Préambule :

Piloter une irrigation ou un arrosage c’est conduire, mener une irrigation

ou un arrosage en essayant de répondre au mieux à trois interrogations :

1-Quand arroser :

En prenant en considération :

-Les besoins en eau de la plante à arroser (espèce, stade de

croissance,..)

-Des réserves en eau, dont cette plante, peut disposer (réservoir sol,

surtout texture, RU et autres paramètres hydrodynamiques du sol,

densité apparente, vitesses d’infiltration et de desséchement du sol..etc

-Conséquences du déficit en eau.

La réponse à cette question nous aidera à se décider sur la quantité

d’eau à apporter pour chaque arrosage.

2- Combien d’eau apporter :

C'est-à-dire les doses qu’il faut apporter moyennant des méthodes de

calcul de doses en tenant compte de la première réponse. Les modes de

pilotage.

Parties à développer dans ce cours

A- des méthodes empiriques de calcul de l’ETP (Penman, Turc, Blaney-

Criddle…) ainsi que de l’ETM ou ETR via les besoins en eau de la plante

en question (coefficients culturaux et phénologie).

B- Bilan hydrique du sol ; réservoir dont il faut maîtriser les entrées et les

sorties d’eau, avec maîtrise préalable des disponibilités en eau pour

chaque sol en début de campagne d’irrigation (swc).

C- Des méthodes directes basées sur des avertisseurs à l’irrigation :

bacs d’évaporation ; bac class « A », bac « Colorado »..etc.

D- Méthode neutronique : utilisation de l’humidimètre à neutrons

(appareil doit être étalonné), suivi des profils hydriques pour une période

donnée.

E- Méthode tensiomètrique : utilisation des tensiomètres (manuels,

sonde WaterMark, canes tensiomètriques) pour la mesure du potentiel

hydrique du sol et pilotage des irrigations entre une plage de tensions

(en centibars) fixée.

F- Potentiel hydrique foliaire : connaissance du potentiel foliaire de base

moyennant une chambre de pression : Scholander)

G- Contrôle du stress hydrique de la plante : mesure et calcul du stress

hydrique via les indices spectraux de stress hydrique. La mesure des

variations de dimension des organes végétaux comme critère de mesure

du stress hydrique de la plante.

H- Mesure de la température de surface du couvert végétal : utilisation

de la thermométrie infrarouge et mesure de la somme (Ts – Ta) pour

différentes cultures pour le déclenchement des irrigations.

D’autre méthodes sont à considérer telle que : bilan énergétique ; bilan

radiatif (mesure du rayonnement global), voir les conversions Mj/m²,

watt/m², cal/cm²/jour, évaporation équivalente…etc

Enfin, des modèles de simulation et de calcul des besoins en eau des

plantes sont proposés tels que : STICS, CROPWAT...etc.

3- Comment apporter cette eau :

Mode d’irrigation (aspersion, goutte à goutte …. etc selon

l’aménagement de la parcelle, plante à irriguer, disponibilité de la

ressource, quantité ou débit et surtout qualité de la ressource ; eau

salée, eau chargée et conditions pédoclimatiques de la région ; nature

du sol, vent, …etc. Pour la prise de décision sur le mode d’irrigation.

Cette partie a fait l’objet d’un module intitulé : Equipements hydrauliques,

déjà vu au semestre précédent.

Chapitre I- Bilan hydrique.

Le calcul du bilan hydrique estime l'écoulement et l'évaporation sur un

pas de temps décadaire ou mensuel en fonction du sol et des conditions

climatiques.

Le sol (considéré comme un réservoir qui se remplit par les irrigations et

les précipitations et se vide par les prélèvements de la culture ;

consommation, évapotranspiration, drainage en tenant compte de la

variation du stock d’eau) a un impact important sur le bilan car il possède

une capacité de stockage qui peut s'épuiser (selon sa nature et les

conditions climatiques). La plante utilise difficilement l’eau (eau liée) ce

qui conduit au flétrissement. Répercussion sur les rendements de la

culture et ainsi à une baisse de l'évapotranspiration.

La porosité du sol qui conditionne l’état de l’eau dans le sol (20 à 30% en

général) peut être considérée comme une capacité de stockage :

Lors d’une pluie ou d’une irrigation toute la porosité ( macro et

micro) est occupée par l’eau, dans ces conditions le sol est dit

saturé.

Selon la nature du sol (argile, limon ou sable selon les proportions)

cette eau est évacuée par gravité. Le temps d’évacuation ou temps

de ressuyage dépend de la granulométrie du sol ( quelques heures

pour les sables à quelques jours pour les argiles).

Le sol se draine jusqu'à atteindre la « capacité au champ :

Hcc » ou « capacité de rétention : Hcr » W330 qui correspond à

l'eau contenue dans le sol à une tension d'humidité du sol de -330

hPa ou cm de colonne d’eau.

La végétation puise dans cette réserve jusqu'à une tension de -

1500hPa, puis elle flétrit (la valeur de tension de -1500hPa est

nommée W1500 ou point de flétrissement),

La réserve utile est la différence entre l'eau contenue dans le sol à

la capacité au champ et l'eau contenue dans le sol au point de

flétrissement, elle varie d'un sol à l'autre, elle correspond à une

lame d'eau contenue dans une épaisseur unitaire de sol et est

exprimée généralement en mm d’eau par mètre de sol,

La réserve utile totale = réserve utile * épaisseur sol

Estimation de la réserve utile (RU) en mm

point de flétrissement : W1500 sans qu'il y ait de dépérissement

irréversible des végétaux

Capacité au champ : W330 après saturation et ressuyage durant 48h

Schéma des différents états de l’eau (humidités) dans le sol

Il existe de multiples fonctions pour quantifier la RU à partir de données

de texture des sols. Les équations de régression linéaire de Rawls ont

l'avantage d'être simples et ont été testées sur un large échantillon de

sols américains (2 500 horizons prélevés dans 32 États des États-Unis),

leur validation a offert des coefficients de corrélation de 0,80 et de 0,87

pour l'estimation de la teneur en eau à - 15 000 hPa et à - 330 hPa

respectivement.

