Caractérisation des solutions numériques utilisées dans l'irrigation

Ces capteurs mesurent en continu la vitesse d’écoulement de la sève dans le tronc et les branches afin de mesurer indirectement la transpiration. Ils permettent de calculer les besoins en eau de la culture à partir de coefficients de cultures déterminés pour les différentes phases de développement, sur la base de l’estimation de la transpiration.

Le fonctionnement de ces capteurs consiste à appliquer une source de chaleur constante au flux de sève brute (capteur invasif) ou à proximité de celui-ci (capteur externe), à l’aide d’une résistance électrique insérée dans une sonde et alimentée par une batterie. La température à proximité de cette source est influencée par l’intensité plus ou moins forte du flux de sève, la perte de chaleur étant directement proportionnelle à ce flux (débit).

Avec deux sondes ou plus, insérées radialement dans le xylème, on mesure les variations de température qui, grâce à une corrélation appropriée, permettent d’obtenir la valeur de la transpiration de façon continue et quasi en temps réel. Cette corrélation est influencée par le type de plante et diverses variables climatiques (rayonnement solaire, etc.) ; il est donc nécessaire de calibrer la sortie du capteur afin que la mesure soit proportionnelle au flux de sève. Sans calibrage, l’erreur dans l’estimation de la transpiration peut atteindre environ 34 %.

Il est nécessaire de dissocier l’effet de la demande évaporative de l’atmosphère des données relatives au flux de sève, afin d’obtenir des informations réelles sur l’état de la culture.

Ces méthodes peuvent être utilisées sur des cultures ligneuses ainsi que sur certaines plantes herbacées à tige épaisse et robuste (maïs et tournesol).

Il existe différentes manières de déterminer les variations de température en fonction du flux de sève. Dans les conditions méditerranéennes, la méthode la plus adaptée est celle du quotient calorique, une variante de la méthode de l’impulsion thermique.

Jusqu’à présent, l’utilisation de ce type de capteurs se limite principalement à la recherche et au développement, et reste très limité au niveau commercial.

Capteur de turgescence foliaire Ils mesurent en continu l’état hydrique de l’arbre à travers la variation de pression que la sève cellulaire de la feuille exerce sur la paroi cellulaire. L’enregistrement quotidien de la variation de pression dans les feuilles et de la température ambiante permet de déterminer si l’arbre est correctement hydraté ou s’il souffre de stress hydrique, et permet même de distinguer trois états de la plante :

• Bien irrigué

• Stress léger

• Stress sévère

La différence de température entre la feuille et l’air est liée au niveau d’hydratation de la feuille ; cette différence peut donc être utilisée pour mesurer l’état hydrique des plantes.

Inconvénients des capteurs de proximité des plantes :

• Précision : les réponses fournies par ce type de capteurs peuvent parfois être similaires, qu’il s’agisse d’une situation de stress hydrique que d’un excès d’eau. C’est pourquoi il est nécessaire de disposer d’informations complémentaires provenant d’autres types de dispositifs, tels que les capteurs d’humidité du sol.

• Coût : l’installation de ce type de dispositifs peut être coûteuse, en particulier sur de grandes superficies.

• Complexité technique : la configuration et l’entretien des capteurs nécessitent des compétences techniques spécifiques. Cela peut représenter un défi pour les agriculteurs ou techniciens si ces technologies ne leur sont pas familières.

• Dommages et durabilité : les capteurs sur le terrain sont exposés à des conditions environnementales susceptibles de les endommager ou de réduire leur durée de vie, telles que la pluie, le vent et l’exposition directe au soleil.

Enregistrement continu du potentiel hydrique du tronc Des capteurs permettant de contrôler en continu le potentiel hydrique du tronc, basés sur des micro tensiomètres, ont récemment fait leur apparition sur le marché.

Le micro tensiomètre destiné au contrôle continu du potentiel hydrique du tronc des cultures fruitières permet de mieux comprendre les variations de l’état

hydrique de la plante, car il intègre à la fois l’environnement aérien et celui du sol, ainsi que la physiologie et la gestion de la culture (Lakso et al., 2022). Les informations continues sur ce paramètre améliorent considérablement la capacité à déterminer les pratiques de gestion de l’irrigation, notamment pour les cultures en situation de déficit hydrique, comme le raisin de cuve, ou dans des situations où la disponibilité en eau pour l’irrigation est limitée. Les données de suivi sont disponibles en temps réel sur une plateforme facile à utiliser pour les gestionnaires de l’irrigation.

