Brevet FR2590672A1 — publié le 19870529

La présente invention concerne une chambre d'assimilation et de transpiration. La mesure dans les conditions naturelles de la transpiration et de l'assimilation nette instantanée d'un couvert végétal intéresse de nombreuses disciplines, qu'il s'agisse de valider des modèles théoriques ou plus simplement d'étudier le comportement de couverts végétaux en réponse à des conditions d'environnement variées. L'assimilation nette d'un couvert végétal est une notion particulièrement importante puisqu'elle concerne l'absorption de CO2, réaction de fixation d'énergie lumineuse liée à la photosynthèse. La transpiration, quant à elle, est l'émission, par les végétaux, d'eau sous forme gazeuse permettant la montée de la sève par appel foliaire. Or, si les méthodes fondées sur les théories du bilan d'énergie et des dchanges adrodynamiques permettent d'ace céder à l'évapotranspiration réelle (ETR) à des échelles de temps très fines et ont l'avantage de n'apporter aucune perturbation au phénomène que l'on étudie, elles ne sont utilisables que dans le cas de surfaces homogènes et d'extension importante. Elles intéressent donc surtout les zones de grande culture. Par ailleurs, le calcul à l'aide des mêmes principes du flux de C02 échangé par le couvert ne paratt pas actuellement satisfaisant. On estime que la solution la plus réaliste actuellement pour étudier in situ les échanges gazeux d'un couvert végétal de quelques m2 de surface foliaire consiste à adapter la technique couramment employée à l'échelle de la feuille : celle des Chambres d'Assimilation et de Transpiration (CAT) c'est-à-dire l'usage d'une enceinte transparente à la taille de l'échantillon étudié. Les Chambres d'Assimilation et de Transpiration (CAT) se rattachent toutes plus ou moins à deux principes : les CAT en circuit fermé et les CAT en circuit ouvert. A. LES CAT EN CIRCUIT FERME L'air de l'enceinte n'est pas renouvelé. L'assimilation nette et la transpiration sont mesurées par la vitesse d'appauvrissement de l'air de l'enceinte en C02et l'augmentation de sa teneur en eau. Comme il n'y a pas de surpression dans l'enceinte par rapport à la pression atmosphérique ambiante, l'air intérieur peut être contaminé par l'air extérieur. Dans le cas de mesures en continu (ROBELIN & BR GARRITY et al., 1984 ; DALEY et al., 1983). B. LES CAT EN CIRCUIT OUVERT Dans ces systèmes, l'air est insufflé dans l'enceinte qui se trouve ainsi en légère surpression par rapport à l'extérieur - il n'y a donc pas de risque de contamination par l'air extérieur -, et ressort avec des caractéristiques (concentrations en C02, H20) différentes de l'entrée (BALDING et al., 1973 ; GREENWOOD & BR BERESFORD, 1979, 1980 ; DAVIS & LUDLOW, 1981). La présente invention concerne plus particulièrement ce dernier type de CAT. Le calcul des échanges gazeux des organes végétaux suppose que soient connus simultanément - les écarts de concentrations entre l'entrée et la sortie de l'enceinte, - le débit général d'air qui traverse l'enceinte. Or, il est particulièrement délicat dans le cas de la CAT en circuit ouvert de contrôler le débit d'air traversant 1' enceinte. Il est évident que plus le débit d'air est important, plus les écarts entrée-sortie sont faibles et donc plus les conditions climatiques à l'intérieur de l'enceinte peuvent être considérées comme proches des conditions extérieures. En outre, l'usage des débits d'air importants évitant les effets de confinemant, élimine la nécessité de la climatisation. Mais en contrepartie, les débits importants nécessitent l'utilisation de débitmètres particuliers qui sont très coûteux et peu précis. De plus, l'usage des débits d'air importants risque de conduire à des écarts entrée-sortie trop faibles pour pouvoir être mesurés convenablement. Le débit optimal correspond en fait à la réalisation