81

Influence de la variabilité spatiale
de la structure des sols cultivés
sur les transferts de l’eau et de l’ion
bromureooY. Coquet(1), C. Desbourdes-Coutadeur(1), P. Vachier(1), Jiri Simunek(2) et J. Roger-Estrade(3)(1)

INA P-G, UMR INAPG/INRA Environnement et Grandes Cultures, B.P. 01, 78850 THIVERVAL-GRIGNON, France(2)

George E. Brown, Jr. Salinity Laboratory, USDA-ARS, 450 West Big Springs Road, Riverside, CA 92507, USA(3)

INA P-G, UMR d’Agronomie INRA/INA P-G, B.P. 01, 78850 THIVERVAL-GRIGNON, France

RÉSUMÉ
L’équation de transport de l’eau de Darcy généralisée aux écoulements non saturés reste encore aujourd’hui à la base de la plupart desmodèles décrivant le transport de l’eau et des solutés dans les sols agricoles. A l’échelle intra-parcellaire, il existe une hétérogénéité dela structure du sol qui est en relation avec les interventions culturales réalisées sur la parcelle. Nous avons mené une étude afin d’évaluer quel pouvait être l’impact de cette hétérogénéité sur les transferts d’eau et de soluté. Un traçage de l’eau à l’aide de l’anion bromure a été réalisé sous pluie simulée dans une parcelle cultivée incluant un labour d’automne et une reprise par hersage avant le semis au
printemps. Les résultats du traçage montrent une forte hétérogénéité du front de migration du bromure qui peut être mise en relation avec
la présence de mottes tassées provenant d’anciens passages de roues fragmentés et déplacés par le labour. Ces résultats montrent laforte dispersivité du sol cultivé, en relation avec sa structure issue du mode de travail du sol. Une modélisation déterministe bidimensionnelle
du transport de l’eau et des solutés dans le sol étudié à l’aide du modèle HYDRUS-2D permet de rendre compte correctement des résultats observés.
Mots clés
Travail du sol, labour, infiltration, compactage, structure, modélisation

SUMMARY
INFLUENCE OF THE SPATIAL VARIABILITY OF TILLED SOIL STRUCTURE ON WATER AND BROMIDE TRANSPORT
The generalised Darcy equation is still today the basis of most models that describe water and solute transport in agricultural soils. At thefield scale, soil structure is heterogeneous and largely determined by tillage practices. The study presented here aimed at understanding
the effects of the heterogeneity created by tillage on water and solute transport.
Bromide was used to trace water infiltration under simulated rainfall in a cultivated plot that had been ploughed in Autumn and harrowedat the surface in Spring before sowing. Results show a large heterogeneity of the bromide migration front, which can be related to the presence of compacted clods within the ploughed layer of the soil. Such compacted clods were formerly located under ancient wheel tracks

Reçu: novembre 2003; Accepté: mars 2004

Étude et Gestion des Sols, Volume 11, 1, 2004 - pages 81 à 92

82

o

o

Y. Coquet, C. Desbourdes-Coutadeur, P. Vachier, Jiri Simunek et J. Roger-Estradeand have been cut and displaced by the mouldboard plough. The cultivated soil that we studied had a large dispersivity, which could be
related to its structure and the type of tillage. A deterministic two-dimensional model, HYDRUS-2D, was able to fairly reproduce the heterogeneous water and solute infiltration patterns observed in the field.
Key-words
Soil tillage, mouldboard ploughing, infiltration, compaction, structure, modelling.

RESUMEN
INFLUENCIA DE LA VARIABILIDAD ESPACIAL DE LA ESTRUCTURA DE SUELOS CULTIVADOS SOBRE LA INFILTRACIÓN Y
LA REDISTRIBUCIÓN DEL AGUA Y DE UN SOLUTO INERTE Y CONSERVATIVO, EL IÓN BROMURO. EXPERIMENTACIÓN EN
UN SUELO LIMONO-ARCILLOSO Y MODELIZACIÓN
La ecuación de transporte del agua de Darcy generalizada a las circulaciones en medios no saturados esta a la base todavía de la mayor
parte de los modelos describiendo el transporte del agua y de los solutos en los suelos agrícolas. A la escala intra-parcelar, existe una
heterogeneidad de la estructura del suelo relacionada con las intervenciones culturales realizadas sobre la parcela. Hemos realizado unestudio para evaluar lo que podría ser el impacto de esta heterogeneidad sobre las transferencias de agua y de solutos. Un trazado delagua con el anión bromuro ha sido realizado bajo lluvia simulada en una parcela cultivada incluyendo una labranza de otoño y un gradeo antes de la siembra de primavera. Los resultados del trazado muestran una fuerte heterogeneidad del frente de migración del bromuro que puede relacionarse con la presencia de terrones comprimidos proviniendo de antiguos pasos de ruedas fragmentados y desplazados por la labranza. Estos resultados muestran la fuerte dispersividad del suelo cultivado en relación con su estructura proviniendodel modo de manejo del suelo. Una modelización determinista bidimensional del transporte de agua y de solutos en el suelo estudiado
con el modelo HYDRUS-2D permite la descripción correcta de los resultados observados.
Palabras clave
Manejo del suelo, labranza, infiltración, compactación, estructura, modelización

