIVEL, 2001 ; CHARPENTIER et al, 1999 et 2000). Malheureusement cette compétition est particulièrement aiguë à l’installation (paillages, écobuages), soit dans les 2-3 premières années, alors qu’elle disparaît ou s’atténue fortement ensuite.
La solution réside principalement dans la mise au point de systèmes pertinents produisant rapidement de grandes quantités de biomasses sur les parcelles qui, à terme, ne nécessitent plus de paillage. C’est le cas des nouveaux systèmes testés sur la matrice du PCP qui sont à base de rotations, d’associations et de dérobée avec de 2 à 3 cultures par année.

Les effets des techniques de semis direct 

Sur le ruissellement et l’érosion 

La couverture végétale, morte ou vivante, retient l’eau des pluies sur le sol et augmente son infiltration. Outre ce rôle de barrage physique, nous avons vu que les plantes de couverture augmentent la porosité du sol, ce qui favorise encore l’infiltration de l’eau (cf. les observations au Honduras de TRIOMPHE, 1996, avec l’association maïs-Mucuna). D’autres travaux
Etude des bilans hydriques de systèmes de culture en labour et en SCV – 22 – montrent que plus le taux de recouvrement du sol est élevé, plus le taux d’infiltration (exprimé en pourcentage des précipitations) est important.
Cette augmentation de l’infiltration se traduit par une réduction du ruissellement. Une expérience menée dans l’Etat de Jalisco au Mexique montre que le ruissellement est quasiment inversement proportionnel à la quantité de matière végétale qui recouvre le sol (SCOPEL et al ., 1999).
La réduction du ruissellement enlève à l’eau sa fonction de transport des particules minérales, d’où une diminution des pertes de sol. Des résultats d’expérimentations menées au Nigeria montrent que l’érosion, exprimée en quantité de terre par hectare, diminue considérablement quand on passe d’un labour conventionnel à une combinaison semis direct et couverture végétale (OSUJI, 1984).
De faibles quantités de résidus de culture, de l’ordre de 1 à 1,5 t/ha (SEGUY et al., 1996) suffisent à réduire très significativement le ruissellement. Les résidus agissent principalement de deux manières : ils freinent l’écoulement superficiel, laissant plus de temps à l’eau pour s’infiltrer d’une part, et leur présence permet d’obtenir et de maintenir une conductivité hydraulique élevée à la surface du sol, grâce à l’activité de la macrofaune qu’ils favorisent d’autre part.
Signalons cependant que la diminution du ruissellement a en général pour conséquence une augmentation du drainage, qui présente l’inconvénient d’augmenter les pertes en éléments nutritifs. L’introduction de plantes de couverture avant ou après la culture principale est alors envisageable, afin d’augmenter la part de l’eau évapotranspirée par rapport à l’eau drainée et de recycler les éléments minéraux entraînés vers les couches profondes du sol (Fig. 6) . Figure 6 : Effet comparé du travail du sol et du semis direct sur couvertures végétales sur le bilan hydrique et minéral (d’après SEGUY).

Table des matières
Introduction 
I – Problématique et objectifs de l’étude 
I.1 La riziculture pluviale et les systèmes SCV
I.2 Les études des bilans hydriques
I.3 Les objectifs de l’étude
II – Bilan hydrique et relations eau-sol-plante 
II.1 L’importance de l’eau
II.2 Le bilan hydrique des cultures
II.2.1 L’équation du bilan hydrique
II.2.2 Les composantes du bilan hydrique
II.3 Disponibilité de l’eau dans le sol
II.3.1 Le contenu en eau du sol : humidités et stocks
II.3.2 La disponiblité de l’eau du sol : les potentiels hydriques
II.4 Les mouvements d’eau dans le sol
II.5 Evapotranspiration et besoin en eau des cultures
II.5.1 Généralités
II.5.2 L’évapotranspiration potentielle
II.5.3 L’évapotranspiration réelle
II.5.4 L’évapotranspiration maximale
II.5.5 Les coefficients culturaux
II.5.6 L’évapotranspiration et la production de biomasse
II.5.7 Réduction de l’évapotranspiration et réservefacilement utilisable
III – La place des SCV dans l’amélioration de la culture du riz pluvial 
III.1.1 Présentation des SCV
III.1.2 Les effets des techniques de semis direct
III.1.3 Réduction des pertes
IV – Expérimentations 
IV.1 Site d’étude
IV.1.1 Localisation
IV.1.2 Le climat
IV.1.3 Caractérisation physique du sol
IV.1.4 Les dispositifs et systèmes étudiés
IV.2 Etude agroclimatique
IV.2.1 Généralités
IV.2.2 Analyse fréquentielle
IV.2.3 Appréciation des risques de manque d’eau
IV.3 Contrôle des humidités initiales suite à une culture d’hiver
IV.3.1 Présentation
IV.3.2 Méthodologie
IV.3.3 Résultats : humidités initiales suite ou nonà une culture d’hiver
IV.4 Suivis des humidités au cours des cycles
IV.4.1 Présentation
IV.4.2 Méthodologie
IV.4.3 Résultats: évolutions des stocks hydriques
IV.4.4 Discussions
IV.5 Suivis des potentiels hydriques par la méthodetensiométrique
IV.5.1 Choix des systèmes
IV.5.2 Méthodologie
IV.5.3 Analyse des profils et gradients de potentiels hydriques
IV.5.4 Discussions
IV.6 Conclusions partielles
V – Etude des bilans hydriques par simulations à l’aide du modèle SARRABIL
V.1 Objectifs et démarche
V.1.1 Présentation générale et justification du choix du modèle
V.1.2 Objectifs de l’étude
V.2 Présentation du modèle SARRABIL
V.3 Les paramètres des simulations
V.3.1 Les ETo
V.3.2 Les pluies
V.3.3 Les cycles et coefficients culturaux
V.3.4 Les réserves utiles des sols
V.3.5 Les dynamiques et profondeurs racinaires
V.3.6 Les hypothèses de ruissellements
V.3.7 Les dates de simulation
V.3.8 La profondeur maximale de sol et les conditions initiales
V.4 Résultats des simulations
V.4.1 Illustrations et discussions sur le fonctionnement du modèle
V.4.2 Ruissellements, drainages et consommations duriz sous les conditions d’Antsirabe en relation au système et à la situation
V.4.3 Influence de la date de semis sur le bilan hydrique d’un riz pluvial sous les conditions d’Antsirabe en fonction du système et dela situation
V.4.4 Bilan hydrique d’un système de 2 cultures avec dérobée sous les conditions d’Antsirabe en fonction du système et date de semis
V.5 Conclusions partielles
Conclusion générale
Bibliographie 
Annexes