D’autres innovations sont en cours en France, portant sur l’analyse des signaux électriques émis par les plantes. Il s’agit du capteur de bio-interface VS8, qui permet d’enregistrer l’activité électrique des plantes. Cette activité des plantes permet l’échange d’informations à l’ensemble de l’organisme végétal. Elle est associée à la capacité de s’adapter rapidement aux stimuli externes, en particulier aux facteurs de stress environnementaux.

À l’heure actuelle, on considère qu’elle joue un rôle clé dans l’adaptation de la plante au stress biotique et abiotique (entreprise Vegetal signal, France).

Ils permettent de mesurer la teneur volumétrique en eau, une information qui sera utilisée pour la programmation de l’irrigation. Il existe différents types de capteurs selon leur principe de fonctionnement, les plus utilisés étant les capteurs diélectriques capacitifs, TDR (réflectométrie dans le domaine temporel) et FDR (réflectométrie dans le domaine fréquentiel).

Les différents types de capteurs diélectriques déterminent, par divers procédés, la constante diélectrique du sol (en tant que milieu dépourvu de conductivité électrique). La constante diélectrique d’un sol varie en fonction du pourcentage d’air et d’eau ; ainsi, les fluctuations de cette variable sont liées à la teneur volumétrique en eau.

Elles fournissent la teneur volumétrique en eau du sol au fil du temps.

Généralement, la valeur de la teneur en eau enregistrée à une certaine heure de la journée est utilisée pour calculer le déficit hydrique du sol, donnée nécessaire à la programmation de l’irrigation.

La teneur en humidité du sol varie en fonction de la profondeur ; c’est pourquoi des mesures sont réalisées à différentes profondeurs afin de suivre l’évolution de l’humidité dans la zone la plus superficielle, dans la zone où se concentrent les racines de la culture, et dans la zone hors de portée des racines, afin d’observer s’il y a ou non percolation, comme le montre la figure suivante.

Sur l’image précédente, on peut voir que le capteur capacitif est de forme tubulaire, ce qui permet de mesurer la teneur en humidité à différentes profondeurs, tandis que les deux autres types de capteurs nécessitent l’installation d’une sonde à chaque profondeur que l’on souhaite mesurer. Le type de sol et les pratiques agricoles mises en œuvre sur la parcelle où la sonde est installée doivent être pris en compte lors du choix effectué, chacun de ces dispositifs étant fiable.

Il est important d’avoir à l’esprit, lors de l’utilisation des données fournies par les capteurs d’humidité du sol, qu’il s’agit de mesures ponctuelles de la teneur en humidité. Idéalement, il faudrait disposer d’au moins une sonde dans chaque secteur d’irrigation.

Ces appareils sont robustes et résistants aux conditions climatiques défavorables, comme les températures élevées et l’humidité, ce qui garantit leur fiabilité et une longue durée de vie en extérieur (ils peuvent être utilisés pendant plusieurs saisons).

Ils sont faciles à installer et nécessitent peu d’entretien, ce qui permet de les utiliser dans de nombreux milieux agricoles.

Afin d’obtenir des informations fiables, il est recommandé de respecter les critères d’installation suivants : •Installer l’appareil à la verticale d’un goutteur afin de mesurer correctement la teneur en eau du sol après les apports d’irrigation.

• Dans la zone où le système racinaire de la culture est le plus développé afin de détecter les variations d’humidité du sol dues à l’absorption par la culture. Dans les cultures ligneuses, autour de ≈ 50 cm.

• À différentes profondeurs (≈ 15, 30 et 45 cm selon la culture) :

• 15 et 30 cm → disponibilité en eau pour la plante.

• 45 cm → pertes par percolation •Bon contact avec le sol

• Veiller à ne pas altérer la structure du sol.

