Les échanges d’eau et d’énergie aux interfaces sol-planteatmposphère

Pour mieux caractériser le fonctionnement hydrique des oliviers, des revues détaillées des méthodes disponibles pour estimer les bilans hydrique et énergétique ont été largement publiées (Kool et al., 2014; Rana and Katerji, 2000; Stoy et al., 2019). Dans le bassin méditerranéen, des protocoles existants, spécifiques à cette culture dominante dans ce milieu, ont été déjà cités dans la littérature. Au Sud du Portugal, une oliveraie intensive a été instrumentée pour obtenir une information précise sur la partition de l’évapotranspiration actuelle et le coefficient cultural Kc utile pour une meilleure gestion de l’irrigation. Santos et al. (2018) ont utilisé en plus des mesures climatiques standards pour l’estimation de l’ET0 et des mesures allométriques, des estimations du flux de sève et de la température de surface. Le protocole expérimental de notre site de Nasrallah est similaire à celui de l’Agdal au Maroc (Ayyoub et al., 2017) où des mesures de transpiration par flux de sève et de l’évapotranspiration par le système d’eddy covariance coexistaient. En effet, bien que le fonctionnement du sol nu soit important dans les milieux épars, un intérêt particulier est accordé à l’estimation de la transpiration étroitement liée à la productivité des plantes et facile à mettre en place pour les ligneux. La transpiration, comparée à une transpiration potentielle théorique, est la variable qui donne une information fiable et précise sur les besoins en eau des oliviers et sur l’intensité de la contrainte hydrique. Cet intérêt est renforcé par sa grande variabilité dans l’espace et le temps (Allen et al., 2011).

Une revue des méthodes expérimentales permettant l’estimation des besoins en eau de la plante 

Trois approches permettent d’estimer la transpiration pour les arbres isolés: la mesure directe, le rapport entre la transpiration et l’évapotranspiration (T/ET) et la différence entre l’évapotranspiration et l’évaporation du sol (ET-E).

Les méthodes de mesure directe de la transpiration

La méthode du « flux de sève »
Malgré le fait que les méthodes telles que l’injection d’un colorant ou d’un traceur radioactif soient les moyens opérationnels les plus simples pour estimer la vitesse de la sève, leur caractère destructif rend les mesures thermiques plus appropriées pour calculer le débit de sève pour un grand nombre d’arbres et à des fines résolutions temporelles.
– Les méthodes du bilan thermique telles que le Stem Heat Balance (SHB) (Sakuratani, 1981) et le Trunk Heat Balance (THB) (Čermák et al., 1973) utilisent des capteurs installés autour d’une tige ou d’un tronc d’arbre comme un manchon chauffant pour les arbres de petits diamètres et des plaquettes pour les arbres de grands diamètres, respectivement (Valancogne and Nasr, 1989). Ces instruments de mesure délivrent une puissance thermique constante (𝑃𝑖𝑛) chauffant ainsi le bois qu’ils délimitent. Il en résulte des flux de chaleur au niveau des surfaces externes : des flux par conduction vers le haut et vers le bas selon l’axe du bois (𝑄𝑉), un flux par conduction/convection vers l’air environnant (𝑄𝑟) et un flux par convection associé au débit de la sève (𝑄𝑓) .

– Les méthodes par impulsions de chaleur consistent à déterminer le temps que met une impulsion de chaleur, émise par une source de chaleur (une résistance chauffante), pour parvenir à deux capteurs thermiques insérés à une distance donnée de la source. Cette vitesse d’impulsion est convertible en flux de sève sous réserve d’une estimation d’un facteur de conversion unique pour chaque variété. Cette méthode est connue pour sa simplicité et sa précision. Elle a réussi à estimer correctement la transpiration pour différentes espèces ligneuses et herbacées. Plusieurs sous-méthodes découlent de ce principe : i/ la méthode de température maximale (Tmax) (Cohen et al., 1981) où une des sondes est plus proche de la source ; cette méthode est basée sur le temps nécessaire pour que cette sonde atteigne sa température maximale ; la deuxième sonde est suffisamment loin de la source pour être affectée par sa température et sert de référence pour compenser les variations diurnes de température du bois ; ii/la méthode de Compensated Heat-Pulse Velocity (CHPV) (Green et al., 2003) : afin de corriger la conduction thermique, les deux sondes sont équidistantes de la source et le flux de sève dépend du temps que mettent ces deux sondes pour devenir isothermes ; iii/la Heat Ratio Method (HRM) (Burgess et al., 2001) utilise le même dispositif que la CHPV mais se base sur le rapport entre les températures moyennes enregistrées au-dessus et au dessous de la source ; cette approche a pour avantage de mesurer des flux nocturnes même s’ils sont les plus faibles.

