Poss, Roland

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I 1  I QUELQUES VOIES D'ETUDE ACTUELLES I 
DE LA DYNAMIQUE DE L'EAU 
EN ZONE INTERTROPICALE 
I J 
R. POSS* 
.- 
Communication présentée l o r s  de l'atelier ATP/Dynamique des 
cations .(IRAT-CIRAD, Montpellier, décembre 1988) 
* Pédologue ORSTOM - B.P. 375 - LOME (TOGO) 
i 
I 
ORSTOM Fonds Documentaire 
1 
1. L'ENTREE DE L'EAU DANS LE 
SOL 
INTRODUCTION 
Dans toute la zone intertropicale, 
le dgveloppement de l'agriculture 
se heurte au problème de la 
pauvreté chimique des sols e t  2 
celui de la présence de phases 
de sécheresse plus ou moins 
longues au cours de lâ saison de 
culture. I1 est  donc nécessaire 
d'apporter des fertilisants or- 
ganiques ou minéraux de telle 
sorte qu'ils ne soient pas en- 
t ra înés  par lixiviation, et 
d'adapter les productions végé- 
tales et les dates de s e m i s  afin 
d'utiliser au mieux l'eau des 
pluies. 
Les  études d'hydrodynamique et 
d'entraînement des éléments mi- 
néraux sont intimement liées. 
Au niveau du fonctionnement de 
la plante, l'assimilation des fer- 
t i l isants dépend des disponibili- 
tés en eau. Au Togo méridional, 
par  exemple, tout s t ress  hy- 
drique s'accompagne du dévelop- 
pement de signes de carence en 
potassium. Au niveau des 
expérimentations, d'autre part, 
l 'étude du drainage nécessite gé- 
néralement une évaluation du 
bilan hydrique. 
Nous allons aborder ici les dif- 
férents  volets qui composent 
l 'étude du cycle . de l'eau au 
champ, en suivant son chemine- 
mëñt-? l'entrée- de 1 eau dans le 
.'sol, son stockage, son utilisation 
¡par les racines, et les pertes par 
hrainage. L'extension spatiale et 
temporelle des résultas nous en- 
t ra înera  ensuite à aborder le 
problème de la variabilité spa- 
t iale,  ainsi que celui de la mo- 
d6lisation des résultats. 
.-... .-.. 
' .. . 
La  quantité d'eau qui ruisselle à 
l'échelle annuelle sur  les grands 
bassins versants est  générale- 
ment assez faible (5 à 10 %), mais 
elle peut être extrêmement éle- 
vée au niveau de la parcelle 
pour les fortes intensités. Pour 
évaluer ce ruissellement, on uti- 
lise généralement des modèles 
mathématiques, dont le plus 
simple est constitué d'un seuil 
pluviométrique au-delà duquel le 
ruissellement apparaît et d'un 
coefficient de ruissellement. 
Ces  modèles donnent rarement 
entière satisfaction. Le ruissel- 
lement est  en effet gouverné par 
de multiples facteurs, dont , 
l'humidité du sol avant l'averse, 
le taux de couverture par les 
plantes e t  la présence 
d'organisations pelliculaires su- 
perficielles. Si les deux premiers 
facteurs sont généralement pris 
en compte, le rôle du troisième 
commence juste à être perçu. Les 
organisations de surface dimi- 
nuent considérablement l'infil- 
trabilité du sol : de plus de 75 
mm/h 5 moins de 20 mm/h sur les 
terres de Barre du Togo su r  sol 
humide. Leur développement, et 
donc leur impact, augmente 
lorsque le total pluviométrique 
diminue. Les zones les moins 
arrosées spnt donc également 
celles où le ruissellement est 
maximum. N e  pas prendre en 
compte le ruissellement dans les 
zones sahéliennes conduirait 
surévaluer considérablement 
l'humectation des sols. 
Une des voies de recherche dé- 
velopper, surtout dans les zones 
sèches, est donc la compréhen- 
sion des processus qui gouver- 
nent l'entrée de l'eau dans le 
sol. Ces études doivent prendre 
en compte les dynamiques sai- . 