Les capteurs de potentiel matriciel du sol (PMS) mesurent, directement ou indirectement, la force avec laquelle le sol retient l’eau. Ce potentiel reflète l’état hydrique du sol : plus la valeur est basse (plus elle est négative), plus la force avec laquelle le sol retient l’eau est grande, et inversement. La fonction qui relie le potentiel matriciel du sol à la teneur en eau est appelée « courbe caractéristique du sol ». Grâce à ces informations, il est possible de déterminer la valeur de la capacité au champ et du point de flétrissement permanent du sol cultivé, et ainsi de calculer avec précision le bilan hydrique du sol et, par conséquent, la dose d’irrigation.

Ces capteurs permettent de déterminer le moment optimal pour l’irrigation, mais ne détectent pas les excès d’irrigation.

La capacité au champ, indépendamment de la texture ou du type de sol, est connue ; elle se situe entre -5 et -33 kPa, tandis que le point de flétrissement permanent se situe en dessous de -1500 kPa. Tous les appareils qui mesurent le potentiel matriciel ne conviennent pas à tous les types de sols ; il est donc essentiel de connaître la fourchette dans laquelle on se trouve pour choisir l’appareil approprié.

Il existe différents types de capteurs matriciels.

Tensiomètres. Le capteur se compose d’un tube rempli d’eau muni d’une capsule en céramique poreuse située à l’une de ses extrémités, qui est enterrée dans le sol à la profondeur souhaitée ; l’autre extrémité du tube est reliée à un capteur de pression négative (vacuomètre).

Lorsque le sol s’assèche, la tension matricielle augmente (la valeur absolue lue par le tensiomètre augmente), tandis qu’en cas d’humidification, celle-ci diminue (la valeur absolue lue par le tensiomètre baisse), pouvant atteindre des valeurs proches de zéro lorsque le sol est saturé en eau. À partir de cette propriété, il est possible d’estimer la teneur en eau du sol. Pour les sols maraîchers, on utilise généralement ce type de capteurs, car ce sont des sols qui présentent des niveaux d’humidité relativement élevés, entre la saturation et la capacité au champ, et il est plus intéressant de mesurer la tension du sol que son humidité.

Ils sont généralement utilisés dans les cultures ligneuses ou dans le cadre de stratégies d’irrigation déficitaire contrôlée, car ils permettent d’atteindre des niveaux de potentiel allant jusqu’à -230 kPa. Ils exploitent soit le principe de la résistance électrique variable due aux variations de l’humidité du sol, soit le calcul de la constante diélectrique du sol pour déterminer la tension hydrique du sol.

Ils mesurent la salinité du sol, qui peut influencer l’absorption d’eau et de nutriments par les plantes.

Le ministère de l’Agriculture du Gouvernement espagnol, par l’intermédiaire de la Sous-direction générale de l’Irrigation et des Infrastructures rurales, met gratuitement à disposition des utilisateurs toutes les informations recueillies via le Réseau SiAR de stations Agrométéorologiques.

Il s’agit d’une infrastructure qui collecte, enregistre et diffuse les données climatiques nécessaires au calcul des besoins en eau dans les zones irriguées.

Elle fournit des informations utiles, rigoureuses et de qualité, permettant aux techniciens et aux agriculteurs de calculer les besoins en eau des cultures et de programmer leurs irrigations.

Cet outil permet d’améliorer la planification, la gestion et le contrôle des exploitations irriguées pour favoriser les économies d’eau et d’énergie, et répondre aux demandes technologiques des professionnels du secteur.

Il comprend plus de 500 stations météorologiques, qui couvrent environ 90 % de la superficie irrigable en Espagne, et fournissent les informations nécessaires pour déterminer l’évapotranspiration de référence et calculer ensuite les besoins hydriques des cultures irriguée.

Il s’agit d’un réseau collaboratif qui regroupe les stations appartenant au Ministère et celles des 12 communautés autonomes participantes, lesquelles assurent également le lien direct avec les irrigants, destinataires finaux des informations fournies par le système. https://servicio.mapa.gob.es/siarweb/

SIAR

Le Centre Opérationnel et de Technologie de l’Irrigation (COTR), au Portugal, s’est engagé dans le transfert de technologies en matière d’irrigation, notamment dans le cadre de services liés à l’utilisation efficace de l’eau d’irrigation. L’application de l’agrométéorologie a constitué l’un des principaux axes de travail, avec pour objectif principal d’estimer les besoins en eau des cultures. Cette activité est considérée comme fondamentale pour le développement d’une agriculture irriguée durable et compétitive, visant non seulement à accroître l’efficacité de l’utilisation de l’eau, mais aussi à atteindre la plus grande précision possible quant au moment de l’irrigation, répondant à la fois aux exigences techniques du secteur et aux pressions environnementales.