W330 = 257,6 - (2 x Sa) + (3,6 x Ar) + (29,9 x MO)

W15000 = 26 + (5 x Ar) + (15,8 x MO)

avec :

W330 teneur en eau à -330 hPa (en mm/m)

W15000 teneur en eau à -15 000 hPa (en mm/m)

Ar : teneur en argile (en %)

Sa : teneur en sable (en %)

MO : teneur en matière organique (en %)

La réserve utile (RU) en mm est calculée pour chaque horizon par la

fonction suivante :

RU = (W330 - W15000) x h

h : épaisseur de l'horizon (en m)

Estimation de l'évapotranspiration potentielle (ETP)

Plusieurs méthodes peuvent être utilisées, celle de Thornthwaite a

l'avantage d'être simple et robuste sous différentes latitudes.

Ej : évapotranspiration mensuelle (en mm)

Tj : température (en °C)

a = 6,75.10-7 I3 - 7,71.10-5 I2 + 1,79.10-2 I +0,49

: correction liée à la latitude (durée maxi de l 'ensoleillement) →

cf. abaque de calcul

I : somme des 12 indices thermiques mensuels

Coefficient de correction en fonction de la latitude

Estimation de l'évapotranspiration réelle (ETR)

Cette méthode tient compte de l'impact de l'évolution de la réserve du

sol. La réserve utilisée par les végétaux pour leur développement et

pouvant ainsi être évapotranspirée est nommé Réserve Utile RU.

Méthode:

1. initialiser la réserve R début de mois en janvier sur la valeur de la

RU (ceci suppose un sol saturé au 1er janvier)

2. calculer le rapport R / RU

3. calculer ETR = (R / RU) * ETP

4. calculer réserve R fin de mois = réserve début mois + P – ETR

(plafonner R à RU)

5. calculer le déficit agronomique = ET – ETR

6. calculer l’excédent hydrique = P – ETR – (RU – R début de mois)

L'excédent hydrique représente l'écoulement hors du sol pouvant

alimenter les nappes souterraines ou les cours d'eau.

Mise en application

Question

A l'aide d'un tableur :

Calculer la réserve utile d'un sol formé de 2 horizons :

o Horizon de surface (0-20 cm) : 10% argile, 68% limons, 30%

sable, 2% matière organique

o Horizon profond (20-70 cm) : 15% argile, 65% limons, 20%

sable

Calculez l'ETP, l'ETR et l'excédent hydrique de la station présentée

dans le tableau ci-dessous, située à 46° de latitude nord

Construisez un histogramme de l'évolution de l'excédent, accompagné de

l'ETR

j f m a m j j a s o n d

T 3,4 4,9 7,5 9,5 13,7 17,3 20,2 19,2 16,4 12,5 6,7 4,4

i

ETP non

corrigée

correction

latitude

ETP

corrigée

P 41,8 39,5 41,5 54,8 88,1 74,4 62,9 72,5 69,2 62,7 51,1 47,9

réserve

début mois

réserve/RU

ETR

réserve fin

mois

variation

réserve

variation

cumulée

déficit agro

excédent

TABLE 1. Conversion factors for evapotranspiration

depth volume per unit area energy per unit area *

mm day-1 m3 ha-1 day-1 l s-1 ha-1 MJ m-2 day-1

1 mm day-1 1 10 0.116 2.45

1 m3 ha-1 day-1 0.1 1 0.012 0.245

1 l s-1 ha-1 8.640 86.40 1 21.17

1 MJ m-2 day-1 0.408 4.082 0.047 1

Concepts de l’évapotranspiration ou evapotranspiration concepts :

Cours déjà réalisé en l3.

Le schéma suivant résume la compréhension de la notion

d’évapotranspiration.

Méthode Bacs d’évaporation ou Pan evaporation method :

Coefficient du bac (Kb) ou Pan coefficient (Kp)

Différents types de bacs Pan types and environment

Il existe différents types de bacs (bac class A et bac Colorado. La couleur, la

dimension et la position du bac ont une influence sur les résultats des mesures.

L’emplacement du bac et le milieu environnant comme le montrent les figures

ci-dessous ( cas A) et ( cas B) ont une influences sur les mesures.

Bac class “ A”

Figure : Emplacement du bac et milieu environnant.

Cas A : bac au milieu d’une plante verte entouré d’une surface sèche

à 50 m et plus.

Cas B: Bac au milieu d’une zone sèche entouré d’une zone verte

à 50 m et plus

Two cases of evaporation pan siting and their environment

Coefficients du bac ou Pan coefficients

Tableau 1: Coefficients du bac class « A » pour différents emplacements et environnements et différents niveaux d’humidité et de vent (source : FAO, Irrigation et drainage. Papier n° 24)

Table 1: Pan coefficients (Kp) for Class A pan for different pan siting and

environment and different levels of mean relative humidity and wind speed

(FAO Irrigation and Drainage Paper No. 24)

Bac class A Case A: bac placé dans un espace court cultivé de culture verte

Case B: bac place dans une surface sèche

RH moyenne

(%)

faible < 40

Moyen

40 - 70

elevé > 70

faible < 40

Moyen

40 - 70

élevé > 70

Vitesse du vent (m s-1)

Windward side distance of green

crop (m)

Windward side distance of dry

fallow (m)

faible 1 .55 .65 .75 1 .7 .8 .85

< 2 10 .65 .75 .85 10 .6 .7 .8

100 .7 .8 .85 100 .55 .65 .75

1000 .75 .85 .85 1000 .5 .6 .7

modéré 1 .5 .6 .65 1 .65 .75. .8

2-5 10 .6 .7 .75 10 .55 .65 .7

100 .65 .75 .8 100 .5 .6 .65

1000 .7 .8 .8 1000 .45 .55 .6.

