Findeling, Antoine (2001) Etude et modélisation de certains effets du semis direct avec paillis de résidus sur les bilans hydrique, thermique et azoté d'une culture de maïs pluvial au Mexique. PhD thesis Sciences de l'eau, ENGREF p.422.
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Abstract
Cette étude a pour objectifs la compréhension et la modélisation de certains effets importants du semis direct avec paillis de résidus (SDP) sur les bilans hydrique, thermique et azoté d'une culture de maïs pluvial. Elle a été menée dans le contexte d'un climat tropical semi-aride au Mexique. D'un point de vue méthodologique, le travail a consisté tout d'abord à identifier les phénomènes physiques et biologiques principaux qu'implique l'itinéraire technique SDP. En s'appuyant sur les résultats de la littérature et sur les acquis au niveau du terrain d'étude, nous avons retenu comme prédominants les effets du SDP sur i) l'évaporation et la température du sol, ii) la structure de surface du sol et l'infiltration, iii) le ruissellement, et iv) le cycle de l'azote et l'activité biologique des sols.
Ces effets identifiés, une lourde campagne de collecte de données de terrain a été réalisée de mai à octobre 1998, sur le site expérimental de la Tinaja (état de Jalisco, Mexique). Des mesures complémentaires ont été faites en juin et juillet 1999 sur le même site. Certaines mesures difficilement réalisables sur le terrain ont été effectuées en laboratoire, et sont venues renforcer les données du terrain. A l'issu de ce travail expérimental important, nous disposons d'une base de données relativement riche sur l'ensemble des phénomènes étudiés.
L'étude théorique des effets du SDP s'est déroulée en deux phases. La première s'appuie sur une stratégie d'atomisation de la problématique en volets élémentaires spécifiques, traitant les effets du SDP sur i), ii) et iii), en milieu contrôlé. Le premier volet vise à étudier et modéliser les flux d'eau et de chaleur dans le système sol-paillis-atmosphère (transferts turbulents et radiatifs au sein du paillis). Il permet de comprendre et de quantifier l'effet d'un paillis de résidus sur l'évaporation d'un sol et son amplitude thermique, en fonction du taux de couverture. Le deuxième volet consiste à caractériser les effets cumulatifs du SDP sur les propriétés hydrodynamiques d'un sol et donc sa capacité à l'infiltration. Le troisième volet est dédié à l'étude et la modélisation du ruissellement sur sol paillé éventuellement planté, en tenant compte de l'interception de l'eau de pluie, de la rétention de surface, de l'infiltration, de la canalisation du ruissellement et de son écoulement. La deuxième phase relève de la reconstruction par intégration et consiste en un volet unique. Dans ce volet les résultats des trois volets spécifiques précédents sont synthétisés et intégrés dans un modèle numérique de fonctionnement global. Ce dernier prend en compte à la fois les dynamiques de l'eau, de la chaleur et de l'azote. Il reproduit simultanément et de façon couplée tous les effets majeurs du SDP sur le système sol-paillis-plante-atmosphère.
| Item Type: | PhD Thesis (PhD) |
|---|---|
| Thesis Supervisor: | Bruckler, Laurent |
| Date: | February 2001 |
| Board of examiners: | Bruckler, Laurent and Vauclin, Michel and Wery, Jacques and Forest, Francis and Lhomme, Jean-Paul and Maraux, Florent and Millier, Claude |
| Discipline: | Sciences de l'eau |
| Collection (Fonds): | ENGREF |
| Institution: | ENGREF |
| Subjects: | 7. Life Sciences and Engineering 8. Earth Sciences and Environmental Engineering 3. Physics, Optics |
| Uncontrolled Keywords: | Modélisation, Expérimentation, Paillis de résidus, Semis direct, Bilan hydrique, Bilan thermique, Bilan azoté, évaporation, Infiltration, Ruissellement, Fonctionnement global, Maïs, Mexique. |
| ID Code: | 343 |
| Deposited By: | Antoine FINDELING |
| Deposited On: | 29 April 2003 |
Table of content
Remerciements - iii
Résumé - v
Liste des figures - xiii
Liste des tableaux - xix
Liste des symboles - xxiii
Préface - 1
1 Généralités sur la culture du maïs au Mexique - 3
1.1 Aspects historiques - 3
1.2 Aspects socio-économiques - 5
Introduction - 7
2 Du projet semis direct (Jalisco) au sujet de thèse - 9
3 Contexte de la thèse - 10
3.1 Contexte géographique - 10
3.2 Contexte pédologique - 10
3.3 Contexte climatique - 13
3.4 Contexte agronomique - 14
4 Objectifs de la thèse - 19
5 Présentation du document - 19
I Synthèse bibliographique et axes de recherche - 21
1 Synthèse bibliographique - 25
1.1 Définition et caractérisation d?un paillis de résidus - 25
1.1.1 Définition d'un paillis - 25
