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Utilisation de la discrimination isotopique du carbone comme critère de sélection du blé dur ( triticum durum desf ) en relation avec le bilan hydrique

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par Nadjim SEMCHEDDINE
Université de Setif - magistère 2008
  

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Introduction

Les efforts fournis pour répondre aux besoins alimentaires de la population mondiale toujours croissants ont conduit à la détérioration des conditions agricoles dans plusieurs endroits au monde. La désertification, l'érosion et la salinisation des sols sont les conséquences et aussi les causes de ces développements.

Actuellement, environ 20% des terres agricoles autour du monde sont irriguées, et ces terres fournissent environ 40% de l'approvisionnement alimentaire au monde. La sécheresse et les pénuries d'eau menacent la capacité de se nourrir pour de nombreux pays en développement, particulièrement ceux en Afrique.

Durant les trente dernières années, le potentiel du rendement a augmenté approximativement de 0,9% par an. Pour les prochaines vingt années, on estime qu'il faudrait une croissance de 1,6% par an pour satisfaire la demande toujours croissante (Reynolds & al., 2000)

A l'échelle mondiale, près d'un tiers des terres arables souffre d'un déficit en eau qui limite notamment les rendements des productions végétales. Dans la plupart des régions du monde les rendements céréaliers sont périodiquement exposés au stress hydriques (Lacaz, 2006).

Le développement de plantes tolérantes à la sécheresse s'est heurté jusqu'à présent à la grande complexité des mécanismes physiologiques mis en jeu pour faire face à la sécheresse ainsi qu'à la variabilité des environnements (type de sol, scénario climatiques...). Développer des plantes tolérantes à la sécheresse est un objectif qui pourrait contribuer à résoudre en partie les problèmes d'autosuffisance alimentaire. Cette tache nécessite la caractérisation des ressources génétiques vis- à-vis de la tolérance à la sécheresse (Lacaz, 2006).

Pour améliorer la stabilité ou augmenter la production des céréales, deux alternatives se présentent et doivent d'ailleurs être menées de paire:

i) Poursuivre les investigations sur l'identification et la définition des caractéristiques morphophysiologiques d'adaptation, de tolérance ou d'esquive au stress hydrique. Ces approches permettront la compréhension des mécanismes développés par les céréales. Ils sont largement développés par Quizenberry (1982), Acevedo & Ceccarelli (1987) et Eric & al. (1995).

ii) Développer une approche raisonnée à une échelle phénologique qui répond aux besoins de la plante (Brisson & Delecoller, 1992). Ceci permettra de mieux caractériser la variable hydrique (précipitation), de repérer les périodes de stress, et de fournir un complément d'eau par irrigation (Stern & al., 1982). Ceci peut être réalisé à travers l'identification des séquences de sécheresse, leurs occurrences, leurs intensités et leurs durées.

L'efficacité d'utilisation de l'eau (EUE), définie comme la production de biomasse par unité d'eau consommée est un caractère important de tolérance à la sécheresse. La sélection pour l'amélioration de l'efficacité d'utilisation de l'eau est confrontée à la lourdeur et au coût des mesures directes sur des effectifs élevés et en conditions de plein champ.

L'émergence de la méthode isotopique a complètement modifié ces données. Le formalisme mathématique des transferts de CO2 et de vapeur d'eau ainsi que celui du fractionnement isotopique du carbone lors de la photosynthèse permet d'attribuer à une plante (ou à un organe donné d'une plante) une valeur de composition isotopique qui révèle son efficacité d'utilisation de l'eau (Merah, & al., 1999).

Des progrès importants ont par ailleurs été réalisés au cours des dernières années dans l'automatisation des analyses. Les avantages présentés par ce critère dans les programmes de sélection sont liés à i) sa valeur intégrative, ii) l'existence d'une variabilité génétique, iii) de faibles interactions génotypes x milieu, iv) une forte héritabilité, v) la facilité de la préparation des échantillons et vi) l'automatisation des analyses isotopiques qui conduisent à sa mesure (Merah, & al., 1999).

Ce travail a pour objectif l'évaluation de la discrimination isotopique du carbone (?13C), en tant que critère de sélection pour la tolérance à la sécheresse en relation avec le bilan hydrique. Une expérimentation sur une collection comportant des variétés locales et d'autres provenant d'une sélection CIMMYT/ICARDA a été menée dans la région de Béni Fouda (Sétif). Les séquences de développement de la culture ont été notées, la mesure de la teneur en chlorophylle in vivo ainsi que l'évaluation du rendement et ses composantes. Des échantillons de grains ont fait l'objet d'une analyse de la discrimination isotopique du carbone.