2 
sonnières , étant donnée l'&o- 
lution rapide au cours du temps 
, du taux de couverture par les 
plantes e t  des organisations de 
surface. Il serait souhaitable de 
parvenir à des modèles 
d'évaluation du ruissellement qui 
reposent sur des facteurs pré- 
sentant une signification phy- 
sique. . ' 
2. L'EAU EXTRACTIBLE PAR LES 
PLANTES 
Pour évaluer l'eau extractible 
par les plantes, il est nécessaire 
de distinguer le problème de 
l'eau disponible dans le sol de 
celui de la présence et  de 
l'activité des racines qui la 
prélèvent. 
La caractérisation de l'activité 
racinaire est  un problème encore 
m a l  résolu. I1 est  possible de 
connaître assez facilement la 
profondeur d'enracinement h 
chaque stade physiologique, en 
ouvrant des fosses d'observation 
tous les quinze jours, e t  même 
d'avoir une idée de la  densité 
des racines, soit visuellement, 
soit  par pesée après séparation. 
L'interprétation est toujours dé- 
licate, car la présence de racines 
n'implique pas qu'elles soient 
physiologiquement actives. 
Lorsque l'expérimentation com- 
porte des tensiomètres, les suc- 
cions matricielles permettent 
d'apprécier leur  activité h un 
instant donné, m a i s  pas de pré- 
voir ce qu'elle devient dans des 
conditions hydriques différentes. 
O r  les racines profondes extra- 
ient incomplètement l'eau du sol, 
m a i s  aident la plante h survivre 
pendant les phases de séche- 
resse, en fournissant de petites 
quantités d'eau pendant des 
temps relativement longs. 
Pratiquement, on peut estimer 
que l'eau contenue dans la 
tranche de sol o Ù  sont situées 
80% des racines est utilisée h 
peu près entièrement par la 
plante si l'enracinement est 
homogene dans le  sol. Mais il 
s'agit là d'une estimation par  
défaut, une certaine quantité 
d'eau pouvant être absorbée h 
des niveaux plus profonds. 
Classiquement, l a  réserve hy- 
drique du sol est évaluée par  
différence entre l'humidité h un 
pF de l'ordre de 0,8 e t  celle à pF 
4,2. Si le pF 4,2 ne semble pas 
poser de problèmes méthodolo- 
giques de détermination et bien 
correspondre h l a  l i m i t e  
d'absorption de la plupart des 
végétaux, les humidités aux 
faibles pF ne sont souvent que 
des mesures de référence sans 
signification réelle : d'une par t  
la tension matricielle à laquelle 
le drainage devient très faible 
(notion de "capacité au champ") 
varie d'un sol B l 'autre, d'autre 
part le tamisage de la terre ef- 
fectué avant la mesure crée une 
porosité qui n'existe pas dans 
les sols en place, et donc aug- 
mente la réserve utile. 
Malgré toutes les difficultés i 
théoriques que comporte la no-. 
tion de capacité au champ, il est 
cependant nécessaire de disposer 
d'une valeur fiable de la  quan- 
tit6 d'eau que le sol peut rete- 
nir. Ce t t e  donnée ne peut être 
obtenue que s u r  le terrain. La 
meilleure méthode est le suivi, h 
l'humidimètre h neutrons , d'un 
ressuyage sous un sol bâché. Une 
première approche peut être 
fournie par  des prélèvement 2 la 
tarière quelques jours après une 
pluie suffisante pour humecter 
tout le sol. 
I 3 
L'évaluation de la réserve utile 
racinaire est  donc délicate. Le 
plus grand soin doit être apporté 
à sa détermination, car les 
plantes, comme les modèles de 
simulation, montrent une grande 
sensibilité & ce facteur. 