La détermination des besoins en eau des cultures poursuit deux objectifs principaux :

• Dimensionnement – généralement effectué lors de la planification de la mise en place de l’irrigation. Son objectif principal est d’estimer la consommation annuelle, afin de déterminer la surface maximale irriguée en fonction de la disponibilité existante, ainsi que les besoins pendant la haute saison, ce qui permet de dimensionner le réseau d’irrigation.

• Gestion (notifications d’irrigation) – généralement effectuée pendant l’exploitation d’une zone irriguée. Son principal objectif est de déterminer, avec la plus grande précision possible, la quantité d’eau à apporter en fonction du stade phénologique de la culture. Informations de base pour créer un service de notification d’irrigation

• Des données agrométéorologiques de qualité, nécessaires pour estimer l’évapotranspiration de référence des cultures (ET0) : température de l’air, humidité relative de l’air, vitesse du vent à 2 m et rayonnement solaire global. À ces paramètres s’ajoute l’importance de surveiller les précipitations afin d’établir un bilan hydrique.

• Culture : on utilise les informations disponibles dans les bases de données sur les cultures (Allen et al., 1998), avec la description des principales étapes du développement végétatif de la culture (durée) et l’identification des périodes durant lesquelles la culture est plus ou moins sensible au stress. Ces informations sont adaptées aux conditions réelles de la région.

Afin d’assurer le service de notification d’irrigation dans l’Alentejo, le COTR exploite depuis 2001 le réseau SAGRA (Système agrométéorologique pour la gestion de l’irrigation dans l’Alentejo), composé de 14 stations météorologiques automatiques qui couvrent les principales zones irriguées de l’Alentejo.

(www.cotr.pt)

À partir des données saisonnières, il est également possible de déterminer le climat d’une région, ce qui peut servir de base pour étudier la capacité d’adaptation de nouvelles cultures. Il est également possible de développer des produits agrométéorologiques tels que les degrés-jours, qui indiquent le développement phénologique, les unités de froid, qui servent d’indicateur de l’entrée en dormance végétative en fonction de la température moyenne horaire, et l’identification de phénomènes météorologiques extrêmes (trombes d’eau, tornades, entre autres).

Parallèlement au service de notification d’irrigation, COTR a développé le service MOGRA - Modèle de Gestion de l’Irrigation pour l’Alentejo (https://cotr.pt/servicos/mogra.php), qui s’appuie sur le réseau de stations météorologiques automatiques et repose sur la technique du bilan hydrique, permettant ainsi d’accéder à un service en ligne. Il s’agit d’un service de programmation de l’irrigation selon la méthodologie proposée par la FAO et utilisant des bases de données sur les sols, les cultures et les technologies d’irrigation. Le modèle fournit un calendrier d’irrigation optimal (la stratégie consiste à irriguer lorsque la réserve facilement utilisable (RFU) est épuisée et un calendrier d’irrigation réel permet à l’utilisateur de visualiser l’évolution de sa gestion de l’irrigation, en saisissant les données des irrigations effectuées, et ainsi de décider du moment opportun pour irriguer. Pour compléter ces informations, il est possible d’utiliser des équipements de surveillance des sols ou des plantes.

En France, il existe de nombreux réseaux de stations météorologiques destinés à la population, gérés par Météo France, mais également dédiés à l’agriculture comme Sencrop, une plateforme agrométéorologique reliée aux stations météorologiques locales. Les coopératives mettent également en place des stations météorologiques collaboratives, et l’Union des Coopératives Agricoles de l’Allier (UCAL) compte actuellement plus de 40 stations connectées.

L’entreprise française ISAGRI propose également une plateforme de stations météorologiques agricoles connectées, à l’instar de Weenat, qui permet aux agriculteurs de suivre la météo en direct depuis leurs parcelles grâce à des réseaux météorologiques connectés.