Etude experimentale et simulation numerique de l'economie de l'eau sous culture

Agricultural Meteorology, 16(1976) 193--209 @ Elsevier Scientific Publishing Company, Amsterdam -- Printed in The Netherlands

ETUDE EXPERIMENTALE ET SIMULATION NUMERIQUE DE L'ECONOMIE DE L'EAU SOUS CULTURE

P. MOUTONNET, PH. COUCHAT et J. MARCESSE

Commissariat ~ l'Energie A tomique, D$partement de Biologie, Service de Radioagronomie, CEN Cadarache, Saint-Paul-lez-Durance (France) (Accept~ pour publication le 10 juliet, 1975)

ABSTRACT Moutonnet, P., Couchat Ph. and Marcesse, J., 1976. Etude exp~rimentale et simulation num~rique de l'~conomie de l'eau sous culture. (Experimental study and numerical simulation of the subsoil water environment.) Agric. Meteorol., 16: 193--209. Through a field-scale study of the use of soil water by roots it is possible to specify certain pedo-climatic criteria defining plapt behaviour in the "soil--plant--atmosphere" system. The combined use in the field of a NEMO-10 automatic neutron soil moisture meter and tensiometers gives the values of the following parameters: evapotranspiration (ETR), effective root density (R (z)), hydraulic conductivity of the soil (K (Hv)) and the effect of increased amounts of water. At the same time the application of a DIFSOL numerical simulation model allows the results to be interpreted and extended to the case of a hysteretic representation of the K (Hv) curve, or to the data on roots activity drawn from the periodic oscillations of the matrix potential. Following a similar laboratory experiment on altered soil columns, the field study pointed out two important differences. (1) With reduced ETR the soil/root competition for water is modified so that the evolution of the water reserves is much more closely related to the hydraulic conductivity of the soil than to the factor of effective root density. (2) Under rainfall or irrigation, simulation of the water profiles observed is possible only if the hysteretic nature of the relation K (Hv) is considered. At 35% Hv, the infiltration and drainage conductivities differ by a factor of 10. RESUME L'~tude macroscopique de l'utilisation deTeau du sol par les racines permet de prdciser certains crit~res pddoclimatiques qui ddfinissent le comportement de la plante dans le syst~me "sol--plante--atmosph~re". L'utilisation couplde, sur le terrain, d'un humidim~tre neutrons automatique NEMO 10 et de tensiom~tres permet de connaitre les valeurs des param4tres: ~vapotranspiration (ETR), densitd de racines efficaces (R (z)), conductivitd hydraulique du sol (K (Hv)) et incidence des apports d'eau. Parall~lement la raise en oeuvre d'un module num4rique de simulation DIFSOL permet d'expliquer les r~sultats et de les 4tendre, au cas d'une reprdsentation hystdrdtique de la loi K (Hv), ou encore l'information relative ~, l'activitd radiculaire q u ' o n peut tirer des oscillations pdriodiques du potentiel matriciel. Faisant suite ~ une expdrience similaire conduite en laboratoire sur colonnes de sol remanid, l'dtude de terrain se distingue sur deux points.

194 1) Sous ETR rdduite la compdtition sol/racine vis ~ vis de l'eau est modifide, si bien que l'dvolution des rdserves hydriques est beaucoup plus lide au param~tre conductivitd hydraulique du sol qu'au terme de densit~ radiculaire efficace. 2) Sous pluie ou irrigation la simulation des profils hydriques observds, n'est possible que si l'on prend en compte la nature hystdrdtique de la relation K (Hv). A 35% Hv, les conductivitds ~ l'infiltration et au ressuyage different d'un facteur 10.