D'autre part, un suivi du bilan hydrique a été réalisé durant le cycle cultural, afin d'identifier les séquences de stress, leurs intensités, leurs durées, et les risques probables de coïncidence de ces occurrences avec les phases sensibles du cycle de croissance des génotypes étudiés. Pour cela, deux méthodes ont été utilisées, la première, gravimétrique basée sur le suivi de la teneur en eau du sol et la seconde utilisant une simulation du logiciel BUDGET(Raes, 2004).

1-Le blé

L'histoire de l'homme est intimement liée à celle des céréales qu'il a très tôt appris à domestiquer, cultiver et sélectionner (Bonjean & Picard, 1991). Ces dernières sont considérées comme la base des grandes civilisations, car elles ont constitué l'une des premières activités agricoles, fournissant un moyen d'alimentation régulier, autour duquel l'activité humaine pouvait s'organiser.

C'est ainsi que les civilisations européennes et moyen-orientales se sont construites autour du blé, celles de l'Extrême-Orient autour du riz, celles des peuples amérindiens autour du maïs et celles d'Afrique noire autour du mil (Anonyme 2007).

Le blé dur semble être développé dans le bassin méditerranéen depuis le néolithique (Zohary & Hopf, 1994). Son aire de culture actuelle couvre les parties chaudes et sèches du moyen orient, de l'Afrique du Nord, de l'ex URSS, de l'Europe méditerranéenne et les grandes plaines de l'Amérique du Nord (Elias, 1995)

1-1 Cycle de croissance et de développement du blé

Les blés sont des monocotylédones, critère qui détermine notamment le type de germination ainsi que l'architecture et le type de croissance de la plante. Les blés se développent dans la première partie de leur cycle sous une forme herbacée. Ce terme signifie que les céréales se présentent sous la forme d'un ensemble de feuilles qui se développent toutes à partir de la même base, le plateau de tallage. Par la suite la tige principale commence à se développer ainsi que les tiges secondaires. De nouvelles feuilles apparaissent alors le long de la tige principale avec des points d'insertion différents que l'on appelle des noeuds.

Enfin l'épi se développe, grossit et la floraison a lieu lorsque l'épi est pleinement développé. A la suite de la floraison l'appareil foliaire se dégrade et devient sénescent alors que les grains grossissent. Dans la dernière partie du cycle les grains perdent une grande partie de leur eau et acquièrent leur dureté définitive.

Le cycle des blés peut donc se décomposer en deux phases majeures ; une phase d'élaboration de l'appareil végétatif allant de la germination jusqu'à la floraison, et une phase de développement du grain débutant à la floraison et se terminant à la maturité physiologique (Gate, 1995). La première phase correspond à l'accumulation de biomasse et d'azote via l'absorption d'eau, d'azote du sol et l'activité photosynthétique. Cette phase correspond également au développement de l'épi et des épillets. Durant cette phase se détermine le nombre potentiel de grains par épis à travers le nombre d'épillets.

Au cours de la deuxième phase, les grains se développent (embryogenèse et remplissage du grain) et l'appareil foliaire se dégrade. L'azote et le carbone des feuilles qui se dégradent (on dit qu'elles deviennent sénescentes) sont remobilisés vers le grain. Environ 60% de l'azote et de carbone présent dans le grain à maturité provient de cette remobilisation (Barbottin & al. 2005). Le complément provenant de l'assimilation tardive de l'azote du sol. Cette phase post floraison voit donc l'élaboration progressive des grains à travers leur prise de volume.

1-2- Importance économique 1-2-1 Dans le monde

Le blé vient en tête de classement des cultures stratégiques car il constitue une source alimentaire pour plus de 35% de la population humaine (Evans, 1993).

La production mondiale a atteint 624 millions de tonnes pour une superficie de 217 millions d'hectares soit un rendement de 2,8 t/ha. La Chine, l'Inde et les Etat Unis d'Amérique sont les plus grands producteurs, représentants à eux seuls, plus de 40% de la production mondiale de blé pour l'année 2003 (tableau 1).

Le blé dur (Triticum durum Desf. , 2n = 4x = 28, génome AABB) occupe 8 à 10% des surfaces emblavées en blés et fournis 10 à 15% de la production mondiale des blés (Loss & Siddique, 1994).

Tableau 1. Production mondiale du blé en tonnes (FAOSTAT, 2004).

Pays

2003

2004

 

Entonne

En%

Entonne

En%

Chine

86 100 250

16%

91 330 265

15%

Inde

65129300

12%

72060000

12%

USA

63 589 820

12%

58 881 368

10%

La Russie

34 062 260

6%

86 658 539

14%

France

30 582 000

6%

39 641 000

6%

Australie

24 900 000

5%

22 500 000

4%

Canada

23 552 000

4%

24 462 300

4%

Allemagne

19 296 100

4%

25 346 000

4%

Pakistan

19 210 200

3%

19 767 000

3%

Turquie

19 000 000

3%

21 000 000

3%

Argentine

14530000

3%

14800000

2%

Royaume-Uni

14 288 000

3%

15 706 000

3%

Iran

12900000

2%

14000000

2%

Kazakhstan

11 518500

2%

n.c.

n.c.

