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La tensiométrie, qui indique la force de liaison entre l'eau et le sol, renseigne directement sur la disponibilité en eau du sol pour les racines
Les progrès technologiques en électronique, informatique, Internet et communication, apportent d'importantes améliorations et facilités dans le recueil et la gestion des données.

De l'importance de raisonner à partir d'analyses d'évolutions et non des seules valeurs absolues lorsque l'on utilise des capteurs pour le pilotage de l'irrigation

 

L'objet de cet article n'est pas de revenir en détail sur les différents capteurs utilisables pour le pilotage de l'irrigation, mais de revoir quelques bases fondamentales et principes qui peuvent être utiles pour la prise de décision à partir de l'analyse des mesures obtenues avec ces capteurs, ainsi que de donner les arguments qui justifient ces considérations.

Seront évoqués principalement des aspects relatifs aux mesures d'état hydrique du sol, mais certains principes peuvent également être appliqués sur d'autres types de capteurs, par exemple d'état hydrique du végétal, etc., en les adaptant.

RAPPEL HISTORIQUE

L'irrigation « traditionnelle », depuis les tout premiers temps de l'agriculture irriguée, était principalement gravitaire. Il s'agissait de faire circuler l'eau dans les cultures, sans que l'on  connaisse précisément les volumes attribués à chaque parcelle : faire passer l'eau sur une parcelle pendant un certain temps, puis les champs suivants étaient à leur tour irrigués.

Dès l'apparition d'une irrigation plus mécanisée, aspersion, et plus tard goutte-à-goutte, avec la création de réservoirs et de réseaux fermés, il a fallu rationaliser ces apports d'eau, notamment dans un but prévisionnel : combien faut-il apporter d'eau en évitant qu'elle soit « gaspillée », comment dimensionner les installations ? On a alors considéré le sol comme un réservoir qui se vidait lorsque la culture consommait l'eau qu'il contenait, et qui se remplissait sous l'action de la pluie ou des arrosages. Ceux-ci venaient « remplir le réservoir sol » quand celui-ci atteignait un niveau au delà duquel les plantes auraient eu plus de difficultés à s'alimenter, et où, par conséquent, il risquait d'y avoir une baisse de production (ou d'esthétique, si l’on considère les espaces verts, par exemple).

Or, on a voulu utiliser également ce mode de calcul prévisionnel, le « bilan hydrique » pour gérer en temps réel sur le terrain la conduite de l'irrigation. Mais les notions qui permettent le calcul de ce bilan hydrique, le réservoir sol (« réserve facilement utilisable », avec la notion de « zone racinaire »...), la pluie « efficace », l'irrigation « efficace », l'évapotranspiration « réelle » ou « maximale », ou même « optimale » (basées sur le calcul de l'évapotranspiration « de référence » nommée par habitude ancienne « poten­tielle »), sont des notions d'une grande imprécision et d'une grande variabilité, dans le temps et dans l'espace. Nous ne reviendrons pas sur ces aspects, il faudrait plusieurs articles pour expliciter ces difficultés  – il existe par exemple une brochure entière de la FAO sur la seule notion d'efficacité de la pluie... Par ailleurs, le sol ne fonctionne pas uniquement comme un réservoir : il est en fait une zone de passage de l'eau, où elle peut circuler soit vers le bas – par exemple pour venir remplir les nappes phréatiques –, soit vers le haut – on parle alors de remontées capillaires –, soit même parfois latéralement – cas de l'irrigation goutte-à-goutte, ou en cas de zones imperméables, etc. Or, ces circulations sont quasiment impossibles à estimer dans les conditions du terrain, car les paramètres nécessaires à leur calcul sont difficiles à évaluer, déjà sur les parcelles d'expérimentations agronomiques de caractéristiques bien définies et connues, a fortiori encore plus dans les conditions si diverses de la pratique agricole.

C'est pourquoi, à partir de la fin des années 70 principalement, on a voulu développer, pour affiner le pilotage en temps réel, des méthodes basées sur l'utilisation de mesu­res de terrain : état hydrique du sol, état hydrique de la culture.

Il s'agissait de remplacer (ou compléter) de façon intégrative par des mesures des estimations basées sur des variables et paramètres insuffisamment fiables ou évaluables, même si elles avaient été utiles et nécessaires dans un but prévisionnel.