INTRODUCTION L ' ~ t u d e de l ' u t i l i s a t i o n de l'eau du sol par la p l a n t e est a b o r d ~ e de mani~re d i f f ~ r e n t e suivant que l ' o n s'int~resse a u x m ~ c a n i s m e s de t r a n s f e r t de la s o l u t i o n au niveau de la racine ou que l ' o n considbre g l o b a l e m e n t le s y s t ~ m e s o l - - p l a n t e - - a t m o s p h b r e . L o r s de c e t t e s e c o n d e a p p r o c h e - - qui ne d o n n e gu~re l ' o c c a s i o n d ' e x p l i c i t e r les p h ~ n o m ~ n e s d ' a b s o r p t i o n -- l ' e x p b r i m e n t a t i o n en l a b o r a t o i r e , c o m p l ~ t ~ e p a r un m o d b l e n u m ~ r i q u e de s i m u l a t i o n , s'av~re tr~s f ~ c o n d e en m e t t a n t en ~vidence la p a r t de l ' a b s o r p t i o n par les racines dans l ' ~ v o l u t i o n du s t o c k en eau du sol. La t r a n s p o s i t i o n sur le terrain de ce t y p e d ' ~ t u d e r ~ p o n d ~ un triple souci: t o u t d ' a b o r d c o n n a ] t r e les valeurs des p a r a m ~ t r e s d ' e x p ~ r i m e n t a t i o n : ~ v a p o r a t i o n ( a m p l i t u d e et phase), g~om~trie des racines, c o n d u c t i v i t ~ h y d r a u l i q u e du sol, i n f l u e n c e des a p p o r t s d ' e a u (pluies et irrigations); puis v~rifier l ' i n f l u e n c e des v a r i a t i o n s des c o n d i t i o n s de terrain par r a p p o r t celles i m p o s ~ e s a u l a b o r a t o i r e sur l ' a p p l i c a t i o n in situ de l ' a p p r o c h e globale du s y s t ~ m e s o l - - p l a n t e - - a t m o s p h b r e et la s i m u l a t i o n de ce dernier; enfin j u g e r de l ' a d a p t a t i o n sur le terrain des m ~ t h o d e s de m e s u r e mises au p o i n t en l a b o r a t o i r e , p a r t i c u l i ~ r e m e n t en ce qui c o n c e r n e la t e n e u r en eau et le p o t e n t i e l matriciel. Bien que les r~sultats ne soient pas pr~sent~s suivant ce d ~ c o u p a g e , il sera ais~ au l e c t e u r de d i s c e r n e r ce triple souci d a n s la suite des p a r a g r a p h e s que n o u s a v o n s pr~f6r~ - - p o u r ~tre plus clairs - - p r e s e n t e r suivant le s c h e m a e x p ~ r i e n c e - t h ~ o r i e , en s~parant les aspects t e n e u r en eau et p o t e n t i e l materiel. DISPOSITIF EXPERIMENTAL Le p o i n t d'essais se situe sur les l i m o n s s a b l e u x (Marcesse et C o u c h a t , 1 9 7 3 ) de la f e r m e du c h a t e a u de C a d a r a c h e (France). Le sot, laiss~ en jach~re p e n d a n t plusieurs ann~es, a subi en m a r s 1 9 7 3 u n l a b o u r p r o f o n d puis, u n e s e m a i n e a v a n t le semis, un a p p o r t de: 60 unit~s d ' a z o t e (sulfate d ' a m m o n i a q u e ) ; 120 unit~s de p h o s p h o r e ( s u p e r p h o s p h a t e ) ; et 100 unit~s de p o t a s s e (sulfate de potasse} p a r h e c t a r e . Au semis (18 m a i 1 9 7 3 ) on a a p p o r t ~ 30 k g / h a de mais s e m e n c e semi tardif, vari~t~ p i o n e e r 3648. L ' ~ c a r t e m e n t des lignes est de 0,90 m; au d~mariage on a laiss~ e n v i r o n 5 0 , 0 0 0 pieds ~ l ' h e c t a r e . A la levee on a proc~d~, sur la ligne, ~ l ' i m p l a n t a t i o n de 7 t u b e s d'acc~s de s o n d e "~ n e u t r o n s . L ' u n

195

d'entre eux, trait~ & poste fixe par un humidim~tre & neutrons automatique NEMO 10, est entour~ de six tensiom~tres places respectivement & 30, 40, 50, 70, 90, 110 cm de profondeur. On dispose ~galement de 6 asperseur~ qui d~limitent la zone irrigu6e (36 × 72 m) sur laquelle sont places 2 pluviom~tres et un pluviographe. A l'ext~rieur de la parcelle est install~ un abri m~t~orologique classique (temperature et humidit~ relative de l'air). Le montage tensiom~trique retenu est repr~sent~ sur la Fig.1 Grace l'utilisation d'un tube central de faible diam~tre int~rieur, le volume d'eau de remplissage est r~duit ~ 15 ml environ. Ce montage est coupl~ & un capteur de pression & fils tendus (gamme 15 psia) lequel est connect~ & un enregistreur potentiom~trique 12 voies.

