THÈSE

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MINISTÈRE DE L’AGRICULTURE
ENGREFÉCOLE NATIONALE DU GÉNIE RURAL DES EAUX ET FORÊTS
ECOLE NATIONALE DU GENIE RURAL, DES EAUX ET DES FORÊTS
THÈSE
N° attribué par la bibliothèque
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pour obtenir le grade de Docteur de l’ENGREF
T H E S E
Formation doctorale de sciences de l’eau
pour obtenir le grade de
Docteur de l'ENGREFprésentée et soutenue publiquement par
Spécialité : XXXXXXXAntoine Findeling
présentée et soutenue publiquement par
le 8 février 2001
XXX XXXà l’École Nationale du Génie Rural des Eaux et Forêts
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Centre de Montpellier
à l'Ecole Nationale du Génie Rural, des Eaux et Forêts
Centre de : xxxxxxxx
Titre :
ÉTUDE ET MODÉLISATION DE CERTAINS EFFETS DU SEMIS DIRECT AVEC
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PAILLIS DE RÉSIDUS SUR LES BILANS HYDRIQUE, THERMIQUE ET AZOTÉ
devant le jury suivant :
D’UNE CULTURE DE MAÏS PLUVIAL AU MEXIQUEDirecteur de thèseM. XY
RapporteurM. XY
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"devant le jury suivant : M. XY"M. XY
Dr. L. Bruckler Directeur de thèse
Dr. M. Vauclin RapporteurNB : la mention du Président ne figurera que sur la version définitive et en tête
de liste.Pr. J. Wery
Dr. F. Forest Examinateur
Dr J.P. Lhomme
Dr. F. Maraux
Dr. C. Millier Examinateur
Centre International de Centro Internacional de Institut National de
Recherche en Agronomie Mejoramiento del Maíz y Trigo Recherche Agronomique
pour le Développement Grupo de Recursos Naturales Unité de Science du Sol
CA & AMIS ...
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Logo du Laboratoire d'accueil MINISTÈRE DE L’AGRICULTURE ENGREFÉCOLE NATIONALE DU GÉNIE RURAL DES EAUX ET FORÊTS ECOLE NATIONALE DU GENIE RURAL, DES EAUX ET DES FORÊTS THÈSE N° attribué par la bibliothèque /__/__/__/__/__/__/__/__/__/__/ pour obtenir le grade de Docteur de l’ENGREF T H E S E Formation doctorale de sciences de l’eau pour obtenir le grade de Docteur de l'ENGREFprésentée et soutenue publiquement par Spécialité : XXXXXXXAntoine Findeling présentée et soutenue publiquement par le 8 février 2001 XXX XXXà l’École Nationale du Génie Rural des Eaux et Forêts le jj mm aa Centre de Montpellier à l'Ecole Nationale du Génie Rural, des Eaux et Forêts Centre de : xxxxxxxx Titre : ÉTUDE ET MODÉLISATION DE CERTAINS EFFETS DU SEMIS DIRECT AVEC Xxxxx Xxxxxx PAILLIS DE RÉSIDUS SUR LES BILANS HYDRIQUE, THERMIQUE ET AZOTÉ devant le jury suivant : D’UNE CULTURE DE MAÏS PLUVIAL AU MEXIQUEDirecteur de thèseM. XY RapporteurM. XY "M. XY ExaminateurM. XY "devant le jury suivant : M. XY"M. XY Dr. L. Bruckler Directeur de thèse Dr. M. Vauclin RapporteurNB : la mention du Président ne figurera que sur la version définitive et en tête de liste.Pr. J. Wery Dr. F. Forest Examinateur Dr J.P. Lhomme Dr. F. Maraux Dr. C. Millier Examinateur Centre International de Centro Internacional de Institut National de Recherche en Agronomie Mejoramiento del Maíz y Trigo Recherche Agronomique pour le Développement Grupo de Recursos Naturales Unité de Science du Sol CA & AMIS (Texcoco, Mexique) (Avignon, France) (Montpellier, France) A México lindo y la pinche Tinaja, A Pierre, A la meva Tap. Remerciements Je tiens tout d’abord à remercier F. Maraux et L. Bruckler, occupant en 1997 les postes respectifs 1de Chef de l’Unité de Recherche Gestion de l’Eau au CIRAD , et de Chef de l’Unité de Recherche de 2Science du Sol à l’INRA , qui sont à l’origine de cette thèse. Je tiens ensuite à remercier la Région Languedoc-Roussillon et le Ministère de l’Agriculture qui ont cofinancé cette thèse, et sans lesquels ce travail n’aurait jamais vu le jour. Je remercie également 3l’ENGREF pour m’avoir fait confiance et accueilli en tant qu’École Doctorale. Je suis par ailleurs 4 5très