Étude et Gestion des Sols, 11, 1, 2004

Transferts eau et solutés en sols cultivés

83

MATÉRIELS ET MÉTHODES

P

lusieurs études expérimentales ont montré que le transportde l’eau et des solutés dans les sols pouvait être très
hétérogène (Flury et al., 1994; Hammel et al., 1999). Ceci
est particulièrement vrai pour les sols cultivés (Petersen et al.,1999) où le travail du sol et le tassement induit par la circulation desengins agricoles engendrent une forte variabilité spatiale de la structure et, partant, des conditions locales de circulation de l’eau (RogerEstrade et al., 2000). Ceci est particulièrement vrai lorsque l’itinéraire technique comprend un labour. Les variations de propriétéshydrodynamiques résultant de ces variations de la structure sont en
particulier notables au voisinage de la saturation (Ankeny et al., 1990;
Coutadeur et al., 2002). On peut dès lors s’interroger sur l’impact deces variations d’état structural sur les phénomènes de transfert au
sein du sol, et en particulier, sur l’infiltration des solutés vers la profondeur qui est un élément clé de l’évaluation du risque de contamination des eaux souterraines. L’objectif du travail présenté iciétait de répondre à cette interrogation. Dans une première étape, nous
avons étudié in situ l’infiltration de l’eau et d’un soluté inerte conservatif à l’échelle d’un profil cultural (3 m de largeur, creusé perpendiculairement au sens d’avancement du tracteur réalisant les façonsculturales). Dans une seconde étape, nous avons caractérisé les propriétés hydriques du sol en distinguant les différents types de structure selon la méthode du profil cultural. Dans un troisième temps,
nous avons utilisé ces caractérisations hydriques pour modéliser l’expérience d’infiltration in situ à l’aide d’un modèle de simulation dutransport de l’eau et des solutés en 2 dimensions basé sur l’équation de Richards et l’équation de convection-dispersion.

Expérimentation de terrain
Au sein d’une parcelle conduite depuis une dizaine d’années enmonoculture de maïs du domaine expérimental INRA de Grignon(Yvelines), une surface de 4 m sur 2 m a été soumise à une pluie
simulée de 21 mm/h pendant 4 h 20 min. Une fois un régime hydrodynamique permanent établi dans la couche de sol travaillée, unesolution de KBr à la concentration de 0,85 g/L de Br - a été appliquée pendant 2 h à une intensité de pluie de 26 mm/h. Le sol, limono-argileux de 90 cm de profondeur, avait été labouré à l’aide d’une
charrue à 3 corps sur une profondeur de 30 cm en novembre. Celabour d’hiver a été repris au printemps par deux passages deherse rotative sur une profondeur de 12 cm et une largeur de 3 mpour la préparation du lit de semences, avant l’expérimentation
proprement dite. La structure créée par le travail du sol est illustrée
par la figure 1, qui représente la couche labourée de cette parcelle. Au sein de la couche labourée non reprise par les façons superficielles (sous le lit de semences), on distingue deux zones compactées qui correspondent au passage des roues du tracteur tirant
la herse rotative. Entre ces zones tassées sous les passages deroues, la structure du sol est hétérogène et présente des mottes tassées (entourées de lignes blanches sur la figure 1), appelées« mottes ∆ » par Manichon (1982) résultant de zones tassées pard’anciens passages de roue puis fragmentées et déplacées par lelabour, parmi des zones de sol macroporeuses (« mottes Γ » et agrégats de taille inférieure à 2 cm).

Figure 1 - Profil cultural du sol montrant les différentes structures présentes dans la couche travaillée (le sol non travaillé n’apparaît
pas sur la photo). Les zones tassées (∆) sont délimitées par des lignes blanches. La localisation des sondesTDR (grands cercles) etdes tensiomètres (petits carrés) est indiquée. La courbure de la photo est due à un effet de parallaxe non rectifié et ne représente pasla topographie (plane) de la parcelle.
Figure 1 - Tilled soil profile showing the various structures within the tilled layer (the untilled soil is not shown on the photograph). The
compacted (∆) zones are delimited by white lines. The location of TDRs (large circles) and tensiometers (small squares) are shown.
The bending of the photograph is due to an uncorrected parallax effect and do not correspond to the (flat) topography of the field plot.