Cependant, il faut bien avoir en tête qu'une mesure ou une série de mesures ne peut être vraiment utile pour la prise de décision que si des stratégies d'utilisation de ces mesures ont été développées et vérifiées. De nombreuses équipes ont travaillé sur ces stratégies : IRSTEA (CTGREF, CEMAGREF), SCP, ARVALIS (ITCF)… L'objet du présent article est de revenir sur quelques éléments de base de ces stratégies et sur l'intérêt de leur prise en compte lorsque l'on développe l'utilisation des capteurs pour le pilotage de l'irrigation, notamment avec les moyens disponibles actuellement, automatisation, partage de l'information à distance, Internet…

Nous nous baserons ici principalement sur l'utilisation de capteurs d'état hydrique du sol et, parmi ceux-ci, de capteurs tensiométriques. Nous expliquerons dans un premier temps pourquoi ils ont notre préférence, sans toutefois fermer la porte aux autres types de capteurs qui peuvent avoir leur intérêt également (coût, facilité de mesure, etc.). Comme dit plus haut, on peut adapter certains principes fondamentaux et considérations à des contextes et types de mesures très différents.

 

INTÉRÊT DES MESURES TENSIOMÉTRIQUES EN CONDUITE DE L'IRRIGATION

La tensiométrie, qui indique la force de liaison entre l'eau et le sol, renseigne directement sur la disponibilité en eau du sol pour les racines, alors que la valeur de teneur en eau (pourcentage volumique ou pondéral d'eau dans le sol) ne donne aucune idée de cette disponibilité si l’on ne connaît pas le type de sol. Par exemple, un sol sableux avec une teneur en eau volumique de 20 % pourra paraître « engorgé », ou au moins avec de l'eau extrêmement disponible pour la culture, alors qu'un sol argileux, avec la même teneur en eau se comportera comme un sol quasiment « sec », l'eau y étant fortement retenue, et donc peu disponible pour les plantes… Pour pouvoir bien utiliser la notion de teneur en eau, il faudrait donc connaître ce qu'on appelle la « courbe caractéristique » du sol, reliant tension et teneur en eau pour chaque type de sol, selon sa texture (granulométrie) et sa structure (tassé ou plus aéré, par exemple). Et ce, pour les différentes couches de sol si nécessaire… Il faudrait connaître également des caractéristi­ques de la culture, con­cer­nant par exemple la localisation des racines, leur capacité d'absorption…

Une autre possibilité d'utilisation consiste à connaître les valeurs maximales et minimales de teneur en eau que l'on s'autorise dans les différentes couches d'un profil de sol, et de voir où se situent les valeurs de teneur en eau mesurées en temps réel par rapport à ces valeurs. Mais cela aussi suppose une étude préalable pour obtenir ces références maximales et minimales…

On soulignera donc l'intérêt de travailler à partir de mesures ten­siométriques plutôt que de teneur en eau lorsque l'on ne connaît pas encore suffisamment les paramètres du sol et de la culture.

Par ailleurs, les mesures tensiométri­ques, à partir de plusieurs capteurs, pla­cés par exemple à des profondeurs différentes, permettent de connaître les directions des mouvements d'eau dans les sols, et ainsi d'éviter, ou de mieux contrôler, d'éventuelles pertes par percolation, et/ou de maximiser la contribution des réserves en eau profondes du sol : favoriser les remontées capillaires et économiser de l'eau d'irrigation en utilisant les ressources en eau naturellement disponibles.

Enfin les mesures tensiométriques sont particulièrement utiles pour déceler des incidents ou accidents singuliers… mais pas rares : hétérogénéité du sol, semelle de labour causant des zones d'hydromorphie… De nombreux exemples ont été observés :

• engorgement sur semelle de labour sur maïs en Camargue, avec asphyxie racinaire et mauvais développement de la culture ;

• vigne en pied de coteaux (Provence) avec nappe perchée temporaire em­pê­chant le développement de racines profondes ce qui entraînait subitement un fort stress hydrique lors de la disparition de cette nappe début août ;

• pêchers irrigués en goutte-à-goutte dans le Vivarais avec asphyxie des racines dans la zone sous influence des goutteurs, et symptômes de… stress hydrique… ;

• arbres urbains dépérissants plantés en fosses, pour lesquels les gestionnaires préconisaient d'augmenter l'irrigation, alors qu'en réalité ils étaient « noyés », et déjà surirrigués ;

• etc.

Pour toutes ces raisons, (et quelques autres : coût des capteurs, etc.), la mesure tensiométrique nous semble le type de mesure le mieux adapté à la conduite de l'irrigation. On peut cependant avoir des raisons ou des occasions d'utiliser des mesures de teneur en eau, notamment avec une bonne connaissance des références du terrain.