du meilleur compromis entre les écarts entréesortie qui doivent être - suffisamment faibles(condition du minimum de per turbation microclimatique) - suffisamment importants pour être mesurés conve nablement par les analyseurs de gaz utilisés. Ceci est difficilement réalisable avec les CAT existantes. De plus, lorsque les surfaces végétales testées sont importantes, ceci soulève quelques problèmes particuliers. En effet, la présence d'une enceinte même très légère et transparente conduit à un effet de serre qui modifie inévitablement le climat lumineux et les conditions aérodynamiques de l'environnement des plantes, qui est à l'origine d'une certaine perturbation des échanges que l'on cherche à mesurer. Par principe, ce type de méthode est ainsi mal adapté à des recherches à caractère micrométéorologique dominant.C'est pourquoi, visant à contrôler le débit d'air traversant l'enceinte et à altérer au minimum l'environnement thermique et lumineux des plantes étudiées, la présente invention concerne une Chambre d'Assimilation et de Transpiration de type circuit ouvert comportant - une chambre proprement dite destinée à englober la végétation dont on souhaite mesurer les caractéristiques d'assimilation et de transpiration, et dans laquelle de l'air extérieur est insufflé en continu tandis que de l'air de la chambre est évacué en continu, - un ensemble de mesures permettant à partir notamment de la mesure des caractéristiques de l'air insufflé et de l'air vacué de déterminerles caractéristiques d'assimilation et de transpiration de ladite végétation, caractérisée en ce que la chambre proprement dite est constituée d'une enceinte en film polymère transparent mince, l'intérieur de l'enceinte étant en surpression par rapport à l'extérieur pour maintenir l'enceinte gonflée, et en ce qu'une quantité connue de C02 est ajoutée à l'air extérieur avant insufflation dans l'enceinte. La présente invention permet de résoudre les difficultés qui ont été mentionnées ci-dessus. L'injection de C02 contrôlée à l'aide d'un régulateur de débit massique, conduit à un enrichissement en CO) de quelques vpm (volume parr.1illicM de l'air qui. pénètre dans l'enceinte. Cette caractéristique répond essentiellement à trois objectifs 1) fournir une échelle d'évaluation pour le flux d'assimilation nette ou de respiration ceci s'est révélé très fiable et d'une grande souplesse d'utilisation car la précision obtenue est indépendante du débit général utilisé ; 2) compenser le prélèvement de C02 par les plantes en période diurne 3) mesurer le débit général d'air (par dilution du C02 injecté), débit de plusieurs m3. min 1 dont la connaissance est nécessaire et avec une précision suffisante, pour le calcul de la transpiration. Cette caractéristique évite l'utilisåtion d'un débitmetre sur le circuit d'air principal et dans ces conditions le débit peut être relativement élevé, ce qui supprime la nécessité de climatiser l'enceinte. Le C02 injecté est, de préférence, du C02 pur. Pour ce qui concerne l'enceinte, l'utilisation d'un film mince en polymère transparent dans l'infra-rouge thermique, par exemple le polyXthylene, conduit à des effets de serre très faibles. Malgré la perméabilité bien connue de ce matériau, notamment au C02, on peut calculer que les flux diffusifs à travers les parois de l'enceinte sont parfaitement négligeables devant ceux échangés par les plantes. L'enceinte est de préférence réalisée sans armature, à partir de films en polymère soudés ; elle se gonfle sous l'effet de la pression due à la soufflerie principale. Le polymère utilisé est, de préférence, du polypropylène ou polyéthylène de 0,02 à 0,09 mm d'épaisseur. Les échanges gazeux du couvert végétal sont mesurés de préférence, grâce - à un analyseur différentiel en C02 pour ce qui concerne les teneurs de l'air en C02, - à un hygromètre à point de