Modélisation 3-D de l'interception de la pluie par le bananier : effets des caractéristiques physiques du couvert sur les flux d'eau et d'énergie cinétique transmis au sol

French. Selon leur structure, la forme, les propriétés (flexibilité, mouillabilité et rugosité) de leurs feuilles, tiges et troncs, les couverts interceptent la pluie de façon différente. Dans le cas du bananier, l’architecture fortement redistributive de la pluie forme des flux d'eau localisés en écoulement le long du pseudo-tronc (stemflow) et sous le feuillage (throughfall). La culture bananière d'exportation a un caractère intensif caractérisé par des épandages importants de fertilisants N, P, K (nitrates, phosphates et potassium) et de produits phytosanitaires contre les nématodes, les insectes et la cercosporiose. En cas de forte pluviométrie, ces intrants, déposés en granulés au pied des bananiers ou pulvérisés aux dessus des bananeraies sous forme d'aérosols, peuvent être entraînés par lessivage et transportés par ruissellement et infiltration vers les cours d'eau et dans les sols, constituant ainsi un risque pour l'environnement et la santé humaine. Afin de limiter le lessivage d'intrants et de proposer des techniques de culture plus respectueuses de l'environnement, il était important d'identifier les zones de flux maximaux sous bananier. Nous avons utilisé DROP, un modèle combinant un modèle architectural de plante (alimenté par digitalisation) et un modèle de distribution de pluie prenant en compte les propriétés physiques des feuilles et de la pluie qui fournit les cartographies 2-D des distributions d'eau au sol sous les plantes. Il était nécessaire de développer et améliorer le modèle qui n'était pas adapté aux formes complexes des feuilles du bananier et ne simulait ni les phénomènes locaux d'interception, ni les interactions entre plantes. L'adaptation du modèle aux feuilles de bananier a nécessité l'amélioration de la méthode de triangulation utilisée pour la représentation des plantes. Différentes expérimentations ont été conçues pour développer le modèle de simulation des écoulements. Sa validation a été faite en comparant les cartographies simulées et mesurées sous un bananier placé sous un simulateur de pluie. Des mesures de distribution de la pluie en parcelle ont été également utilisées pour tester le modèle appliqué à une parcelle. Enfin, des expérimentations permettant de mesurer les phénomènes d'éclaboussures (splash) et de stockage sur de petites surfaces ont été menées pour développer un modèle d’interception à l'échelle de la feuille. La nouvelle triangulation procure une description tridimensionnelle précise des architectures de bananiers. Les prédictions des distributions de la pluie sous les bananiers confirmant la prépondérance du stemflow, ont été améliorées par l'introduction de lois d'interception locales. Par épisode pluvieux, les pertes par interception représentent en moyenne 1 mm pour des bananiers âgés de 5 mois et semblent augmenter avec le LAI. La surestimation de certaines transmissions d'eau de pluie au sol laisse supposer que ces pertes par interception sont encore sous-estimées. Les modifications des énergies cinétiques et des débits par les bananiers font apparaître une zone comprise entre ½ et ¾ du rayon de la couronne foliaire où il y aura risque d'érosion, de ruissellement et d'entraînement d'intrants. Enfin, l'adaptation du modèle à la simulation de plusieurs plantes en interaction permet d'envisager son application à des situations agronomiques en bananeraie. Cette démarche développée dans DROP pourrait être appliquée à d'autres plantes, du fait du caractère générique des méthodes scientifiques qui lui sont associées.

English. Rainfall interception by canopies varies according to their structure and the properties of their leaves, stems and trunks (shape, flexibility, wetness and rugosity). In the case of a banana plant, the architecture provides important rainfall redistribution as stemflow (water flux on the stem) and throughfall (water fluxes through the foliage). Industrial banana cropping used high input rates for fertilisation and pest control (nematodes, insects and fungi). In high rainfall conditions, these granules spread to the soil near plant collars or liquid sprayed on the leaves can be leached and carried to surface or ground waters by run-off and infiltration, threatening environment and human health. Thus, it became a major issue to locate and quantify stemflow and throughfall below the plants to limit input leaching and help in the design of environmental-friendly practices. We used the DROP model that combined plant architecture from digitising and rainfall distribution simulation according to the plant physical properties. This model provided 2-D maps of water distribution below plants. We improved the model triangulation to account for complex banana leaf shapes and developed the simulation of local interception processes and mutual plant interactions. We designed several experiments for: (i) the model validation by comparison of measured and simulated transmission maps under a rainfall simulator, (ii) the model test with actual canopy rainfall distribution measurements in the field, (iii) the development and parameterisation of the local interception model based on leaf splash and storage measurements. The new triangulation provided precise banana architectural descriptions. Rainfall distribution simulations, improved by the new features, confirmed stemflow predominance. For five months old banana plants, the interception loss that reached on average 1 mm per rainfall event tended to increase with the LAI. The remaining overestimation of some rainfall transmissions could be explained by some underestimation of interception loss. We show that high kinetic energies and rainfall rates appeared in a ring comprised between ½ and ¾ of the maximum crown radius. In this area, erosion, run-off and input leaching may occur. Finally, the model improvement for the simulation of plant interactions will allow the investigation of varied crop field patterns. The approach developed in the DROP model that used generic formalism will be applied to other plants.