élevé 1 .45 .5 .6 1 .6 .65 .7

5-8 10 .55 .6 .65 10 .5 .55 .65

100 .6 .65 .7 100 .45 .5 .6

1000 .65 .7 .75 1000 .4 .45 .55

Très élevé 1 .4 .45 .5 1 .5 .6 .65

> 8 10 .45 .55 .6 10 .45 .5 .55

100 .5 .6 .65 100 .4 .45 .5

1000 .55 .6 .65 1000 .35 .4 .45

Tableau 2: Coefficients du bac « Colorado » pour différents emplacements et environnements

et différents niveaux d’humidité et de vent (source : FAO, Irrigation et drainage. Papier n°24)

TABLE 2: Pan Coefficients (Kp) for Colorado sunken pan for different pan siting and

environment and different levels of mean relative humidity and wind speed (FAO Irrigation

and Drainage Paper No. 24)

Bac colorado

Case A: bac placé dans un espace court cultivé de culture verte

Case B: bac place dans une surface sèche

RH mean

(%)

faible < 40

Moyen

40 - 70

elevé > 70

faible < 40

Moyen

40 - 70

élevé > 70

Wind speed (m s-

1)

Windward side distance of green

crop (m)

Windward side distance of dry

fallow (m)

faible 1 .75 .75 .8 1 1.1 1.1 1.1

< 2 10 1.0 1.0 1.0 10 .85 .85 .85

100 1.1 1.1 1.1 100 .75 .75 .8

1000 .7 .7 .75

modéré 1 .65 .7 .7 1 .95 .95 .95

2-5 10 .85 .85 .9 10 .75 .75 .75

100 .95 .95 .95 100 .65 .65 .7

1000 .6 .6 .65

élevé 1 .55 .6 .65 1 .8 .8 .8

5-8 10 .75 .75 .75 10 .65 .65 .65

100 .8 .8 .8 100 .55 .6 .65

1000 .5 .55 .6

Très élevé 1 .5 .55 .6 1 .7 .75 .75

> 8 10 .65 .7 .7 10 ,55 .6 .65

100 .7 .75 .75 100 .5 .55 .6

1000 .45 .5 .55

Différents types de tensiomètres :

Il existe deux types de tensiomètre :

Le tensiomètre à eau : Les mesures sont faites entre 0 et 80 centibars (cb). Ce

type d’appareil est utilisable en pratique pour un pilotage des irrigations entre 0

et 60 cb

Le tensiomètre électrique ( watermark) : Il est muni d’une plage de mesure de 0

à 200 cb, utilisable pour piloter les irrigations entre 0 et 140 cb.

La lecture de la sonde tensiométrique permet de mesurer la RFU. Sur la plage de

mesure d’une sonde Watermark, la RFU est pleine à 0 cb et elle est vide à 200

cb.

Il faut préciser que c’est l’évolution des mesures relevées qui aide au pilotage

des irrigations et non la valeur intrinsèque de chaque mesure. Cette méthode de

suivi des irrigations donne des seuils de tension variables par type de sol, par

système d’irrigation et par culture pour maintenir à tout moment un état de

confort hydrique pour la plante.

Emplacement de tensiomètres au milieu d’une parcelle

Tensiomètre classique avec manomètre

Schéma d’un tensiomètre au sol

Unités de pression et potentiel hydrique

Disposition des tensiomètres sur la parcelle :

La tensiométrie n’est représentative que si les sondes sont bien positionnées et

réparties sur la parcelle étudiée. En effet, l’hétérogénéité du sol, de la répartition

de l’irrigation et celle de la culture sur la parcelle, peuvent être sources

d’erreurs. Pour limiter ces erreurs potentielles, on multipliera alors les points de

mesures sur la surface concernée. Deux à trois stations de mesures doivent être

installées sur chaque parcelle de 1 à 5 hectares suivant l’hétérogénéité du sol.

Chacune de ces stations est composée de 2 à 3 sondes mesurant à différentes

profondeurs. Les profondeurs à mesurer dépendent de l’enracinement de la

culture. Toutefois, une sonde plus profonde que l’enracinement de la plante est

également utile pour étudier les mouvements de l’eau dans le sol et les

remontées par capillarité. Les sondes sont positionnées au sein de la culture, à

proximité des plantes et de leurs systèmes racinaires. Pour optimiser

l’emplacement des sondes, il est important d’éviter les zones particulières

(sommet de butte, bas fonds…) et de localiser les zones les plus représentatives

de l’ensemble de la parcelle.

Vulgarisation de la tensiomètrie pour le pilotage des irrigations.

Actuellement, il existe dans le commerce différents types de tensiomètres

facilement utilisables. Pour les agriculteurs « faiblement initiés », il existe des

tensimètres colorés qui indiquent le niveau de rétention de l’eau dans le sol qui

aident à prendre la décision d’irriguer.

Le raisonnement et l’enregistrement des pratiques d’irrigation via la

tensiométrie sont fortement encouragés pour optimiser l’utilisation de la

ressource en eau et améliorer ses résultats de production. Les services du

développement agricole peuvent accompagner techniquement la mise en place

de cet outil de pilotage de l’irrigation pour des exploitations agricoles pilotes en

vue de leur généralisation.

La notion de potentiel hydrique

La tension de succion du sol peut être exprimée en unités de pression ou en

hauteur d'eau. Souvent, on utilise une unité particulière, le pF (à ne pas

confondre avec point de flétrissement !), qui est le logarithme de la pression

négative H exprimée en cm d'eau.

pF = log H

H : charge d’eau exprimée en cm de colonne d’eau

1 pression de 1 atmosphère (1013 hPa) correspond à une pression de 1000 cm de

colonne d’eau et à un pF de 3.

Le potentiel matriciel du sol augmente quand la teneur en eau diminue. Il est de

l'ordre de 330 hPa, soit pF=2,5, pour la capacité au champ d'un sol.