rosée pour ce qui concerne les teneurs de l'air en H20. Au surplus, la Chambre d'Assimilation et de Transpiration selon la présente invention peut comprendre des dispositifs divers tels que des capteurs météorologiques, permettant de connattre les conditions de rayonnement et de température dans l'enceinte, ou teb qu'un ventilateur, permettant une circulation homogène de l'air dans l'enceinte. Ce type de chambre permet de mettre en évidence et de mesurer notamment - les réactions à court terme du végétal aux fluctuations naturelles ou artificielles de l'environnement (ex : passages nuageux, irrigations, phénomènes de régulation) - les modifications des propriétés du couvert qui gouvernent les échanges photosynthétiques et la transpiration au cours du cycle de végétation (ex : installation de l'appareil foliaire, phénomènes de vieillissement); - les différences entre espèces, variétés, traitements. La figure 1, représentant le schéma de principe du système de circuit ouvert utilisé, permet d'en comprendre aisément le fonctionnement. La chambre d'Assimilation et de Transpiration selon l'invention comprend deux parties fonctionnelles distinctes : la chambre proprement dite 1 et un ensemble de mesure 2. La chambre proprement dite est constituée d'une enceinte 3 dont la forme (obtenue par la soudure de morceaux de film polymère transparent de dimensions appropriées) est telle qu'elle englobe au mieux la végétation étudiée 4. L'enceinte est fixée à un organe particulier (par exemple une branche) ou sur le sol (cas du système représenté schématiquement en 5), de telle manière que l'étanchéité soit réalisée au mieux. L'air extérieur est insufflé à l'extrémité d'une canalisation 6, injecté à l'aide d'une soufflerie 7 dans une gaine de mélange 8, débouche dans l'enceinte en 9. A l'entrée de.la gaine de mélange 8, du C02 pur est injecté par l'intermédiaire de la canalisation 10,le débit instantes de C02 étant contrôle par un régulateur de débit massique 11. Les gaz mélangés pénètrent en 9 dans l'enceinte 3 et après un certain temps de séjour, sont évacués par la sortie 12. Le débit de la soufflerie 7 est tel qu'il maintient l'enceinte 3 en surpression, celle-ci reste donc gonflée sans nécessiter la présence d'une quelconque armature. Toutefois, les entrées et sorties de l'enceinte aux points correspondant à 9 et 12 sont maintenues dans une certaine position grâce au système d'arrimage 13. Le dispositif peut également comporter différents capteurs , capteurs météorologiques par exemple, ou des dispositifs de ventilation situés à l'intérieur de l'enceinte afin de mesurer les conditions intérieures dans cette enceinte, ceux-ci sont représentés schématiquement par le dispositif 14. L'ensemble de mesure est constitué d'un analyseur différentiel de C02 (appareil à absorption de rayon nement infra-rouge,IRGA ) 15, ainsi que d'un hygromètre à point de rosée 16 (HPR)Ces deux appareils analysent des prélèvements qui sont effectués en trois points de la chambre, à savoir - en A, par l'intermédiaire de la tuyauterie 17, on effectue un prélèvement de l'air extérieur de la canalisation 6, - en B, par l'intermédiaire de la canalisation 18, on effectue un prélèvement de l'air extérieur après qu'il ait été mélangé avec du C02 pur dans la gaine de mélange 8 et enfin, - en C, par l'intermédiaire de la canalisation 19, on effectue un prélèvement de l'air qui sort de l'enceinte 3 par la gaine 12. Ces différents prélèvements sont effectués par l'intermédiaire des canalisations et des pompes correspondantes nommées P17, P18, et P19. La distribution des différents prélèvements est faite par l'intermédiaire d'un système d'électrovannes schématisé en 20. Les séquences de mesure correspondant au schéma de la figure 1 seront explicitées dans la partie de description qui va suivre. Les origines du matériel de nesure sont les