ESTRATEGIAS DE GESTION EDUCACIONALEstrategias de Gestion Educacional
Gestion de l'Eau2
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2012 1 Colloque en agroclimatologie
Outilsagromtorologiquespourlaplanificationdelirrigationdescultures
Auteurs:SteevePepin,Ph.D.,professeurchercheur UniversitLaval,Qubec
GatanBourgeois,chercheurscientifique AgricultureetAgroalimentaireCanada,Bioclimatologieetmodlisation SaintJeansurRichelieu
Lvaluation, laide de mesures relles ou par modlisation, des pertes deau provenant descultures,vergersgrainesetfruitsafait lobjetdenombreuxtravauxderechercheaucoursdesdernires dcennies. Que ce soit pour concevoir un systme dirrigation ou de ponceaux, pourcomblerlesbesoinseneaudesproductionsagricole,horticoleetforestire,oupourgreretutiliserdefaonraisonnelesressourceshydriquesetleterritoire,cetteinformationestimportantepourleproducteur.Une conduite optimale de lirrigation visant satisfaire adquatement les besoins eneau des cultures est lun des lments incontournables dune agriculture durable. Le dfi savretoutefoisdetaille,enparticulierdanslecontexteactueldeclimatvariableetenvolution.Plusieursmthodesdeplanificationdelirrigationsontdisponiblesetvarientencomplexit,soitdela simple perception dun besoin en eau jusqu lutilisation de modles dynamiques de bilanhydriquedusol,combineaveclutilisationdemesuresdirectesdelhumiditdusol(Simonneetal.,2011). Au cur de toutes ces mthodes qui utilisent les donnes mtorologiques pour laplanificationdelirrigation,onretrouveleconceptdelvapotranspiration.Cetteprsentationvisemieuxcomprendreleslmentsrequispourprdirelvapotranspirationetexplorerlepotentieldesmodlesdebilanhydriquedusol.
APPROCHESBASESSURLVAPOTRANSPIRATION
Lvapotranspiration (ET) est la quantit de vapeur deau transfre dans latmosphre partranspiration des plantes et par vaporation au niveau du sol, de surfaces deau libre et autressurfaces interceptant la pluie. On dfinit lvapotranspiration potentielle (ETP) comme tant lavaleurmaximaledvapotranspirationduncouvertvgtalcontinulorsquilyasuffisammentdeaudisponible dans le sol pour satisfaire la demande vaporative de latmosphre. LETP dpendessentiellement des apports nergtiques et est indpendante des caractristiques de la surface.Lvapotranspirationrelle(ETR)correspondlaperteeneaueffectiveduncouvertvgtal,soitlasomme des quantits vapore et transpire, en tenant compte des diverses rsistances aumouvement de leau (solplantes) et la diffusion de la vapeur deau (feuillesatmosphre). Engnral, la demande atmosphrique (ETP) est suprieure loffre (ETR): la rduction delvapotranspiration sous le tauxpotentiel tant attribuable la fermeturepartielle des stomateset/ou lasschementde la surfacedu sol.Durant lt, une culturebien irriguepeutperdrede25mmenhauteurdeauparjour.
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2012 2 Colloque en agroclimatologie
Puisquelvapotranspirationrelledeplusieurstypesdecouvertsvgtauxreprsenteunevaleurrelativement constante de lETP, on peut estimer lvapotranspiration partir de lquation dePenmanetutiliserunfacteurdecorrectionappropripourlespcetudie(normalementcomprisentre 0,6 et 0,8 pour les climats temprs). Le coefficient de correction peut tre plus petit si lecouvertvgtalnecouvrepascompltementlesol.Cecoefficientestprfrablementremplacparuneconductancedelasurfaceautransfertdevapeurdeauappelelaconductanceducouvert(gc)qui dpend, entre autres, de la conductance stomatique (gs) moyenne des feuilles. Lajout, danslquation de Penman, dune conductance du couvert qui reprsente le contrle physiologiqueexercpar lesplantessur lvaporationconduit lquationdePenmanMonteith.UnedesformescourantesdelquationdePenmanMonteithest:
Ec = s Rn G( ) + ach ga D Pa s+ 1+ ga gc( )( ) (q.1)oEcestlvapotranspirationducouvert(molm2s1),sestlapente(enPaC1)delarelationentrelatempratureetlapressiondevapeurdeausaturation,Rnestlerayonnementnetaudessusducouvert (Wm2), G est la chaleur accumule dans le couvert (W m2), a est la densit de lair(1204kg m3), ch est la capacit de chaleur de lair (29,3 Jmol1), ga est la conductancearodynamique (mol m2 s1), gc est la conductance du couvert (mol m2 s1),D est le dficit desaturation de lair (en Pa), Pa est la pression atmosphrique et est la chaleur latente devaporisationdeleau(44kJmol1).IlestnoterqueGest~0pourdespasdetempsde24heures.