Passage de roueLit desemences

Entre roues

Sol non travaillé

19

27

28

30

25

14

20

20 22

9
19

14

21

16

29
30

13 2

3

10

15

Couche labourée
non reprise

4

5
25
26

Passage de roue

23

24
29

8

13

7
15

9

18
11
23
28

8 cm

1

1

2

8

17

24

7

18

12

6

3

11

10

4

17

5

16
21

22
27

12

26

6

Étude et Gestion des Sols, 11, 1, 2004

o

84

o

Y. Coquet, C. Desbourdes-Coutadeur, P. Vachier, Jiri Simunek et J. Roger-Estrade

Les variations de l’infiltration et de la redistribution de l’eau dansle profil ont été analysées à partir de suivis tensiométriques (30 mini
tensiomètres munis d’une bougie en céramique de 6 mm de diamètre
et de 2 cm de long, modèle SMS2080S1 de SDEC) et de suivis dela teneur en eau volumique (sondes TDR de 20 cm de long, modèle 6005L2 de Soil Moisture, figure 1). Les mesures par sondes
TDR reliées à une centrale d’acquisition TRASE ont tour à tour été
enregistrées toutes les 11 minutes pendant la période d’infiltration(6 heures), puis à pas de temps croissant progressivement de
4 heures à 14 jours de juin à septembre. Les mesures tensiométriques
ont été enregistrées manuellement par lecture sur des échelles à mercure aux mêmes dates que les mesures TDR. Les sondes et tensiomètres ont été installés horizontalement à partir d’une fosse
creusée 30 cm en avant de la zone d’observation des états structuraux. Cette fosse a ensuite été rebouchée pour éviter toute perted’eau par évaporation. Douze heures après la fin de l’infiltration, unefosse de 3 m de large sur 70 cm de profondeur a été ouverte à l’opposé de la fosse d’installation des TDR et tensiomètres et le soléchantillonné à l’aide de petits cylindres (4 cm de diamètre, 2 cm delong) tous les 4 ou 8 cm de distance (597 échantillons au total). La
concentration résidente en bromure a ensuite été déterminée au laboratoire par HPLC. Pour faciliter la visualisation des résultats, une carte
continue de la répartition du bromure a été dressée en interpolant
par krigeage entre les valeurs mesurées en chacun des 597 points
de mesure.

Caractérisation des propriétés hydriques
du solLes caractéristiques hydriques du sol θ (h) et K(h) ont été obtenues expérimentalement pour les 4 types de structure rencontrées
dans le profil cultural, à savoir le lit de semences, le sol tassé (sousle passage de roues ou mottes ∆), le sol labouré non tassé (mottesΓ) et le sol non travaillé, de façon indépendante de l’expérimentation de terrain.

θ(h) =

θr +θs - θrnh < 01 + IαhInθsModélisationh≥01K(h) = Ks Sel 1 - ( 1 - Se / m)m2

La conductivité hydraulique au voisinage de la saturation, entre
les potentiels de l’eau - 1 et 0 kPa, a été mesurée à l’aide d’un infiltromètre sous succion muni d’un disque de 8 cm de diamètre(Coutadeur et al., 2002). Huit à neuf mesures par potentiel ont été
réalisées pour le lit de semences, 15 à 18 pour le sol non travailléet 7 à 9 pour la couche labourée non reprise localisée sous les passages de roues. Au sein de la couche labourée non reprise situéeentre les passages de roues, 6 à 8 mesures par potentiel ont été

Étude et Gestion des Sols, 11, 1, 2004

réalisées sur des mottes Γ et 1 à 3 mesures par potentiel sur desmottes ∆.
Les relations θ (h) et K(h) ont été obtenues au laboratoire sur
cylindres de sol de diamètre 20 cm et hauteur 7 cm par la méthode de Wind entre pF 1 et 3 (Bertuzzi et al., 1999). Seulement une
répétition, i.e. sur un seul cylindre, par type de structure a pu êtreréalisée. Des valeurs de Ks ont été mesurées sur cylindre (diamètre
20 cm, hauteur 7 cm) par la méthode de la charge constante. Làaussi, un seul cylindre a été prélevé par type de structure. Enfin, desvaleurs de θ ont été mesurées sur mottes provenant des différents
types de structure pour différents potentiels de l’eau (pF 3, 3,5, 4 et4,2) fixés par presses de Richards. Chaque valeur de teneur en eau
est déterminée sur 12 mottes, en moyenne.
Les caractéristiques hydriques θ (h) et K(h) ont été décrites parles fonctions analytiques de van Genuchten et Mualem:où θr et θs sont les teneurs en eau volumiques résiduelle et à saturation [L3L-3], Ks est la conductivité hydraulique à saturation [LT-1], α[L-1] et n [-] sont des facteurs de forme, m = 1-1/n, Se est le taux desaturation en eau de la porosité du sol [-], et l est un paramètre relié
à la connectivité de l’espace poral du sol ayant une valeur de 0,5 pourde nombreux sols. Les caractéristiques θ (h) et K(h) ont été simultanément ajustées aux données expérimentales à l’aide du logiciel
RETC (van Genuchten et al., 1991) avec d’une part pour la rétention en eau les données obtenues par la méthode de Wind, celles
obtenues par les presses de Richards et la teneur en eau à saturation mesurée sur le terrain sous l’infiltromètre, d’autre part pour laconductivité hydraulique les données obtenues par infiltrométrie, celles
obtenues par la méthode de Wind et la conductivité hydraulique àsaturation obtenue par la méthode de la charge constante.
La caractéristique de rétention θ (h) obtenue a été aussi comparéeà celle établie in situ à partir des mesures de θ par sondes TDR etde h par tensiométrie. Pour établir la caractéristique θ (h) au champ,
nous avons fait correspondre à chaque sonde TDR le tensiomètrele plus proche à condition que la sonde TDR et le tensiomètre
soient situés dans la même structure de sol (même zone Γ oumême zone ∆, en particulier).