suivantes - le régulateur de débit massique 11 est un TYLAN type FC 260 et a une gamme de 2 à 100 ml/mn, - l'analyseur différentiel de C02 15 est un ADC type 225 Mk3 et a une gamme différentielle de + 50 vpm, - l'hygromètre à point de rosée 16 est un ELCOWA type 1100 DP, - le microordinateur est un EPSON type HX20. Les mesures se font de la façon suivante : l'air est prélevé pour analyse à 3 endroits A, B, C par l'intermédiaire des tuyauteries 17, 18 et 19 - l'air extérieur en A, - l'air extérieur après ajout de C02 et homogénéisation assurée par un parcours de quelques mètres dans la gaine de mélange en B. Cet échantillon est envoyé en permanence sur le tube "référence" de l'analyseur différentiel de C02 (appareil à absorption de rayonnement infra-rouge, IRGA), - l'air évacué de l'enceinte en C. Le système de pompesP17, P18, P19 et d'électrovannes 20 permet de commuter ces trois lignes de gaz sur le tube "Analyse" de l'IRGA 15 selonine séquence programmée comprenant trois phases qui apparaissent clairement sur l'enregistrement analogique du signal de l'IRGA. La figure 2 correspond aux résultats conservés lors d'une journée de mesure sur mais. Le diagramme donne les teneurs différentielles en C02(vEm) en fonction du teqps. Phase I : analyse différentielle de l'air prélevé en B (zéro d ' d'assimilation), et par conséquent, cette phase correspond au O de l'axe des ordonnées sur la figure 2. Phase Il : analyse différentielle de l'air prélevé en A (calcul du débit) ; dans le cas de la figure 2, il y a une différence d'environ 30 vpm entre les concentrations de l'air en C02 avant et après son ajout. Cette phase apparatt donc au voisinage du -30 vpm de l'axe des ordonnées. Mais cet écart de concentration est dû par ailleurs à l'injection de C02 sous débit constant (ici 100 ml.min1). L'axe des ordonnées est ainsi également un repère pour les flux de CO2 comme le montre la figure 2. Phase III : analyse différentielle de l'air prélevé en C. La figure 2 montre comment cette phase permet le calcul de l'assimilation du C02 des plantes par lecture directe à partir de l'axe des ordonnées gradué comme on l'a dit en flux de C02. Les fluctuations observées traduisent les variations de l'assimilation nette dues aux variations du rayonnement solaire incident. Selon l'objectif recherché, on peut s'intéresser aux valeurs instantanées ou à des moyennes calculées sur des périodes plus ou moins longues et programmer l'ordinateur en conséquence. Généralement les phases I et II (qui permettent l'étalonnage périodique du système) durent de 1 à 3 minutes, l'essentiel du temps de mesure étant consacré à la phase III (10 à 60 minutes). Après un premier traitement, les données sont enregistrées sur cassette magnétique par le microordinateur qui de plus, affiche en temps réel les valeurs instantanées des grandeurs mesurées. Comme cela a été annoncé précédemment, les 3 phases se déroulent selon une séquence programmée et on appellera ci-après cycle ou cycle de mesures, l'ensemble des phases I, II et III. Cette prograMticn des séquences correspond à une réalisation préférentielle et anéliorée de l'invention. Mais les mesures des échanges gazeux peuvent aussi se faire de façon indépendante, à savoir des phases I, II et III plus ou moins longues, des périodes trop courtes de mesure étant non significatives du fait de l'inertie du système. Le traitement des données et le calcul des flux se font de la façon suivante. Les informations recueillies par le microordinateur pendant la phase III du cycle sont moyennées par périodes de trois minutes environ. Ces périodes de trois minutes correspondent à une réalisation préférentielle de l'invention. Elles peuvent être plus ou moins longues mais les dimensions et l'inertie du système rendent non significatives des périodes trop courtes (inférieures à la minute). A l'issue de chaque