Pologne

7 858 160

1%

9450486

2%

Espagne

6290100

1%

7175000

1%

Italie

6243390

1%

8000000

1%

Égypte

6 150 000

1%

7 177 855

1%

Brésil

5899800

1%

6035500

1%

Ouzbékistan

5 331 000

1%

n.c

n.c

Autres pays

73 002 847

13%

75 284 093

12%

n.c: chiffre non communiqué.

1-2-2 En Algérie

L'Algérie est située au Nord-Ouest de l'Afrique en bordure de la Méditerranée. Elle couvre une superficie de 2 381 740 de km2. Le Sahara occupe plus de 85% de la superficie total (Touazi & al., 2004). En 2002, sur les 40 millions d'hectares cultivables, les terres cultivées ne représentaient que 8.27 millions d'ha essentiellement concentrés dans la région du nord. Près de 0.5 million d'ha de terres en zone steppique sont en voie de désertification totale et plus de 7 millions d'ha sont menacés (FAO, 2005).

La céréaliculture occupe trois millions d'hectares, environ 35% de la surface agricole utile (Bessad, 2006). Une grande partie de ces terres sont situées dans les régions semi-arides (Benlaribi, 1990), qui sont habituellement conduites en culture pluviale (Mouhouche & Boulassel 1997).

Le blé dur y occupe une superficie importante : un million d'hectares environ (Benlaribi, 1990) et la production moyenne en (103 tonne) a été respectivement pour les périodes 73/76, 77/86 et 87/96 de 835, 738 et 977. En parallèle, les rendements (t/ha) pour les mêmes périodes ont été de 1.15, 1.07 et 1.29 respectivement (Hafsi, 2001).

En 1998 la production nationale de blé dur a enregistré un record avec 1,5 millions de tonne, pour régresser l'année suivante à 1,1 millions de tonnes faisant apparaître une tendance à la baisse de la production nationale (tableau 2). Ce qui montre que la production se caractérise par une grande variation et les rendements à l'hectare demeurent faibles. La principale cause de cette fluctuation est la sécheresse (déficits hydriques et coups de chaleur) (Bouzerzour & Oudina, 1989)

Tableau 2. Production de blé dur dans le monde en millions de tonnes
(CIC, 2000).

Pays

Année

1 998

1999

Union Européenne

8,4

7,4

Canada

6,1

4

Turquie

4

3,5

Etats-Unis

3,8

3,1

Syrie

2,6

1,5

Algérie

1,5

1,1

Maroc

1,5

0,8

Tunisie

1,1

1,2

Kazakhstan

1

1,5

Autres

3

2,5

Total

33

26,6

2- Le climat

La détermination du climat est effectuée à l'aide de moyennes établies à partir de mesures statistiques et annuelles et mensuelles sur des données atmosphériques locales: température, précipitations, ensoleillement, humidité, vitesse du vent. Sont également pris en compte leur récurrence ainsi que les phénomènes exceptionnels.

L'écorégion méditerranéenne comprend toutes les régions où règne un climat méditerranéen. Elle se définit en termes de similarités climatiques et bioclimatiques. Outre les pays situés autour de la Méditerranée, la Californie, le Chili central, le sud- ouest et une partie du Sud de l'Australie et la région du Cap d'Afrique du Sud font aussi partie de l'écozone méditerranéenne car ils ont des zones bioclimatiques comparables (Naveh & Lieberman, 1984).

L'écosystème de type méditerranéen se caractérise par des étés chauds et des hivers doux, un apport modéré d'air marin toute l'année, des précipitations moyennes concentrées dans les mois d'hiver avec des étés très secs, de longues périodes ensoleillées avec quelques nuages, notamment en été (Leisz, 1982).

La partie orientale de la péninsule Ibérique, les côtes septentrionales de l'Afrique (Algérie, Égypte, Libye, Maroc et Tunisie), l'île de Crète, Chypre et les îles Baléares constituent la zone aride de la région méditerranéenne. Dans ces zones les précipitations annuelles moyennes sont inférieures à 400mm (Gottman, 1979; Wheller & Kostbade, 1 990).Cependant, suivant l'altitude, la direction des montagnes et la situation orographique, le climat méditerranéen connaît un grand nombre de variations.

2-1 En Algérie

Trois ensembles fortement contrastés climatiquement caractérisent le territoire algérien:

- Le Sahara, ensemble désertique aride (pluviométrie moyenne inférieure à 100 mm/an).