L’expérimentation décrite ci-dessusoa été simulée à l’aide duomodèle bidimensionnel HYDRUS-2D (Simunek et al., 1999). Ce
modèle décrit le transport de l’eau et des solutés en résolvant
numériquement par la méthode des éléments finis l’équation deRichards et l’équation de convection-dispersion. A l’aide d’unmaillage triangulaire paramétré par l’utilisateur, on peut définir,dans le plan 2D vertical, des régions présentant des propriétés
hydriques différentes. Nous l’avons fait pour simuler les résultats de cette expérimentation en reproduisant, grâce à un maillage de 16 145 éléments, la géométrie des zones ∆ et Γ observée sur le terrain. Les flux d’eau et le transport du soluté ont été
décrits dans un domaine correspondant à un rectangle de 300
x 100 cm, centré sur l’axe du tracteur tirant la herse rotative. Les
conditions initiales ont été fixées en prenant la moyenne desTransferts eau et solutés en sols cultivés

85

Figure 2 - Mesure de la teneur en eau volumique du sol par les sondes TDR pendant l’infiltration.
Figure 2 - Volumetric water content measurements by TDR probes during infiltration.

a

40
30
20

Sonde 1
Sonde 2
Sonde 3
Sonde 4
Sonde 5

Teneur en eau volumique (%)

100

Lit de semences

40

b

c

Sonde 11
Sonde 15
Sonde 18
Sonde 20
Sonde 9Sonde 19

Sonde 7
Sonde 8
Sonde 10
Sonde 12
Sonde 13
Sonde 14

X Data30
20
10
structure0

structure

e

d

40
30
20
10

Sonde 17
Sonde 22
Sonde 23
Sonde 24
Sonde 27
Sonde 28
Sonde 29

Sonde 16
Sonde 21
Sonde 25
Sonde 26
Sol non travaillé situé
Sonde 30 entre les passages de roues

Sol non travaillé situé
sous les passages de roues

0
0

2

4

6

8

Temps (h)valeurs de potentiel mesurées par niveau de profondeur. La pression initiale variait ainsi linéairement de -50 kPa sous le fond delabour à -22,5 kPa en surface. Les conditions aux limites fixées
comprenaient un flux variable en surface (reproduisant lesconditions de la pluie simulée), une concentration nulle de solu-

10

0

2

4

6

8

10

Temps (h)té au départ, un drainage libre en profondeur et l’absence de flux
latéraux. La dispersivité longitudinale a été prise égale à 5 cm,
la dispersivité latérale étant 10 fois plus faible. L’ordre de grandeur pour la dispersivité longitudinale des sols varie typiquement
entre 0,5 et 2 cm pour des colonnes de sol remaniées, et entre
Étude et Gestion des Sols, 11, 1, 2004

86

5 et 20 cm in situ (Jury et al., 1991 ; Warrick, 2003). Les études
de terrain sur les relations entre dispersitivités longitudinale ettransversale sont rares. Le rapport entre ces deux grandeurs
varie généralement entre 6 et 20 (Fetter, 1979). Enfin, la valeurde diffusion moléculaire retenue pour l’anion bromure était égale
à 0,0675 cm2h-1.

