Brevet FR2582811A1 — publié le 19861205

La présente invention est relative à une méthode et à un dispositif pour la mesure du flux de sève brute dans l.e tronc d'un arbre ou autre végétal. La mesure de la transpiration constitue un élément essentie]l de la compréhension de la physiologie de l'arbre et de la dynamique des transferts d'eau dans]es peup]ements forestiers. Dans le cadre des recherches menées par l'inventeur dans ce domaine particulier, celui-ci s'est trouvé confronté au problème de la mesure en continu du flux de sève brute dans l.e tronc des arbres. Il existe à ce jour de nombreuses méthodes de mesure du flux transpiratoire. On peut citer, parmi les plus répandues la méthode dite "des impulsions de chaleur" décrite notamment par Swanson R.H., "An instrument for detecting sap movement in woody plants", Sta. Pap. Rocky Mt. For. Range Exp. Sta. n 68, 1962 et "Velocity distribution patterns in ascending xylem sap during transpiration" in Flow its Measurement and control in Science and Industry. Et. Rodger and Dowdell.. Instrument Society of America, Vol. 1, 1425-30, 1974. Toutefois, aucune de ces méthodes ne présente les spécifications requises pour permettre, à faible coût, de procéder à un échantillonnage de la transpiration des arbres en peuplements forestiers. La méthode des impulsions de chaleur a en particulier deux inconvénients: son caractère ponctuel dans le tronc et son imprécision en condition de transpiration faible. Le but de].'invention est de fournir une méthode qui soit fiable et précise même pour les faibles débits de sève, tout en ne mettant en oeuvre qu'un matériel simple et peu coûteux. L'invention fournit donc un procédé de mesure des variations du flux de sève brute dans le tronc d'un végétal., tel qu'un arbre, qui comprend les étapes de mise en place, dans l'aubier, de deux sondes de mesure de température, dont l'une est chauffante et V'autre ne l'est pas, d'envoi dans l.a sonde chauffante d'un courant électrique d'intensité constante et d'enregistrement de la différence de température entre les deux sondes, celles-ci étant placées dans le même arbre, à une distance].'une de l'autre telle que la chaleur dégagée par la sonde chauffante ne puisse pas infl.uencer de façon appréciable la sonde non chauffante. De préférence,].a sonde non chauffante est p].acée sensiblement sur la même verticale que l.a sonde chauffante, et en dessous d'elle. L'invention fournit encore un dispositif pour -].a mise en oeuvre du procédé et comprenant un circuit de chauffage stabi].isé par la sonde chauffante, un dispositif de mesure à thermocouples dont les soudures chaudes et froides sont placées respectivement dans les sondes chauffante et non chauffante, et des moyens d'enregistrement de la tension aux bornes du dispositif de mesure de température. Dans ce dispositif, la sonde chauffante comprend une âme tubulaire rigide sur laquelle est enroulé un fil chauffant, lui-même entouré d'un tube répartiteur de chaleur en matière bonne conductrice de l'électricité, telle qu'aluminium, l'enroulement de fi]. et le tube répartiteur ayant une longueur à peu près égale à l'épaisseur de l'aubier dans lequel la sonde doit être insérée, et l'âme tubulaire contenant l'un des fils d'alimentation de l'enroulement. L'invention va maintenant être exposée plus en détail à l'aide d'exemples pratiques, illustrés à l'aide des dessins, parmi lesquels: - Fig. 1 est une vue schématique d'ensemble du dispositif en coupe partielle; - Fig. 2 est une coupe de la sonde chauffante; - Fig. 3 est un diagramme montrant]. a corrélation entre le débit et la variation de température; - Fig. 4 donne le résultat d'un enregistrement journal.ier. La Fig. 1 montre un arbre 1 qu'on désire étudier. On a représenté en 2 l'écorce, en 3 l'aubier, en 4 le coeur de l'arbre. Pour la mise en oeuvre du procédé, on pratique dans le tronc, à la perceuse deux trous radiaux , 6 de diamètre tel. qu'on puisse y introduire les sondes sans jeu, le frottement étant toutefois assez faible pour jo qu'on puisse éventuellement le récupérer. Les trous doivent traverser l'écorce et l'aubier, mais il est inutile et même déconseillé qu'ils pénètrent dans le coeur. Dans la pratique, le diamètre des trous est de 2 mm environ, et le trou 6, dans]lequel on introduira l.a sonde chauffante est à 50 mm environ au-dessus du trou 5, qui contiendra la sonde non chauffante 7. Le repère 9 désigne le coffret d'alimentation et d'enregistrement, relié aux sondes par des câbles de mesure de température , 11 et à la sonde chauffante par des câbles d'alimentation 12, 13. Un câble. 