Cette quation de PenmanMonteith permet destimer la transpiration du couvert entier sur unebase quotidienne, hebdomadaire oumensuelle. Les variables environnementales requises sont latempratureetlhumiditdelair,lerayonnementsolaireetlavitesseduventaudessusducouvert.Lorsquelvapotranspirationduneculturedoittreestimesurdelongsintervallesdetemps,ilestsouhaitabledutiliserdesdonnesmtorologiquesquotidiennes(ouhoraires)etdefairelasommedes volumes deau vapore et transpire quotidiennement plutt que dutiliser des moyenneshebdomadairesoumensuellesdurayonnementsolaire,de lavitesseduvent,de latempratureetde lhumiditde lair (CampbelletNorman,1998).LquationdePenmanMonteithestdeplusenplusutilisepourgrerlirrigationenagricultureetelleesttrsutile,entreautres,pourexaminerlinfluencedesvariablesenvironnementalesetdescaractristiquesducouvertsurlvapotranspiration.
Ilestncessairedvaluerlesbesoinseneaudunecultureafindedterminerlesvolumesdeauapporterparirrigationaucoursdelasaisondecroissance(entenantcomptedesprcipitationsetde la rserve en eau du sol). Lvapotranspiration potentielle (ETP), qui est essentiellement unefonction de la demande vaporative de latmosphre, permet destimer la demande en eau descultures. LETP dune culture de rfrence (ETo) a tmise en place dans les annes 1970 pourliminer la ncessit de calibrer une quation dET spcifique chaque culture, stade cultural etzone gographique (c.d. calage local; Pereira et al., 2006). Lvapotranspiration de rfrencecorrespondlETdelavgtationaudessusdelaquellelesvariablesclimatiquesonttmesures,de faonbienreprsenter lesprocessusphysiquesetbiologiquesdans lebilannergtiqueduncouvertvgtal.LaFAOaadoptuncouvertdegazoncommeculturederfrence,dunehauteurvariantentre8et15cmetdontlaconductanceautransfertdevapeurdeausesitueautourde0,014m s1, ces paramtres fournissant des valeurs acceptables dETo dans la plupart des zones et
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conditionsclimatiques(Lascano,2007).SelonAllenetal.(1998),lvapotranspirationderfrenceestdfiniecommelefluxdETduneculturehypothtiquederfrence,dunehauteursupposede0,12m,dunersistancedesurfaceautransfertdevapeurdeaude70sm1etayantunalbdode0,23,trsprochedelETdunegrandesurfacedegazondehauteuruniforme,encroissanceactive,avecunapprovisionnementeneauconvenable.LapprochedePenmanMonteith(PM)atchoisieparlaFAOcommemthodeprivilgiedestimationdelETodugazonetdescoefficientsculturaux(Pereira et al., 2006). Lquation dETo donne par la mthode FAOPM pour une priode de24heuresest:
ETo = 0, 408 s Rn G( ) + (900 Ta + 273) u2 (es ea)s+ 1+ 0,34u2( ) (q.2)o ETo est lvapotranspiration de rfrence (mm j1), Rn le rayonnement net la surface de laculture(MJm2j1),G lefluxdechaleurlasurfacedusol(MJm2j1),Talatempraturemoyennequotidienne de lair une hauteur de 2m (C), u2 la vitesse du vent 2m (m s1), es et ea lespressionsdevapeurdeausaturanteetrelledelair2m(kPa),slapente(enPaC1)delarelationentre es et la temprature, la constante psychromtrique (kPa C1), 900 un coefficient pour legazon(kJ1kgK;liauxunitsutilisesetlasubstitutiondea,chetga),0,34uncoefficientdeventpour le gazon (kJ1 kg K; provenant de ga/gc) et 0,408 linverse de la chaleur latente devaporisationdeleau(2,45MJkg1).