RÉSULTATS ET DISCUSSION
Dynamique de l’eau et du bromure
Les sondes TDR localisées dans le lit de semence réagissent très
rapidement, moins d’une heure après le début de l’infiltration (figure 2a). La teneur en eau se stabilise en régime permanent à une
valeur d’environ 0,26 cm3 cm3-1, valeur qui augmente légèrement
lorsque l’on passe d’une intensité de pluie de 21 à 26 mm/h. Lessondes TDR localisées dans l’horizon situé sous le lit de semences
ont réagi très différemment en fonction de leur localisation dans leprofil. Les sondes situées sous les passages de roues ont à peineréagi à l’infiltration (figure 2b, sondes 11 et 15). De même, parmi lessondes situées entre les roues, le comportement a varié suivant
qu’elles se situaient dans des zones ∆ ou dans des parties macroporeuses (mottes Γ et terre fine) du sol. Les premières ont peu réagi
à l’infiltration (figure 2b, sondes 9, 18, 19 et 20), les secondes aucontraire ont indiqué une augmentation sensible de la teneur en eau
entre 1 et 2 heures après le début de l’infiltration (figure 2c). Par
conséquent, le front d’infiltration apparaît à différentes dates dansla partie du profil située sous le fond de labour, à partir de 2 heuresaprès le début de l’infiltration. Dans cette zone, certaines sondes,
situées à une dizaine de cm sous le fond du labour et au droit despassages de roue, ont réagi très lentement, mais ont toutefois montré une augmentation très progressive de la teneur en eau tout aulong de l’expérience (figure 2d). Cette augmentation est peut-être
due à une diffusion latérale de l’eau qui s’est infiltrée dans la partie
du profil située entre les roues. Ces différences de comportement
entre états structuraux et la dynamique du front d’infiltration qui ena résulté ont été confirmées par les résultats obtenus à l’aide destensiomètres.
La carte des concentrations en bromure mesurées 12 heuresaprès la fin de l’infiltration (figure 3b) montre une très forte hétérogénéité du front d’infiltration. On constate que le bromure n’a quasiment pas pénétré le sol tassé sous les passages de roue, tandis
qu’il a atteint la profondeur maximale d’échantillonnage (64 cm) entre
les passages de roue au voisinage immédiat de ceux-ci. La répartition du bromure est très hétérogène entre les passages de roue.
Ceci est dû à la présence au sein de la couche labourée des mottestassées (∆) dont la faible conductivité hydraulique force l’eau d’infiltration à les contourner exerçant sur le flux d’eau un effet comparable à celui d’un parapluie. Ainsi, en observant, dans l’encart de la
figure 3, la motte localisée à x = 120 cm, on constate que la concentration en bromure est plus faible dans la motte ∆ elle-même, mais
Étude et Gestion des Sols, 11, 1, 2004oo

Y. Coquet, C. Desbourdes-Coutadeur, P. Vachier, Jiri Simunek et J. Roger-Estradeégalement en dessous. Ainsi, la variabilité spatiale de la concentrationen bromure se conserve une fois franchi le fond de labour, lorsquela solution pénètre dans l’horizon non travaillé dont la structure est,
à l’opposé de celle des horizons travaillés, peu variable dans l’espace. Sous les passages de roue, on observe une concentration
beaucoup plus homogène, mais qui présente toutefois quelques irrégularités: c’est le cas par exemple sous la roue droite de la figure 3,
aux alentours de la cote x = 260. Or cette zone correspond exactement à la partie du profil située sous l’espace (d’une dizaine de cm)compris entre la roue du tracteur et la roue jumelée. A cet endroit,la pression appliquée au sol par les pneumatiques est plus faible et
le tassement moins intense.
Compte tenu du rôle important des zones tassées non seulement
sous les passages de roues mais aussi entre les passages deroues, la dynamique de l’eau et du bromure dans le sol travaillé aété modélisée en utilisant un modèle 2-D prenant en compte explicitement l’hétérogénéité spatiale de la structure du sol.

Propriétés hydriques
Les caractéristiques hydriques du sol ont été déterminées pourles quatre types de structure reconnus par la méthode du profil cultural: le lit de semences, les zones tassées (∆) de la couche labourée non reprise par les façons superficielles, les zones non tassées(Γ) de cette même couche et le sol non travaillé. En effet, DesbourdesCoutadeur (2002) a pu montrer que les caractéristiques hydriquesθ (h) et K(h) des zones ∆ situées sous les passages de roues et celles
des zones ∆ situées entre les passages de roue n’étaient pas significativement différentes.
Les fonctions analytiques de Mualem-van Genuchten ont été ajustées, pour chacune des quatre structures, aux données de Wind et
des presses de Richards, y compris la teneur en eau à saturation
mesurée in situ sous l’infiltromètre, pour la rétention, et aux donnéesde Wind, d’infiltrométrie, et de conductivité hydraulique à saturation,
pour la conductivité hydraulique (figure 4). Les valeurs obtenues pourles différents paramètres sont indiquées dans le tableau 1. Toutefois,
un certain nombre de paramètres ont dû être modifiés afin de pouvoir rendre compte de la dynamique de l’eau et du bromure effectivement mesurée sur le terrain.
En premier lieu, nous avons pu observer un décalage entre lescaractéristiques de rétention mesurées au laboratoire et celles
mesurées in situ à l’aide des sondes TDR et des tensiomètres, enparticulier pour le lit de semences (figure 5). Nous avons vu en effet
que la teneur en eau volumique du lit de semences ne dépassait pas
0,29 cm3 cm-3 lors de l’infiltration (figure 2a), ce qui est très nettement inférieur à la teneur en eau à saturation estimée par la méthode de Wind (0,42 cm3 cm-3). Une telle différence est vraisemblablement due à la difficulté d’échantillonner un lit de semences frais
à l’aide d’un cylindre sans en perturber la structure. Afin de pouvoir
rendre compte de l’évolution de la teneur en eau du lit de semences
et de la vitesse de migration du bromure dans celui-ci, il a donc éténécessaire de modifier les paramètres de la rétention θr, θs et n(tableau 1). Seul θs a dû être légèrement modifié pour les autres struc-