TETE PLEXIGLAS

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TUBE INOX

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BAOUE PVC 1I(I U ~ COLLAGE ARALOITE

COUPELLE

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Fig.1. S c h e m a de m o n t a g e d ' u n t e n s i o m ~ t r e . Fig.1. S c h e m a o f a t e n s i o m e t e r .

196

RESULTATS EXPERIMENTAUX

Evolution de l'humidit4 du sol Les premiers profils relev~s u n mois apres le semis, i n d i q u e n t des r~serves h y d r i q u e s de 320 m m sur 1,40 m de sol -- soit u n e humidit~ m o y e n n e de 23% Hv. En fair on observe (Fig.2) u n e z o n e d ' a s s ~ c h e m e n t assez m a r q u e e en surface et une h u m i d i t ~ m o y e n n e en p r o f o n d e u r voisine de 26% corresp o n d a n t / ~ une succion de 150 m b a r (pF 2,18) representative d ' u n profil de capacit~ au c h a m p . A partir de c e t t e date, l ' e x p l o i t a t i o n des profils n e u t r o n i q u e s f o u r n i t -- c o m p t e t e n u de la pluviom~trie, des irrigations, et en

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Fig.2. Profils h y d r i q u e s au c h a m p , sur une p~riode d ' u n mois, en d~but de campagne. Fig.2. Field w a t e r c o n t e n t s o f the soil for a m o n t h at the beginning of the work.

197

supposant que les pertes par drainage sont minimes -- l'~vapotranspiration d~cadaire du syst~me sol--plante. Sur la Fig.3, on a port~ du 26 juin (177~me jour de l'ann~e) au 17 octobre (290~me), l'~volution du terme ~vapotranspiration; les chiffres obtenus oscillent entre 4 et 5 mm/jour avec des valeurs l~g~rement plus ~lev~es vers le 185~me jour quand la plante est au stade 12

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Fig.3. E v o l u t i o n de la c o n s o m m a t i o n h y d r i q u e du ma]'s au e o u r s du t e m p s . Fig. 3. W a t e r use of m a i z e versus time.

feuilles. On n'observe pas d'incidence notable de l'6volution physiologique du ma'is sur sa consommation d'eau telle qu'elte appara}t chez Puech et Hernandez (1973). On peut alors se demander si la mesure continue, h poste fixe, des r6serves hydriques du sol est bien repr6sentative de ce qui se passe au niveau de la parcelle: t o u t d'abord l'6tude de la r6humectation par une pluie ou une aspersion nous permet d'estimer la perturbation due ~ l'appareil sur l'6valuation du stock en eau. Nous avons port6 sur la Fig.3, pour chaque pluie ou irrigation, la quantit6 d'eau exprim6e en mm qui ressort d'une part du bilan neutronique effectu6 sur les profils relev6s avant et 24 h apr6s irrigation et d'autre part de l'enregistrement du pluviographe plac6 dans l'interligne ~ quelques m6tres du poste de mesure ~ 1,40 m de hauteur. Bien que la dispersion des points repr6sentatifs, report6s sur la Fig.4, soit relativement importante, on n'observe pas de sur- ou sous-estimation des apports due l'ensemble de mesure neutronique. Le coefficient de corr61ation lin6aire est de 0,84 et l'erreur-type d'estimation des apports est de 10 mm par rapport aux indications du bilan neutronique. Pour une irrigation moyenne de 50 mm d'eau l'incertitude est de + 10%, ce qui est important en valeur relative mais dans la fourchette d'h6t6rog6n6it6 due au syst6me d'aspersion. On peut dire

198

que, dans notre cas, la perturbation entrafn~e par la sonde NEMO 10 sur la distribution de l'eau, est relativement modeste par rapport fi l'h~t~rog~n~it~ due au syst~me de distribution lui-m~me. On a tout lieu de penser qu'il en est de m~me au cours de la phase suivante de dess~chement du sol par la plante, celle-ci pr~sentant un d~veloppement tr~s homog~ne autour du point de mesure.