I 
3. EVOLUTION DU STOCK D'EAU 
DU SOL 
En l'absence d'humidimètre 
neutrons, le suivi de l'dvolution 
du stock d'eau du sol doit 
s'effectuer à la tarière, en pré- 
levant des Qchantillons de terre 
et en les faisant sécher B 
l'&uve. Cette méthode simple, 
économique e t  non sujette aux 
pannes, permet d'étudier des va- 
riations importantes (maximum et 
minimum d'humidité par exemple), 
mais ne permet pas de mettre en 
évidence les variations de 
quelques dizaines de millimètres 
su r  un stock total  de plusieurs 
centaines de millimètres, qui 
sont l'ordre de grandeur de la 
consommation en eau d'une 
plante au cours d'une semaine. 
En effet, deux prélèvements suc- 
cessifs à la tarière ne peuvent 
pas être réalisés au même en- 
droit, et la variabilité latérale 
des sols entraîne des différences~ 
de stock du même  ordre de gran- 
deur que la variation de stock 
que l'on veut mesurer. 
Pour réaliser un suivi plus pré- 
cis, la seule méthode actuelle- 
ment opérationnelle est l'humi- 
dimétrie neutronique. Son prin- 
cipal avantage réside dans la 
possibilité d'obtenir rapidement 
de nombreuses données d'humi-1 
dité s u r  un s i te  donné, ce qui 
ouvre la voie B des suivis de 
dynamique au cours d'une saison 
de culture. Cette méthode pose 
I cependant de nombreux problèmes 
d'utilisation. El le  pose tout 
d'abord un problème d'instal- 
lation des tubes de mesure : la 
m i s e  en place dans les horizons 
nodulaires, comme dans tous les 
niveaux' riches en éléments 
grossiers, crée toujours des 
difficultés, qui sont parfois 
insurmontables. 
El le  pose également un problème 
d'étalonnage : malgré tous les 
articles publiés su r  le sujet, ce 
point reste m a l  résolu. Les 
meilleurs résultats semblent ob- 
tenus B l'aide du suivi d'un res- 
suyage sous sol bâché après ap- 
port d'une lame d'eau ayant hu- 
mecté tout le sol. Ce suivi doit 
être réalisé simultanément à 
l'humidimètre et la tarière. 
Cette série de couples, qui cor- 
respond h des humidités élevées, 
doit être complétée par au moins 
un couple réalisé en fin de sai- 
son sèche. 
Par ailleurs, le passage des hu- 
midités pondérales aux humidités 
volumiques nécessite la connais- 
sance de la densité apparente du 
sol 2 l'emplacement du site de 
mesure s u r  toute la profondeur 
du sol. En l'absence de sonde 
gammamétrique, le plus grand 
soin doit être apporté B cette 
mesure (en effectuant en parti- 
culier des répétitions), car elle 
peut introduire des erreurs de 
plus de 10 % su r  les stocks. 
En zone intertropicale, enfin, le 
problème de' la maintenance des 
humidimètres reste un problème 
crucial. I1 est  impératif de 
s'équiper d'un appareil qui 
puisse être réparé dans des dé- 
lais raisonnables. Etant donné le 
nombre de pannes qui apparais- 
sent sur  ces appareils, un mini- 
mum de deux humidimètres 
semble indispensable pour ê t re  
assuré de pouvoir obtenir une 
campagne de mesures complète. 
4 
4. EVALUATION DU DRAINAGE 
Lorsqu'il n'y a pas de nappe 
dans les sols, le drainage peut 
ê t re  étudié soit h l'aide de lysi- 
mètres, soit 5 l'aide de la loi de 
Darcy généralisde. 
Les lysimètres sont bien adaptés 
2 la connaissance des besoins en 
eau maximums des plantes : en 
effectuant un arrosage par se- 
maine, e t  en recueillant l'eau de 
drainage, il est  ais6 de connaître 
la consommation en eau de la 
plante. I1 faut noter toutefois 
qu'il est nécessaire de réaliser 
le lysimètre autour d'un mono- 
l i the de sol en place, e t  non pas 
h part i r  de sol remanié, pour 
obtenir une valeur représenta- 
tive du comportement de la 
plante en milieu naturel. 
