Dynamique et variabilité spatiale de la végétation

La végétation joue un rôle primordial dans les échanges surface – atmosphère

Le type de végétal, sa structure, son taux de couverture du sol, sa hauteur et son indice foliaire influencent directement les échanges. La végétation joue non seulement un rôle de premier ordre dans l’évapotranspiration en tant que surface d’échanges qui s’autorégule, mais aussi dans la détermination des longueurs de rugosité et des conditions de stabilité. Par conséquent, elle influe sur l’étendue des empreintes (ou footprints) des mesures de flux turbulents qui seront présentés dans le Chapitre 4 (§ 1.1.2) et le Chapitre 5 (§ 2.1). L’objectif de cette partie est donc de présenter l’évolution et la variabilité spatiale de la végétation pour les parcelles sur lesquelles les flux turbulents sont mesurés. La dynamique de la végétation est représentée par la hauteur du couvert végétal et par son indice foliaire. Les données considérées étaient collectées avec des fréquences variables, de l’hebdomadaire au mensuel.

Hauteur du couvert végétal

La hauteur du couvert végétal a été mesurée sur les parcelles de mesures de flux durant les périodes d’acquisition, ainsi que sur les parcelles se trouvant dans la zone d’influence du scintillomètre durant la période de mesure correspondante.

Hauteur du couvert végétal sur les parcelles de mesure par covariances turbulentes

La hauteur du couvert est un paramètre important puisqu’il influence directement les longueurs de rugosité mécanique et thermiques et la hauteur de déplacement et par suite, la zone d’empreinte des mesures des flux turbulents. Dans notre cas, il fut possible d’effectuer des mesures de flux turbulents sur des parcelles de petites tailles car les cultures présentes Dynamique et variabilité spatiale de la végétation Chapitre 3 : Variabilité des conditions agro-pédo-climatiques et micrométéorologiques 108 étaient des cultures annuelles dont les tailles dépassent le mètre sur de courtes périodes seulement. 0 30 60 90 A04 hauteur (cm) mars mai juil. sept. nov. blé sol nu 0 30 60 90 B05 hauteur (cm) janv. mars mai juil. avoine sol nu 0 30 60 90 A06 hauteur (cm) mars mai juil. fève parcours sol nu 0 30 60 90 C06 hauteur (cm) mars mai juil. parcours sol nu Figure 3.14. Evolution de la hauteur du couvert végétal sur les parcelles de mesures de flux: moyenne et écart-type des mesures (en cm), et interpolation linéaire (ligne discontinue). La date de récolte est représentée par une ligne verticale discontinue. Les jeux de données sont labellisés A04 (blé sur la parcelle A en 2004), B05 (avoine sur parcelle B en 2005), A06 (fève puis jachère sur parcelle A en 2006) et C06 (parcours sur la parcelle C en 2006). Deux difficultés ont été rencontrées pour estimer la hauteur, la première est l’hétérogénéité des espèces sur une même parcelle (particulièrement sur les jachères) et la seconde est la présence de débris végétaux après récolte (après moisson des céréales par exemple) qui peuvent former des couches sur le sol dont l’épaisseur est très variable. Nous avons essayé de  compenser l’hétérogénéité spatiale par l’augmentation du nombre d’observations, c’est à dire de répétitions, à l’intérieur d’une même parcelle. L’évolution temporelle des mesures (caractérisées par la moyenne et l’écart-type des répétitions) est représentée dans la Figure 3.14, pour les différentes parcelles de mesures des flux. Y figure aussi une interpolation linéaire entre les mesures qui permettra par la suite de prescrire de manière continue dans le temps les hauteurs de la végétation, dans les calculs de rugosité, de footprint, et de caractérisation des paramètres atmosphériques. Deux types d’évolutions des hauteurs ont été observés. – Le premier type est caractérisé par une augmentation de la croissance jusqu’à un plateau, suivie d’une chute brutale à la récolte, caractérisée par une hauteur de coupe, elle-même suivie d’une diminution plus lente correspondant à la dégradation des débris, jusqu’au stade de sol nu, cet état restant stable jusqu’à la saison suivante. Cette dynamique est perçue sur les cultures de céréales (parcelle A en 2004 et parcelle B en 2005). – Le deuxième type de dynamique diffère par l’absence de coupe, la croissance de la hauteur se faisant jusqu’à un seuil, suivi d’une décroissance progressive : c’est le cas des parcelles de parcours (parcelle C en 2006) et de fève (parcelle A en 2006) qui, après récolte, deviennent des jachères ou des parcours pâturés et pour lesquelles, suite aux premières pluies, de la végétation naturelle reprend. Sur les deux cultures de céréales blé (parcelle A en 2004) et avoine (parcelle B en 2005), les écart-types montrent bien l’hétérogénéité existante. Ces hétérogénéités sont dues d’une part aux techniques traditionnelles de labour et de semis qui engendrent une levée hétérogène, et d’autre part à l’origine des semences qui ne sont pas très pures : sur tout le bassin versant, les cultures d’avoine sont toujours mélangées avec un peu d’orge et de ray-grass. S’y ajoute les résidus de semences des précédentes cultures, et l’absence de traitements de désherbage. Sur les cultures de fève (parcelle A en 2006) et de parcours (parcelle C en 2006), on observe une plus grande hétérogénéité que sur les parcelles de céréales. Ceci est expliqué par la présence de plusieurs espèces sur la parcelle C (végétation naturelle pour le parcours), et par la reprise des mauvaises herbes après la récolte de fève sur la parcelle A. Les écarts-types sont importants et les coefficients de variation dépassent les 30%.  Les mesures de flux ont été réalisées à différentes périodes de hauteur du couvert végétal, sur sol nu, et pour différentes dynamiques de croissance : avec récolte par coupe ou avec une décroissance continue de la hauteur. Nous verrons que les périodes de coupe sont particulièrement intéressantes car elles exacerbent l’influence de la hauteur du végétal sur les écoulements et par suite sur les flux.