- Le littoral et les massifs montagneux: le climat est de type méditerranéen, avec des pluies très violentes en hiver provoquant une forte érosion. En été, les précipitations sont extrêmement rares et les chaleurs très fortes. Les pluies pouvant atteindre 1600 mm/an sur les reliefs sont irrégulières d'une année sur l'autre et inégalement réparties.

- Les hauts plateaux occupent environ 9% de la superficie totale, dont 5 millions d'ha de terres agricoles, sont caractérisés par un climat semi aride (pluviométrie comprise entre 100 et 400 mm/an) (FAO, 2005).

Les hauts plateaux qui concernent plus de 80% de la céréaliculture algérienne, sont sous la triple influence de l'Atlas tellien qui limite les précipitations hivernales, de l'Atlas saharien et du Sahara, et de l'altitude qui entraîne des gelées tardives (Blady, 1993).

Cependant, le climat des hauts plateaux présente des spécificités par rapport au climat des autres zones semi-arides du bassin méditerranéen. A titre d'exemple, la pluviométrie annuelle à Alep (Syrie) et à Sétif est assez voisine, mais la répartition est très différente. A Alep, 60% des pluies annuelles tombent en hiver contre 30% seulement à Sétif (même pluviométrie annuelle). Autre constat, les gelées nocturnes se prolongent plus tard dans l'année au niveau des hauts plateaux comparé au moyen orient. A Sétif à titre d'exemple, les gelées se prolongent une année sur deux jusqu'au mois de Mai (Hafsi, 2001).

En effet la mauvaise répartition des précipitations dans l'espace et dans le temps représente le principal facteur limitant l'amélioration du rendement grain des céréales conduites en culture pluviale. Mis à part la zone de l'extrême Nord-Est de l'Algérie, toutes les cultures céréalières subissent un déficit hydrique d'intensité, de durée et de fréquence variables en fonction de la quantité et de la répartition des précipitations annuelles propres à chaque zone de culture. En année sèche, des surfaces considérables sont déclarées non productives. Le reste des surfaces emblavées connaissent des rendements faibles qui sont souvent à la limite du seuil de rentabilité (Mouhouche & Boulassel, 1997).

2-2 Impact des changements climatiques sur la production agricole

Le Bassin méditerranéen est l'un des centres mondiaux de la diversité des plantes (vavilov, 1951). Avec l'Algérie, l'agriculture du Maghreb comporte des paysages extrêmement diversifiés mais qui ont pour caractéristiques communes d'être, à des degrés divers, limités par les ressources hydriques, et aussi sujets à de grandes fluctuations en fonction de la variabilité climatique (Rousset & Arraus, 2006).

Le changement climatique est devenu une réalité mondiale admise par l'ensemble de la communauté scientifique et largement mis en avant par les médias (Galliot 2007). Les prospectives fondées sur le changement climatique font ainsi peser des risques importants sur les systèmes agricoles (Rousset & Arrus, 2006).

Dans beaucoup d'études, l'impact du changement du climat sur la croissance et le rendement des cultures est analysé par simulation dans des modèles (Kenny & al., 1993; Acock & Acock, 1993; Grashoff & al.1995).

Hulme & al., (2000), dans leur étude centrée sur la région du Maghreb, estiment un réchauffement de l'ordre de 1°C entre 2000 et 2020 et une perturbation des régimes pluviométriques avec une tendance à la baisse, de l'ordre de 5 à 10 %. A plus long terme, la température pourrait augmenter de 3°C d'ici 2050 et dépasser les 5°C en 2100, alors que les précipitations diminueraient de 10 à 30 % d'ici 2050 et de 20 à de 50 % en 2100. Des changements dans les moyennes, mêmes faibles, impliquent une augmentation de la fréquence des extrêmes climatiques (Katz & Brown, 1992). Les risques principaux concernent alors; une probable augmentation de la fréquence et de l'intensité des sécheresses et de la concentration des épisodes pluvieux sur des périodes très courtes. Les conditions climatiques défavorables de ces dernières décennies pourraient progressivement devenir la norme au Maghreb, faisant peser des risques considérables sur l'agriculture (Rousset & Arrus, 2006).

En plus des changements dans les précipitations et la disponibilité totale en eau pour l'irrigation qui affecte directement la production agricole, les modifications dans le mode d'utilisation de l'eau par les plantes cultivées au cours de la saison peuvent affecter le rendement. Spécialement préoccupant est le changement du fonctionnement physiologique de la végétation suite à la modification de la composition atmosphérique. La plupart des plantes réagissent aux variations de la concentration en CO2 par une modification de la réponse stomatique qui affecte non seulement la croissance mais aussi la transpiration. La nature complexe de la réponse physiologique en interaction avec les processus micro météorologiques au niveau de la feuille et du couvert végétal exige plus d'attention (Van de Geijn & Goudriaan, 1997).