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Fig.4. Comparaison des quantit~s d'eau stock~es mesur~es par bilan neutronique,,aux indications du pluviographe. Fig.4. Comparison of storage of water measured by neutronic measurement and recording rain-gauge.

Pendant la p~riode de culture, l'~volution de l'humidit~ du sol est ~tudi~e, A raison d'un profil par 24 h, aux profondeurs correspondant fi l'implantation des 6 tensiom~tres (Fig.5). On a port~ verticalement quelques indications rep~res: 1) les humidit~s ~quivalentes aux pF 2 et 3 obtenues A partir de la courbe ~ (Hv); 2) la capacit~ de r~tention (C.R.) d~termin~e A partir des profils de ressuyage qui font suite aux irrigations des 6 et 7 septembre; 3) l'humidit~ m o y e n n e du sol en d~but de campagne (H.M.). D'une facon g~n~rale l'humidit~ ~volue entre 29 et 16% (pF 2 et 3) avec une tendance A l'ass~chement en aofit. Notons ~galement qu'en d~but de campagne, m~me apr~s un hirer relativement pluvieux, l'humidit~ m o y e n n e du sol est n e t t e m e n t inf~rieure fi la valeur estim~e de capacit~ de r~tention. Evolution de l'humiditb du sol sur une p~riode courte correspondant ~ un cycle hurnectation-ressuyage

Nous donnons ~ titre d'exemple une succession de profils continus relev~s le 7 septembre 1973 (250~me jour) suivant un pas de temps voisin de 30

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Fig.5. E v o l u t i o n g~n~rale de l'humidit~ du sol mesur~e aux diff~rents niveaux d'implantation des tensiombtres. Fig.5. Water c o n t e n t o f soil measured at the different t e n s i o m e t e r s levels.

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minutes (Fig.6). Le profil de base est celui de la nuit pr~c~dente. En cours d'irrigation (53 mm de 9 & 16 h) on obtient dans la couche arable un profil d'~quilibre & 36% Hv, ce qui donne, compte tenu du d~bit de dose, une conductivit~ hydraulique de 1,27 x 10 -2 cm/min. D~s que l'irrigation cesse, 1

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19~3

Fig.6. Succession c o n t i n u e de profils hydriques, sous irrigation, puis ressuyage. Fig.6. Succession of water profils, u n d e r flooding, and then during drying.

la redistribution entraine un ressuyage rapide des horizons de surface et une infiltration en profondeur. L'exploitation des profils par horizons permet de diff~rencier cin~tiques lentes et rapides et d'en d~duire des valeurs de capacit~ de r~tention du sol. La valeur estim~e ~ la cote -- 30 cm est de 32,5% Hv. Si on se rapporte ~ la Fig.5 on observe que ce seuil, apr~s irrigation, n'a gu~re ~t~ obtenu que dans la deuxi~me partie de la campagne. Les doses apport~es