Le point de flétrissement d'une plante varie d'une espèce à l'autre. Le volume

d'eau disponible pour les plantes, appelé "réserve utile RU" comprend la

"réserve facilement utilisable RFU" et la «réserve de survie ou difficilement

utilisable RDU»; elle dépend de la profondeur du sol et de la nature de celui-ci.

Relation humidités des sol et potentiel hydrique :

Ce qu’il faut retenir :

Pour le même potentiel hydrique, l’humidité du sol

diffère d’un sol à un autre.

Voir illustration sur la figure ci-dessous.

Notion de potentiel hydrique foliaire de base

Qu'est-ce que le potentiel hydrique foliaire ?

Elle constitue la mesure de référence pour mesurer l'état hydrique du végétal.

Elle se réalise à l'aide d'une chambre à pression dite de Scholander. Il s'agit

d'estimer, à l'aide de la pression d'un gaz neutre appliqué sur une feuille, la

capacité des cellules à retenir l'eau. Moins il y aura d'eau libre dans la plante,

plus la pression nécessaire pour la faire sortir sera forte. Le résultat, la pression

nécessaire pour extraire la sève de la feuille, est exprimé en Bar ou en Mpa,

toujours en valeur négative.

Ce potentiel représente l'état hydrique de la plante à un instant donné et peut être

mesuré sur toute feuille et à toute heure selon ses objectifs. Il peut permettre

notamment de suivre l'évolution de la contrainte au cours de la journée. Il existe

une forte variabilité entre feuilles et son interprétation peut s'avérer

problématique. On préférera plutôt le potentiel hydrique foliaire de base et de

tige.

Principe: La mesure du potentiel hydrique foliaire de base permet d'estimer l'état hydrique

de la plante.

En fin de nuit, alors que la transpiration est négligeable et que la plante a

reconstitué ses réserves en eau, on considère que la tension de sève dans le

végétal est en équilibre avec le potentiel hydrique du sol dans la zone

d’implantation des racines. La mesure du potentiel foliaire à cet instant, appelé

potentiel hydrique foliaire de base, renseigne par conséquent sur la disponibilité

en eau du sol et fournit une information sur l’état hydrique dans lequel se trouve

le végétal, en raison d’une plus faible variabilité des conditions de milieu.

Mesure du potentiel hydrique foliaire de base :

La mesure se fait en fin de nuit, avant le lever du soleil (à partir de 2h du matin

jusqu’à l’aube). Il n’y a pas eu de précipitations dans les 4 jours précédents la

mesure. Les conditions climatiques au moment de la mesure doivent être

constante d’une fois sur l’autre (vent, humidité).

Quatre points sont nécessaires pour caractériser l’état hydrique de la plante au

cours de la période végétative. Le premier doit être fait avant l’apparition du

stress lorsque la réserve utile du sol n’est pas épuisée. Une mesure à fermeture

de grappe, une à mi-véraison et une avant récolte constituent une trame

convenable.

Le potentiel de base est mesuré avec une chambre à pression (dite de

Scholander) munie d’une source d’azote comprimée, d’un régulateur de débit et,

si possible, d’un manomètre de précision (0.001 Mpa).

La feuille, sèche et entière, est prélevée juste avant la mesure par rupture du

pétiole au niveau de son insertion sur le nœud. Le pétiole est amputé de son

extrémité à l’aide d’un cutter bien aiguisé pour ne pas écraser les tissus. Il est

ensuite introduit dans l’orifice du couvercle. On fait l’étanchéité autour du

pétiole, on place la feuille dans la chambre. Cette dernière est mise sous pression

très progressivement (la précision de la mesure est très dépendante de la vitesse

de montée en pression). Une incrémentation de 0.002 (début de saison, absence

de stress) à 0.004 Mpa (fin de saison, stress avéré) est recommandée.

Le potentiel hydrique est noté lors de l’apparition d’humidité sur la section du

faisceau ligneux du pétiole. Cette valeur correspond à la pression de la chambre

affichée par le manomètre.

La valeur des potentiels de base est la moyenne des mesures effectuées sur la

modalité déterminée.

Ces seuils peuvent varier suivant les plantes.

-0,2MPa<phfb : contrainte hydrique absente

0,3MPa<phfb<-0.2MPa : contrainte hydrique faible

-0,5 MPa < phfb < -0,3 MPa contrainte hydrique faible à

modérée

-0,8 MPa < phfb < -0,5 MPa contrainte hydrique modérée à sévère

phfb < -0,8 MPa contrainte hydrique sévère

Mesure du potentiel hydrique foliaire à l’aide

de la chambre de pression (Scholander)

Ce potentiel (phfb) s'adresse à une plante dont tous les stomates sont

fermés et représente les disponibilités en eau du milieu. La mesure se

réalise en fin de nuit, avant le lever du soleil. Il s'agit d'un indicateur fiable

qui a permis d'obtenir de solides seuils de référence.

Notion de potentiel hydrique foliaire de tige :

Ce potentiel est mesuré sur une feuille préalablement ensachée pendant une

heure au midi solaire (à 14h00). Il représente l'état de tension de l'eau dans

la plante. Cette méthode de mise en oeuvre plus lourde est sensible aux

faibles contraintes.

Ces seuils peuvent varier suivant les plantes.

-0,6 MPa < phfb contrainte hydrique absente

-0,9 MPa < phfb < - 0,6 MPa contrainte hydrique faible

-1,1 MPa < phfb < -0,9 MPa contrainte hydrique faible à modérée

-1,4 MPa < phfb < -1,1 MPa contrainte hydrique modérée à sévère

phfb < -1,4 MPa contrainte hydrique sévère

La notion de température du couvert :

Le point de départ de cette technique est le système de régulation thermique de

la plante lié à la transpiration. Lorsque la plante est en situation où l'eau est un

élément limitant, son activité transpiratoire diminue. De ce fait la plante dépense

moins d'énergie calorifique et ses feuilles se réchauffent. En d’autre termes

l’énergie, initialement utilisée pour accomplir la photosynthèse est emprisonnée

à l’intérieur suite à un stress hydrique, ce qui augmente la température du

couvert végétal.

