L'eau dans l'espace rural

Charles Riou

Couverture : photos de Jean Weber, Inra, Versailles.

© INRA, Paris, 1997

9782738007087

ISSN (INRA) : 1144-7605
ISSN (Aupelf-UREF) : 0993-3948

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INRA Editions

Ouvrages parus dans la collection Mieux Comprendre

La pomme de terre

P. ROUSSELLE, Y. ROBERT et J.-C. CROSNIER (éds) 1996, 640 p.

Vie microbienne du sol
et production végétale
Pierre DAVET
1996, 380 p.

Nutrition des ruminants domestiques
R. JARRIGE, Y. RUCKEBUSH,
C. DEMARQUILLY, M.-H. FARCE,
et M. JOURNET (éds)
1995, 921 p.

Sols caillouteux
et production végétale
Raymond GRAS
1994, 178 p.

Biologie de la lactation
Jack MARTINET,
et Louise-Marie HOUDEBINE
1993, 587 P.

Amélioration des espèces végétales cultivées.

Objectifs et critères de sélection
André GALLAIS et Hubert BANNEROT
1992, 768 p.

La régression non linéaire:
méthodes et applications en biologie
Sylvie HUET, Emmanuel JOLIVET,
et Antoine MESSÉAN
1992, 250 p.

L’épidémiologie en pathologie
végétale: mycoses aériennes
Frantz RAPILLY
1991, 318 p.

Principes d’amélioration génétique
des animaux domestiques
Francis MINVIELLE
1990, 211 p.

Cytogénétique
des mammifères d’élevage
Paul C. POPESCU
1989, 114 p.

Les oligo-éléments
en agriculture et élevage
Yves Coïc et Marcel COPPENET
1989, 114 p.

Éléments de virologie végétale
(épuisé)
Pierre CORNUET
1987, 208 p.

COLLECTION UNIVERSITÉS FRANCOPHONES

Ouvrages d’agronomie

Économie de l’activité productrice agricole
M. CAREL, Hatier (AGR011), à paraître.

L’amélioration des plantes pour l’adaptation aux milieux arides
N. CHALBI, Y. DEMARLY, John Libbey Eurotext, 1991 (AGR022)

Le progrès génétique passe-t-il par le repérage et l’inventaire des gènes?
H. CHLYAH, Y. DEMARLY, John Libbey Eurotext, 1993 (AGR032)

Pastoralisme,
P. DAGET, M. GODRON, Hatier, 1995 (AGR041)

Amélioration des plantes et biotechnologies, 2e éd.
Y. DEMARLY, M. SIBI, John Libbey Eurotext, 1996 (AGR051)

Maîtrise de la reproduction et amélioration génétique des ruminants:
apports des technologies nouvelles,
P.H. DIOP, Neas, 1993 (AGR062)

Biotechnologies du diagnostic et de la prévention des maladies animales
P.H. DIOP, A. KAECKENBEEK, John Libbey Eurotext, 1994 (AGR072)

Quel avenir pour l’amélioration des plantes
J. DUBOIS, Y. DEMARLY, John Libbey Eurotext, 1995 (AGR082)

Agronomie moderne: bases physiologiques et agronomiques de la production végétale
T.A. EL HASSANI, E. PERSOONS, Hatier, 1994 (AGR091)

La lutte anti-acridienne
A. ESSAID, John Libbey Eurotext, 1991 (AGR102)

Initiation à l’économie agro-alimentaire
L. MALASSIS, G. GHERSI, Hatier, 1992 (AGR111)

Céréales en régions chaudes: conservation et transformation
M. PARMENTIER, K. FOUA-BI, John Libbey Eurotext, 1989 (AGR122)

Amélioration et protection des plantes vivrières tropicales
C.A. SAINT-PIERRE, Y. DEMARLY, John Libbey Eurotext, 1989 (AGR132)

Reproduction et production laitière
P.H. DIOP, Serviced S.A., 1996 (AGR1332)

Post-récolte: principes et applications en zone tropicale
C. VERSTRAETEN, Estem, 1996 (AGR141)

Avant-propos

La diffusion de l’information scientifique et technique est un facteur essentiel du développement. Aussi dès 1988, l’Agence francophone pour l’enseignement supérieur et la recherche (AUPELF-UREF), mandatée par les Sommets francophones pour produire et diffuser revues et livres scientifiques, a créé la collection Universités francophones.