1.1.2 Caractérisation d'un paillis - 27
1.2 Effets connus des paillis de résidus - 45
1.2.1 Effets généraux - 45
1.2.2 Effets spécifiques - 46
1.2.2.1 Effets sur l'évaporation et la température du sol - 47
1.2.2.2 Effets sur structure du sol et infiltration - 56
1.2.2.3 Effets sur le ruissellement - 60
1.2.2.4 Effets sur l'activité biologique des sols - 70
1.3 Modélisation des effets d?un paillis de résidus - 75
2 Définition des axes de recherche - 81
2.1 Positionnement du travail par rapport à l?acquis - 81
2.2 Aspects expérimentaux et aspects théoriques - 84
II Étude des effets spécifiques du paillis - 87
3 Effets du paillis sur évaporation et température du sol - 91
3.1 Matériels et méthodes - 92
3.1.1 Modélisation - 92
3.1.1.1 Modèle TEC - 92
3.1.1.2 Modèle TEC-paillis - 95
3.1.1.3 Composition des modèles (couverture partielle) - 101
3.1.2 Mesures de terrain (micro-parcelles instrumentées) - 101
3.1.2.1 Estimation des paramètres sol - 103
3.1.2.2 Estimation des paramètres paillis - 109
3.1.2.3 Mesures climatiques - 116
3.1.2.4 Mesures dans les parcelles d'évaporation - 117
3.2 Résultats - 121
3.2.1 Mesures expérimentales - 121
3.2.1.1 Mesures climatiques - 121
3.2.1.2 Mesures dans les parcelles d'évaporation - 121
3.2.2 Modélisation - 128
3.2.2.1 Calage du modèle TEC sur PEv0 - 128
3.2.2.2 Calage et validation de TEC-paillis sur PEv15 - 137
3.2.2.3 Simulation des paillis de couverture partielle - 149
3.2.2.4 Évaporation en fonction de la couverture - 156
3.3 Discussion et conclusion - 159
4 Effets du paillis sur hydrodynamique et infiltration - 161
4.1 Matériels et méthodes - 161
4.1.1 Modélisation - 161
4.1.1.1 Détermination des propriétés hydrodynamiques sol - 162
4.1.1.2 Cas particulier d'un sol croûté - 167
4.1.2 Mesures expérimentales - protocole Beer-Kan - 169
4.1.2.1 Description des parcelles d?essais - 169
4.1.2.2 Protocole de la méthode Beer-Kan - 170
4.2 Résultats - 174
4.2.1 Mesures expérimentales - 174
4.2.1.1 Courbes granulométriques des sols des PE - 174
4.2.1.2 Masse volumique et porosité du sol - 175
4.2.1.3 Humidité initiale au voisinage de l?infiltration - 176
4.2.1.4 Infiltration cumulée en conditions contrôlées - 177
4.2.2 Modélisation - théorie d'adimensionnalisation - 180
4.2.2.1 Détermination des paramètres texturaux des sols - 180
4.2.2.2 Détermination des paramètres structuraux des sols - 182
4.2.2.3 Récapitulatif des effets du paillis - 187
4.3 Discussion et conclusion - 188
5 Effets du paillis sur le ruissellement - 191
5.1 Matériels et méthodes - 193
5.1.1 Modélisation - 193
5.1.1.1 Modèle d'ajustement statistique DPFT - 193
5.1.1.2 Modèle physique de ruissellement - 194
5.1.2 Mesures expérimentales - parcelles type Wishmeier - 203
5.1.2.1 Description des parcelles de ruissellement - 203
5.1.2.2 Estimation des paramètres de la modélisation - 204
5.1.2.3 Mesure des variables de contrôle - 208
5.2 Résultats - 211
5.2.1 Mesures expérimentales - 211
5.2.1.1 Estimation des paramètres de la modélisation - 211
5.2.1.2 Mesure des variables de contrôle - 213
5.2.2 Modélisation - 219
5.2.2.1 Définition des épisodes - 219
5.2.2.2 Analyse globale des phénomènes par le modèle DPFT - 219
5.2.2.3 Calage du modèle mixte - 221
5.2.2.4 Calage du modèle physique - 224
5.2.2.5 Validation du modèle physique - 233
5.3 Discussion et conclusion - 238
III Fonctionnement global sol-paillis-plante-atmosphère - 241
6 Effets du paillis sur bilans hydrique, thermique et azoté 245
6.1 Matériels et méthodes - 245
6.1.1 Modélisation - 245
6.1.1.1 Présentation du modèle PASTIS - 245
6.1.1.2 Modification de PASTIS pour le paillis - 251
6.1.1.3 Prise en compte du paillis (matière organique) - 258
6.1.2 Mesures expérimentales (PE semi-contrôlées) - 259
6.1.2.1 Caractérisation du sol et de la plante - 259
6.1.2.2 Mesure des variables de contrôle - 269
6.2 Résultats - 273
6.2.1 Mesures expérimentales - 273
6.2.1.1 Humidité du sol - 273
6.2.1.2 Température du sol - 273
6.2.2 Modélisation - 276
6.2.2.1 Calage du modèle PASTIS-paillis - 276
6.2.2.2 Comparaison entre simulations et mesures - 281
6.2.2.3 Estimation des modifications du modèle - 308
6.2.2.4 Estimation globale des effets du paillis - 311
6.3 Discussion et conclusion - 318
Conclusion générale - 321
Index - 329
Bibliographie - 337
Annexes - 357
A Mesures climatiques à la Tinaja en 1998 - i
B Mesures tonométriques - ix
C Comparaisons entre simulations et observations - xi
D Théorie de l'infiltration dans les sols - xvii
E Traitement des mesures des capteurs de pression - xxvii
F Algorithme du modèle d'ajustement statistique DPFT - xxxiii
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