Transferts eau et solutés en sols cultivés

87

Figure 3 - Profil cultural du sol et concentrations en bromure. (a) profil cultural, (b) carte des concentrations en bromure mesurées,(c) carte de concentrations en bromure simulées à l’aide d’HYDRUS-2D.
Figure 3 - Tilled soil profile and bromide concentrations. (a) tilled soil profile, (b) map of the measured bromide concentrations,(c) map of the bromide concentrations simulated by using HYDRUS-2D.
500
300
900
700
25 50 75 100
Concentration en bromure /mg litre-1

82

114

98

130

146

162

194

178

210

zone
zone

30 cm

a

b

2

Profondeur (cm)

10
18
26
34
42
50
58
66
18

34

50

Passage de roue

66

82

98

114

130

146

162

178

194

Largeur (cm)
Zone entre les passages de roue

210

226

242

258

274

290

Passage de roue

c

500
900
300
0 100
700
Concentration en bromure /mg litre-1

Étude et Gestion des Sols, 11, 1, 2004

o

88

o

Y. Coquet, C. Desbourdes-Coutadeur, P. Vachier, Jiri Simunek et J. Roger-Estrade

Tableau 1 - Paramètres hydrodynamiques des différents états structuraux. Les valeurs des paramètres modifiées figurent en italique etleurs valeurs originales sont indiquées entre parenthèses.
Table 1 - Hydraulic parameters of the various soil structures. The modified parameter values are shown in italics and their originalvalues are in parenthesis.
Structure
Lit de semences
Mottes Γ
Mottes ∆ etpassages de roue
Sol non travaillé

θr(cm-1)
0,02 (0,06)
0,00

θs

α

n

0,30 (0,42)
0,38 (0,44)

0,104
0,0752

1,60 (1,18)
1,12

Ks(cm-1)
42,2
24,4

0,00
0,06

0,39 (0,40)
0,38 (0,42)

0,0287
0,107

1,11
1,14

0,1 (4,09)
29,6

tures afin de mieux rendre compte des valeurs de teneur en eau
mesurées in situ. De plus, la valeur de Ks du sol tassé a été diminuée de 4 cm h-1 à 0,1 cm h-1 afin de pouvoir entraîner la formationde zones de saturation dans le profil, nécessaires à la reproduction
de l’hétérogénéité du front d’infiltration de l’eau et du bromure dansle sol. Les valeurs originales des paramètres modifiés figurent entre
parenthèses dans le tableau 1.

Modélisation
Lorsque l’on utilise les paramètres hydriques obtenus de façon
indépendante de l’expérimentation de terrain, il n’est pas possiblede rendre compte convenablement de la dynamique d’infiltration del’eau et des solutés à l’aide d’HYDRUS-2D (figure 6). La profondeurde pénétration est peu affectée par la présence des zones tassées. L’eau qui s’infiltre pénètre dans les zones tassées alors que
ce n’est pas ce qui est observé in situ. En revanche, lorsque l’on utilise le jeu de paramètres modifiés (tableau 1), il est alors possiblede rendre compte correctement des phénomènes observés: faible
infiltration sous les passages de roue, redirection des flux d’eau etde solutés vers les zones adjacentes aux passages de roue, effet« parapluie » des mottes ∆ dans la couche labourée, temps d’arrivée du front d’infiltration dans les différentes parties du profil (figure 3). Le développement des écoulements préférentiels le long despassages de roue est particulièrement sensible à la valeur de Ks deszones tassées. Il est en effet nécessaire que cette valeur soit inférieure au flux d’infiltration apporté à la surface du sol (ici 21 à
26 mm h-1). En revanche, la simulation des écoulements préférentiels
autour des zones ∆ est relativement peu sensible aux valeurs de dispersivités.
Si l’approche de modélisation 2D que nous proposons permet
de bien rendre compte des phénomènes observés de façon qualitative ainsi que l’on peut s’en rendre compte en comparant les parties b et c de la figure 3, on constate que l’ensemble des profils deconcentration n’est pas toujours correctement décrit (figure 7, à x= 90 ou x = 146 cm, par exemple). Plusieurs raisons permettent d’expliquer ce constat. Tout d’abord, malgré l’avantage d’un maillage non
Étude et Gestion des Sols, 11, 1, 2004

