Gestion de l'Eau2

2012 1 Colloque en agroclimatologie

Outilsagromtorologiquespourlaplanificationdelirrigationdescultures

Auteurs:SteevePepin,Ph.D.,professeurchercheur UniversitLaval,Qubec

GatanBourgeois,chercheurscientifique AgricultureetAgroalimentaireCanada,Bioclimatologieetmodlisation SaintJeansurRichelieu

Lvaluation, laide de mesures relles ou par modlisation, des pertes deau provenant descultures,vergersgrainesetfruitsafait lobjetdenombreuxtravauxderechercheaucoursdesdernires dcennies. Que ce soit pour concevoir un systme dirrigation ou de ponceaux, pourcomblerlesbesoinseneaudesproductionsagricole,horticoleetforestire,oupourgreretutiliserdefaonraisonnelesressourceshydriquesetleterritoire,cetteinformationestimportantepourleproducteur.Une conduite optimale de lirrigation visant satisfaire adquatement les besoins eneau des cultures est lun des lments incontournables dune agriculture durable. Le dfi savretoutefoisdetaille,enparticulierdanslecontexteactueldeclimatvariableetenvolution.Plusieursmthodesdeplanificationdelirrigationsontdisponiblesetvarientencomplexit,soitdela simple perception dun besoin en eau jusqu lutilisation de modles dynamiques de bilanhydriquedusol,combineaveclutilisationdemesuresdirectesdelhumiditdusol(Simonneetal.,2011). Au cur de toutes ces mthodes qui utilisent les donnes mtorologiques pour laplanificationdelirrigation,onretrouveleconceptdelvapotranspiration.Cetteprsentationvisemieuxcomprendreleslmentsrequispourprdirelvapotranspirationetexplorerlepotentieldesmodlesdebilanhydriquedusol.

APPROCHESBASESSURLVAPOTRANSPIRATION

Lvapotranspiration (ET) est la quantit de vapeur deau transfre dans latmosphre partranspiration des plantes et par vaporation au niveau du sol, de surfaces deau libre et autressurfaces interceptant la pluie. On dfinit lvapotranspiration potentielle (ETP) comme tant lavaleurmaximaledvapotranspirationduncouvertvgtalcontinulorsquilyasuffisammentdeaudisponible dans le sol pour satisfaire la demande vaporative de latmosphre. LETP dpendessentiellement des apports nergtiques et est indpendante des caractristiques de la surface.Lvapotranspirationrelle(ETR)correspondlaperteeneaueffectiveduncouvertvgtal,soitlasomme des quantits vapore et transpire, en tenant compte des diverses rsistances aumouvement de leau (solplantes) et la diffusion de la vapeur deau (feuillesatmosphre). Engnral, la demande atmosphrique (ETP) est suprieure loffre (ETR): la rduction delvapotranspiration sous le tauxpotentiel tant attribuable la fermeturepartielle des stomateset/ou lasschementde la surfacedu sol.Durant lt, une culturebien irriguepeutperdrede25mmenhauteurdeauparjour.


Puisquelvapotranspirationrelledeplusieurstypesdecouvertsvgtauxreprsenteunevaleurrelativement constante de lETP, on peut estimer lvapotranspiration partir de lquation dePenmanetutiliserunfacteurdecorrectionappropripourlespcetudie(normalementcomprisentre 0,6 et 0,8 pour les climats temprs). Le coefficient de correction peut tre plus petit si lecouvertvgtalnecouvrepascompltementlesol.Cecoefficientestprfrablementremplacparuneconductancedelasurfaceautransfertdevapeurdeauappelelaconductanceducouvert(gc)qui dpend, entre autres, de la conductance stomatique (gs) moyenne des feuilles. Lajout, danslquation de Penman, dune conductance du couvert qui reprsente le contrle physiologiqueexercpar lesplantessur lvaporationconduit lquationdePenmanMonteith.UnedesformescourantesdelquationdePenmanMonteithest:

Ec = s Rn G( ) + ach ga D Pa s+ 1+ ga gc( )( ) (q.1)oEcestlvapotranspirationducouvert(molm2s1),sestlapente(enPaC1)delarelationentrelatempratureetlapressiondevapeurdeausaturation,Rnestlerayonnementnetaudessusducouvert (Wm2), G est la chaleur accumule dans le couvert (W m2), a est la densit de lair(1204kg m3), ch est la capacit de chaleur de lair (29,3 Jmol1), ga est la conductancearodynamique (mol m2 s1), gc est la conductance du couvert (mol m2 s1),D est le dficit desaturation de lair (en Pa), Pa est la pression atmosphrique et est la chaleur latente devaporisationdeleau(44kJmol1).IlestnoterqueGest~0pourdespasdetempsde24heures.

Cette quation de PenmanMonteith permet destimer la transpiration du couvert entier sur unebase quotidienne, hebdomadaire oumensuelle. Les variables environnementales requises sont latempratureetlhumiditdelair,lerayonnementsolaireetlavitesseduventaudessusducouvert.Lorsquelvapotranspirationduneculturedoittreestimesurdelongsintervallesdetemps,ilestsouhaitabledutiliserdesdonnesmtorologiquesquotidiennes(ouhoraires)etdefairelasommedes volumes deau vapore et transpire quotidiennement plutt que dutiliser des moyenneshebdomadairesoumensuellesdurayonnementsolaire,de lavitesseduvent,de latempratureetde lhumiditde lair (CampbelletNorman,1998).LquationdePenmanMonteithestdeplusenplusutilisepourgrerlirrigationenagricultureetelleesttrsutile,entreautres,pourexaminerlinfluencedesvariablesenvironnementalesetdescaractristiquesducouvertsurlvapotranspiration.

Ilestncessairedvaluerlesbesoinseneaudunecultureafindedterminerlesvolumesdeauapporterparirrigationaucoursdelasaisondecroissance(entenantcomptedesprcipitationsetde la rserve en eau du sol). Lvapotranspiration potentielle (ETP), qui est essentiellement unefonction de la demande vaporative de latmosphre, permet destimer la demande en eau descultures. LETP dune culture de rfrence (ETo) a tmise en place dans les annes 1970 pourliminer la ncessit de calibrer une quation dET spcifique chaque culture, stade cultural etzone gographique (c.d. calage local; Pereira et al., 2006). Lvapotranspiration de rfrencecorrespondlETdelavgtationaudessusdelaquellelesvariablesclimatiquesonttmesures,de faonbienreprsenter lesprocessusphysiquesetbiologiquesdans lebilannergtiqueduncouvertvgtal.LaFAOaadoptuncouvertdegazoncommeculturederfrence,dunehauteurvariantentre8et15cmetdontlaconductanceautransfertdevapeurdeausesitueautourde0,014m s1, ces paramtres fournissant des valeurs acceptables dETo dans la plupart des zones et


conditionsclimatiques(Lascano,2007).SelonAllenetal.(1998),lvapotranspirationderfrenceestdfiniecommelefluxdETduneculturehypothtiquederfrence,dunehauteursupposede0,12m,dunersistancedesurfaceautransfertdevapeurdeaude70sm1etayantunalbdode0,23,trsprochedelETdunegrandesurfacedegazondehauteuruniforme,encroissanceactive,avecunapprovisionnementeneauconvenable.LapprochedePenmanMonteith(PM)atchoisieparlaFAOcommemthodeprivilgiedestimationdelETodugazonetdescoefficientsculturaux(Pereira et al., 2006). Lquation dETo donne par la mthode FAOPM pour une priode de24heuresest:

ETo = 0, 408 s Rn G( ) + (900 Ta + 273) u2 (es ea)s+ 1+ 0,34u2( ) (q.2)o ETo est lvapotranspiration de rfrence (mm j1), Rn le rayonnement net la surface de laculture(MJm2j1),G lefluxdechaleurlasurfacedusol(MJm2j1),Talatempraturemoyennequotidienne de lair une hauteur de 2m (C), u2 la vitesse du vent 2m (m s1), es et ea lespressionsdevapeurdeausaturanteetrelledelair2m(kPa),slapente(enPaC1)delarelationentre es et la temprature, la constante psychromtrique (kPa C1), 900 un coefficient pour legazon(kJ1kgK;liauxunitsutilisesetlasubstitutiondea,chetga),0,34uncoefficientdeventpour le gazon (kJ1 kg K; provenant de ga/gc) et 0,408 linverse de la chaleur latente devaporisationdeleau(2,45MJkg1).

Lvapotranspirationduneculture(ETc)peutsecalculerdirectementparlquation1siondisposededonnes suffisantespour le calculdesparamtresde culture (notammentga etgc). Cependantdanslapratiquedelirrigation,onmultipliegnralementEToparuncoefficientcultural,kc,lequelvarie un peu avec le climat, mais essentiellement avec les caractristiques propres de la culture(Pereiraetal.,2006).Lescoefficientsculturaux(fournisparlaFAO)sonttablisexprimentalement(kc = ETc/ETo) partir de mesures dETc (par exemple, laide des lysimtres pesables) et parestimationdunevaleurdETolaidedelquation2.Lavaliditdecescoefficientsculturauxatprouvepardenombreuses applications rapportesdans la littrature (par exemple,Allen etal.,2005)ainsiquepardesapprochespartldtection(Nealeetal.,2005).Lecoefficientkcpeutvarierselonledveloppementcultural,prsentantdesvaleursdiffrentespourlaphaseinitiale(0,30,7),lamisaison(0,91,15)etlarriresaison(delamaturationlarcolte;0,251,15).

APPROCHESBASESSURLEBILANHYDRIQUEDUSOL

Lapport ncessaire en eaupar irrigationpour rpondre aux besoins en vapotranspirationde laculture dpend du type de culture, des caractristiques du sol et de lamtorologie. Diffrentescultures ont des caractristiques de croissance qui se traduisent par diffrents taux relatifsdutilisationdeleau.Lessolsvarientdansleurscaractristiquestexturalesethydriques,tellesquelacapacitauchamp,lepointdefltrissementetlemouvementcapillaire.Afindetenircomptedetousceslments,Simonneetal.(2011)recommandent,pourlaplanificationdel'irrigationdanslescultures marachres, dutiliser des modles dynamiques de bilan hydrique du sol, incluant lamtorologie et lvolutiondu stadephnologiquede la culture, et desmesuresdirectesde l'tathydriquedusolauchamp.


Le logiciel VSMB (Versatile SoilMoistureBudget), dvelopp par des chercheurs d'Agriculture etAgroalimentaire Canada, est un modle de bilan hydrique semidynamique pouvant s'avrer uncompromis intressant pour les producteurs. Une version nomme IRRIGUE a t propose audbut des annes 1990 comme outil de gestion de l'irrigation, initialementmis au point pour laculturedelapommedeterre.Danscetteculture,certainsessaisontteffectusetlesrsultatsontdmontr sonutilit. Le logiciel VSMBoffre les avantagesdesmodlesdynamiques tout en tantsimple d'utilisation. Avant de dbuter son utilisation, il est ncessaire de caractriser plusieurslmentsdusitedsiretdelaculturesimule:i)courbedertentiondeauetprofilhydriquedusol (densit apparente, saturation, capacit au champ, point de fltrissement, etc.) plusieursprofondeurs, ii) caractrisation de la culture en termes de prdiction de rendement et delextractiondeleaupourchaquestadephnologiqueetprofondeurdesoletiii)initialisationdelaquantitdeauprsentedanschaquehorizondusolaudbutdelasimulation.Aucoursdelasaisonde croissance, les donnes suivantes doivent tre recueillies et intgres dans les fichiersappropris:i)laquantitdeauajoutechacunedesdatesoilyaeuirrigationetii)lesdonnesmtorologiques quotidiennes, soit la temprature maximale, la temprature minimale et lesprcipitations.Optionnellement, les prvisionsmtorologiques pour les prochains jours peuventaussitreintgresdanslemmeformatquelesdonnesmtorologiques.Commelesprvisionsmtorologiques concernant les prcipitations sont habituellement exprimes en probabilit deprcipitations, lutilisateur doit transformer luimme cette probabilit (%) en quantit de pluie(mm)poureffectuerlessimulationsdsires.