Le changement climatique implique alors d'envisager la forme et l'ampleur des impacts potentiels sur l'agriculture et d'analyser les stratégies d'adaptation des systèmes agricoles envisageables pour les prochaines décennies (Rousset & Arrus 2006).

3- Bilan hydrique

Le bilan hydrique est établi pour un lieu et une période donnés par comparaison entre les apports et les pertes en eau dans ce lieu et pour cette période. Il tient aussi compte de la constitution de réserves et des prélèvements ultérieurs sur ces réserves. Les apports d'eau sont effectués par les précipitations.

Les pertes sont essentiellement dues à l'évapotranspiration.

Les deux grandeurs sont évaluées en quantité d'eau par unité de surface, mais elles sont généralement traduites en hauteurs d'eau, l'unité la plus utilisée étant le millimètre. Ces deux grandeurs étant ainsi physiquement homogènes, on peut les comparer en calculant soit leur différence (Précipitations moins évaporation), soit leur rapport (précipitations sur évapotranspiration.).

Le bilan est évidemment positif lorsque la différence est positive ou que le rapport est supérieur à un. L'écoulement à partir d'une unité de surface sera compté dans les pertes. L'infiltration est considérée comme une mise en réserve sous forme de nappes souterraines ou d'eau capillaire dans le sol. Les précipitations solides constituent des réserves immédiatement constituées. Elles ont une durée variable, inter saisonnière dans le cas des tapis neigeux, inter saisonnière et interannuelle dans le cas des glaciers, voire inter séculaire dans le cas de calottes polaires ou des grandes masses de très hautes montagnes (Anonyme, 2004).

L'expression générale utilisée pour le calcul du bilan hydrique (Fraquin, 1973):

ETR = P-R-D- ÄRu (1)

ETR : évapotranspiration réelle, P : précipitation, R : ruissellement, D : drainage profond, ÄRu : variation de la réserve utile du sol de chaque période de temps considérée.

En général, l'expression du bilan est susceptible de subir des simplifications. Compte tenu de la topographie et de l'infiltrabilité des parcelles étudiées, le drainage comme le ruissellement, ou les deux ensemble peuvent être négligés (De cockborne & al, 1995), (Rezgui & al., 2005), (Merabet & Boutiba, 2005).

Une estimation du bilan hydrique peut être obtenue à partir de la comparaison des valeurs d'évapotranspiration réelle (ETR) et potentielle (ETP) (Mounier, 1994) servant de base aux études agro climatologiques (Statyer, 1968). Du point de vue climatique, le bilan hydrique potentiel (BHP = P - ETP) est la variable indicatrice la plus pertinente du déficit hydrique (Choisnel, 1992). Il est obtenu par la différence entre la pluie et l'ETP.

Mais pour mieux caractériser les conditions d'alimentation en eau du végétal, il faut tenir compte de l'influence de la nature du sol et de sa position topographique, le raisonnement doit aller au-delà du bilan hydrique potentiel, il doit se faire en terme de bilan hydrique pédologique par le suivi du profil hydrique (Rognon,1994). Le recours au bilan hydrique pédologique permet l'estimation de l'évapotranspiration réelle (ETR) qui, par définition, dépend du niveau d'évapotranspiration potentielle (ETP), de l'humidité du sol, et de la régulation stomatique (Tuzet & Perrier, 1998).

A l'échelle de la parcelle, la méthode la plus rigoureuse pour établir un bilan hydrique sous culture, est l'utilisation d'un humidimètre à neutrons couplé à des tensiomètres (Vachaud & al., 1985). Une sonde est introduite dans le sol à travers des tubes enfoncés verticalement et maintenus en place pendant toute la culture. Cet appareil permet d'évaluer le taux d'humidité du sol et sa variation dans le temps, au même endroit. Cette variation de l'humidité a, globalement et en absence de ruissellement, trois sources: les apports d'eau, la consommation en eau de la culture (extraction racinaire) et les flux hydriques (drainage, remontées capillaires sous la zone racinaire).

Pour évaluer les différents termes du bilan, il faut estimer les flux sous la zone racinaire. Ceci se fait généralement grâce à des tensiomètres placés en profondeur. Il s'agit là de techniques relativement complexes et délicates à mettre en oeuvre. A défaut de cette technique, on peut plus simplement utiliser une tarière pour prélever du sol et mesurer son humidité pondérale après séchage à l'étuve. On ne mesure alors que des variations d'humidité dans le profil.

Une autre méthode consiste à utiliser un modèle de simulation du bilan hydrique. L'évaluation des termes du bilan se fait par calcul. Différents modèles de simulation plus ou moins sophistiqués sont disponibles; comme CROPWAT (FAO, 1992) ou BUDGET (Raes, 2004). Dans tous les cas, il est évident que la précision et la validité des paramètres de sortie du modèle (ETR, drainage) dépendent de la précision des paramètres d'entrée (pluies, ETP, ETM, dynamique racinaire, etc.).