La notion dite des apex :

Cette méthode est utilisée pour déclencher l’irrigation. Elle demande environ 5

minutes d’observation par parcelle. Le principe de base est que le ralentissement

ou l’arrêt de croissance est la réponse du végétal à une contrainte hydrique. Les

observations doivent être réalisées sur 30 à 50 plants par parcelle. Les apex sont

classés en 3 catégories :

pousse active (stade P)

l’extrémité du rameau est tombée ou sec (stade C)

le rameau est en croissance ralentie (stade R = ni P, ni C)

A partir de ces notations, un indice d’arrêt de croissance IAC=100/3 x (1-%P +

%R +2%C) peut être calculé.

4 à 5 mesures sont nécessaires pour interpréter la dynamique de croissance : la

1ère , 10 jours après floraison puis tous les 10 jours environ.

Stade P Stade R Stade C

Photos montrant les stades (P, R et C) – cas de la vigne

Autres méthodes disponibles :

Plusieurs autres techniques pour l’estimation de l’état hydrique des plantes ont

été proposées pour la vigne. Il peut s’agir de méthodes :

basées sur des mesures au niveau de la plante : conductance stomatique,

transpiration avec des capteurs de flux de sève, dendrométrie pour

mesurer la variation du diamètre des troncs

non basées sur des mesures directes sur la plante : estimation de

l’évapotranspiration à partir des données climatiques, disponibilité en eau

du sol (tensiomètres, résistance électrique, sondes à neutrons...), ou des

calculs d’indice

Humidimètre à neutrons.

La mesure neutronique de la teneur en eau du sol repose sur les propriétés de

réflexion que possèdent les molécules d'eau à l'égard d'un flux de neutrons.

Rappelons que parmi les divers éléments que l'on trouve dans le sol, ce sont les

atomes d'hydrogène qui possèdent le noyau dont la masse est la plus proche de

celle du neutron. Les deux parties essentielles d'une sonde à neutrons, isolées

l'une de l'autre, sont l'émetteur et le détecteur de neutrons. Elles sont fixées à un

câble qui transmet les impulsions électriques émises par le détecteur à un

compteur. Le blindage sert à neutraliser la source radioactive lors de son

transport.

Lorsque la sonde est en place dans le sol, des neutrons rapides sont émis par la

source (mélange de americium et de beryllium) dans toutes les directions. Ils se

heurtent au noyau des divers atomes qui se trouvent sur leur trajectoire et voient

ainsi leur énergie cinétique et leur vitesse diminuer progressivement. Si le sol

présente une concentration d'atomes d'hydrogène suffisante, le ralentissement

des neutrons émis par la source se produit alors qu'ils se trouvent encore à

proximité de celle-ci. Les neutrons ralentis par collisions successives se

propagent dans des directions aléatoires, si bien qu'il se forme un nuage

neutronique dont la densité, est plus ou moins, constante. Une partie de ces

neutrons, qui dépendent de la concentration en atomes d'hydrogènes, sont

renvoyés directement en direction du détecteur en créant des impulsions. Le

nombre d'impulsions pendant un intervalle de temps est enregistré par un

compteur. La conversion de la valeur enregistrée par le compteur en une teneur

en eau se fait par le biais d'une courbe d'étalonnage. (teneur en eau en

abscisse, nombre de neutrons en ordonnées).

Cette technique a l'avantage de permettre des mesures rapides et répétées sur un

site sans perturbation du sol et avec une bonne précision.

Photo : Humidimètre à neutrons.

Evaluation de l’humidité des sols :

Profils d’humidité.

Profils hydrique réalisés sur la période du 30/06 au 25/09.

Le stress hydrique et ses conséquences sur la plante :

Figure 3 : Influence du stress hydrique sur les variables d'état de la plante.

Les outils de détection du stress hydrique :

Les paramètres biophysiques et physiologiques de la plante (photosynthèse,

conductance stomatique, teneur en chlorophylle, potentiel hydrique, etc.), du fait

de leur relation avec le statut hydrique de celle-ci, peuvent être utilisés comme

des indicateurs de son état hydrique. Des appareils existants permettent de

mesurer directement ces paramètres dans la culture, afin d’estimer ses besoins

en eau et d’effectuer des prévisions de rendement. Cependant à l’échelle des

champs, ces mesures sont coûteuses en temps et délicates à mettre en œuvre

Plusieurs des paramètres biophysiques de la végétation sont estimables par

télédétection. La contrainte hydrique va conduire la plante à une adaptation de

sa morphologie, ce qui va affecter plusieurs variables biophysiques. Les déficits

hydriques longs se traduisent par des changements progressifs dans la structure

de la plante, qui visent à réduire sa surface transpirante (surface foliaire ou LAI).

Le LAI (Leaf Area Index) est la variable de structure la plus importante. Elle

caractérise la taille des surfaces d’échange (rayonnement, eau, carbone, etc.)

avec l’atmosphère. C’est la mesure de la surface totale du feuillage par unité de

surface mesurée au sol (Équation 1). Le LAI affecte le spectre de réflectance de

la végétation, c’est aussi un indicateur de croissance végétale.