partirdumomentotouscesparamtressontconfigursetintgrsdanslesdiffrentsfichiers,ilest possible de simuler la dynamique de leau dans les diffrents horizons de sol qui ont tconfigurs. Les rsultats de simulation peuvent tre illustrs de diffrentes faons, dont lesquantitsdeauprovenantdesprcipitationsetdelirrigationetlesquantitsdeausimulesdanslesol. Lutilisation dun logiciel comme VSMB pour prdire la quantit deau dans le sol offre unexcellentpotentielpourlargiedelirrigation,pourvuquelonpuissecaractriseradquatementlescoefficients associs lextraction de leau pour chaque stade phnologique de la culture et pourchaqueprofondeurdesol,informationsquisontrarementdisponiblesdanslalittrature.Deplus,ilest important de calibrer rgulirement les prdictions dhumidit du sol avec des observationsfiables au champ. Il semble que lutilisation de tensiomtres serait la mthode la plus simple etefficace pour effectuer ces observations. Toutefois, comme plusieurs quipements de mesure,lutilisation adquate et lentretien minutieux sont deux critres essentiels pour assurer le bonfonctionnementdeceuxci.

titredinformation,unnouveloutildeplanificationdelirrigationbassurlebilanhydriqueseraoffertenmodeexprimentaluneclientlecibleds laprochainesaisonagricole.DveloppeenColombieBritannique(BC)par lIrrigation IndustryAssociationofBC,cette interfaceWebattraduite et adapte ces derniers mois afin de pouvoir intgrer des observations et prvisionsmtorologiques du Qubec. En plus de la mtorologie (temprature, vapotranspiration etprcipitations), cet outil tient compte galement du type de culture, de la nature des sols et dusystme dirrigation employ afin de proposer des quantits deau dirrigation appliquer pourrpondreauxbesoinsdescultures.Aucoursdesdeuxprochainesannes, ilestprvude tester laperformancedecemodlesousnosconditionsetdvalueruneapprochehybride,soitloutildelaBCcoupldesmesuresentempsreldesconditionshydriquesdusol.


RFRENCESAllen,R.G.etal.1998.Cropevapotranspiration.GuidelinesforComputingCropWaterRequirements.

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1Outils agromtorologiques pour la planification de lirrigationpour la planification de l irrigation

des cultures

Steeve Pepin, Sols et gnie agroalimentaire, Universit LavalGatan Bourgeois, AAC, Centre de recherche et dveloppement

h ti lt S i t J Ri h lien horticulture, Saint-Jean-sur-Richelieu

Mise en contexte

vapotranspiration : potentielle (ETP), de

Plan de la prsentationPlan de la prsentation

vapotranspiration : potentielle (ETP), de rfrence (ETo) et relle (ETculture)

lments requis pour prdire lET

Avantages et limites de lapproche ET

Modles de bilan hydrique du sol

Modle Versatile Soil Moisture Budget

2Planifier lirrigation des cultures

Photo : Gayle Clement (2004)

Efficacit de lutilisation de leau (EUE)

EUE dEUE duune culturene culture

Acquisition de CAcquisition de C Volume total Volume total ddeeau utiliseau utilise++RespirationRespiration PhotosynthsePhotosynthse

dd eeau utiliseau utilise

ISF, structure du couvertISF, structure du couvert

Interception de la lumireInterception de la lumire

vaporation (sol) vaporation (sol) RuissellementRuissellement

DrainageDrainage

Flexas et al. (2010)