14 en constantan relie les deux soudures des thermocouples situés dans les sondes. La Fig. 2 est une coupe de la sonde chauffante 2. L'âme 21 de cette sonde est constituée par un tube métallique fin, du type de ceux des aiguilles d'injection à usage médical. A sa partie %terminale, l'âme 21 est entourée par un enroulement 22 formé d'environ 75 tours de fil chauffant en constantan isolé avec du verre. Cet enroulement est maintenu par un tube d'aluminium 23, qui est serré étroitement autour de l'enroulement et sert en même temps de répartiteur de température. On notera que dans l'exemple décrit la longueur de ce tube est de 20 mm, pour un diamètre extérieur de 2 mm. Il paraît difficile d'aller plus loin dans la miniaturisation sans prendre de risques en ce qui concerne la robustesse. La longueur de 20 mm oorrespond à l'épaisseur de l'aubier 3 des arbres' objets de].'étude; Un des fils 24 d'alimentation de l'enroulement passe à l'intérieur de l'âme 21, l'autre 25 est extérieur. Des masses de colle epoxy 26, 27 maintiennent l'enrou].ement et].é tube 23 en place sur l'âme, l'une d'elles sert égal.ement à obturer l'extrémité de l'âme. L'intérieur de l'âme livre égal.ement passage à deux fils -28, 29 de thermocoupl.e, l'un en cuivre émaillé, V.'autre en constantan. Le fi]. 28 est relié par].e câble 10 au coffret d'enregistrement, et le fil 29 est relié par].e câble 14 à- un fi]. ana].ogue de la sonde non chauffante 7. Cette sonde non chauffante est identique à la sonde chauffante, mais ses fils 24 et 25 ne sont pas branchés. On évite ainsi une différence de comportement thermique. Le sondeur 30 entre les extrémités des deux fils 28, 29 est placé dans une petite fenêtre pratiquée dans la paroi de l.'âme, à peu près au mil. ieu -de la longueur de l'enroulement, et elle y est immobilisée par une masse de colle epoxy. En condition de régime thermique établi entre l'élément chauffant et le milieu (bois + sève), et pour un flux de sève constant, nous supposerons que l'apport de chaleur par effet Joule est -égal à la quantité de chaleur dissipée au niveau de la paroi du capteur. On a donc: h S (T - Tb) =R i2 (1) avec: h = coefficient de transfert de la chaleur (W.m-2.c-1) S = aire de la surface d'échange (m2), T = température du cylindre ( C), Tb = température du matériau bois en l'absencede chauffage (OC), R = résistance électrique (fl), i = intensité du courant électrique (A) On admet que le coefficient h est relié au débit de la sève u (m.s 1) par une équation de la forme: h = ho (1 + i.u) (2) O ho est le coefficient d'échange lorsque u = 0 (transpiration nulle), qu'il est possible de calculer d'après (1): 2 h=.i (3) o S (TM - Tb) TM désigne la température à flux de sève nul (u = 0) Lorsque u est constant et non nul., il. vient: TM - T u = 1 (4) T - Tb Le rapport TM T est un nombre sans T - Tb dimension, que nous appellerons index de flux K, qui est lié à u par une équation du type K = A.u exp B, o A et B sont des constants. Le capteur a été testé et étalonné sur des fragments de troncs de diamètre compris entre 40 et 50 mm. On a fait circuler de l.'eau sous pression dans ces échantillons, et mesuré simultanément le débit de l'eau par pesée de l'exsudat et le signal délivré par le capteur thermique. Le débit pouvait être modifié en ajustant la pression de l'eau. Après les mesures, chaque échantillon était sectionné pour mesurer la section du bois d'aubier au niveau de]. 'élément chauffant. L'étalonnage a porté sur trois essences différentes: Doug].as, Pin noir, et Chêne pédonculé. La Fig. 3 représente les résultats obtenus avec en abscisse le flux d'eau par unité de surface u (en m.s-1) et en ordonnée le rapport K. Le calcul de K s'effectue d'après la relation (4) en connaissant pour chaque échantillon].a température TM atteinte lorsque le flux d'eau est nul. Il est intéressant de constater que ]la relation entre K et u est]a même pour]les trois espèces: le coefficient o de l'équation (4) semble donc, dans les conditions expérimentales, indépendant de ].'essence. Un ajustement non linéaire a conduit à].a relation expérimentale: K = 0.0206 u0.8124 (5) r2= 0.96 n =-53 points o u est exprimé en 10-6m.s-1. Signalons enfin que l'intensité du courant dans].a résistance chauffante était fixée à une valeur de 0,140 A, ce qui est un compromis entre l.a sensibilité du capteur (qui augmente avec l'intensité appliquée) et le risque d'un échauffement de].a sonde de référence de].a température. Des enregistrements journa]liers de flux de transpiration ont été effectués sur des Douglas de la forêt domaniale d'Amance (à 15 km à l'Est de Nancy). On avait choisi des arbres placés dans des situations différentes: des arbres de plein découvert, d'une hauteur de 5 m, et des arbres d'une plantation régulière âgée de 20 ans, pour une hauteur moyenne de 15 m. Quatre arbres (deux dans chacune des situations) ont été équipés chacun d'un capteur thermique inséré radialement dans leur bois d'aubier. Le coefficient K repose sur l'évaluation de TM (voir équation (4) au S 1. 