Les indices de végétation associés au stress hydrique

Les indices de végétation sont des mesures radiométriques de la variabilité

spatiale et temporelle de l’activité photosynthétique de la végétation (Caloz and

Puech, 1996), cette dernière étant en relation avec les variables biophysiques du

couvert telles que l’indice de surface foliaire (LAI), la biomasse totale, la

vigueur de la végétation, etc. Ces variables sont elles-mêmes en relation avec

l’état hydrique de la végétation. Leur calcul est basé sur des combinaisons,

linéaires ou non, de valeur de réflectance ou de luminance acquises dans

plusieurs bandes spectrales. Ces variables s'appuient essentiellement sur les

différences des propriétés optiques de la végétation dans le rouge (R : 600-700

nm) et le proche infrarouge (PIR : 700-1300 nm). Les réflectances dans le PIR

augmentent avec la présence de la végétation, tandis que celles dans le R

diminuent. Plusieurs indices ont été développés pour réduire l’effet de la fraction

de sol visible ( Soil adjusted indices : SAVI, TSAVI, OSAVI). L'indice de

végétation le plus couramment utilisé est le NDVI (Normalized Difference

Vegetation Index). L’indice de condition de la végétation ( VCI , Vegetation

Condition Index, (Kogan, 1995)) conçu pour estimer le stress hydrique est

entièrement basé sur le NDVI (Équation 2).

L’utilisation des indices de végétation pour une estimation de l’état hydrique de

la végétation permettrait difficilement une détection du stress hydrique au bon

moment (détection hâtive avec la fermeture des stomates). La température

foliaire étant d’une part directement associée au bilan hydrique, et d’autres part

mesurable par radiométrie, elle a donné lieu au développement de plusieurs

indices spectraux dans l’infrarouge thermique.

La température du couvert végétal comme indicateur de l’état

hydrique

La télédétection infrarouge thermique est beaucoup utilisée pour caractériser

l’état hydrique d’une parcelle. Elle présente l’avantage de la rapidité et de la

facilité d’acquisition, nécessaire pour un diagnostic hydrique. Lorsque la

température d’un corps augmente, il émet une radiation sous forme de

rayonnement électromagnétique. Les capteurs infrarouges thermiques mesurent

cette radiation émise dans la bande infrarouge (IR, 0.7 à 100μm) du spectre

électromagnétique et la relient à la température du corps par la loi de Stefan-

Boltzmann et la loi de Planck (Gaussorgues, 1999).

Figure : Spectre électromagnétique.

Notion de température de surface et température de couvert

Pour une meilleure compréhension de ce que mesure le radiomètre, il est

nécessaire de clarifier les expressions : température de couvert végétal (Tc),

température de surface (Ts) et température du sol (To). La température du

couvert (Tc, Canopy temperature) a été définie comme la température

radiométrique mesurée dans l’infrarouge thermique (IRT) et pour laquelle la

végétation est dominante dans le champ de vue du capteur, l’effet du sol étant

minime (Moran, 2000). To est la température du sol. Ts est la température de

surface, elle intègre tous les objets présents dans le champ de vue du capteur

(sol, végétation, ou tout autre objet). Kustas et al. (1990) ont défini Ts comme

une fonction de Tc et To (Équation 8).

lorsque le sol est totalement couvert par la végétation, alors Ts = Tc.

La plupart des surfaces naturelles, tout comme les végétaux, ont leur maximum

d’émission dans l’IRT. Étant donné que la température des feuilles est

directement reliée à l’état hydrique de la plante, plusieurs indices spectraux ont

été développés dans l’IRT pour la détection du stress hydrique. Ces indices font

appel à la température radiométrique, qui peut être estimée par les indices

spectraux suivants :

Les indices spectraux IRT de détection du stress hydrique

La température de surface des couverts végétaux a conduit au développement de

plusieurs indicateurs de stress hydrique. Le fondement théorique de ces

indicateurs repose sur la relation existant entre la température des plantes et leur

état hydrique.

1 Canopy Temperature (CT)

L’un des premiers indices spectraux IRT utilisé pour l’évaluation de l’état

hydrique de la plante est la température du couvert (Canopy Temperature

(CT), (Berliner et al., 1984; Moran et al., 2000). Sa détermination nécessite

uniquement la mesure de la température par radiométrie. Cet indice est

fortement corrélé au statut hydrique de la plante. Cependant, faute de valeurs de

référence, et étant fortement influencé par les conditions du milieu (humidité,

vent, température ambiante, etc.), son utilisation pour la détection du stress

hydrique et le pilotage de l’irrigation est problématique.

2 Temperature Stress Day (TSD)

L’absence de valeurs de référence dans l’utilisation de CT comme indicateur de

stress hydrique a amené plusieurs auteurs à développer l’indice TSD (Jackson et

al., 1983) à l’aide de plants de référence à proximité de la culture. Ces plants

évoluant dans les mêmes conditions agrométéorologiques que le champ sont

alors bien irrigués tout au long du cycle cultural. Le TSD (Équation 9) mesure la

différence de température entre le couvert végétal de la culture et le couvert

d’une parcelle témoin bien irriguée.

Lorsque les besoins en eau de la culture sont suffisamment comblés, la valeur de

TSD avoisine 0. Pour des valeurs de TSD supérieures à 0, l’alerte de l’irrigation

est donnée.

3 Stress Degree-Day (SDD)

Le SDD (Idso et al., 1977) repose sur la différence entre la température du

couvert et la température de l’air. Il constitue le premier indicateur tenant

compte de la correspondance entre l’évapotranspiration et la température de

surface (Luquet, 2002). Le SDD mesure la différence cumulative entre la

température du couvert et la température de l’air (Équation 10).

Le SDD permet de suivre l’état hydrique de la culture et d’effectuer des

prévisions de récolte. Selon une étude effectuée sur le blé en Arizona (Kogan,

1995), lorsque la valeur de SDD devient positive, cela entraîne une perte de

rendement.

4 Temperature Condition Index (TCI)

L’indice de condition de température ou TCI (Kogan, 1995) (Équation 11) de

même que le VCI (Vegetation Condition Index, Équation 2) sont des indices de

sécheresse basés sur la radiation émise et réfléchie par la couverture végétale

(Vogt et al., 2000). Ils sont utilisés pour estimer la vigueur de la végétation, et

par conséquent sa condition hydrique. Ces indicateurs ont été conçus pour

utiliser des mesures satellitaires comme celles du capteur AVHRR (Advanced

Very High Resolution Radiometer) du satellite NOAA (National Oceanic and

Atmospheric Administration). Le TCI varie dans l’intervalle [0, 100].