Assimilation Assimilation foliairefoliaire

Interception de la lumireInterception de la lumirex x

Transpiration foliaire Transpiration foliaire (E = g(E = gss x DPV)x DPV)

3Augmentation de ~ 7 mm /anne(19821997)

vapotranspiration lchelle plantaire

Jung et al. (2010)

Tendance la baisse(19982008)

Diminution de lET lchelle plantaire

Jung et al. (2010)

4vapotranspirationvapotranspiration vapotranspiration (ET) : quantit de vapeur deau transfre

dans latmosphre par transpiration (plantes) et par vaporation au niveau du sol

vapotranspiration potentielle (ETP) : valeur maximale dETen fonction des caractristiques nergtiques et dynamiques de latmosphre (suffisamment deau pour satisfaire la demande vaporative)

vapotranspiration relle (ETculture) : perte de vapeur deau effective subie par un couvert vgtal. Moindre que lETP cause des rsistances la circulation de leau (solplantes) et la diffusion de la vapeur deau (feuillesatmosphre)

ET dune culture bien irrigue : 2 5 mm par jour

Bilan nergtique et vapeur deau Rayonnement solaire incident de courtes longueurs donde

Rayonnement solaire rflchi

Rayonnement de grandes longueurs

donde

Rflchi par les nuages, les arosols et

Ch l

les arosols et latmosphre

mis par latmosphre

Fentre atmosphrique

Gaz effet de serre

Rflchi par

Absorb par latmopshre

Chaleur latente

Bilan nergtique de la Terre en W m2 (Tir de Onil Bergeron, 2007)

ETChaleursensible Rayonnement rmisRflchi par la surface

vapo-transpiration Absorb par

la surface

Ascendances thermiques

Rayonnement de la surfaceAbsorb par la surface

5Conductance stomatique et DPV

Air F ill

Dficit de pression de vapeur :(es (Tculture) eair )

Louverture des stomates contrle :

Air(500 bars) Feuilles(12 bars)

les flux de vapeur deau la quantit dnergie dissipe par ET vs chaleur sensible

Racines(3 bars)

Tension du sol(0,3 bars)

quation de Penman pour estimer ET Temprature de la surface vaporante (couvert vgtal)

est ncessaire pour estimer le flux de vapeur deau

Penman (1948) suggre dutiliser le bilan nergtique ( ) gg g qpour remplacer Tsurface Tair

nergie Dficit de saturation

gH = transport par convection de la chaleur et de la vapeur deau

6 Facteur de correction remplac par une conductance du couvert (gc) au transfert de la vapeur deau = contrle physiologique de lET par les plantes

quation de Penman-Monteith

ET de rfrence (ETo) selon la FAO

Lquation P-M permet destimer ETo et les coefficients culturaux

Pas de temps = 24 heures

ET de rfrence et coefficients culturauxET de rfrence et coefficients culturaux

Rfrence = gazon dune hauteur ~8 15 cm, albdo ~0,23 et gv ~0,014 m s1; (luzerne pour les cultures de grande taille)les cultures de grande taille)

ETo limine le calage local pour chaque culture On multiplie ETo par un coefficient cultural (kc)

pour obtenir ETmaximale

kc = ETculture / EToc culture o kc peut varier selon le stade phnologique

7Avantages et limites de Avantages et limites de PenmanPenman--MonteithMonteith

ETmaximale pour guider les apports par irrigation (ajusts en fonction des relevs tensiomtriques)

P ti d l i i ti ( til )tag

es

Pratique pour dmarrer les irrigations ( rserve utile)

Estim fiable dETP; aucun calage localAvan

kc varie durant la saison, espacement des rangs Aucune culture de rfrence pour couvert de mas

mite

s

Conductance gc varie avec le climat, pratiques culturales Estimation indirecte dETculture; rsolution spatiale