201 n ' o n t donc pas ~t~ suffisantes pour amener la tranche de sol ~ son profil d'~quilibre. I1 en r~sulte un ass~chement progressif des horizons profonds. Evolution du potentiel matriciel de l'eau du sol Les valeurs enregistr~es sur une p~riode de 10 jours (250--260eme jour) apr~s l'irrigation du 7 septembre 1973 m o n t r e n t (Fig.7) une diminution progressive de ~ avec le temps et la profondeur, consecutive ~ la redistribution de l'eau. On note, particuli~rement au niveau 30 cm, un ph~nom~ne p~riodique d'oscillations de ~ en fonction du temps qui va s'amplifiant avec le dess~chement. Ce ph~nom~ne d~j~ signal~ sur colonne (Moutonnet et Couchat, 1973) ou au champ (Vachaud et al., 1973) correspond a une, restauration des r6serves hydriques au cours de la nuit; nous y reviendrons dans le paragraphe consacr6 aux r6sultats th6oriques. Un ph6nom6ne p6riodique appara}t 6galement au niveau 90 cm, en cours d'humectation. I1 est vraisemblable, compte tenu de l'absence de racines ~ ce niveau que l'explication ~ donner est d'un autre ordre, d ' a u t a n t que les oscillations apparaissent en opposition de phase. Vers le 2566me jour on atteint un profil d'6quilibre en succion puis il se produit une inversion du sens de d6placem e n t de l'eau li6e ~ un ass6chement pr6f6rentiel en surface (Fig.8A). I1 est int6ressant de noter qu'au profil d'6quilibre en ~ correspond un profil en Hv plus humide en surface qu'en profondeur (Fig.8B); c'est l~ une manifestation du ph~nom~ne hyst6r~tique qui r~git la loi ~ (Hv). Nous donnons aussi (Fig.SC) la succession des profils q~ (z, t); on observe un gradient dq~/dz orient~ vers le bas sensiblement 6gal ~ 1 en fin de p~riode, ce qui indique une perte d'eau gravifique: on voit ici un des int~r~ts de l'utilisation coupl~e de l'humidim~tre fi neutrons et des tensiom~tres, lesquels m e t t e n t en ~vidence 6ventuellement les ~coulements d'eau ~ humidit~ constante. Dans notre cas, compte tenu de la conductivit~ hydraulique du sol vers 22%, on peut estimer les pertes par drainage fi 0,2 mm/jour, ce qui est n~gligeable par rapport fi la consommation de la plante. La Fig.8C nous permet ~galement de situer partir du 256~me jour le plan de flux nul (Daian, 1970); l'inversion de potentiel matriciel se produit vers la profondeur 40 cm qui correspond sensiblement fi la semelle de labour. En outre, en fin de campagne, on a remarqu~ effectivement que le peuplement racinaire est tr~s localis~ ~ la couche de terre arable. On doit dire cependant que la coincidence observ~e ici entre plan de flux nul et profondeur d'exploitation radiculaire peut n'~tre que fortuite et que dans de nombreux autres cas de figure la plante peut puiser son eau au-del~ du plan de flux nul. RESULTATS THEORIQUES Simulation des experiences au champ Nous inspirant des travaux ant~rieurs effectu~s sur colonne, nous avons utilis~ le module num~rique DIFSOL (Moutonnet et Couchat, 1973) pour la

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Fig.7. Suction measured at different levels in the soil, during flooding and then during drying.

Fig.7. Succion enregistr~e ~ diff~rents niveaux du sol en cours d'irrigation puis de dess~chement.

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dess~chement. Fig.8. Comparison o f the water potential and water c o n t e n t of the soil during drying.

Fig.8. Evolutions compar6es du potentiel hydrique et de l'humidit6 du sol en cours de

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simulation, sur un temps court, des deux irrigations successives suivies d'une p~riode de dess~chement du sol par la plante. Les entr~es et sorties d'eau sont donn~es respectivement par les Tableaux I e t II. Dans un premier temps les caract~ristiques h y d r o d y n a m i q u e s du sol (conductivit~ et diffusivit~) introduites dans le module ont ~t~ celles initialemerit mesur~es sur colonnes de sol remani~ (Moutonnet et Couchat, 1973}. On s'apercoit rapidement qu'en milieu non remani~, la conductivit~ K (Hv) est trop faible en phase d ' h u m e c t a t i o n (ce qui se traduit par un Hv d'~quilibre trop fort par rapport aux valeurs exp~rimentales) et trop ~lev6e en phase de dess~chement: les pertes par percolation cons~cutives ~ la redistribution de l'eau du sol sont bien plus grandes que ne l'indique l'exp~rience. On a donc ~t~ conduit ~ utiliser deux courbes K (Hv), K1 en phase d'humectation, K 2 en dessbchement comme il appara[t en Fig.9. C'est

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Fig.9. P a r a m ~ t r e s " c o n d u c t i v i t ~ h y d r a u l i q u e " utilis~s - - p o u r le l i m o n s a b l e u x de C a d a r a c h e - - s u r c o l o n n e et au c h a m p . Fig.9. P a r a m e t e r s " w a t e r c o n d u c t i v i t y " - - f o r C a d a r a c h e s a n d y l o a m - - m e a s u r e d o n soil c o l u m n s a n d in t h e field.