reconnaissant envers les nombreux organismes de recherche, CIMMYT , LTHE , INRA et CIRAD (AMIS & CA), qui ont tous fortement contribué à la réalisation de ce travail. Je ne saurais jamais trop remercier A. Chanzy, S. Ruy et F. Lafolie pour leurs multiples compétences en terme de modélisation, leur professionnalisme, leur efficacité et leur grande disponibilité. J’ai aussi beaucoup apprécié le travail en binôme avec J.C. Gaudu, pour la mise au point technique du dispositif expérimental de la Tinaja (figure 2.2), et les diverses chevauchées dans Jalisco. Merci de façon générale à toute l’équipe de la Science du Sol de l’INRA d’Avignon. Merci également à R. Haverkamp, pour avoir su tirer le meilleur parti d’un bon bourbon, en distillant en moins d’une nuit le jeu d’équations ad hoc de l’infiltration adimensionnelle. Je tiens par ailleurs à remercier tout spécialement M. Fortier, G. Bourgeon, R. Oliver, M. Szwarc, A. Aventurier, J.L. Chopart, ainsi que tous les chercheurs et techniciens du CIRAD qui ont su m’écouter, me conseiller, et m’aider au cours de ces trois années de thèse. Un grand merci également aux membres du comité de pilotage, dont les critiques et conseils ont permis d’orienter et de faire progresser le travail de thèse de manière très efficace. Merci en particulier à L. Bruckler, C. Millier, F. Maraux, F. Forest, S. Marlet et P. Chevallier pour leurs regards extérieurs et critiques sur le travail de thèse. 1Centre de Coopération Internationale en Recherche Agronomique pour le Développement. 2Institut National de la Recherche Agronomique. 3École Nationale du Génie Rural des Eaux et des Forêts. 4Centro Internacional de Mejoramiento de Maíz y Trigo : centre international d’amélioration du maïs et du blé. 5Laboratoire d’Étude des Transferts en Hydrologie et Environnement. iii iv Je tiens à exprimer toute ma reconnaissance à J. Wery et M. Vauclin qui ont accepté d’être rapporteur de cette thèse volumineuse. Merci également à J.P. Lhomme pour participer au jury de thèse en tant qu’examinateur. Je n’oublierais en aucun cas tous les collègues et amis du Mexique qui m’ont apporté aide, soutien et surtout une ouverture culturelle extraordinaire : Estoy especialmente agradecido al equipo de campo de la pinche Tinaja por su ayuda y su buen humor casi constante : Martín el comilón y Eduardo el dormilón, con su gran maestría en el manejo de los tambos y en la excavación de pozos ; Enrique, el rey del dispersor de neutrones y otros aparatos complejos ; Seferino el bromista, y su muy especial manera de estacionarse. Me gustaría también dar las gracias a toda la familia Benancio Rodríguez, los compadres, por su cariño y su gran hospitalidad. No puedo olvidar tampoco Manuel, le Grand Mexique, quien supo apoyarme y aconsejarme en momentos decisivos. En fin, gracias también al jefe de proyecto, Eric, quien manejaba con firmeza y inteligencia el famoso proyecto de labranza de conservación en Jalisco. Gracias al CIMMYT, y mas especialemente al Grupo de Recursos Naturales, por el apoyo financiero y moral. ¿Como hubiera hecho sin Miriam, secretaria consentida, para llevar a cabo todas las cuentas y todos los traslados ? Todavía me lo sigo preguntando . . . Un grand merci aussi à Nathalie, Odette et Christine pour leurs nombreux coups de main, leur sens pratique, leur efficacité, et leur sourire accueillant qui met toujours un peu de baume au cœur. Merci à ma coéquipière Nathalie, pour le soutien moral, le bon pain, les gnous du désert et les nombreuses navettes de la gare d’Avignon au centre de Montfavet. Merci à Nicolas et Gilles pour leur Aaide à dompter le logiciel LT X, et pour les lourdes et nombreuses relectures qui ont suivi. Merci à JulieE pour le café toujours prêt, et à Victor pour sa connaissance de la culture et de l’histoire mexicaines. Que tous ceux que je n’ai pas cités ne croient pas que je les