Hauteur du couvert végétal sur les parcelles représentatives du trajet optique du scintillomètre

Les évolutions des hauteurs de couvert végétal pour les différentes parcelles susceptibles d’appartenir à la zone d’influence du scintillomètre sont représentées dans la Figure 3.15. On observe une forte variabilité, spatiale et temporelle, due bien sûr aux différentes espèces présentes, mais aussi à la nature du sol et à sa profondeur. Les hauteurs des cultures pour les céréales (jeux de données D06org, F06tri, H06blé et M06blé) atteignent des maximums plus élevés que ceux observés pour les cultures de fève (jeux de données L06fev et A06) et les parcelles de parcours (jeux de données G06plg, Ia06phb, Ib06phb, C06). Ainsi les parcelles proches du lit de l’oued, telles que la parcelle H en 2006 cultivée en blé, présentent-elles un sol plus profond et plus humide, qui permet une croissance plus importante de la végétation. Cette variabilité peut même engendrer la présence simultanée, à l’intérieur d’une même parcelle, de différentes espèces végétales spontanées telles qu’observées sur la parcelle I en 2006, occupée par un parcours herbacé permanent. Comme explique dans le Chapitre 2, cette parcelle se trouvant sur une pente prononcée, nous l’avons partagée en deux : la partie aval (Ia06phb), proche du lit d’oued, où la végétation a eu un développement important et la partie amont (Ib06phb) où la croissance de la végétation était plus réduite. Pour l’ensemble des parcelles, la hauteur arrive à son maximum entre avril et mai, commence à décroître en juin pour devenir faible en juillet et presque s’annuler en août. Les mesures scintillométriques (du 9/4/06 au 27/07/06) ont donc eu lieu durant cette période de maximum de croissance et de décroissance de la hauteur du végétal.  Figure 3.15. Evolution de la hauteur du couvert végétal sur les parcelles représentatives de la zone de mesure du scintillomètre : moyenne et écart-type des mesures en cm, et interpolation linéaire (ligne discontinue). La date de récolte est représentée par une ligne verticale discontinue. Les jeux de données sont labellisés D06org (culture d’orge sur la parcelle D en 2006), G06plg (parcours ligneux sur la parcelle G en 2006), F06tri (culture de triticale sur la parcelle F en 2006), Ia06phb et Ib06phb (parcours herbacés sur la parcelle I en 2006, divisée en deux sous parcelles Ia et Ib), H06ble et M06ble (cultures de blé sur les parcelles H et M en 2006), et L06fev (culture de fève sur la parcelle L en 2006).

Indice foliaire

L’indice foliaire (LAI pour leaf area index) est le rapport de la surface des feuilles (une seule face étant prise en compte) à la surface de sol, et s’exprime en m²/m² (sans dimension). C’est Chapitre 3 : Variabilité des conditions agro-pédo-climatiques et micrométéorologiques 112 un paramètre essentiel dans l’étude des flux surface – atmosphère puisqu’il représente la surface interceptant le rayonnement solaire utile pour la photosynthèse, mais aussi la surface permettant les échanges gazeux de la plante (H2O, O2 et CO2). C’est la raison pour laquelle on ne prend généralement en compte que les feuilles vertes dans la détermination de l’indice foliaire (notion de « green LAI »). De plus, les feuilles représentent souvent la majorité des éléments à l’origine des forces de traînée qui représentent l’influence du couvert végétal sur les échanges de quantité de mouvement, ce qui justifie les paramétrages des longueurs de rugosité par l’indice foliaire, en plus de la hauteur du couvert. L’indice foliaire a été suivi et mesuré selon la procédure décrite dans la partie matériel et méthode. Dans cette partie, nous analysons la variabilité spatiale et temporelle de l’indice foliaire, sur les parcelles situées dans la zone de mesure du dispositif scintillométrique.