5 Canopy Temperature Variability (CTV)

Étant donné que le sol n’est pas homogène à l’intérieur d’un champ, le manque

d’eau va entraîner une variabilité spatiale de la température du couvert. La

variabilité de la température du couvert végétal à l’intérieur d’une parcelle est

ainsi utilisée comme un indicateur de stress hydrique à l’intérieur de cette

parcelle (Berliner et al., 1984; Bariou et al., 1985a; Penuelas et al., 1992; Moran,

2000). Le CTV est l’écart-type de la température moyenne du couvert (Équation

12).

Lorsque la valeur du CTV excède 0.7, le couvert est considéré en stress

hydrique. L’un des avantages de l’indice CTV est qu’il ne nécessite pas la

mesure de la température de l’air, et peut être calculé avec des valeurs de Tc

acquises à partir de capteurs IRT aéroportés sans correction atmosphérique

(Moran, 2000).

Les facteurs environnementaux constituant un frein à ces premiers indices

précités, des modèles plus complexes, alliant la mesure de la température de

surface par des capteurs IRT et la physique de l’évapotranspiration, ont été

élaborés. Parmi ceux-ci, citons le Crop Water Stress Index (Wiegand et al.,

1983) et le Water Deficit Index (WDI, (Moran et al., 1994)) qui sont bien

connus.

6 Crop Water Stress Index (CWSI)

À partir du bilan d’énergie (Annexe 1), Monteith et Szeicz (1962) ont développé

une expression mettant en relation la différence entre la température du couvert

végétale et celle de l’air (Tc –Ta) et la radiation nette, la vitesse du vent, le

déficit de pression de vapeur de l’air, la résistance aérodynamique et la

résistance du couvert (Équation 13). Cette équation est la base théorique du

développement de l’indice CWSI par Jackson et ses collègues (Idso et al.,

1981a) (Équation 14).

Figure 6 : Relation entre le VPD et (Ts-Ta) permettant le calcul du CWSI.

Figure 6 : Relation entre le VPD et (Ts-Ta) permettant le calcul du CWSI.

Un modèle empirique du CWSI a été développé par Idso (Équation 15). Son

calcul fait appel à deux lignes de base : la ligne de base « non-stressée », qui

représente les plants dont l’apport en eau n’est pas limité, et la ligne de base

« du maximum de stress », qui représente les plants soumis à un déficit hydrique

extrême. Le calcul de la ligne de base fait appel à la relation linéaire qui existe

entre (Tc - Ta) et le VPD dans des conditions d’apports en eau maximales.

Plusieurs études expérimentales (Idso, 1982; Jones, 1999) ont montré que la

ligne de base « non-stressée » peut varier selon le type de culture et les

conditions agroclimatiques dans lesquelles celle-ci évolue.

Figure 6 : Relation entre le VPD et (Ts-Ta) permettant le calcul du CWSI.

Où les indices l, u et r indiquent respectivement le minimum, le maximum et la

valeur mesurée de la différence de température (Tc – Ta).

Pour une végétation entièrement couvrante avec suffisamment d’eau :

Figure 6 : Relation entre le VPD et (Ts-Ta) permettant le calcul du CWSI.

Pour une végétation entièrement couvrante avec une indisponibilité en eau :

L’utilisation du CWSI a obtenu un succès assez considérable aux États-Unis

(Luquet, 2002) et a conduit à la commercialisation d’instruments de mesures du

CWSI au champ. C’est le cas du radiothermomètre Everest Interscience Model

100.3ZL (Everest Interscience Inc., AZ, USA). Un des avantages du CWSI est sa

relation avec le rendement de la culture. En effet, le CWSI est négativement

corrélé au rendement. Son application à l’échelle locale et régionale est

cependant entravée par la difficulté de mesurer la température des couverts

hétérogènes. La plupart des capteurs infrarouges au sol, aéroportés ou

satellitaires mesurent une température composite du sol et de la végétation.

Quand la végétation est clairsemée, la température du sol domine la température

de surface mesurée par le capteur IRT et biaise l’interprétation du CWSI. À cet

effet, Jackson et al. (1983) cités par Moran et al. (1994), ont émis cet

avertissement : « il est important que le sol n’apparaisse pas dans le champ de

vue du thermomètre infrarouge. La température du sol peut être grandement

différente de celle de la végétation et sa présence dans la mesure peut entraîner

des erreurs importantes dans le CWSI ». Selon Moran et al. (1994), une

approche de solution serait de combiner aux mesures de thermographie

infrarouge des indices de végétation pour corriger la fraction de sol visible par le

capteur, ou de circonscrire les mesures IRT à l’échelle de la feuille.

Figure 7 : Mesure de température de surface par thermométrie infrarouge.

7 Water Deficit Index (WDI)

Le concept du trapèze, combinant les indices de végétation spectraux et la

température des couverts hétérogènes, est proposé pour permettre une

application du CWSI à la végétation partiellement couvrante. Suivant cette

approche, un nouvel indice, le WDI, a été développé par Moran et al. (1994),

pour évaluer le taux d’évaporation des végétations entièrement et partiellement

couvrantes. Le calcul du WDI fait appel à la température et à la réflectance

(rouge et proche infrarouge) du couvert, ainsi qu’à un nombre de données

météorologiques du site (la radiation nette, le déficit de pression de vapeur de

l’air, la vitesse du vent et la température de l’air).