ai oubliés ; je leur transmets également toute ma gratitude et mes remerciements. I finalment, moltíssimes gràcies a la Montse per haver-me suportat, entés i ajudat durant èpoques de vegades difícils. No se com ho hauria fet sense tu. T’. Résumé Résumé en français Cette étude a pour objectifs la compréhension et la modélisation de certains effets importants du se- mis 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 ruisselle- ment, 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 complémen- taires 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, v vi 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. Mots-clefs : modélisation, expérimentation, paillis de résidus, semis direct, bilan hydrique, bilan ther- mique, bilan azoté, évaporation, infiltration, ruissellement, fonctionnement global, maïs, Mexique. vii Abstract The main objective of this work is the comprehension and modelling of the principal effects of direct sowing with corn residues (SDP) on water, temperature and nitrogen balances. The work was carried out in Mexico (Jalisco state) in a semi-arid tropical climate. The approach consisted in identifying the physical and biological phenomena that were induced by SDP. Given literature results (chapter 1) and previous studies on the experimental plot (Arreola Tostado, 1996; Scopel, 1994; Scopel et al., 1998a), the retained predominant effects of SDP were i) limitation of evaporation and temperature amplitude in soil, ii) modification of surface soil structure and infiltration, iii) reduction of runoff, iv) modification of biological activity and nitrogen cycle in soil. Experimental data about each effect of SDP were collected from May to October 1998, on the Tinaja experimental plot (Jalisco state, Mexico). Additional measurements were performed in 1999 to fill the gaps of 1998’s campaign. Finally, laboratory work (CIMMYT in Mexico, CIRAD-URA and INRA in France) provided with some parameters which were impossible to measure in real conditions. All those data put together enabled us to build up a rich experimental data base. The theoretical approach was driven in two parts. First we split the general issue in three elemental and specific points dealing with SDP effects i), ii) and iii), in controlled conditions. The first point aims at modelling heat and water fluxes (liquid and vapour phases) in the soil-mulch-atmosphere system. Theoretical developments are focused on turbulent and radiative transfers within the mulch, in order to model quantitatively the effect of a mulch of corn residues and its covering rate, on soil evaporation and thermal amplitude. The second point treats long term effects ( 5 years) of SDP on soil hydraulic properties and capacity of soil to infiltrate water. The third point deals with modelling of runoff on either bare soil, mulch-covered soil, or cultivated and mulch-covered soil. The model takes into account rain interception by canopy and mulch, surface retention, infiltration (physical law), channelling of runoff in rills, and its flowing out according to a physical friction law. Then we put together the results of these three points to integrate and study simultaneously all the effects of SDP. This work was carried out thanks to a numerical model that simulates water, temperature and nitrogen dynamics, and that was coupled with the main effects of SDP on the soil-mulch-plant-atmosphere system. This model is in particular able to predict indirect effects of SDP on crop development (water stress, nitrogen stress, etc.), due to changes in soil conditions (moisture, temperature, nutriment) caused by the mulch. Keywords : modeling, experiment, mulch of residues, direct sowing, water balance, heat balance, nitro- gen balance, evaporation, infiltration, runoff, crop development, corn, Mexico.
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