3-1 Evapotranspiration réelle (ETR)

L'ETR est l'évapotranspiration qui se produit effectivement au dessus d'une couverture végétale, l'apport d'eau étant constitué par les seules précipitations. Elle est fonction de la quantité d'eau disponible, du pouvoir évaporant de l'air et de la capacité de rétention du sol (Samba & Diop, 2000).

3-2 Evapotranspiration potentielle (ETP)

L'ETP est l'association de l'évaporation de l'eau à partir de toute surface et de la transpiration provenant des plantes (Chang, 1965) quand la fourniture en eau au substratum terrestre n'est pas limitée (Pédelaborde; 1968). L'ETP peut être mesurée par l'utilisation des cases lysimétriques ou estimée à partir de formules mathématiques : Thornthwaite (1948) ; Penman (1948), Turc (1961), PenmanMonteih (1981)...etc., prenant en compte les variables climatiques (température, pluies, vent, etc.).

3-3 Evapotranspiration de référence (ETo)

L'évapotranspiration de référence (ETo) (figure 1), est définie comme l'ensemble des pertes en eau par évaporation et transpiration d'une surface de gazon de hauteur uniforme, en pleine période de croissance, recouvrant complètement le sol et abondamment pourvue en eau (Allen & al,1998). La détermination de l'ETo peut être faite : soit directement à l'aide de lysimètre ; soit indirectement à l'aide de formules empiriques et théoriques qui combinent des variables climatiques en se servant de logiciel spécifique tel que l' ETo (Raes, 2000).

Figure 1 .Evapotranspiration de référence (ETo).

3-4 Evapotranspiration potentielle de la culture (ETc)

L'évapotranspiration d'un sol couvert par de la végétation est difficile à estimer. Pour faciliter la tâche et dans un souci d'homogénéisation des modèles, les chercheurs sont arrivés à déterminer les besoins en eau des cultures, par la correction de l'évapotranspiration potentielle (ETo) d'une culture de référence, qui est le gazon, par un coefficient appelé "coefficient cultural" (kc) en utilisant la formule suivante:

ETc=kc*ETo. (2)

L'échelle de temps sur laquelle les besoins sont calculés peut être l'heure, la journée, la décade, le mois ou la phase de croissance, selon l'objectif poursuivi et la disponibilité de données. (Allen, 1998). L' ETc est calculée dans les conditions de culture optimum à savoir ; absence de maladie, culture bien fertilisée et un état hydrique édaphique optimum (figure 02).

Figure 2. Evapotranspiration de culture (ETc). 3-5 Coefficient de culture (Kc)

La valeur du coefficient Kc (tableau 3) est largement affectée par la nature de la culture, sa hauteur, sa durée de cycle, et son taux de croissance, mais aussi par la fréquence des pluies ou de l'irrigation au début du cycle de la culture. Kc est toujours établi expérimentalement au début, pour une région et une culture données, puis ensuite confiné dans des tables pour une utilisation ultérieure dans la même région ou dans une région similaire.

Tableau 03. Coefficient cultural du blé.

 

Germination
Levée

Levée
Montaison

Montaison
Epiaison

Epiaison
Maturation

Source

Kc

0,5

1

1,2

1

(Arles, 1986)

0,17-1,10

1,10-1,15

1,15

1,15-0,35

(Raes,2004)

0,3-0,4

0,7-0,8

1,05-1,2

1,2-0,25

(FAO, 1992)

3-6 Evapotranspiration de la culture ajustée (ETc adj)

L'ETc adj (figure 3) est l'évapotranspiration réelle de la culture sous des conditions agronomiques non optimales c'est à dire qui diffèrent des conditions standards,comme la présence d'animaux nuisibles, fertilisation insuffisante, salinité du sol, les maladies, stress hydrique... , d'ou l'introduction du coefficient de stress Ks (Allen, 1998). L'évapotranspiration de la culture sera donc ajustée et calculée par la formule (3):

ETc adj = ETo * Kc * Ks avec 1 = Ks = 0 (3)

En absence de stress Ks = 1 et en présence de stress, Ks est inférieur à 1

Figure 3. Evapotranspiration de culture ajustée (ETc adj).

3-7 Sol et bilan hydrique

L'état hydrique des sols correspond à la quantité d'eau qu'un sol est susceptible de renfermer, dans l'absolu et dans la réalité. Les sols contiennent plus ou d'humidité et leur état hydrique dépend de la capacité des réservoirs des matériaux à absorber et à conserver de l'eau. En fonction de la quantité d'eau présente dans le sol, il existe une grande variété de son état hydrique.