Luquet (2002) décrit le calcul du WDI, basé sur la construction, expérimentale

ou théorique, d’un trapèze dont les quatre sommets correspondent aux

conditions extrêmes de la culture en termes de taux de couverture et de

température. La construction de ce trapèze repose sur l’hypothèse de linéarité à

ses bornes. Toutes les combinaisons entre le taux de couverture et (Tc - Ta) sont

supposées contenues dans le trapèze, permettant alors de calculer le WDI

(Équation 22 à Équation 24) de façon similaire au CWSI, mais pour un taux de

couverture donné. Les valeurs des sommets du trapèze sont calculées (Équation

18 à Équation 21) à l’aide de l’équation du bilan d’énergie (Annexe 1).

Figure 8 : Illustration du WDI calculé par la méthode du trapèze.

Figure 8 : Illustration du WDI calculé par la méthode du trapèze.

Figure 8 : Illustration du WDI calculé par la méthode du trapèze.

Graphiquement, la valeur de l’indice WDI est définie par le rapport de distances

AC/AB :

Le rapport de l’évapotranspiration réelle et potentielle équivaut au rapport de

distances CB/AB, d’où :

Le calcul du WDI nécessite de connaître le taux de couverture de la végétation

estimable par télédétection à partir des indices de végétation tels que le NDVI et

le SAVI . La méthode a été développée afin d’utiliser des mesures satellitaires

ou aéroportées. Cependant, la résolution temporelle et spatiale des mesures

satellitaires n’offrent pas actuellement un suivi rigoureux de l’état hydrique de la

culture à l’échelle de la parcelle. Dans les régions arides et semi-arides, la

thermométrie infrarouge est un bon indicateur du stress hydrique des végétaux,

cependant elle est confrontée à une sévère limitation en climat humide et pour

des régions soumises à de fortes variations climatiques (Hipps et al., 1985). En

plus de la dimension temporelle et des contraintes météorologiques, le WDI

présente des faiblesses dans le cas de couverts fortement hétérogènes où les

effets d’ombrage peuvent être déterminant dans la caractérisation de la

température de surface (Luquet et al., 2004).

Les limites constatées avec les indicateurs de stress ont conduit au

développement de méthodes 3D qui offrent la possibilité d’étudier la

représentativité de l’information thermique au niveau de la feuille, de la plante

et du couvert. Ces approches 3D ont été développées afin de mieux considérer la

complexité des échanges thermiques au sein du système SVAT (sol-végétation-

atmosphère), pour une meilleure évaluation de l’intensité du stress subi par la

culture, sa représentativité dans le couvert et sa signification en terme de

réduction de la transpiration (Luquet et al., 2001; Luquet, 2002). Cependant si

cette méthode s’avère réaliste, elle pose le problème de lourdeur des mesures

architecturales couplées à une digitalisation 3D, qui demande un équipement

onéreux et un personnel qualifié (Luquet, 2002).

Une solution pour palier à la faiblesse des capteurs utilisant la

spectroradiométrie infrarouge thermique dans la mesure de la température des

couverts hétérogènes est de faire appel à des capteurs imageurs. Ces capteurs

restituent l’aspect spatial de la mesure, et permettent d’identifier la végétation

sur la scène mesurée. Les caméras de thermographie infrarouge, de plus en plus

utilisées dans l’industrie et le milieu médical, apportent cette solution.

PROJET DE CALCUL DES PARAMETRES DE

L’IRRIGATION

L’irrigation est pratiquée selon un programme prédétermine dans lequel un

certain nombre de paramètres sont estimés telle que la dose et la fréquence des

irrigations, la durée du tour d’eau…etc. Ces paramètres sont calculés comme

suit.

1- Poste d'irrigation

C’est la surface cultivée pouvant être arrosée simultanément. La taille du poste

dépend du débit par hectare et du débit de la source d’eau.

Surface du poste (ha) = Débit de la source d’eau

(m3/h) / Débit par ha (m3/ha)

Taille du poste d’irrigation

Données:

On considère une plantation d’oliviers de 1 ha, plantée selon l’écartement de 6m

x 6m. Les arbres sont équipés chacun de 4 goutteurs débitant 4 l/h. Le réseau

d'irrigation est muni d’une pompe fournissant 3,6 m3 d’eau /h (1 l/s).

La taille du poste d’irrigation se calcule comme suit :

- Débit par arbre = 4 goutteurs x 4 l/h = 16 l/h

- Nombre d'arbres par hectare (1 ha = 10000 m2) = 10 000 m2 / (6m x 6m) =

278 arbres.

- Débit par hectare = 278 arbres x 16 l/h/arbre = 4448 l/h/ha = 4,4 m3/h/ha

- Taille du poste d’irrigation = 3,6 (m3/h) / 4,4 (m3/h/ha) = 0 ha 82 ares.

2-Duree de l’irrigation

C’est la durée nécessaire pour irriguer un ensemble de parcelles avec la même

source d’eau.

Durée de l’irrigation (heure) = Durée de l'irrigation par

poste (h) x Nombre de postes raccordés a la même

source d'eau

Calcul de la durée d’irrigation

La dose journalière à apporter sur une plantation d’oliviers ( par exemple) de 10

ha est de 1 mm.

Les arbres sont espacés de 6m x 6m et équipés chacun de 4 goutteurs de 4

l/heure.

Le réseau d'irrigation est approvisionné par une borne fournissant 6 m3/h.

- Débit par arbre = 4 goutteurs x 4 l/h = 16 l/h

- Surface occupée par un olivier = 6m x 6m = 36 m2

- Nombre d'arbres par ha = 10 000 m2 / (6 m x 6 m) = 278 pieds

- Débit par ha = 278 arbres x 16 l/h/arbre = 4448 l/h/ha = 4,4 m3/h/ha

- Taille du poste = 6 m3/h : 4,4 m3/h/ha = 1 ha 36

- Nombre de postes sur le verger = 10 ha : 1,36 ha = 7,35 soit 7 postes

- Durée de l'irrigation par poste = 1 mm x (6m x 6m) : 16 l/h = 2,25 h ou 2 h et

18 mn

- Durée totale de l’irrigation = 2,25 h x 7 postes = 15 h 45 min.