Lieu d’expression de la communauté scientifique de langue française, Universités francophones vise à instaurer une collaboration entre enseignants et chercheurs francophones en publiant des ouvrages, coédités avec des éditeurs francophones, et largement diffusés dans les pays du Sud, grâce à une politique tarifaire préférentielle.

Quatre séries composent la collection:

• Les manuels: cette série didactique est le cœur de la collection. Elle s’adresse à un public de deuxième et troisième cycles universitaires et vise à constituer une bibliothèque de référence couvrant les principales disciplines enseignées à l’université. Ces ouvrages sont régulièrement mis à jour.

• Actualité scientifique: dans cette série sont publiés les actes de colloques organisés par les réseaux thématiques de recherche de l’UREF.

• Prospectives francophones: s’inscrivent dans cette série des ouvrages de réflexion donnant l’éclairage de la Francophonie sur les grandes questions contemporaines.

• Savoir plus Université: cette nouvelle série se compose d’ouvrages de synthèse qui font un point précis sur des sujets scientifiques d’actualité.

Notre collection, en proposant une approche plurielle et singulière de science, adaptée aux réalités multiples de la Francophonie, contribue efficacement à promouvoir la recherche dans l’espace francophone et le plurilinguisme dans la recherche internationale.

Professeur Michel GUILLOU
Directeur général de l’AUPELF
Recteur de L’UREF

Remerciements

Jean-Claude REMY (professeur à l’École nationale supérieure d’agronomie de Montpellier) et Bernard SAUGIER (professeur à l’Université d’Orsay) ont bien voulu s’associer aux Éditeurs scientifiques pour relire les articles composant cet ouvrage. Nous les remercions pour leurs remarques et suggestions.

Les éditeurs

Introduction

L’eau, sans laquelle la vie ne serait pas, est pourtant bien inégalement répartie dans l’espace et dans le temps. Une dure loi énergétique crée les besoins maximum là où l’eau est rare: l’absence de nuages, les grandes surfaces dénudées, l’air sec, y créent un fort ensoleillement, beaucoup de vent et finalement une très forte capacité à évaporer sans que l’eau soit au rendez-vous. Nos climats tempérés sont heureusement plus propices aux cultures mais l’été reste, en moyenne en France, une saison sèche; elle l’est de façon permanente dans le cas de la zone méditerranéenne qui pratique traditionnellement l’irrigation mais, ailleurs, le développement généralisé du maïs, culture d’été, a relancé l’irrigation. Des épisodes secs peuvent également apparaître au printemps et compromettre le reste de la campagne, mettant en évidence l’intérêt de l’irrigation de complément.

Ainsi l’eau, apparemment si naturelle et si disponible, peut devenir un produit rare, donc un enjeu. L’agriculture est un des gros consommateurs d’eau: 2,7 milliards de m³ d’eau d’irrigation en 1990 contre 2,5 pour la consommation domestique et 0,8 pour l’industrie en France, la même année; les surfaces irriguées y augmentent régulièrement, la superficie irrigable actuelle est de 1 800 000 ha (guère plus de 6 % de la surface agricole utile!).

La consommation française en eau agricole s’est ainsi accrue de 45 % au cours des 10 dernières années. Certes le stock d’eau français – réseau hydrographique, réserves de barrages, nappes – est énorme, mais les besoins de pointe ne sont pas toujours assurés, car les usagers peuvent avoir des exigences qui entrent en conflit. Les sécheresses de 1989 et 1990 ont ainsi provoqué des crises dans la gestion de la ressource. Ces mêmes sécheresses ont également mis en vedette le problème de la pollution qui diminue la ressource utilisable. A cette pollution contribuent les collectivités publiques, l’industrie et l’agriculture.

L’agriculture intensive est grande consommatrice d’engrais azotés, phosphorés et potassiques et de produits phytosanitaires; l’industrie stocke, transforme, rejette des produits nombreux et diversifiés malgré des efforts croissants pour recycler les déchets ; les consommateurs, enfin, utilisent une gamme de plus en plus large de «produits ménagers» dont les résidus s’acheminent vers les cours d’eau et la mer.