Lim

ETo

81 0

1.2

5

6Canneberge Bieler juillet 2011

)

Estimation de lETo (quation P-M FAO)

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1

2

3

4

ETo

(mm

h1

ET

o (mm

j 1)

0.0

0.2

018 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28

Approche agromtorologiqueApproche agromtorologique

vapotranspirationPrcipitation,

roseRequiert une estimation de la demande en eau (ETP) et des ressources en eau (rserve en eau du sol, pluie, doses

1) Modliser le bilan hydrique du sol (par ex., deux rservoirs : superficiel : ~40% de RU profond : ~60% de RU

Ruissellement

Interception,rtention

Prlvement

Prcipita-tion au sol

dirrigation apportes)

p

2) Utiliser Pluie ETP sans bilan hydrique du sol

Montecapillaire

Prlvementracinaire

Emmagasinement deau dans le sol, nappe phratique

9SommaireSommaire Donnes mto disponibles en temps rel pour

valuer les besoins en eau des cultures via des mesures de prcipitations et lestimation de lETPmesures de prcipitations et l estimation de l ETP

Bilan hydrique du sol permet de calculer ETR et puis la dose dirrigation est estime par ETM ETR

Dpend de la prcision des paramtres culturaux (variation de kc; double coefficients)

Utilisation judicieuse de leau

Outils agromtorologiques pour la planification de lirrigation des culturesplanification de l irrigation des cultures

Gatan Bourgeois1 et Steeve Ppin21 AAC, Centre de recherche et dveloppement en horticulture, Saint-Jean-sur-Richelieu2 Universit Laval, Qubec

10

i. Dterminer la quantit deau requise par la cultureii. Dterminer le temps le plus appropri pour effectuer

l ti

Planification de lirrigation des cultures

lopration

Outil daide la dcision : bilan hydrique du sol Recommandation de Simonne et al. (2011) pour les cultures

marachres : Utiliser des modles dynamiques de bilan hydrique du sol,

i l t l t l i t l l ti d t d h l i d incluant la mtorologie et lvolution du stade phnologique de la culture

Utiliser des mesures directes de l'tat hydrique du sol au champ

Reprsentation du principe de bilan hydrique

Prcipitation

ETPIrrigation

DrainageRemonte capillaire Lessivage

11

Rsultat de recherches sur la modlisation de lhumidit des sols

Initialement propos par Baier et Robertson (1966)V i 1 B i t ll (1972)

VSMB (Versatile Soil Moisture Budget)

Version 1 : Baier et coll. (1972) Version 2 : Baier et coll. (1979) Version 3 : Dyer et Mack (1984), valuation au champ Versoin 4 : Boisvert et al. (1992), manuel de rfrence IRRIGUE (Boisvert et al. (1990), test de faon limite pour

certaines cultures au Qubeccertaines cultures au Qubec Traduction de VSMB du langage Fortran Visual Basic

(Bourgeois et al., 2005), valuation dans le cadre dun projet sur lirrigation du chou-fleur et du fraisier

Prdictions de lhumidit du sol (VSMB)

12


34

36

38


22

24

26

28

30

32

Eau

pond

ral

e (%

)

18

20

160 180 200 220 240 260

Jour de l'anne

Eau 0-8 cm simule Eau 8-20 cm simule Eau 20-30 cm simule

13

Conclusions VSMB : excellent potentiel pour planifier les irrigations Limite principale : capacit caractriser

adquatement les coefficients associs lextraction adquatement les coefficients associs l extraction de leau pour chaque stade phnologique de la culture pour chaque profondeur de sol

Calibration rgulire des prdictions dhumidit du sol avec des mesures fiables au champavec des mesures fiables au champ Exemple : tensiomtres Critres : utilisation adquate, entretien minutieux

Planification de lirrigation (BC) Projet pilote pour une implantation au Qubec

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