Characterization of water and energy exchanges in rainfed dryland olive grove : modeling and integration of remote sensing data

Abstract

L'olivier est un agrosystème pérenne clé pour l'économie du pourtour méditerranéen avec des pratiques culturales contrastées (sec épars/irrigué intensive, co-planté...). Connu pour ses mécanismes d'adaptations au stress hydrique et sa capacité de survivre durant de longues périodes à conditions limitantes en eau de sol, l'oléiculture pluviale est dominante dans cette zone, notamment en Tunisie et l'écartement entre les arbres est une fonction de la distribution de la pluviométrie (un nombre important de pieds à l'hectare au Nord (6 m) et des oliveraies très éparses au Sud (25 m)) assurant un volume de sol exploré par les racines supposé être suffisant pour satisfaire les besoins en eau des oliviers. Il est cependant soumis à une forte pression climatique du fait des sécheresses récurrentes dont la fréquence et l'intensité risquent de s'accentuer dans les décennies qui viennent. La réponse de ces couverts épars, où l'eau est un facteur limitant, à ces changements climatiques est méconnue. Dans ce contexte, ce travail vise à améliorer notre connaissance des processus physiques régissant le cycle hydrologique et le développement de la végétation dans une oliveraie pluviale au centre de la Tunisie. L'objectif de cette thèse est double : i/tester la vulnérabilité de ces oliveraies éparses face aux conditions extrêmes futures et ii/proposer des solutions aux agriculteurs à court (par exemple l'irrigation localisée de complément) et à long termes (notamment la diminution des écartements entre les arbres ou l'extension des périmètres irrigués). Pour répondre à ces objectifs, nous avons besoin de bien caractériser le fonctionnement thermo-hydrique des oliviers, d'identifier la possibilité de suivre leur état hydrique actuel et de prédire leurs réponses à des conditions hydriques futures plus sévères. Dans un premier temps, un protocole expérimental dédié qui comprend des mesures par la méthode de fluctuations turbulentes et la méthode de flux de sève a été mis en place. Les données collectées qui renseignent sur les échanges d'énergie et de matière au sein du continuum sol-plante-atmosphère, ont été analysées et leur cohérence a été vérifiée à travers une étude des différentes composantes des bilans hydrique et énergétique à différentes échelles spatiales et temporelles. En plus de mesures directes, des mesures de proxidétection ont été sélectionnées afin d'analyser l'apport de cet outil puissant. Des relations entre les indices de stress hydrique estimés (par exemple l'écart entre la transpiration réelle et potentielle) et les indicateurs de proxidétection (la température de surface et le photochemical reflectance index) ont été donc établies pour détecter les seuils critiques au-delà des quels un apport en eau devient indispensable pour la survie de la plante. Dans un second temps, un modèle d'échanges sol-plante-atmosphère ISBA a été calé et validé en s'appuyant sur l'important jeu de données observé pour reproduire le fonctionnement des oliviers. Cette étude souligne que le caractère épars des oliviers est néanmoins un défi pour l'application de ces outils car la fraction de couverture de végétation (moins de 7 % pour notre site de Nasrallah) est telle que la surface est dominée par le fonctionnement du sol nu. Des ajustements ont été donc proposés voire apportés aux méthodes utilisées pour les adapter à ce faible taux de couvert végétal. La base de données utilisée pour cette étude est publiée sous le DOI : 10.6096/MISTRALS-SICMED.1479.The olive tree is a key perennial agrosystem for the economy of the Mediterranean basin with contrasting farming practices (rainfed sparse/intensive irrigated, co-planted ...). Known for its mechanisms of adaptation to water stress and its ability to survive for long periods under soil water limiting conditions, rainfed olive cultivation is dominant in this area, especially in Tunisia and the spacing between trees is a function of the distribution of the precipitation (from high density of plantation in the North (6 m) to very sparse in the South (25 m)) ensuring a volume of soil explored by the roots that is assumed to be enough to satisfy the water needs of the olive trees. However, it is subject to severe climatic pressure due to widespread dry spells, for which the frequency and intensity is likely to increase in the coming decades. The response of these sparse covers, where water is a limiting factor, to these climatic changes is unrecognized. In this context, this work aims to improve the current understanding of the physical processes governing the hydrological cycle and the development of vegetation in rainfed groves in central Tunisia. There is a twofold purpose: I / to test the vulnerability of these sparse olive groves to future conditions and ii / to make a decision support to farmers for the short (i.e., localized supplementary irrigation) and in the long term (in particular a decrease of the spacing between trees or the extension of irrigated area). To meet these goals, it is necessary to characterize the thermo-hydric functioning of olive trees, to identify the possibility of monitoring their current water status and to predict their responses to more severe future water conditions. As a first step, a dedicated experimental set up that includes eddy covariance and sap flow measurements has been installed. The collected data, which provide information on the exchange of energy and matter within the soil-plant-atmosphere continuum, were analyzed and their consistency was verified through a study of the different components of the water and energy balances at different spatial and time scales. In addition to direct measurements, proxidetection measurements are available and allow investigating the benefit of this powerful tool. Relationships between the estimated water stress indices (e.g., the difference between actual and potential transpiration) and the proxidetection indicators (surface temperature and photochemical reflectance index) were therefore established to detect critical thresholds beyond which a water supply becomes essential for the survival of the plant. In a second step, a soil-plant-atmosphere ISBA exchange model was calibrated and validated based on the large data set observed to reproduce the functioning of olive trees. This study emphasizes that the sparse nature of olive trees is nevertheless a challenge for the application of these tools because the fraction of vegetation cover (less than 7% for our Nasrallah site) is such that the surface is dominated by the bare soil functioning. Adjustments have therefore been proposed or even applied to these methods to adapt them to this low fraction vegetation cover. The database used in this study is published under the DOI: 10.6096/MISTRALS-SICMED.1479