période -"instant t"-, on dispose ainsi de deux valeurs vpmC (vpm = concentration en C02 exprimée en volume par million) et CH2OC (CH2O = concentration en vapeur d'eau exprimée en grammes par litre) correspondant respectivement à l'indication proportionnelle à la teneur de l'air en C02 fournie par l'IRGA et à la teneur de l'air en vapeur d'eau, toutes deux correspondant à la mesure de sortie de l'enceinte en C. Les calculs de flux sont alors effectués de la façon suivante, respectivement pour le calcul de l'assimilation nette et le calcul de la transpiration : 1) CALCUL DE L'ASSIMILATION NETTE OU DE LA RESPIRATION On peut noter que pour la mesure du flux de C02 échangé par les plantes, le principe de l'injection sous débit constant supprime la nécessité de connattre le débit général d'air qui traverse l'enceinte. Cela apparait clairement sur la figure 2. A l'instant t tel que défini précédemment l'assimilation nette Ant est donnée par : Ant = 1,83. q. (vpmc - vpmg)/(vpm, - vpmA) (mg.min ) q = débit volumique d'injection de C02 ajouté à l'air extérieur (ml standard.min vpmB, vpmA = indications de l'IRGA au cours des phases I et II d'un cycle de mesure, ou plus gé néralement indications de l'IRGA propor tionnelles aux teneurs en C02 correspon dant aux prélèvements de l'air à l'entrée de la Chambre d'Assimilation et de Trxnspiration,en B et en A respectivement. vpmC = indication de l'IRGA proportionnelle à la teneur en C02 à l'instant t de l'air prélevé au point d'évacuation, à savoir, à la sortie de la chambre en C. Le facteur 1,83 permet d'obtenir l'assimilation nette en mg (C02). minez alors que q est exprime en débit volumique dans les conditions standard(200C) .L'équation Ant = 1,83.q. (vpmc - vpmB)/(vpmB - vpmA) (mg.min-1) illustre comment le régulateur de débit massique fournit l'échelle des flux de CO2 échangés dans l'enceinte. Notons qu'il est important que les "zéros" de l'IRGA soient stables au cours des phases I, II et III du cycle. Ceci suppose un dquilibrage minutieux des débits gazeux dans les tubes optiques de l'IRGA. 2) CALCUL DE LA TRANSPIRATION Il faut cette fois connaitre le débit général d'air Q qui arrive dans l'enceinte Q = 10 .q/(vpmB - vpmA) (l.min ) q, vpmB et vmPA ont les mêmes significations que pour le calcul de l'assimilation nette ou de la respiration. La concentration de la vapeur d'eau dans l'air est mesurée à l'aide d'un analyseur à point de rosée sur le même échantillon d'air que pour la concentration en C02 (Figure 1). On a pour la transpiration à l'instant t, tel que défini précédemment : TRt = Q. (CH2OC - CH2OB) (g.min-1) CH2 0B = valeur de CH2 O pour la phase I du cycle de mesure, ou plus généralement, valeur de CH2O correspondant à la mesure en B. CH2OC = valeur de CH2O à l'instant t de l'air prélevé au point d'évacuation, à savoir à la sortie de la chambre en C. Ainsi, le système a été testé au cours de plusieurs campagnes de mesures - en 1984 . 25 journées complètes à des périodes différentes du cycle de végétation d'une culture de mais semence en Limagne avec comparaison de deux situa tions : culture irriguée - culture sèche, . 13 journées complètes consécutives sur vigne (dans le bordelais), dans le cadre d'une expérimentation sur les modes de conduites. - en 1985 40 journées sur tournesol en Limagne pour des com paraisons variétales et de conditions de culture. On montre à titre d'exemple les résultats observés lors d'une journée de mesure sur maïs (figure 2) : les fluctuations du signal en phase III reflètent des variations d'assimilation nette dues à des passages nuageux. Les mesures ont été faites le 14 août 1985 sur mais dans les conditions suivantes - vitesse d'injection du C02 : 100 ml/min. - débit général moyen : 3 260 1/min. Sans perturber notablement les conditions microclimatiques pour les végétaux, ce débit général moyen permet