Dans tous les cas, l'utilisation de mesures sera toujours préférable aux seules estimations d'un bilan hydrique toujours sujet à caution.

Abordons à présent quel­ques principes à prendre en compte lors de l'élaboration des stratégies d'utilisation des mesures pour le pilotage de l'irrigation. Deux points seront principalement abordés :

• l’intérêt de travailler en analyse d'évolution des mesures plutôt qu'en se référant aux valeurs absolues ;

• les modalités de mise en pratique : nombre de répétitions des mesures, représentativité, choix de leur localisation.

 

INTÉRÊT DE L'ANALYSE DE L'ÉVOLUTION DES MESURES TENSIOMÉTRIQUES POUR LE PILOTAGE DE L'IRRIGATION,  PLUTÔT QUE DES SEULES VALEURS ABSOLUES

Il s'agit du premier « principe » que nous voulons évoquer. Il s'agit de s'attacher principalement et dans un premier temps à la pente de la courbe des mesures en fonction du temps, et non aux valeurs absolues des mesures (sans toutefois les oublier complètement !). Ce « principe » repose sur des critères universels ou plus spécifiques.

Critères « universels »

• La variabilité de conditions de terrain, à l'intérieur souvent d'une même parcelle agricole, ainsi que certaines stratégies développées (cf. bibliographie) demandent d'utiliser un certain nombre de capteurs pour pouvoir utiliser ces stratégies. Il ne s'agira donc pas, en général, d'utiliserles capteurs souvent très coûteux qui servent en expérimentations scientifiques, mais des capteurs dont le coût est plus raisonnable et dont la précision n'est pas aussi fine. Travailler en évolution et non en valeur de seuil, peut permettre de se suffire plus facilement de la précision des valeurs obtenues avec ces capteurs de coût modéré.

• Dans le même ordre d'idée, travailler en évolution, donc non sur des mesures individuelles, mais sur des séries de mesures, assure plus de fiabilité aux valeurs observées.

• Par ailleurs, travailler en évolution peut atténuer la variabilité spatiale du phénomène étudié : on constate que les mesures en valeurs absolues peuvent être extrêmement variables, compte tenu de la variabilité du terrain, mais que les sens d'évolution –­ augmentation ou diminution des mesures au cours du temps, changement d'intensité de ces phénomènes – sont souvent plus homogènes.

• Enfin d'un point de vue pratique, travailler sur les courbes d'évolution des mesures en fonction du temps peut permettre d'anticiper ; la pente de la courbe donne des indications sur le délai qui reste pour devoir absolument réagir : rapidement, ou bien au contraire l'agriculteur ou le gestionnaire (espaces verts) a encore du temps pour s'organiser (organisation du travail, des tours d'eau, etc.).

Critères plus spécifiques liés à des observations réalisées sur le terrain

• Une même valeur absolue n'a pas la même signification à différentes périodes de l'année. Ainsi a-t-on constaté qu'au mois d'août (prairie) lorsque la valeur de tension dans le sol était de l'ordre de 20 kPa, il fallait 2 jours pour que la nécessité d'irriguer soit pressante. À ce moment là, la pente de la courbe de dessèchement du sol (augmentation de tension) était très forte, et laissait présager que deux jours plus tard ce serait trop tard… En septembre, au contraire, la pente de dessèchement est beaucoup plus faible, et pour la même valeur absolue mesurée, on peut attendre plus de jours avant que la nécessité d'irriguer ne s'impose (cf. graphiques).

• Une autre période critique pour l'irrigation est son démarrage en début de saison. En arboriculture, cerisier avec arrosage au goutte-à-goutte, on a pu constater que l'évolution des mesures tensiométriques dans les zones qui seront en période d'irrigation sous influence des goutteurs (voir dans la bibliographie les stratégies préconisées pour l'irrigation goutte-à-goutte), reste longtemps très faible. Cela signifie que ce que les racines prélèvent est compensé par la contribution naturelle du sol. Mais cette zone, du fait de l'irrigation réalisée depuis plusieurs années, est très riche en racines. À un moment donné, la pente de ces courbes s'accélère rapidement. Il est alors temps de démarrer l'irrigation, même à très petites doses (les mesures permettent de s'ajuster), pas forcément au moment où l'arboriculteur aurait pensé naturellement qu'il est déjà nécessaire d'arroser. On préserve ainsi le bon fonctionnement racinaire dans les zones sous influence des goutteurs.