une observation qui ressort ~galement du travail bibliographique de (Larrouquere, 1973) qui indique par exemple pour "greenville silt loam", deux courbes K (Hv) qui different, comme dans notre cas, d'un facteur 10 pour 35% Hv. A y a n t ainsi d~fini la conductivit~ hydraulique du sol, on a simul~ l'~volution des profils d'humidit~ qui r~sulte des entr~es et sorties

205

d'eau des Tableaux I et II; il s'agit de deux irrigations successives (44 et 53 mm) les 6 et 7 septembre 1973 suivies d'une p~riode de 9 jours de dess~chement du sol. La Fig.10 donne les valeurs th~oriques obtenues comparativement aux valeurs exp~rimentales. Nous avons repr~sent~ ~ gauche les profils sous irrigation, le temps 0 correspondant au profil mesur~ avant le premier ~o

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E×PE~,E~C~ . . . . . . . .

Fig.lO. S i m u l a t i o n num~rique de deux irrigations sueeessives suivies d'une p~riode de dess~ehement. Fig.lO. Numerical simulation of two successive floodings followed by a spell of drying up.

apport d'eau du 6 septembre ~ 13 heures. On peut noter une concordance satisfaisante des profils en Hv, n o t a m m e n t en ce qui concerne la position du front d'humectation. Les mesures neutroniques les plus proches de la surface du sol sont obtenues par d~faut et leur ~cart par rapport aux valeurs th~oriques r~sulte simplement d'une perte de comptage. Nous aurions pu pallier cet inconvenient en utilisant un r~flecteur neutronique de surface (Moutonnet et al., 1967); mais son incidence sur l'infiltration de l'eau aurait pu ~tre importante. La partie droite de la Fig.10 donne la comparaison entre profils th~oriques et exp~rimentaux sur une p~riode de 9 jours de dess~chement du sol par la plante. Les conditions de transpiration sont celles du Tableau II. Le terme de densit~ racinaire efficace utilis~ est une fonction lin~aire de la seule variable z: R(z)=0pourz=0cmetR(z)=0pourz

=40cm

il est donn~ par l'analyse de l'~volution de l'humidit~ du sol en fonction du temps et de la profondeur. Notons qu'au champ la densit~ de racines efficaces introduite dans le module est seulement fonction de la profondeur et qu'elle n'~volue pas avec le temps contrairement aux essais de laboratoire (Moutonnet et Couchat, 1973); nous pensons que la difference r~sulte du facteur 5 existant entre les vitesses de transpiration au champ (5 mm/jour)

206 TABLEAU I Apports d'eau successifs

Num6ro du jour: 249 250 Heure D6bit (cm/jour) Dur6e (minutes) P6riode (minutes)

13 36,2 175 0 ~ 175

Apport (mm)

44

8 18,2 420 1.155 1.575 53

TABLEAU II D6parts d'eau par transpiration

Num6ro du jour (08 h): 249 251 252 253 254 Transpiration (mm/jour)

0

7.3

3.0

5.9

255

3.9

256

4.6

257

4.7

258

1.3

259

5.5

260

2.5

et sur colonne (25 mm/jour). Dans ces conditions, l'6volution des profils hydriques est plus affect6e par la conductivit6 hydraulique du sol lui-m6me que par la densit6 radiculaire. Sur la Fig.10 nous n'avons rapport6, pour plus de clart6, que les profils th6oriques et exp6rimentaux aux temps 1 et 9 jours de dess6chement. Bien que la simulation soit globalement correcte on note, apr~s 9 jours de dess6chement, que le profil th6orique est plus sec en surface et plus humide en profondeur que ne l'indiquent les valeurs exp6rimentales. Ceci r6sulte d'une percolation profonde trop importante; il semble que dans les conditions de terrain, la semelle de labour 6quivaut ~ une discontinuit6 qu'on pourrait introduire par la superposition de deux couches de sol qui auraient leurs propres caract6ristiques hydrodynamiques.