Lvapotranspirationduneculture(ETc)peutsecalculerdirectementparlquation1siondisposededonnes suffisantespour le calculdesparamtresde culture (notammentga etgc). Cependantdanslapratiquedelirrigation,onmultipliegnralementEToparuncoefficientcultural,kc,lequelvarie un peu avec le climat, mais essentiellement avec les caractristiques propres de la culture(Pereiraetal.,2006).Lescoefficientsculturaux(fournisparlaFAO)sonttablisexprimentalement(kc = ETc/ETo) partir de mesures dETc (par exemple, laide des lysimtres pesables) et parestimationdunevaleurdETolaidedelquation2.Lavaliditdecescoefficientsculturauxatprouvepardenombreuses applications rapportesdans la littrature (par exemple,Allen etal.,2005)ainsiquepardesapprochespartldtection(Nealeetal.,2005).Lecoefficientkcpeutvarierselonledveloppementcultural,prsentantdesvaleursdiffrentespourlaphaseinitiale(0,30,7),lamisaison(0,91,15)etlarriresaison(delamaturationlarcolte;0,251,15).
APPROCHESBASESSURLEBILANHYDRIQUEDUSOL
Lapport ncessaire en eaupar irrigationpour rpondre aux besoins en vapotranspirationde laculture dpend du type de culture, des caractristiques du sol et de lamtorologie. Diffrentescultures ont des caractristiques de croissance qui se traduisent par diffrents taux relatifsdutilisationdeleau.Lessolsvarientdansleurscaractristiquestexturalesethydriques,tellesquelacapacitauchamp,lepointdefltrissementetlemouvementcapillaire.Afindetenircomptedetousceslments,Simonneetal.(2011)recommandent,pourlaplanificationdel'irrigationdanslescultures marachres, dutiliser des modles dynamiques de bilan hydrique du sol, incluant lamtorologie et lvolutiondu stadephnologiquede la culture, et desmesuresdirectesde l'tathydriquedusolauchamp.
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2012 4 Colloque en agroclimatologie
Le logiciel VSMB (Versatile SoilMoistureBudget), dvelopp par des chercheurs d'Agriculture etAgroalimentaire Canada, est un modle de bilan hydrique semidynamique pouvant s'avrer uncompromis intressant pour les producteurs. Une version nomme IRRIGUE a t propose audbut des annes 1990 comme outil de gestion de l'irrigation, initialementmis au point pour laculturedelapommedeterre.Danscetteculture,certainsessaisontteffectusetlesrsultatsontdmontr sonutilit. Le logiciel VSMBoffre les avantagesdesmodlesdynamiques tout en tantsimple d'utilisation. Avant de dbuter son utilisation, il est ncessaire de caractriser plusieurslmentsdusitedsiretdelaculturesimule:i)courbedertentiondeauetprofilhydriquedusol (densit apparente, saturation, capacit au champ, point de fltrissement, etc.) plusieursprofondeurs, ii) caractrisation de la culture en termes de prdiction de rendement et delextractiondeleaupourchaquestadephnologiqueetprofondeurdesoletiii)initialisationdelaquantitdeauprsentedanschaquehorizondusolaudbutdelasimulation.Aucoursdelasaisonde croissance, les donnes suivantes doivent tre recueillies et intgres dans les fichiersappropris:i)laquantitdeauajoutechacunedesdatesoilyaeuirrigationetii)lesdonnesmtorologiques quotidiennes, soit la temprature maximale, la temprature minimale et lesprcipitations.Optionnellement, les prvisionsmtorologiques pour les prochains jours peuventaussitreintgresdanslemmeformatquelesdonnesmtorologiques.Commelesprvisionsmtorologiques concernant les prcipitations sont habituellement exprimes en probabilit deprcipitations, lutilisateur doit transformer luimme cette probabilit (%) en quantit de pluie(mm)poureffectuerlessimulationsdsires.