– Les méthodes à chauffage constant, comme leur nom l’indique, sont utilisées pour quantifier la dissipation de la chaleur émise à puissance constante. La mesure du débit de flux de sève est acquise suivant deux techniques thermoélectriques :
❖ La méthode de GRANIER (Granier, 1985) suppose que la densité de flux de sève est fonction de la différence de température entre celle d’une sonde chauffée à puissance constante et celle du bois nonchauffé mesurée à l’aide d’une sonde de référence (Figure I. 3). Cet écart de température est maximal quand le flux est nul et diminue avec l’augmentation du flux.

En comparaison avec les méthodes d’impulsions de chaleur, la particularité de cette méthode est que la source de chaleur et la mesure sont combinées sur la même sonde ce qui minimise l’incertitude sur la distance entre la sonde et la source et simplifie le protocole expérimental. En plus, cette méthode est particulièrement adaptée aux arbres.

❖ la méthode Heat Field Deformation (HFD) (Čermák et al., 2004) caractérise la déformation non seulement suivant la hauteur du tronc mais aussi selon la radiale du champ thermique autour de la source. Ce champ est tracé en mesurant la différence de température axialement et tangentiellement. La vue de face du champ thermique ressemble à une ellipse symétrique (en raison de différentes conductivités thermiques du tronc dans les directions axiale et tangentielle en absence de flux). Cet ellipsoïde devient déformée et s’étire progressivement en conditions de flux croissant puisque le tronc est ainsi considéré comme un milieu complexe constitué de xylème, d’eau et d’air. En utilisant la méthode HFD, le flux de sève est calculé à partir du rapport des gradients de température autour de la source dans les directions axiale et tangentielle.

Les chambres d’assimilation et de transpiration
Contrairement aux méthodes citées précédemment et qui nécessitent des paramètres empiriques pour estimer la transpiration tels que la surface de bois d’aubier, cette méthode décrite par Daudet et al. (1987) est appréciée pour sa mesure directe de la transpiration. Le principe se base sur l’utilisation d’une enceinte transparente et suffisamment grande pour contenir l’échantillon choisi. Pour contrôler le microclimat dans ce volume, deux types de circuits d’air ont été proposés : 1) un circuit fermé où l’air de la chambre est recyclé et la mesure est ainsi obtenue en étudiant la vitesse d’augmentation du H2O et de diminution du CO2. Cette technique est réservée au mesures temporelles ponctuelles 2) un circuit ouvert où l’air traverse la chambre avec un débit suffisant pour minimiser les effets de serre et le calcul des échanges gazeux suppose que les différences de concentration en CO2 et H2O ainsi que le débit de l’air qui circule sont connus. Cependant, la chambre modifie les conditions du microclimat et perturbe la mesure. Pour réduire cet effet, pour les chambres statiques, les mesures doivent être les plus courtes possibles et pour les chambres dynamiques les mesures doivent être sous des conditions strictement contrôlées et représentatives des conditions atmosphériques externes.

La relation biomasse/transpiration
Une relation linéaire entre le rendement total relatif et la transpiration accumulée a été largement établie (Martínez-Ballesta et al., 2008 ; Shani and Dudley, 2001). Initialement, elle a souvent été utilisée pour déterminer le rendement à partir de la transpiration mesurée, estimée ou calculée. Ce même lien a été investigué dans le sens inverse pour déduire la transpiration à partir des mesures actuelles d’accumulation de la biomasse (BenGal et al., 2003 ; Zegada-Lizarazu and Berliner, 2011).