L’eau, le vecteur naturel par excellence, collecte, transporte, dépose; en résultent dans l’eau des rivières et celle des nappes, des hausses inquiétantes de produits dont certains peuvent menacer notre santé.

Les crises apparaissent au moment des sécheresses estivales, ou naissent du constat de la pollution des eaux – relayé par les médias. Ce sont des révélateurs qui remettent au premier plan la nécessité d’une meilleure gestion et celle d’une protection ou du traitement de la ressource.

Un excès d’eau d’irrigation s’accompagne d’un transfert vers les nappes de substances polluantes, notamment de nitrates, et les problèmes de quantité et de qualité des eaux se trouvent ainsi mêlés. De même, une culture mal conduite peut s’accompagner d’érosion et de transports de terre vers les cours d’eau ou les lacs avec leur contenu en phosphore et pesticides. L’agriculture est donc périodiquement sur la sellette.

L’agriculture de demain devra être durable et donc ménager l’environnement; elle deviendra du même coup plus savante: les besoins en eau seront mieux compris; il ne s’agira plus, comme on l’a fait souvent, de fournir tout ce qu’il faut et même un peu plus, puisqu’on ne prend pas le risque d’une pluviosité insuffisante, mais on adaptera la fourniture d’eau aux stricts besoins compatibles avec une production économiquement, socialement et écologiquement viable. Cette nouvelle façon de voir remobilise tout un secteur de la recherche et en crée de nouveaux.

Économie d’eau, protection de la ressource, deux préoccupations auxquelles s’ajoute une troisième, celle d’améliorer la qualité des produits agricoles. Ce terme de qualité, très général, englobe beaucoup d’acceptions: qualités «extérieures» des produits – forme, couleur, dimensions – goût (acidité, sucre, arômes, etc.), aptitudes à la conservation, sécurité alimentaire, etc. Il faut noter que le facteur hydrique joue souvent un rôle lors de la maturation du produit. C’est le cas du raisin où une période sèche en fin d’été joue un rôle positif sur la qualité du vin: sans pouvoir aller très loin dans l’explication, il apparaît alors qu’une certaine sécheresse du sol pendant la maturation, freine la photosynthèse des feuilles et favorise le transfert de sucres vers les fruits en formation.

Faire état de besoins en eau pour l’irrigation, cela impliquera une meilleure maîtrise de l’eau pour l’économiser, la distribuer au bon moment, éviter les excès d’eau favorisant la pollution, régulariser et améliorer la production.

Ce contexte relance la recherche à différents niveaux et demande d’abord une meilleure connaissance du fonctionnement hydrique de la plante et de ses régulations; il reste beaucoup à faire en ce domaine aussi bien pour les arbres fruitiers et forestiers que pour les plantes herbacées, même si nos connaissances sont déjà importantes; des progrès peuvent permettre de relancer la sélection variétale qui dispose, par ailleurs maintenant, de nouveaux moyens puissants grâce à la biologie moléculaire.

Un des espaces opérationnels en matière d’eau est le champ cultivé; la proximité des plantes y crée de la compétition pour l’eau et pour l’alimentation minérale et carbonée, mais joue en même temps un rôle protecteur réduisant les effets du vent et des rayonnements et créant un microclimat favorable. La modélisation des relations entre le couvert cultivé et son environnement est une clef pour l’agriculture de demain.

Toutes ces connaissances trouvent leur aboutissement dans la mise en œuvre, à l’échelle de l’exploitation, de pratiques tenant compte de ces deux grands principes: économie d’eau, protection de la ressource; principes qu’il faut rendre cependant compatibles avec une gestion saine de l’économie de l’exploitation.

On peut noter ici que la protection de la ressource peut déborder le cadre de l’exploitation, car l’eau qui circule rassemble l’ensemble des exportations; apparaît alors un espace opérationnel mieux adapté: le bassin-versant.

La première partie de l’ouvrage s’arrêtera à la dimension de l’exploitation, la suite abordera le problème de la qualité de l’eau.

