Résumé "Heft 35"

Résumé:

Le bilan hydrique des sols d'un site d'altitude du sud de la Forêt noire

La présente étude a été réalisée dans le cadre du projet d'écologie forestière ARINUS. Pendant la période de recherches de 1987 à 1994, le bilan hydrique des sols du site ARINUS du Schluchsee a été déterminé à l'échelle globale du bassin de même qu'au niveau de différentes parcelles de mesure.
Le but de cette étude était de quantifier et de modéliser les différentes composantes du bilan hydrique des sols. Pour cela un modèle de transport de l'eau dans le sol basé sur des critères physiques a été adapté au site d'étude, permettant de déterminer de façon plus fine le bilan hydrique des parcelles d'étude en fonction du temps et de l'espace. La représentativité des flux d'eau obtenus pour chaque parcelle doit ensuite être évaluée par comparaison avec le bilan hydrique du bassin versant. Une fois le modèle adapté de façon satisfaisante au site d'étude, une simulation rétrospective du bilan hydrique des sols de 1962 à 1987 peut être réalisée à partir de données météorologiques, permettant de mieux interpréter le phénomène de jaunissement des épicéas de montagne ainsi que différents aspects de la croissance des arbres forestiers.
Le podzol du site d'altitude étudié (précipitations annuelles 1800 mm, température moyenne annuelle 4,5°C) s'est formé à partir de matériaux de dégradation du granit de Bârhalde pauvre en bases. La texture sablo-limoneuse du sol ainsi que la haute proportion d'éléments grossiers (de l'ordre de 60 à 80 % du poids) expliquent que les macropores constituent 50% de la porosité totale. La conductivité hydraulique à saturation est très élevée sur tout le profil avec une valeur moyenne de 200 cm/jour. La réserve utile se situe dans un domaine moyen de 130 à 160 mm à 1 m de profondeur. Dans le sol minéral, la valeur du potentiel capillaire mesurée à l'aide de tensiomètres s'est maintenance en deçà de la valeur pF = 2,74 (~550 cm de colonne d'eau) tout au long des sept années de l'étude. Ainsi, le site d'altitude du Schluchsee présente une bonne alimentation en eau, ce que laissaient présager les grandeurs capacitives du bilan hydrique. Malgré cela, des signes évidents de dessèchement sont apparus dans l'horizon organique pendant les étés secs de 1991 et 1992. Les valeurs maximales de la teneur en eau volumétrique alors mesurées par les sondes de TDR se situaient aux environs de 9% du volume.
Le modèle WHNSIM utilisé pour la simulation des flux d'eau dans le sol repose sur une solution unidimensionnelle de l'équation de RICHARDS qui tient compte de l'eau de drainage latéral à travers des termes de puits et de source. Etant donné que le modèle a été conçu pour des sites agricoles, le facteur d'évapotranspiration a dû être adapté à la situation de forêt. L'évapotranspiration potentielle a été calculée à l'aide de la formule de HAUDE avec des facteurs de forêt et d'altitude. L'évaporation d'interception a été obtenue par la différence entre précipitation hors couverts et ruissellement de la couronne. Une comparaison avec les valeurs journalières de l'évapotranspiration potentielle a alors permis de calculer les taux de transpiration potentielle ensuite réduits à la transpiration réelle à l'aide d'une fonction dépendant de l'humidité du sol.
Les précipitations hors couvert mesurées pendant la durée de l'étude se situaient entre 1410 mm/an et 2160 mm/an. L'interception très faible, n'atteignait que 16% de précipitations hors couvert. L'évapotranspiration réelle s'élevait à 520 mm/an, dont 42% attribuables à la transpiration réelle. La part importante de l'évaporation d'interception s'explique par les conditions climatiques perhumides du site d'altitude. L'écoulement moyen du bassin versant était de 1390 mm/an, correspondant à peu près aux valeurs ponctuelles d'infiltration de l'ordre de 1338 mm/an. L'écart du bilan hydrique du bassin correspondant à 4,4% des précipitations hors couvert se situe dans le domaine d'erreur des mesures de précipitation de sorte que l'ordre de grandeur de l'évapotranspiration calculée à partir du bilan de plusieurs années peut être considérée  comme fiable.