2). Nous avons supposé que cette température d'équilibre à flux de sève nu]. pouvait être mesurée lors de séquences nocturnes o].'humidité de l'air est voisine de la saturation. La Fig. 4 reporte pour une journée la variation du coefficient K, observée pour un arbre de chaque traitement, ainsi que l'évolution de]. 'évapotranspiration potentielle (E.T.P.) calculée par la formule de Penmann. Nous avons choisi une journée présentant des passages nuageux qui permettent de mettre en évidence la réponse des capteurs. Les deux arbres suivent une évolution similaire, en particulier au niveau des maximas et des minimas. Le retard important de K par rapport à E.T.P. l.e matin correspond à une phase d'évaporation de la rosée sur les aiguilles. Après cette phase, le facteur K des deux arbres suit la variation de E.T.P. Il est à noter que la chute brutale de E.T.P. intervenant en milieu de journée (passages nuageux) se manifeste de façon plus accentuée pour 1'arbre situé en plein découvert. L'arbre de peuplement semble ainsi mieux tamponner les variations de 1' E.T.P. En fin de journée, si l.es deux arbres voient diminuer K en même temps que E.T.P., un retard se manifeste pour le Douglas du peuplement. Un nombre important de journées a ainsi été étudié en fonction de i'E.T.P. Le coefficient K24 égal à la moyenne journa]lière de K défini d'après l'équation (4) a été calculé. On a constaté qu'il est sensiblement proportionnel à E.T.P. tant que l'arbre étudié est en permanence bien alimenté en eau; la transpiration et donc le coefficient K24 sont donc sensiblement proportionnels à E.T.P. Toutefois, certaines des journées présentant des épisodes pluvieux diurnes s'écartent de la règ]le, -ce qui s'interprète ainsi: l'interception de l'eau par le feuillage provoque un blocage de la transpiration; l'énergie incidente est alors utilisée pour évaporer l'eau interceptée. La méthode que nous avons décrite présente un certain nombre d'avantages, qui permettent d'obtenir des résultats fiables, à deux niveaux: - au niveau du fonctionnement hydrique de l'arbre, par l'étude fine des variations journalières du flux de sève, particulièrement en période de stress hydrique; - au niveau du fonctionnement hydrique des peuplements forestiers, sachant que la simplicité de mise en oeuvre et le faible coût de cette technique permet d'aborder la mesure quantitative de la transpiration et de sa variabilité spatiale en forêt. L'utilisation de cette méthode suppose, lorsqu'on désire calculer le flux total., de connaître la section du bois d'aubier au niveau du point de mesure. Selon le type d'essence et la précision souhaitée, on peut estimer]la section du bois d'aubier grace à un ou plusieurs sondages à la tarière de Pressler ou la mesurer directement après abattage de l'arbre. REVENDICATIONS 1. Procédé de mesure des variations du flux de sève brute dans J.e tronc d'un végétal. tel. qu'un arbre, caractérisé en ce qu'il comprend]-es étapes de mise en place; dans l.'aubier, de deux sondes de mesure de température, dont l'une est chauffante et].'autre ne.'est pas, d'envoi dans la sonde chauffante d'un courant électrique d'intensité constante et d'enregistrement de].a différence de température entre.es deux sondes, celles-ci étant placées dans l.e même arbre, à une distance]'une de l'autre telle que la chaleur dégagée par la sonde chauffante ne puisse pas influencer de façon appréciabl.e la sonde non chauffante. 2. Procédé selon.a revendication 1, caractérisé en ce que la sonde non chauffante est placée sensiblement sur].a même verticale que].a sonde chauffante, et en dessous d'elle. 3. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, et comprenant un circuit de chauffage stabilisé par la sonde chauffante, un dispositif de mesure à thermocoup].es dont les soudures chaudes et froides sont placées respectivement dans les sondes chauffante et non chauffante, et des moyens d'enregistrement de.a tension aux bornes du dispositif de mesure de température, caractérisé en ce que la sonde chauffante comprend une âme tubulaire rigide sur laquelle est enroulé un fil chauffant, lui-même entouré d'un tube répartiteur de chaleur en matière bonne conduction de l.'é].ectricité, telle qu'aluminium, l]. 'enroulement de fil. et l.e tube répartiteur ayant une longueur à peu près égale à l.'épaisseur de l'aubier dans lequel. la sonde doit être insérée, et 1'âme tubulaire contenant.'un des fils d'alimentation de l'enroulement.