D'une manière générale, dans les sols on distingue quatre principaux types (états) d'eau en fonction de la taille des porosités : l'eau; capillaire, hygroscopique, d'hydratation et l'eau libre qui s'écoule librement, dans des macroporosités, des fissures larges de quelques centimètres à quelques millimètres voire moins, mais qui permettent un écoulement sous l'effet de la gravité. Une grande partie de l'eau libre circule en profondeur dans les fissures et les porosités des matériaux qui forment les versants pour rejoindre des nappes qui peuvent alimenter les cours d'eau.

3-7-1 Réserve utile (Ru)

C'est la quantité d'eau du réservoir d'un sol pouvant être plus ou moins facilement utilisée par les racines d'une plante (Thornthwaite & Mather, 1957), variant au cours du temps en fonction des apports, et des pertes dues à l'ETR du couvert végétal (Jacquart & Choisnel, 1995).

La réserve d'eau utile du sol (RU) est définie par les paramètres hydriques du sol : la capacité de rétention et le point de flétrissement permanent, et par la profondeur utile qui peut être limitée; soit par des facteurs pédologiques : encroûtement, nappe phréatique salée, soit par l'enracinement des cultures (Damagnez, 1975).

La réserve en eau du sol est le volume d'eau disponible par rapport à un volume donné du sol dans un temps bien déterminé. Les variations des réserves en

eau du sol (ÄW) exprimée en mm d'eau, sont calculées par tranche d'épaisseur z, en centimètre, avec la formule suivante:

ÄW = (ó/10) * ÄH * ÄZ (4)

Où ó est la densité apparente du sol, ÄH est la variation d'humidité pondérale du sol et ÄZ est la variation des tranches d'épaisseur du sol en cm (Damagnez, 1975).

L'estimation de la réserve utile en eau (RU) est obtenue par la relation (5) (Allen & al., 1998):

EU=(èFC-èWP)

(5)

RU = EU * Zr = (èFC - èWP) * Zr

(6)

RFU=RU*f

(7)

 

EU est la teneur en eau utile du sol (mm/m). EU est la différence entre le contenu en eau à la capacité au champ (èFC) et la teneur en eau au point de flétrissement (èWP). Zr (m), la profondeur d'enracinement maximale, déterminée pour des cultures arrivées à maturité et cultivées sur sol profond. RU (mm) est l'eau accessible aux végétaux dans le volume de sol exploité par leurs racines.

3-7-2 Capacité au champ et Point de flétrissement

La capacité au champ est la quantité d'eau qu'un sol (saturé en eau) est capable de retenir après un ressuyage par la force gravitaire de l'eau libre. Elle représente environ 75% de la capacité maximale de rétention pour chaque type de sol (Chen & Dudhia, 2001). Le point de flétrissement correspond à l'humidité qui n'est plus extractible par les plantes, excepté, les halophytes et certaines espèces ligneuses xérophytes (Halitim, 2006).

Chaque famille texturale (tableau 4) présente des caractéristiques hydriques propres et notamment une valeur de "réserve en eau" théorique. On utilise un tableau de correspondance entre la texture et la réserve en eau par unité volumique mis en point par l'INRA (Jamagne & al., 1977).

Le réservoir en eau du sol est estimé en additionnant les valeurs contenues pour chaque horizon. Cette démarche s'appuie donc sur des hypothèses simplificatrices et surtout elle considère que la texture est la seule caractéristique qui intervient dans la rétention en eau, ce qui n'est généralement pas le cas (Halitim, 2006).

Tableau 4. Réserve en eau du sol selon la texture (Jamagne & al., 1977).

Classe
de texture

Humidité

à la capacité
au champ (en %)

Humidité au point
de flétrissement
(en %)

Réserve
utile
(%)

Densité
apparente
(grs/cm3 )

Réserve
utile
(mm/cm3)

S

8

3

5

1,35

0,70

SL

12

5

7

1,40

1,00

SA

19

10

9

1,50

1,35

LIS

15

7

8

1,50

1,20

LS

19

9

10

1,45

1,45

LmS

20

9

11

1,45

1,60

LSA

22

11

11

1,50

1,65

LAS

24

12

12

1,45

1,75

LI

17

8

9

1,45

1,30

Lm

23

10

13

1,35

1,75

LA

27

13

14

1,40

1,95

AS

33

22

11

1,55

1,70

A

37

25

12

1,45

1,75

AL

32

19

13

1,40

1,80

ALo Sédimentaire

29

18

11

1,50

1,65

ALo Altération

38

25

13

1,30

1,70

3-7-3 Réserve facilement utilisable (RFU)

La réserve facilement utilisable (RFU) est la quantité d'eau qu'une plante peut extraire d'un sol sans que sa production ne soit affectée de façon notable. Elle est définie par l'introduction d'un coefficient empirique, f. Ce coefficient représente le risque potentiel de soumettre la plante à un stress hydrique, celui ci est fonction de la culture. Il est généralement admis de lui donner une valeur de 2/3 (Van Laere, 2003).