Les lysimètres conviennent par 
contre beaucoup moins bien 
1'Qtude du bilan hydrique en 
conditions naturelles. En effet 
l 'eau ne coule A la base du lysi- 
mètre que lorsqu'elle devient 
saturante, alors que la circu- 
lation s'effectue dans le sol b 
des succions matricielles va- 
riables (dans le sol la succion ne 
peut s'annuler que lors 
d'épisodes pluvieux importants 
ou' en présence de nappe phréa- 
tique). Un lysimbtre évalue donc 
le drainage par défaut. A la base 
du lysimètre, il se crée par ail- 
leurs  une, frange capillaire : 
pour ne pas perturber les ré- 
sultats,  il est indispensable que 
le - lysimètre soit suffisamment 
profond afin que les racines ne 
puissent pas parvenir à ce ni- 
veau. Malgré ces imperfections, 
les lysimètres peuvent cependant 
constituer un solide garde-fou 
contre les sous-évaluations du 
drainage. 
L'application de la loi de Darcy 
g8nbralisée permet d'évaluer le 
drainage B n'importe quelle pro- 
fondeur, à condition de connaître 
les coefficients de conductivité 
hydraulique et le gradient de 
charge. Les gradients de charge 
peuvent être connus avec une 
assez bonne précision grâce aux 
tensiomètres, appareils mainte- 
nant bien au point et d'usage as- 
sez aisé. Les coefficients de 
conductivité hydraulique sont 
par contre beaucoup plus déli- 
cats 2 déterminer, car ils néces- 
si tent des expérimentations ten- 
sio-neutroniques complexes. De 
plus, les relations obtenues 
montrent généralement des va- 
riations de conductivité de l à 
10 pour des variations d'humidité 
de quelques pour cent. I1 est 
donc important de connaître les 
paramètres hydriques avec une 
bonne précision pour obtenir une 
valeur fiable du drainage. 
Lorsqu'il existe une nappe dans . 
le sol, l 'étude du bilan hydrique 
au niveau de la parcelle devient 
délicate, car il est difficile 
d'estimer la quantité d'eau qui 
circule latéralement, ainsi que 
l'utilisation que les plantes font 
de l'eau de la nappe. Des  nappes 
apparaissent pourtant dans un 
grand nombre de sols de la zone 
des savanes, et constituent un 
facteur parfois très favorable, 
lorsqu'elles sont & faible pro- 
fondeur, parfois extrêmement li- 
mitant lorsqu'elles sont à proxi- 
m i t é  de la surface du sol. 
L'étude de l'hydrodynamique des 
sols engorgés en saison des 
pluies est une voie de recherche 
b développer, dans le cadre de la 
valorisation agricole de l'eau de -,. 
la zone des savanes. 
. 
5. LE PROBLEME DE LA VARIABI- 
LITE SPATIALE 
Bien que l'organisation des sols 
tropicaux sous forme de toposé- 
quences soit  connue depuis plu- 
sieurs décennies, la notion ce 
variabilité spatiale est encore 
m a l  intégrée dans de nombreuses 
études actuelles. Nous continuons 
2 considérer nos observations au 
champ comme indépendantes et 
distribuées normalement, alors 
qu'il apparaît de plus en plus 
clairement qu'elles sont spatia- 
lement corrélées. Cet  état de fait 
résulte probablement de deux 
facteurs indépendants. 
L'outil statist ique utilisé, la 
géostatistique, est lourd et  déli- 
cat 5 utiliser. En forçant un peu 
le trait, on pourrait presque dire 
que l'on fait encore des études 
de géostatistique sur  des don- 
nées de sol, et non pas des 
études de données de sol h l'aide 
de la géostatistique. L'apparition 
de nouveaux logiciels conviviaux, 
ainsi que les résultats des 
études en cours, permettront 
certainement de dépasser ce 
stade. 
Le deuxième facteur est la diffi- 
cult6 de  déterminer quels sont 
les facteurs qui  sont respon- 
sables des variations latérales 
de rendement, et sur  lesquels il 
convient donc d'appliquer l'outil 
statistique. I1 ne fait  cependant 
aucun doute que dans les régions 
semi-arides les variations laté- 
rales de réserve utile racinaire 
jouent un rôle de premier plan. 