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Table des matières

Introduction générale
I Chapitre I: Les échanges d’eau et d’énergie aux interfaces sol-planteatmposphère
I.1 Introduction
I.2 Une revue des méthodes expérimentales permettant l’estimation des besoins en eau de la plante
I.2.1 Les méthodes de mesure directe de la transpiration
I.2.2 La différence entre l’évapotranspiration et la transpiration
I.3 La modélisation : une alternative pour l’estimation de l’évapotranspiration et ses composantes
I.3.1 Les modèles mono-sources
I.3.2 Les modèles double-source
I.3.3 Les modèles multicouches ou multi-sources
I.3.4 Les modèles d’évapotranspiration utilisant des données de télédétection
I.4 Le suivi du stress hydrique par proxidétection
I.4.1 Température de surface (Infra-Rouge Thermique (IRT))
I.4.2 Indices de développement du couvert végétal (optique)
I.4.3 Indices de fonctionnement du couvert (visible)
I.5 Conclusion partielle et synthèse
II Chaptitre II : Site d’étude et traitement des données
II.1 Introduction
II.2 Site d’étude
II.2.1 Cadre géographique, climatique, pédologique et occupation des sols de la zone
II.2.2 Dispositif expérimental
II.3 Méthodes utilisées et post-traitement des données
II.3.1 Les termes du bilan d’énergie
II.3.2 Les composantes de l’évapotranspiration
II.3.3 La caractérisation de la contrainte hydrique
a) Les facteurs abiotiques : le VPD et le contenu en eau dans le sol
b) Les facteurs biotiques : l’indice de stress hydrique (ITP)
II.3.4 La proxidétection
a) le PRI et le NDVI
b) La température de végétation
II.4 Conclusion partielle et synthèse
III Chapitre III: Caractérisation du fonctionnement thermo-hydrique des oliviers par analyse des données collectées
III.1 Introduction
III.2 Article : « Analysis of evapotranspiration components of a rainfed olive orchard during three contrasting years in a semi-arid climate »
Analysis of evapotranspiration components of a rainfed olive orchard during three contrasting years in a semi-arid climate
1. Introduction
2. Materials and methods
2.1. Site description
2.2. Micrometeorological fluxes measurements and energy-balance closure
2.2.1. Net radiation and soil heat flux
2.2.2. The Eddy Covariance system
2.3. Sap flow, root density and soil water content measurements
2.3.1. Sap flow
2.3.3. In-situ remote sensing measurements
2.3.4. Soil water content measurements
2.4. Evaporation estimation
3. Results
3.1. Water balance
3.2. Evapotranspiration partitioning
3.3. Analysis of evapotranspiration components and detection of soil and plant water stresses using different parameters
3.3.1. Transpiration and plant water stress
3.3.2. Evaporation
4. Discussion
5. Conclusions
III.3 Conclusion partielle et synthèse
IV Chapitre IV: Suivi du stress hydrique par proxidétection
IV.1 Introduction
IV.2 Matériels et méthodes
IV.2.1 Traitement et analyse de données du fonctionnement carboné du couvert
IV.2.2 Caractérisation de la contrainte hydrique
IV.2.3 Post-traitement des données issues de la proxidétection
IV.3 Résultats et discussions
IV.3.1 La dynamique des indices et des facteurs biotiques et abiotiques
IV.3.2 Prise en compte des variations de structure de la canopée
IV.4 Conclusion partielle et synthèse
V Chapitre V: Modélisation des transferts hydrique et énergitique au sein de l’oliveraie
V.1 Introduction
V.2 Article:” Modelling of water and energy exchanges over rainfed olive orchards in semi-arid areas.”
1. Introduction
2. Materials and Methods
2.1. Study site
2.2. Model description
2.3. The model parametrization
3. Results
3.1. The soil moisture and the soil temperature for different depths
3.2. The energy balance
3.3. The evapotranspiration partitioning
4. Discussion
5. Conclusions
V.3 Conclusion partielle et synthése
Conclusion générale

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