partirdumomentotouscesparamtressontconfigursetintgrsdanslesdiffrentsfichiers,ilest possible de simuler la dynamique de leau dans les diffrents horizons de sol qui ont tconfigurs. Les rsultats de simulation peuvent tre illustrs de diffrentes faons, dont lesquantitsdeauprovenantdesprcipitationsetdelirrigationetlesquantitsdeausimulesdanslesol. Lutilisation dun logiciel comme VSMB pour prdire la quantit deau dans le sol offre unexcellentpotentielpourlargiedelirrigation,pourvuquelonpuissecaractriseradquatementlescoefficients associs lextraction de leau pour chaque stade phnologique de la culture et pourchaqueprofondeurdesol,informationsquisontrarementdisponiblesdanslalittrature.Deplus,ilest important de calibrer rgulirement les prdictions dhumidit du sol avec des observationsfiables au champ. Il semble que lutilisation de tensiomtres serait la mthode la plus simple etefficace pour effectuer ces observations. Toutefois, comme plusieurs quipements de mesure,lutilisation adquate et lentretien minutieux sont deux critres essentiels pour assurer le bonfonctionnementdeceuxci.
titredinformation,unnouveloutildeplanificationdelirrigationbassurlebilanhydriqueseraoffertenmodeexprimentaluneclientlecibleds laprochainesaisonagricole.DveloppeenColombieBritannique(BC)par lIrrigation IndustryAssociationofBC,cette interfaceWebattraduite et adapte ces derniers mois afin de pouvoir intgrer des observations et prvisionsmtorologiques du Qubec. En plus de la mtorologie (temprature, vapotranspiration etprcipitations), cet outil tient compte galement du type de culture, de la nature des sols et dusystme dirrigation employ afin de proposer des quantits deau dirrigation appliquer pourrpondreauxbesoinsdescultures.Aucoursdesdeuxprochainesannes, ilestprvude tester laperformancedecemodlesousnosconditionsetdvalueruneapprochehybride,soitloutildelaBCcoupldesmesuresentempsreldesconditionshydriquesdusol.
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2012 5 Colloque en agroclimatologie
RFRENCESAllen,R.G.etal.1998.Cropevapotranspiration.GuidelinesforComputingCropWaterRequirements.
IrrigationandDrainagePaperNo.56,FAO,Rome,p.300.
Allen,R.G.etal.2005.Predictionaccuracyforprojectwideecapotranspirationusingcropcoefficientsandreferenceevapotranspiration.JournalofIrrigationandDrainageEngineering.131:2436.
Bourgeois, G. 2006. Planification des irrigations l'aide demodles bioclimatiques. Colloque surl'irrigation,Boucherville,10fvrier2006.CRAAQ.
Campbell, G.S. et J.S. Norman. 1998.An introduction to environmental biophysics, SpringerVerlag,NewYork,2edition,286p.
Lascano,R.J.,2007.Thesoilplantatmospheresystemandmonitoringtechnology.DansLascano,R.J.&SojkaR.E.(eds).IrrigationofAgriculturalCrops.2edition.Agronomyno.30.pp.85115.
NealeC.M.U.etal.2005.Irrigationwatermanagementusinghighresolutionairborneremotesensing.IrrigationandDrainageSystems.19:321336.
Penman,H.L., 1948.Natural evaporation fromopenwater,bare soilandgrass. Proceedings of theRoyalSociety,LondonA,193:120145.
Pereira,L.S.etal.2006.Mthodepratiqueducalculdesbesoinseneau.DansTiercelin,J.R.&VidalA.(eds).Traitdirrigation.Lavoisier,Paris,2edition,pp.227268.
Simonne,E.H.etal.2011.Chapter3.Principlesandpracticesofirrigationmanagementforvegetables.UniversitofFlorida,IFASExtension20112012AE260.pp.1727.