Une voie possible pour caractéri- 
ser l'hétBrogénéit6 spatiale sur 
des parcelles suffisamment 
grandes est l'utilisation de la 
télédétection h certaines phases 
physiologiques critiques de la 
plante. Cet te  méthode permet 
d'effectuer un zonage, e t  donc de 
déterminer les sites sur  lesquels 
les paramètres déterminant le 
rendement peuvent être recher- 
chés. 
6. LA MODELISATION DU BILAN 
HYDRIOUE 
Même en l'absence de variabilité 
latérale des sols, la variabilité 
dans le temps des précipitations 
conduit à modéliser le bilan hy- 
drique, afin de pouvoir transpo- 
ser h d'autres conditions clima- 
tiques les observations réalisées 
une année donnée. 
De nombreux modèles ont été 
proposés, certains concernant 
uniquement le bilan hydrique, 
d'autres intégrant la croissance 
des plantes. Lorsque ces modèles 
sont validés, ils permettent de 
réaliser des études de risque et 
donc de déboucher s u r  des stra- 
tégies agricoles. 
La principale difficulté provient 
de l'ajustement et  de la valida- 
t ion des modèles. Les modèles'les 
plus complexes simulent le fonc- 
tionnement du continuum eau- 
sol-plante-atmosphère à l 'aide 
d'une série d'équations qui ren- 
dent compte des processus phy- 
siques en jeu. Ces modèles 
nécessitent la connaissance de 
nombreux paramètres physiques, 
qui ne peuvent généralement pas 
être tous mesurés. Le modèle est 
alors ajusté sur  les valeurs de 
terrain, en faisant varier les pa- 
ramètres inconnus, qui devien- 
nent a insi  des paramètres 
d'ajustement. D'autres modèles, 
plus simples, cherchent simuler 
le fonctionnement hydrique du 
système sans rendre compte des 
processus physiques en jeu. Ces  
modèles sont plus aisés utili- 
ser que les précédents. Après 
validation, ils permettent de ré- 
pondre h certaines inter- 
6 
rogations: l'utilisation du modèle 
BIP-TOGO, dérivé du modèle BIP 
de l ' IUT,  a permis au Sud-Togo 
de définir les dates optimales de 
s e m i s  h l'bchelle régionale, de 
proposer un zonage agro-pédo- 
climatique et d'évaluer le drai- 
nage profond moyen, donc les 
pertes en éléments fertilisants. 
11 ne f a i t  aucun doute que les 
modèles de simulation sont ap- 
pelés 5 se développer, et qu'il 
faudra de plus en plus concevoir 
les expérimentations de terrain 
de telle sor te  que les résultats 
puissent . s'intégrer facilement 
dans des modèles. 
CONCLUSION 
Dans de nombreuses régions de 
la zone intertropicale, la saison 
de culture es t  caractérisée par 
de grandes variations du stock 
d'eau contenu dans le sol, que ce 
so i t  dans le temps ou dans 
l'espace. Ces variations sont res- 
ponsables, pour une grande part, 
de la variabilité des rendements 
obtenus, par manque d'eau, par 
excès d'eau ou par entraînement 
des éléments nutritifs. 
La caractérisation du fonction- 
nement hydrique du sol en place 
reste cependant toujou rs... deli---- ___ - 
cate, et e l le .  ne peut pas faire 
l'objet d'un protocole standar- 
dis6 : la méthodologie doit 
s'adapter non seulement aux buts 
recherchés e t  aux moyens 
disponibles, m a i s  également au 
type de sol étudié. 
.. 
L'extrapolation spatiale e t  tem- . 
porelle des résultats obtenus en 
parcelles d'essai doit de plus en 
plus passer par une phase de 
modélisation, qui intègre les ré- 
'* sultats,  mais qui peut également 
orienter en retour les recherches 
à venir. 


Atelier ATP/Dynamique des cations

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