La réserve facilement utilisable (RFU) varie entre des limites importantes. Cette réserve facilement utilisable ne peut pas être déterminée a priori pour chaque sol, car elle est sous la dépendance étroite de la dynamique d'exploitation des réserves d'eau du sol; elle dépend en particulier du volume de sol exploité par les racines et de la vitesse de dessèchement du sol qui fait intervenir des facteurs climatiques tels que I'évapotranspiration potentielle. Cette aptitude plus ou moins grande à utiliser les réserves d'eau du sol se traduit, pour des apports d'eau identiques - pluie et irrigation ou épandage de crue - par une consommation d'eau réelle plus ou moins élevée. Toutes les conditions de sol étant égales, une culture dont l'enracinement est dense et profond pourra se contenter d'apports d'eau relativement espacés, mais importants, à condition que la réserve utile du sol soit grande (Damagnez ,1975).

4- Simulation du bilan hydrique par le modèle BUDGET

Le modèle BUDGET (Raes, 2004) a été développé par la faculté des sciences de l'université de Leuven (Belgique). Le fonctionnement de ce modèle requiert l'entrée de certains paramètres pour permettre la sortie d'autres paramètres, sous forme numérique et graphique. Aussi, ce modèle permet la simulation de l'état hydrique du sol ainsi que les contraintes de la croissance et du développement pour des cultures conduites, en irriguée ou en sec.

4-1 Entrées du modèle

Elles sont d'ordre climatiques, édaphiques et culturales. Les données sont classées on cinq modules de paramètres:

4-1-1 Précipitations

Elles sont fournies par des stations météorologiques. Selon leurs disponibilités, les précipitations sont saisies (en millimètre) parjour, par décade ou par mois. Pour notre étude nous avons utilisé les données provenant d'une station météo, limitrophe de notre site, appartenant à l'exploitation agricole collective Dahel Nouari

4-1-2 Evapotranspiration de référence ETo

Elle est introduite (en millimètre) par jour, par décade ou par mois. Elle peut être obtenue par mesure sur des cases lysimétriques ou estimées à partir des formules empiriques. Dans notre expérimentation, nous l'avons estimé à partir de la formule de Penman Montheil (1990), modifiée et recommandée par la FAO (1998), On utilisant le logiciel ETo (2000).

4-1-3 sol

Les données requises sont; la texture du sol, le nombre et la profondeur des horizons ainsi que leurs caractéristiques hydriques (capacité de rétention, capacité au champs, point de flétrissement.. .etc.), le drainage et le ruissellement des eaux en surface. Dans notre essai, ses deux derniers paramètres ont été négligés.

4-1-4 Matériel végétal

Elle représente le quatrième module avec 09 paramètres requis : la duré des stades de croissance du végétal et les coefficients de culture correspondants, le paillage en surface, le taux du couvert végétal, le niveau de croissance des racines durant le cycle, le taux d'extraction de l'eau suivant la profondeur d'enracinement, la tolérance à la salinité, le coefficient de la tolérance au stress hydrique (selon l'épuisement de la RFU), le coefficient de stress due à un engorgement en eau et enfin le coefficient de sensibilité du rendement durant les phases de croissance.

Dans notre expérimentation, nous avons fixé les mêmes paramètres pour tous les génotypes, sauf ceux relatifs aux stades de croissance (levée, épiaison et maturité) qui ont été paramétrés.

4-2 Programmation

Le dernier module comporte de nombreux paramètres dont nous citons quelques uns: il s'agit surtout de l'établissement des conditions initiales et finales de la simulation telle que la réserve en eau du sol, les coefficients de calcul de l'évaporation (équation de Ritchie), la procédure de calcul des pluies efficaces, etc.

4-3 Sorties du modèle et simulation

Une fois que tous les paramètres sont introduits et la période de simulation fixée, le programme offre la possibilité de sortie de nombreux paramètres (tableau 5) qui sont présentés sous forme numérique et graphique. Aussi, BUDGET indique si un stress hydrique se manifeste ainsi que la prédiction du taux de diminution du rendement.

Tableau 5. Paramètres de sortie du modèle BUDGET.

-Transpiration relative

-Evaporation relative

-Evapotranspiration relative

-Transpiration potentielle

-Evaporation potentielle

-Evapotranspiration potentielle

-Transpiration réelle

-Evaporation réelle

-Evapotranspiration réelle

-Drainage journalier

-ETo journalière

-Pluies journalières

-Cumul du drainage

-Cumul d'ETo

-Cumul des pluies

-Ruissellement journalier

-Cumul du ruissellement

-Réserve en eau

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