structuré dans HYDRUS-2D qui permet de s’adapter à toute géométrie, il n’a pas été possible de multiplier le nombre d’éléments finis
compte tenu de la taille du domaine de simulation et de nos ressources de calcul limitées. Donc la description géométrique desmottes ∆ dans l’entre roues reste une approximation. De plus, il reste
une incertitude de quelques centimètres entre la position en x, z deséchantillons prélevés pour l’analyse des concentrations en bromure et celle des structures du profil cultural enregistrée par dessin etphotos. Enfin, la modélisation réalisée reste bidimensionnelle, tandis que les mottes ∆ localisées dans l’entre roues, issues de passages de roues anciens, fragmentées et déplacées, ont une taillelimitée dans les 3 dimensions de l’espace. L’acquisition de cette 3edimension reste difficile à l’aide de techniques destructives.
Cependant, l’utilisation de méthodes géophysiques (Michot et al.,2001) devrait pouvoir permettre cette acquisition.
Les résultats présentés montrent qu’il est possible, par une
approche purement déterministe, de rendre compte de l’hétérogénéité du transport de l’eau et des solutés dans ce sol labouré. Le plus
souvent, ce type de modélisation relève d’une approche stochastique(Roth et al., 1991; Feyen et al., 1998), les modélisateurs faisant varieraléatoirement les propriétés hydriques (sur la base de leur moyenne, leur variance…). Lorsque la modélisation est déterministe, ce sontles propriétés des horizons successifs qui varient, chaque horizonétant lui-même considéré comme étant homogène. Ces résultats sontdonc encourageants quant à la possibilité de relier les pratiques culturales aux risques de pollution des nappes d’eau souterraines, via
l’hétérogénéité de la structure qu’elles engendrent. En particulier,comme les observations de terrain, ils soulignent l’importance de l’effet sur les transferts des zones et mottes ∆, de faible conductivité
hydraulique. La proportion de ces zones (proportion qui peut parailleurs être utilisée comme un révélateur de l’effet à moyen et longterme des systèmes de cultures sur le sol, (Roger-Estrade et al.,2004), dans ce volume) est très variable entre systèmes de culture, dépendant beaucoup des types d’opérations pratiquées, de lanature des équipements employés et du calendrier des interventions.

Transferts eau et solutés en sols cultivés

89

Figure 4 - Propriétés hydriques du sol (rétention en haut - conductivité hydraulique en bas) pour les 4 structures identifiées par le profil
cultural : a) lit de semences, b) structure Γ, c) structure ∆, d) sol non travaillé. Les données sont issues de l’infiltrométrie sous succion(∆), de la méthode de Wind (◆◆), de la méthode à charge constante (❒) et des presses de Richards (❍). Les courbes représentent
l’ajustement des fonctions de Mualem-van Genuchten. Les valeurs de θs et Ks ont été placées à pF = -1 et -2, respectivement.
Figure 4 - Soil hydraulic properties (retention at the top – hydraulic conductivity at the bottom) of the 4 structures identified within thetilled soil profile : a) seed bed, b) Γ structure, c) ∆ structure, d) untilled soil. The data were generated by using tension infiltrometry (∆),
the Wind method (◆◆), constant head method (❒) and the Richards pressure plates (❍). The lines show the Mualem-van Genuchten
functions fitted to the data. The θs and Ks values have been placed at pF=-1 and –2, respectively.
0.5
0.4

a

c

b

d

Teneur en eau volumique

0.3
0.2
0.1
0
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
-1

0

1

2

3

4

5 -1

0

1

2

pF

3

4

5

pF

-2
-4

a

c

b

d

Log10 conductivité hydraulique (ms -1 )

-6
-8
-10
-12
-2
-4
-6
-8
-10
-12
-2

-1

0

1
pF

2

3

4 -2

-1

0

1
pF

2

3

4

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ooY. Coquet, C. Desbourdes-Coutadeur, P. Vachier, Jiri Simunek et J. Roger-Estrade

Figure 5 - Caractéristique de rétention du lit de semences.
Ligne continue : fonction de van Genuchten ajustée aux données
de laboratoire (cf. figure 4a) ; points : mesures in situ à l’aide
de sondes TDR et de tensiomètres.
Figure 5 - Retention characteristics of the seed bed.
Continuous line : van Genuchten function fitted to laboratory data
(see figure 4a) ; points : in situ measurements taken by
TDR probes and tensiometers.

-60
Poteniel matriciel (kPa)

90

-50
-40
-30
-20
-10
0
0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

Teneur en eau volumiqueFigure 6 - Concentrations en bromure mesurées (a) et simulées à l’aide d’HYDRUS-2D en utilisant directement les paramètreshydrodynamiques obtenus de façon indépendante (b).
Figure 6 - Bromide concentrations measured (a) and simulated using HYDRUS-2D and the hydraulic parameters obtained
independently from the field experiment (b).

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Transferts eau et solutés en sols cultivés

91

Figure 7 - Profils de concentration en bromure mesurés comparés aux profils simulés à l’aide d’HYDRUS-2D et en utilisant lesparamètres hydriques modifiés (tableau 1).
Figure 7 - Measured bromide concentration profiles compared to profiles simulated using HYDRUS-2D and the modified hydraulicparameters (table 1).