C’est un problème complexe qui met enjeu des substances et des processus très divers. L’azote qui peut devenir un polluant, subit des transformations cycliques qui le font passer du sol à l’atmosphère, avec une forte intervention des êtres vivants. Les produits dangereux peuvent être entraînés sous des formes variées, en solution dans l’eau, ou associés à des débits solides dus à l’érosion. La pollution peut provenir d’une source ponctuelle ou ne durer qu’un moment; elle peut au contraire s’étaler dans le temps et l’espace.

Chimie des polluants, processus de transfert, rôle de la biosphère, trois domaines où la maîtrise de la qualité de l’eau demande des connaissances nouvelles.

Il ne suffit évidemment pas de constater la pollution, encore faut-il la réduire et la maintenir dans des limites acceptables, ce qui a donné naissance à la notion de «norme». Un effort est donc fait depuis plusieurs années pour préserver la ressource en eau et, plus généralement, l’environnement, qu’il s’agisse de réduire l’émission de gaz dangereux dans l’atmosphère ou d’obtenir une diminution des polluants dans la biosphère. L’eau joue ici un rôle majeur, soit directement comme vecteur de la pollution, soit indirectement, en intervenant dans les processus chimiques ou biochimiques.

A côté d’exposés sur les thèmes principaux, on trouvera dans cet ouvrage des descriptions de méthodes et de techniques performantes qui ont permis des progrès notables. La mesure de la consommation d’eau des plantes cultivées et de la forêt est à l’origine de bien des recherches; elle peut maintenant se faire directement sur la plante (l’arbre) par l’évaluation du flux de sève; elle s’applique à des couverts, soit par des méthodes micrométéorologiques, soit par l’évolution du stock d’eau du sol. L’utilisation de certains isotopes peut aider à comprendre la circulation et la localisation de l’eau dans le complexe sol-plante-atmosphère. Les réactions de la plante et du couvert végétal, dès que l’eau du sol se raréfie, sont enfin maintenant observées, mesurées et analysées et nous fournissent des indicateurs permettant le pilotage de l’irrigation ou le repérage de du comportement de la plante.

Ainsi s’établissent des liens essentiels entre techniques de mesure, méthodes d’études et connaissance des comportements dans ce domaine du fonctionnement hydrique des plantes et des peuplements cultivés. De même, il est aisé de voir ce qui lie la connaissance des mécanismes de circulation de l’eau dans le sol et l’atmosphère via la plante, celle des réactions d’un peuplement végétal homogène face à l’évolution du stock d’eau du sol et la stratégie d’une exploitation agricole qui doit prendre en compte un ensemble hétérogène de peuplements et de nombreuses contraintes vis-à-vis de la ressource en eau et de l’économie. La sélection de variétés nouvelles, quant à elle, ne doit rien ignorer de ces trois approches du problème.

Dans le même esprit, de courts exposés plus techniques accompagneront les textes consacrés à la qualité de l’eau: nouvelles méthodes d’écobilans, analyses des pesticides, mesure des flux de gaz-traces, utilisation des systèmes d’information géographique. Ainsi s’achève ce premier tome qui met l’accent sur deux grands rôles joués par l’eau dans la mise en œuvre de l’agriculture. L’eau est d’abord un élément indispensable à la vie des plantes; quand la nature est défaillante, c’est à l’homme d’y suppléer par l’irrigation. Mais l’eau, parce qu’elle est partout présente et souvent indispensable, est associée à de très nombreuses activités; ses propriétés physico-chimiques en font alors le vecteur naturel de la pollution. L’agriculture doit donc veiller à maintenir la qualité de la ressource.

Eau précieuse, eau dangereuse, deux raisons pour une grande politique de l’eau.

C. RIOU

PREMIÈRE PARTIE

L’eau et la production végétale

1

Les relations plante-eau, de la cellule à la plante entière

Pierre Cruiziat

L’eau est indispensable à toute vie. Elle est le constituant pondéralement le plus important des végétaux; elle forme habituellement environ 60% de leur poids frais. Milieu dans lequel a lieu la quasi-totalité des processus biologiques, elle joue le rôle de transporteur, de solvant, d’agent de réaction chimique; elle donne aux plantes leur turgescence; grâce à la chaleur latente élevée de vaporisation de l’eau, la transpiration permet aux plantes de perdre une partie importante de l’énergie qu’elles reçoivent du soleil et de supporter ainsi son rayonnement de façon continue sans pour autant subir un échauffement excessif.