 

MODALITÉS DE MISE EN PRATIQUE

Nombre de répétitions. Même si les stratégies permettant les prises de décision sont principalement basées sur l'analyse de l'évolution des mesures, avec les avantages précisés plus haut, il ne faut pas oublier l'importance des répétitions, même dans des situations de sol et de culture a priori identiques (au moins à ce qu'on en sait…) :

• avec un seul capteur, pour une situation donnée, on ne sait pas trop ce qu'on fait – notamment en cas de défaillance du capteur – et on a peu de représentativité ;

• avec 2 capteurs, si l'un va dans un sens et l'autre dans l'autre, on ne sait pas quoi décider ;

• avec 3 capteurs, il y en a forcément au moins 2 qui vont dans le même sens, ce qui permet d'orienter la décision ; on conseille donc de préférer un nombre impair de capteurs. Pour des capteurs que l'on considérerait com­me moyennement fiables, on peut recommander par exemple plutôt 5 capteurs (au lieu de 3), ce qui peut permettre d'écarter du calcul les valeurs extrêmes, et de ne raisonner que sur les 3 capteurs médians à chaque fois, en se basant éventuellement sur la moyenne de ces 3 capteurs médians, pour garder un seul critère représentatif malgré tout d'un ensemble de la parcelle.

Représentativitédes mesures, et choix de leur localisation. Lorsque l'on positionne des capteurs avec un objectif de pilotage de l'irrigation, il faut se poser la question de la représentativité des zones d'implantation de ces capteurs. Or beaucoup de parcelles, notamment en terrains de côteaux – mais pas seulement –, présentent de fortes hétérogénéités de sol (hauts et bas de côteaux, affleurements, etc.), pas toujours évidents à déterminer lorsque l'on regarde le sol en surface lors d'une première approche. Diverses méthodes ont été envisagées pour obtenir un minimum de cartographie de ces hétérogénéités qui impactent sur le fonctionnement hydrique du couple sol-culture.

Ainsi en arboriculture, il est possible de pratiquer un échantillonage des diamètres des troncs sur toute la parcelle (travail à réaliser en saison creuse…) ; ou bien on peut faire un certain nombre de sondages à la tarière sur une parcelle (laborieux…).

Actuellement, l'utilisation de la télédétection peut être envisageable pour mieux appréhender les zones représentatives des parcelles et pouvoir même extrapoler à des zones plus grandes, jusqu'à éventuellement l'échelle d'un territoire ou d'une petite région – en regroupant les zones dont les réactions sont proches.

Enfin, lorsque l'on positionne des capteurs servant au pilotage pour une unité d'irrigation, un choix sera à faire éventuellement : positionner les capteurs dans la zone la plus défavorable, ce qui peut entraîner de la surirrigation dans les zones les plus favorables, mais assure que l'ensemble de la parcelle sera alimentée suffisamment, même les zones défavorisées ; ou bien placer les capteurs dans une zone favorable, auquel cas la ou les zones défavorables pourront être en stress hydrique à certaines périodes. Ce choix est à raisonner en fonction des objectifs de l'agriculteur (économie d'eau, rendement maximal/optimal…) et de l'importance relative de ces différentes zones.

 

CONCLUSION ET PERSPECTIVES

En résumé, on peut dire que, par rapport à un simple bilan hydrique, qui reste utile dans un premier temps pour le dimensionnement des installations, les capteurs sont d'une grande utilité pour améliorer la conduite et le contrôle en temps réel de l'irrigation, que ce soit en agriculture ou en gestion d'espaces verts.

Mais qu'aucun capteur n'est vraiment utilisable correctement dans cet objectif sans une stratégie de mise en œuvre et une stratégie d'interprétation des mesures.

Nous avons tenté de rappeler ici quelques principes à la base des stratégies d'utilisation des capteurs pour le pilotage de l'irrigation développées dans les quarante dernières années. Actuellement les progrès technologiques en électroni­que, informatique, Internet et communication, notamment depuis une quinzaine d'années, apportent d'importantes améliorations et facilités dans le recueil et la gestion des données, et jusqu'à la réalisation d'automates. Cependant les quel­ques axes de réflexion que nous avons abordés sur la mise en œuvre de ces capteurs et le traitement de l'information qu'ils permettent d'obtenir, en vue de leur utilisation pour le pilotage de l'irrigation gardent toute leur importance.

La bibliographie ci-après permettra à ceux qui le souhaitent de retrouver quelques exemples cités et d'approfondir les notions et les stratégies de pilotage évoquées dans cet article.   

 

BIBLIOGRAPHIE

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