Le modèle a été calibré à l'aide de fonctions paramétriques des caractères physiques du sol. Etant donné que la mesure de la conductivité hydraulique K(T) est particulièrement incertaine sur le terrain et que le risque d'erreur dû à l'extrapolation de résultats de laboratoire aux résultats de terrain est considérable, les valeurs de départ utilisées pour le calibrage itératif ont été tirées des relations observées en laboratoire. La comparaison des potentiels capillaires simulés par le modèle avec les valeurs mesurées a servi de critère d'optimisation. La paratnétrisation optimale calculée pour la courbe des pF ? (T) correspond à une sigmoide. Les valeurs de la conductivité hydraulique mesurées dans les couches supérieures du sol étaient comparables à celles obtenues en laboratoire. Par contre, dans les couches inférieures, les valeurs de laboratoire initialement utilisées pour le calibrage étaient plus élevées. Une deuxième étape consiste en la comparaison des valeurs des teneurs en eau des sols mesurées et calculées. Une simple transposition de la courbe des pF obtenue en laboratoire a permis de faire correspondre les valeurs de teneur en eau simulées avec celles mesurées avec les sondes de TDR. De cette manière, une interprétation physiologique de l'humidité mesurée dans l'horizon organique a pu être réalisée. La validation des deux grandeurs de mesure ?M et T a été réalisée à l'aide de données indépendantes récoltées pendant plusieurs années de conditions climatiques différentes. Une confrontation du drainage vertical simulé avec des valeurs obtenues à partir d'un modèle antérieur de bilan hydrique des sols d'une part et avec l'écoulement du bassin versant d'autre part a permis de renforcer cette validation. Les bilans annuels obtenus à partir des deux modèles ainsi que la comparaison entre drainage vertical et écoulement du bassin versant présentent des écarts faibles et non systématiques. Les taux de transpiration réelle calculés par le modèle ont pu être comparés à des mesures de flux de sève xylémique avec un écart de seulement 10% pour la somme de 1994. La plupart du temps, les taux de transpiration et les flux de sève xylémique ont présenté des évolutions parallèles. Les nombreux contrôles effectués à partir de grandeurs mesurées indépendamment permettent d'affirmer que le modèle de bilan hydrique des sols est bien validé pour le site étudié.
Dans le but de réaliser une simulation rétrospective, des valeurs journalières moyennes de précipitations, d'humidité relative de l'air et de température de l'air mesurées dans les stations météorologiques situées à proximité du site ont été transposées au site lui-même. Etant donné que des données météorologiques avaient été recueillies pendant une longue période sur le site, des modèles de régression ont pu être utilisés. Les hypothèses pour la simulation rétrospective ont été testées par application à la période de mesure et confrontées aux valeurs mesurées. Les valeurs hypothétiques et les valeurs mesurées se sont avérées similaires.
La simulation rétrospective pour la période 1962 à 1987 n'a pas révélé pas d'assèchement important des couches superficielles du sol que pour les années 1976, 1983 et 1985. En 1976 et 1983, la sécheresse s'était déclenchée dès le début de la période de végétation. La sécheresse qui s'est produite pendant ces deux années-là a été évoquée dans la littérature comme un facteur déclenchant et synchronisateur du phénomène de jaunissement des épicéas de montagne. Des assèchements aigus similaires ont également pu être constatés dans l'horizon organique pendant les années de mesure de 1990 à 1992. Cependant que ces assèchements se sont produits plus tard au cours de la période de végétation, ils n'ont entraîné ni jaunissements ni diminutions de la teneur en magnésium des aiguilles. Le jaunissement des épicéas de montagne est à l'origine causé par une mauvaise alimentation en magnésium. Sur le site peu saturé en bases du Schluchsee, la réserve principale de Mg disponible se situe dans l'horizon organique où se trouve 60% de la masse de racines fines. Pendant la période de croissance du début de l'été, qui correspond à des besoins élevés en nutriments, un assèchement des couches supérieures du sol provoque une diminution de l'apport de nutriments et réduit ainsi l'absorption par les racines fines. Un assèchement des couches superficielles du sol au début de l'été peut donc être considéré comme un facteur déclenchant le phénomène de jaunissement des aiguilles d'épicéas de montagne. Une comparaison qualitative entre les termes de bilan hydrique du sol et la croissance radiale des arbres n'a pas permis d'établir de corrélation entre ces deux grandeurs. Sur les site perhumide d'altitude du Schluchsee, de l'eau reste disponible pour les plantes au niveau de l'espace racinaire profond même au cours d'années sèches comme 1983 de sorte qu'un stress hydrique à proprement parler ne se produit pas. La simulation rétrospective de la dynamique de l'humidité des sols a permis d'établir une base de données qui devrait permettre la poursuite d'analyses sur la croissance du peuplement des sites expérimentaux du programme ARINUS.