Simulation d'un ph~nom~ne de transpiration discontinue Les mod61es num6riques de simulation du mouvement de l'eau dans un sol cultiv6, prennent en compte g6n6ralement un terme de transpiration continue (Molz, 1970) qui n'est pas repr6sentatif des besoins physiologiques de la plante soumise ~ un cycle nycth6m6ral. Grfice au mod61e DIFSOL on peut simuler des transpirations discontinues de 8 ou 12 h par p6riode de 24 h et comparer ces r6sultats ~ ceux obtenus avec une transpiration continue

207 ~quivalente. La Fig.11 d o n n e les renseignements obtenus dans les trois cas. Le graphique du h a ut correspond ~ une transpiration de 10 m m / j o u r concentr~e sur 8 h; celui du bas, au m~me d~part d'eau ~tal~ sur 12 h. Les courbes en traits pleins d o n n e n t l'~volution, sur une p~riode de 5 jours, de l'humidit~ des couches de sol situ~es ~ diff~rentes profondeurs: 0--5 cm, 20--25 cm, e t c . . , dans le cas de d~parts d'eau discontinus. La courbe en pointill~ d o n n e les m~mes indications pour la couche 0--5 cm dans le cas d'une transpiration 30

,

2 .

.

3

.

.

,

s

iours

,

0.5 --

Hv

~

~

' ; c ~ s " - - ~ - - , ~ 35.40 c m

0-5

-

'Itv

Fig.ll. Evolution de l'humidit~ de diff~rentes couches d'un sol soumis ~ un dess~ehement eontinu ou diseontinu (simulation num~rique). Fig.ll. Evolution of water content of different layers of a soil subjected to a continuous or discontinuous drying up (numerical simulation). 6quivalente continue. Lorsque le d~part d'eau est discontinu, les eourbes Hv (t, z) oseillent avec une amplitude d ' a u t a n t moins grande q u ' o n s'~loigne de la surface du sol. On not e que: 1) Pour la eouche 20--25 em par exemple, il se produi t une augmentation des r~serves hydriques de l'ordre de 0,5% Hv; si on se rapporte/~ la eourbe ~ (Hv) ~tablie par le sol du chfiteau, fi 24% le A~ correspondant est de 50 mbar ce q u ' o n enregistre facilement fi l'aide du syst~me "tensiom~tre-capteur de pression". I1 semble done que le ph~nom~ne observ~ par tensiom~trie sur le terrain eorresponde bien/L une restauration des r~serves; l'observation neutronique n'est pas assez fine (du fait de eomptages sur des ph~nom~nes al~atoires) pour d~eeler une variation aussi faible de Hr.

208

-

2) Dans le cas ~tudi~, la densit~ de racines est nulle ~ partir de 40 cm de p ro fo nd eu r . I1 est int~ressant de remarquer que les courbes Hv (t) oscillent dans t o u t e la zone affect~e par les racines et pas au-del~. Du fait de l' " e f f e t l o u p e " q u ' a p p o r t e la mesure tensiom~trique -- surtout aux basses humidit~s on p e u t esp~rer, par ce biais, m e t t r e facilement en ~vidence la zone effective d'influence racinaire. 3) Les courbes Hv (t) ~ la p r o f o n d e u r 0--5 cm, obtenues en dess~chement c o n t i nu ou discontinu se suivent ~troitement. On peut donc dire que les simulations en transpiration continue effectu~es jusqu'~ present sont bien representatives du ph~nom~ne. On notera simplement que dans le cas de la transpiration discontinue, le profil o b t e n u apr~s 5 jours est l~g~rement plus humide (0,5 ~ 1% Hv) en surface; l~g~rement plus sec en p r o f o n d e u r que le profil t~moin. L'alternance favoriserait donc l'exploitation des r~serves profondes du fait des gradients de potentiel matriciel t e m p o r a i r e m e n t plus ~lev~s qui en r~sultent. -

