Flux couplés d'eau et d'oxygène dans les supports de culture organiques : analyse et modélisation

par Rémi Naasz

Thèse de doctorat en Sciences agronomiques

Sous la direction de Sylvain Charpentier.

Soutenue en 2005

à Angers .


  • Résumé

    Les propriétés de rétention et de circulation de l'eau et de l'oxygène dans les supports de culture présentent de fortes particularités qui sont liées à un volume réduit de substrat (pot, conteneur), dans lequel les biodisponibilités hydrique et gazeuse fluctuent fortement et rapidement au cours de la journée. Afin d'optimiser les apports d'intrants aux besoins de la plante, tout en limitant les rejets vers l'environnement, il est nécessaire d'améliorer la compréhension des processus de transfert de matière dans les substrats au voisinage des racines. Dans cette optique, nous nous sommes tout d'abord attachés à mesurer et à comprendre l'impact des propriétés physiques de deux matériaux organiques modèles (tourbes blondes et écorces de pin compostées) sur les processus de transfert de matière, au cours d'un cycle de dessiccation-réhumectation. Cette étude préalable, a permis de proposer un modèle de fonctionnement hydrostructural des matériaux organiques. Nous avons pu notamment mettre en évidence que l'hystérèse des propriétés de surface des matériaux organiques (variation de la mouillabilité en fonction de l'état hydrique) pouvait expliquer l'hystérèse des caractéristiques hydrique et hydrodynamique de ces milieux poreux. La déformation des matériaux va également influencer les propriétés de rétention et de transfert d'eau et d'air dans le milieu. Ces modifications, qui se déroulent dans les états hydriques les plus forts, vont faire intervenir des processus hydrostructuraux différents suivant que l'on s'intéresse à la tourbe (déformation élastique totalement réversible) ou aux écorces (déformation plastique partiellement réversible). Nous avons pu également définir des gammes “optimales” de potentiel hydrique ou de teneurs en eau (où les flux d'eau et d'oxygène dans ces deux substrats sont très élevés) bien différentes des seuils empiriques de -1 kPa et -10 kPa, encore aujourd'hui utilisés pour la gestion de l'irrigation dans les cultures en pots et conteneurs. Afin de représenter l'effet des propriétés préalablement définies sur les biodisponibilités en eau et en oxygène reliées aux besoins de la plante, nous avons ensuite intégré ces propriétés dans un modèle monodimensionnel de transfert couplés d'eau et d'oxygène au voisinage des racines (fonction puits racinaire) et à l'échelle journalière. Cette approche modélisatrice a permis de mettre en évidence qu'il était difficile de réunir sur une journée de culture, et sur une gamme apparemment optimale de potentiel hydrique, en même temps des conditions de teneurs en eau et en oxygène non limitantes pour la racine. Ces résultats ont été obtenus quels que soient le substrat considéré et les états hydriques initiaux fixés


  • Résumé

    Distribution and movement of liquids and gases in growing media present high specificity due to the limited volume of susbtrate (for roots fonctioning) in which water and oxygen availability highly fluctuate over a short period of time. In order to optimize management of fertigation and for subsequent plant growth in soilless culture production, it is still necessary to improve our knowledge of transfer properties (water and oxygen) at the substrate-root interface. In this context, we first precisely studied the influence of the physical properties of two organic materials model (Sphagnum peat and composted pine barks) on the dynamic of water and oxygen, during a drying-wetting cycle. A hydrostructural model was proposed for these two organic materials. We showed that hysteresis phenomena observed in the surface properties (evolution of wettability related to water potential) could be associated with hysteresis phenomena observed in the hydraulic characteristics of these porous media. The deformation of materials also influence retention and transfer properties of water and air in the substrates. Modifications of the solid phase, which occured near saturation, underline different hydrostructural behaviour depending on whether peat (elastic, reversible deformation) or barks (plastic, partly irreversible deformation) is considered. "Not-limiting" range of water potential (corresponding to high oxygen and water flows in substrates) were determined, and results obtained are quite different from the empirical thresholds of -1 kPa and -10 kPa, still used for the management of fertigation in soilless culture production. In order to represent the effect of all properties beforehand define on oxygen and water availability related to the physiological needs of the plant, we embed these properties in a one-dimension transfer coupled model of water and oxygen in the root vicinity and on a one-day time scale. If one replaces in the "not-limiting" range of water potential, our model underline that it is difficult to maintain during one day of culture, at the same time, water and oxygen content conditions not limiting for the roots. These results were obtained whatever the substrate and the water content considered.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (367 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. p. 315-338

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