de connaître les échanges gazeux instantanés desdits végétaux. Ces essais démontrent la validité du principe de mesure adopté. REVENDICATIONS 1) Chambre d'Assimilation et de Transpiration de type circuit ouvert comportant - une chambre proprement dite destinée à englober la végétation dont on souhaite mesurer les caractéristiques d'assimilation et de transpiration, et dans laquelle de l'air extérieur est insufflé en continu tandis que de l'air de a chambre est évacué en continu, - un ensemble de mesures permettant, à partir notamment de la mesure des caractéristiques de l'air insufflé et de l'air évacué, de déterminer les caractéristiques d'assimilation et de transpiration de ladite végétation, caractérisée en ce que la chambre proprement dite est constituée d'une enceinte en film polymère transparent mince, l'intérieur de l'enceinte étant en surpression par rapport à l'extérieur pour maintenir l'enceinte gonflée, et en ce qu'une quantité connue de C02 est ajoutée à l'air extérieur avant insufflation dans l'enceinte. 2) Chambre d'Assimilation et de Transpiration selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'enceinte est constituée de films en polypropylène ou en polyéthylène. 3) Chambre d'Assimilation et de Transpiration selon la revendication 2, caractérisée en ce que l'épaisseur des films en polypropylène ou en polyéthylène est comprise entre 0,02 et 0,09 mm. 4) Chambre d'Assimilation et de Transpiration, selon les revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la quantité connue de C02 est ajoutée,de manière contrôlée par l'intermédiaire d'un régulateur de débit massique, l'air extérieur en amont d'une gaine dans laquelle les gaz se mélangent intimement avant de pénétrer dans l'enceinte. 5) Chambre d'Assimilation et de Transpiration selon les revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le oe2 ajouté à l'air ambiant est du C02 pur. 6) Chambre d'Assimilation et-de Transpiration selon les revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu'un analyseur de C02 permet de connaître les teneurs en CO2 : - de l'air extérieur insufflé avant l'ajout de C02 en (A); - de l'air extérieur insufflé après l'ajout de C02 en (B); - de l'air de la chambre évacué en (C). 7) Chambre d'Assimilation et de Transpiration selon la revendication 6, caractérisée en ce que l'assimilation nette à l'instant t (Ant) est donnée en mg.min. -1 par la formule suivante Ant = 1,83. q (vpmC - vpmB) (vpmB - vpmA ) q étant le débit de C02 ajouté à l'air extérieur en ml.min 1, vpmA et vpmg étant les concentrations en C02 de l'air (expri muées en volumes par million) respectivement en (A) et (B), vpmC étant la teneur en col indiquee à l'instant t en (C). 8) Chambre d'Assimilation et de Transpiration selon les revendications 1 à 6, caractérisée en ce qu'un hygromètre à point de rosée permet d'analyser les teneurs en H2 O - de l'air extérieur, après ajout de CO2 en (B), - de l'air de la chambre évacué en (C). 9) Chambre d'Assimilation et de Transpiration selon la revendication 8, caractérisée en ce que la transpiration à l'instant t (Trt) est donnée en g.min-1 par la formule suivante : 10 q Trt vpmB-VPmA (CH2OC - CH2OB) CH20B étant la valeur de CH2O de l'air en (B) (exprimée en g.1-1), CH20C étant la valeur de CH2O à l'instant t en (C) q étant le débit de C02 ajouté à l'air extérieur (exprime en ml.min-1), vpmA et vpmg étant es teneurs en C02 de l'air respectivement en (A) et (B). 10. Chambre d'Assimilation et ae Transpiration selon les revendications 1 à 9, caractérisée en ce que aes capteurs météorologiques à l'intérieur de la chambre permettent de connaître les conditions de rayonnement et de température durant l'opération d'analyse. 11. Chambre d'Assimilation et de Transpiration selon les revendications 1 à 10, caractérisée en ce qu'un ventilateur est placé à l'intérieur de l'enceinte.