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1Outils agromtorologiques pour la planification de lirrigationpour la planification de l irrigation
des cultures
Steeve Pepin, Sols et gnie agroalimentaire, Universit LavalGatan Bourgeois, AAC, Centre de recherche et dveloppement
h ti lt S i t J Ri h lien horticulture, Saint-Jean-sur-Richelieu
Mise en contexte
vapotranspiration : potentielle (ETP), de
Plan de la prsentationPlan de la prsentation
vapotranspiration : potentielle (ETP), de rfrence (ETo) et relle (ETculture)
lments requis pour prdire lET
Avantages et limites de lapproche ET
Modles de bilan hydrique du sol
Modle Versatile Soil Moisture Budget
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2Planifier lirrigation des cultures
Photo : Gayle Clement (2004)
Efficacit de lutilisation de leau (EUE)
EUE dEUE duune culturene culture
Acquisition de CAcquisition de C Volume total Volume total ddeeau utiliseau utilise++RespirationRespiration PhotosynthsePhotosynthse
dd eeau utiliseau utilise
ISF, structure du couvertISF, structure du couvert
Interception de la lumireInterception de la lumire
vaporation (sol) vaporation (sol) RuissellementRuissellement
DrainageDrainage
Flexas et al. (2010)
Assimilation Assimilation foliairefoliaire
Interception de la lumireInterception de la lumirex x
Transpiration foliaire Transpiration foliaire (E = g(E = gss x DPV)x DPV)
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3Augmentation de ~ 7 mm /anne(19821997)
vapotranspiration lchelle plantaire
Jung et al. (2010)
Tendance la baisse(19982008)
Diminution de lET lchelle plantaire
Jung et al. (2010)
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4vapotranspirationvapotranspiration vapotranspiration (ET) : quantit de vapeur deau transfre
dans latmosphre par transpiration (plantes) et par vaporation au niveau du sol
vapotranspiration potentielle (ETP) : valeur maximale dETen fonction des caractristiques nergtiques et dynamiques de latmosphre (suffisamment deau pour satisfaire la demande vaporative)
vapotranspiration relle (ETculture) : perte de vapeur deau effective subie par un couvert vgtal. Moindre que lETP cause des rsistances la circulation de leau (solplantes) et la diffusion de la vapeur deau (feuillesatmosphre)
ET dune culture bien irrigue : 2 5 mm par jour
Bilan nergtique et vapeur deau Rayonnement solaire incident de courtes longueurs donde
Rayonnement solaire rflchi
Rayonnement de grandes longueurs
donde
Rflchi par les nuages, les arosols et
Ch l
les arosols et latmosphre
mis par latmosphre
Fentre atmosphrique
Gaz effet de serre
Rflchi par
Absorb par latmopshre
Chaleur latente
Bilan nergtique de la Terre en W m2 (Tir de Onil Bergeron, 2007)
ETChaleursensible Rayonnement rmisRflchi par la surface
vapo-transpiration Absorb par
la surface
Ascendances thermiques
Rayonnement de la surfaceAbsorb par la surface
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5Conductance stomatique et DPV
Air F ill
Dficit de pression de vapeur :(es (Tculture) eair )
Louverture des stomates contrle :
Air(500 bars) Feuilles(12 bars)
les flux de vapeur deau la quantit dnergie dissipe par ET vs chaleur sensible
Racines(3 bars)
Tension du sol(0,3 bars)
quation de Penman pour estimer ET Temprature de la surface vaporante (couvert vgtal)
est ncessaire pour estimer le flux de vapeur deau
Penman (1948) suggre dutiliser le bilan nergtique ( ) gg g qpour remplacer Tsurface Tair
nergie Dficit de saturation
gH = transport par convection de la chaleur et de la vapeur deau
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6 Facteur de correction remplac par une conductance du couvert (gc) au transfert de la vapeur deau = contrle physiologique de lET par les plantes
quation de Penman-Monteith
ET de rfrence (ETo) selon la FAO
Lquation P-M permet destimer ETo et les coefficients culturaux
Pas de temps = 24 heures
ET de rfrence et coefficients culturauxET de rfrence et coefficients culturaux
Rfrence = gazon dune hauteur ~8 15 cm, albdo ~0,23 et gv ~0,014 m s1; (luzerne pour les cultures de grande taille)les cultures de grande taille)
ETo limine le calage local pour chaque culture On multiplie ETo par un coefficient cultural (kc)
pour obtenir ETmaximale
kc = ETculture / EToc culture o kc peut varier selon le stade phnologique