CONCLUSION Au terme de cette ~tude, il importe de voir si nous avons r~pondu -- au moins partiellement -- aux questions que nous nous posions au d~but de cet article. La mesure continue des param~tres climatiques, ainsi que de la teneur en eau et du potentiel matriciel fournit des valeurs d ' E T R en f o n c t i o n du temps mais aussi p e r m e t d'~valuer la reconstitution des r~serves par les pluies et irrigations ainsi que les propri~t~s h y d r o d y n a m i q u e s du sol. En faisant appara[tre un ph~nom~ne d'oscillation du potentiel l'exp~rience in situ donne une information sur l'implantation g~ographique et l'activit~ des racines. I1 en ressort qu'au niveau de la plante, les faibles valeurs d ' E T R rencontr~es, m~me en climat m~diterran~en, ont pour consequence un impact assez faible du profil de densit~ radiculaire sur l'~volution des profils d'humidit~ au sol, ce qui diff~rencie cette experience de l'~tude en laboratoire. D'autre part, au niveau du sol, il s'av~re n~cessaire de prendre en c o m p t e par une double representation de la f onct i on K (Hv), le ph~nom~ne d'hyst~r~sis; de plus le t ra i t e men t des r~sultats exp~rimentaux par un module de simulation laisse supposer que le sol doit ~tre trait~ c o m m e un ensemble de deux couches superpos~es s~par~es par la semelle de labour. La mesure n e u t r o n i q u e en continu de l'humidit~ du sol/1 poste fixe s'av~re f~conde p o u r suivre l'~volution du stock hydrique disponible; on pourrait toutefois l'affiner par des mesures p~riodiques faites en plusieurs points avec un humidim~tre simplifi~. De son cSt~ la mesure compl~mentaire de potentiel matriciel p e r m e t de mieux estimer les pertes par drainage et de constater q u ' e n t r e 24 et 35% Hv, la relation ~ (Hv) obtenue en laboratoire est conserv~e. Enfin dans l'exploitation d'une experience au champ le module num~rique de simulation D t F S O L a d~montr~ son aptitude ~ expliquer les

209

r~sultats mais aussi ~ les ~tendre: en effet par la comparaison th~orieexperience on a pu non seulement d~finir le domaine hyst~r~tique K (Hv) et m e t t r e en ~vidence le rSle p r e p o n d e r a n t du sol sur l'~volution du stock en eau, mais encore pr~voir l'int~r~t d'un t r ai t em e nt du sol en deux couches ainsi que l ' i n f o r m a t i o n que l'on peut tirer du ph~nom~ne d'oscillations sur la g~om~trie et l'activit~ des racines. BIBLIOGRAPHIE Dai'an, J. F., 1970. Mesures d'humidit~ in situ au moyen de sondes radioactives et de tensiom~tres. M~m. DEA, Universit~ de Grenoble, Laboratoire de M~canique des Fluides. Larrouquere A., 1973. Etude du mouvement de l'eau dans un sol non saturn. DEA, Universit~ de Toulouse, Service de Radioagronomie, CEA CEN/Cadarache. Marcesse J. et Couchat Ph., 1973. Etude hydrodynamique des sols ~ l'aide d ' u n humidim~tre ~ neutrons automatique. In: Isotopes and Radiation Techniques in Studies of Soil Physics, Irrigation and Drainage, in Relation to Crop Production. AIEA/FAO Symp., Vienna, pp. 277--293. Molz, F. J., 1970. A model study of moisture flux to roots. Ph.D. Thesis, Stanford University, 71--72, Stanford. Moutonnet, P., Buscarlet L. A. et Marcesse J., 1967. Emploi d'un humidim~tre neutrons de profondeur associ~ ~ un r~flecteur pour la mesure de la teneur en eau des sols au voisinage de la surface. Ann. Inst. Tech. B~t. et T.P., 233: 1--5. Moutonnet, P. et Couchat, Ph., 1973. Etude exp~rimentale et th~orique de l'absorption racinaire de l'eau du sol par la plante. In: Isotopes and Radiation Techniques in Studies of Soil Physics, Irrigation and Drainage. AIEA/FAO Symp., Vienna, pp. 373--387. Puech, J. et Hernandez, M., 1973. Evapotranspiration compar~e de diff~rentes cultures et 4tude de quelques facteurs influen~ant les rythmes de consommation. Ann. Agron., 24 (4): 437--455. Vachaud, G., Tehel, J., Royer, J. M. et Bolcato, R., 1973. Contr61e automatique in situ des transferts d'eau dans la zone non satur~e. In: Isotopes and Radiation Techniques in Studies of Soil Physics, Irrigation and Drainage. AIEA/FAO Syrup., Vienna, pp. 251--268.