0

200

400

600

800

1000

0

200

400

600

800

Concentration /mg litre-1

Concentration /mg litre-1

Concentration /mg litre-1

Concentration /mg litre-1

1000

0

200

400

600

800

1000

0

200

400

600

800

1000

0

Profondeur /cm

10
20
30
40
50
60
70

x = 2 à 66 cm

x = 74 cm

observé x = 106 cm
simulé x = 106 cm
simulé x = 114 cm

x = 122 cm

x = 82 cm

x = 90 cm

80
0Profondeur /cm

10
20
30
40
50
60
70
80

x = 146 cm

x = 186 cm

0Profondeur /cm

10
20
30
40
50
60
70

x = 194 cm

observé x = 210 cm
simulé x = 206 cm
simulé x = 210 cm

x = 218 à 298 cm

80

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o

o

Y. Coquet, C. Desbourdes-Coutadeur, P. Vachier, Jiri Simunek et J. Roger-Estrade

CONCLUSION

BIBLIOGRAPHIE

Les résultats de cette expérimentation mettent en évidence l’importance de l’hétérogénéité de la structure du sol induite par les passages d’engins et le travail du sol sur les transferts d’eau et de soluté. La vitesse d’infiltration est principalement contrôlée par laprésence de zones fortement tassées, non seulement localisées sousles passages de roues mais également dans la partie du profil
située entre ces passages. La présence de blocs tassés dans cettezone tient à la persistance des états internes ∆ créés lors des cultures précédentes. Dans le type de sol limoneux argileux sur lequell’expérimentation a été conduite, ces états peuvent perdurer plusieurs
années. Ces résultats montrent également que la variabilité dans l’espace des transferts qui se crée dans la partie travaillée du profil persiste lorsque l’eau atteint les horizons situés sous le fond de labour,
dont la structure est homogène: cela suggère de prendre en compte la variabilité spatiale de la structure pour évaluer les risques delixiviation sous les parcelles agricoles.
Les essais de modélisation reproduisent les différences de fonctionnement hydrique entre les zones poreuses et les zones tassées,ce qui devrait permettre à terme de tester les conséquences de conditions climatiques particulières (orages…) ou de différents états
structuraux du profil (quantités plus ou moins importantes de zones
tassées) correspondant à différents systèmes de culture. Enfin, il fautsouligner que la forte variabilité spatiale de l’infiltration telle quenous l’avons observée dans notre expérience est souvent attribuée
à l’existence de transports préférentiels dans le sol dus à la présencesoit de macropores, soit d’une fraction d’eau immobile dans la porosité du sol. Nous montrons que le transport préférentiel observé peutêtre décrit de façon déterministe en utilisant l’équation classique deconvection-dispersion et sur la base d’une description explicite et géométrique de la variabilité de la structure telle qu’on peut l’observer
sur le terrain par la méthode du profil cultural.

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93

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PUBLICATIONS ET DOCUMENTS PUBLIÉS PAR L’AFESREVUESOUVRAGESSCIENCE DU SOLLE LIVRE JUBILAIRE (1984)

Revue scientifique publiée de 1952 à 1993.
Elle comporte 300 à 400 pages par an. Un index est présenté
tous les ans dans le quatrième numéro.
A cessé de paraître fin 1993. Certains numéros disponibles.

LA LETTRE DE L’ASSOCIATION
Publiée quatre fois par an, ce journal annonce les nouvelles del’association, les réunions nationales et internationales ;il donne des critiques d’ouvrages, de thèses, de la
documentation, etc.
La Lettre est envoyée à chaque adhérent de l’association :elle accompagne l’adhésion.
Rédacteur en chef : J.P. Rossignol, ENITH, Angers.

ÉTUDE ET GESTION DES SOLS
Revue trimestrielle, francophone traitant de la connaissance etde l’usage des sols.
Rédacteur en chef : M. Jamagne.
Secrétariat de rédaction : Micheline Eimberck et J.P. Rossignol.
Le Comité Éditorial est composé de trente membres de France
et de pays francophones.

Point sur les acquis à cette date en matière de science du sol
et de pédologie.

FONCTIONNEMENT HYDRIQUE ET COMPORTEMENTDU SOL (1984)
PODZOLS ET PODZOLISATION
par D. Righi et A. Chauvel : ouvrage publié en coédition parl’AFES et l’INRA, avec le concours du CNRS, de l’ORSTOM, etde la région Poitou-Charentes (1987).

MICROMORPHOLOGIE DES SOLS/SOIL MICROMORPHOLOGY
par N. Fédoroff, L.M. Bresson, Marie Agnès Courty, publié parl’AFES avec le concours du CNRS, de l’INAPG, de l’INRA, duMinistère de l’Environnement et de l’ORSTOM (1985) (épuisé).

CARTE MONDIALE DES SOLS ET SA LÉGENDE
Présentée sous forme de deux diapositives (1984).

LE RÉFÉRENTIEL PÉDOLOGIQUE
Principaux sols d’Europe, deuxième édition 1995.
Ouvrage collectif publié par l’AFES et l’INRA.

SYNTHÈSE NATIONALE DES ANALYSES DE TERRE :PÉRIODE 1990-1994
par C. Walter, C. Schvartz, B. Claudot, P. Aurousseau
et T. Bouedo, avec le concours du Ministère de l’Agriculture etde la Pêche.

ACTES DU XVI CONGRÈS MONDIAL DE SCIENCES
DU SOL, MONTPELLIER - AOÛT 1998
E

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