L’eau est donc impliquée tant dans les structures que dans les processus de transport et le métabolisme des végétaux.

Les plantes vasculaires dont font partie la grande majorité des plantes consommées dans l’alimentation sont, contrairement aux mousses et aux lichens, des végétaux dont le fonctionnement physiologique est fortement affecté dès que leur teneur en eau s’écarte de plus de 15 à 25 % de sa valeur optimale. Autrement dit, le contrôle de l’état hydrique des végétaux d’une culture est l’un des facteurs essentiels de la réussite de celle-ci.

Les plantes n’ayant pas de réserves hydriques importantes, le sol constitue pour elles un réservoir permanent qui leur permet de faire face à des apports intermittents (les pluies, les irrigations) alors qu’elles subissent des pertes en eau permanentes (par transpiration).

Dans ce chapitre seront présentées les bases sur lesquelles on s’appuie pour décrire et expliquer les grands traits du transport de l’eau à travers la plante. Le fil directeur de cette présentation est un parcours à différents niveaux d’organisation, en commençant par la cellule, en continuant par l’organe, puis la plante entière et en finissant par ce qu’on appelle le «continuum sol-plante-atmosphère». On va voir que l’on peut passer d’un niveau à un autre en conservant les mêmes concepts pour comprendre états et transferts hydriques.

On se limitera à une approche physique simple, uniquement dans le but d’introduire aux chapitres suivants. Les problèmes concernant la régulation des états et flux hydriques seront abordés dans le chapitre 2.

Définitions de l’état hydrique d’un échantillon végétal

Quatre préoccupations principales, qui seront développées dans les chapitres suivants, justifient la connaissance de l’état hydrique: l’irrigation, la sélection génétique de variétés résistantes ou tolérantes à la sécheresse, l’étude de l’effet du «stress hydrique» sur la croissance et la production, d’une part, les processus physiologiques fins, d’autre part.

Chacune de ces préoccupations a des exigences propres qui ont conduit à définir des méthodes qui les satisfassent. Ces méthodes peuvent se répartir en deux grands groupes: celles qui mesurent directement des variations de quantités d’eau présente dans les tissus, ou encore «l’état énergétique» (le potentiel hydrique, cf. ci-dessous) de cette eau; celles qui mesurent uniquement des variables corrélées avec ces variations (par exemple les symptômes visuels de type enroulement des feuilles, le changement de diamètre d’une branche ou d’un fruit, la température des feuilles, les résistances stomatiques, le potentiel de base...). On parle plus volontiers dans ce cas «d’indicateurs de l’ état hydrique » (voir le chapitre 10). On se contentera ici de donner les définitions conduisant à une mesure directe des états hydriques d’un organe végétal ou d’une de ses parties. Quant à la mesure de l’état hydrique du sol, elle sera traitée plus loin (dans le chapitre 7).

Les trois grandeurs principales qui servent à définir l’état hydrique d’un échantillon végétal sont: l’humidité pondérale, HP, la teneur en eau relative, TER, et le potentiel hydrique Ψ.

Humidité pondérale et teneurs en eau

Humidité pondérale (HP)

L’humidité pondérale, HP, est le rapport du poids d’eau d’un échantillon à son poids sec

(1)

Peau = poids d’eau présent dans l’échantillon

Psec = poids sec de l’échantillon déterminé par passage à l’étuve à 70-80°C jusqu’à ce que le poids devienne constant (quelques heures à quelques dizaines d’heures).

Teneur en eau (TE)

La teneur en eau, TE, est le rapport du poids d’eau d’un échantillon à son poids frais, exprimée en % 

(2)

Pf = poids frais de l’échantillon encore égal à: Peau + Psec

Le tableau ci-dessous donne quelques valeurs de HP et de TE obtenues sur divers types d’échantillons végétaux..

Tableau 1.1 – Exemples de valeurs d’humidités pondérales et de teneurs en eau pour différents organes d’un végétal.

Humidité pondérale | Teneur en eau
Feuilles | 5-9 | 75-95 %
Tiges | 3-12 | 75-95 %
Racines | 9-16 | 80-95 %
Graines | < 1 | 5-10 %

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