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7Avantages et limites de Avantages et limites de PenmanPenman--MonteithMonteith
ETmaximale pour guider les apports par irrigation (ajusts en fonction des relevs tensiomtriques)
P ti d l i i ti ( til )tag
es
Pratique pour dmarrer les irrigations ( rserve utile)
Estim fiable dETP; aucun calage localAvan
kc varie durant la saison, espacement des rangs Aucune culture de rfrence pour couvert de mas
mite
s
Conductance gc varie avec le climat, pratiques culturales Estimation indirecte dETculture; rsolution spatiale
Lim
ETo
-
81 0
1.2
5
6Canneberge Bieler juillet 2011
)
Estimation de lETo (quation P-M FAO)
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1
2
3
4
ETo
(mm
h1
ET
o (mm
j 1)
0.0
0.2
018 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28
Approche agromtorologiqueApproche agromtorologique
vapotranspirationPrcipitation,
roseRequiert une estimation de la demande en eau (ETP) et des ressources en eau (rserve en eau du sol, pluie, doses
1) Modliser le bilan hydrique du sol (par ex., deux rservoirs : superficiel : ~40% de RU profond : ~60% de RU
Ruissellement
Interception,rtention
Prlvement
Prcipita-tion au sol
dirrigation apportes)
p
2) Utiliser Pluie ETP sans bilan hydrique du sol
Montecapillaire
Prlvementracinaire
Emmagasinement deau dans le sol, nappe phratique
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9SommaireSommaire Donnes mto disponibles en temps rel pour
valuer les besoins en eau des cultures via des mesures de prcipitations et lestimation de lETPmesures de prcipitations et l estimation de l ETP
Bilan hydrique du sol permet de calculer ETR et puis la dose dirrigation est estime par ETM ETR
Dpend de la prcision des paramtres culturaux (variation de kc; double coefficients)
Utilisation judicieuse de leau
Outils agromtorologiques pour la planification de lirrigation des culturesplanification de l irrigation des cultures
Gatan Bourgeois1 et Steeve Ppin21 AAC, Centre de recherche et dveloppement en horticulture, Saint-Jean-sur-Richelieu2 Universit Laval, Qubec
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i. Dterminer la quantit deau requise par la cultureii. Dterminer le temps le plus appropri pour effectuer
l ti
Planification de lirrigation des cultures
lopration
Outil daide la dcision : bilan hydrique du sol Recommandation de Simonne et al. (2011) pour les cultures
marachres : Utiliser des modles dynamiques de bilan hydrique du sol,
i l t l t l i t l l ti d t d h l i d incluant la mtorologie et lvolution du stade phnologique de la culture
Utiliser des mesures directes de l'tat hydrique du sol au champ
Reprsentation du principe de bilan hydrique
Prcipitation
ETPIrrigation
DrainageRemonte capillaire Lessivage
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Rsultat de recherches sur la modlisation de lhumidit des sols
Initialement propos par Baier et Robertson (1966)V i 1 B i t ll (1972)
VSMB (Versatile Soil Moisture Budget)
Version 1 : Baier et coll. (1972) Version 2 : Baier et coll. (1979) Version 3 : Dyer et Mack (1984), valuation au champ Versoin 4 : Boisvert et al. (1992), manuel de rfrence IRRIGUE (Boisvert et al. (1990), test de faon limite pour
certaines cultures au Qubeccertaines cultures au Qubec Traduction de VSMB du langage Fortran Visual Basic
(Bourgeois et al., 2005), valuation dans le cadre dun projet sur lirrigation du chou-fleur et du fraisier
Prdictions de lhumidit du sol (VSMB)
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Prdictions de lhumidit du sol (VSMB)
34
36
38
Prdictions de lhumidit du sol (VSMB)
22
24
26
28
30
32
Eau
pond
ral
e (%
)
18
20
160 180 200 220 240 260
Jour de l'anne
Eau 0-8 cm simule Eau 8-20 cm simule Eau 20-30 cm simule
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Conclusions VSMB : excellent potentiel pour planifier les irrigations Limite principale : capacit caractriser
adquatement les coefficients associs lextraction adquatement les coefficients associs l extraction de leau pour chaque stade phnologique de la culture pour chaque profondeur de sol
Calibration rgulire des prdictions dhumidit du sol avec des mesures fiables au champavec des mesures fiables au champ Exemple : tensiomtres Critres : utilisation adquate, entretien minutieux
Planification de lirrigation (BC) Projet pilote pour une implantation au Qubec