Irrigation et impacts climatiques sur l'équilibre eau-énergie des sables centraux du WI

Irrigation and climate impacts to the water-energy balance of the WI Central Sands

En raison de la controverse suscitée par le nombre croissant de puits de grande capacité dans les sables centraux du Wisconsin, Mallika Nocco, doctorante à l'université du Wisconsin, étudie l'impact de l'utilisation des terres agricoles, de l'irrigation et du changement climatique sur l'équilibre énergétique de l'eau dans la région. Elle et son équipe ont obtenu des résultats surprenants.

DÉBAT SUR L'UTILISATION DE L'EAU

La région de Central Sands compte des cours d'eau à truites de classe 1 et certaines personnes craignent que le nombre croissant de puits de grande capacité utilisés pour l'agriculture ne réduise les niveaux d'eau de ces cours d'eau. "Le lac Huron a perdu environ 1,5 mètre d'eau depuis 2000", déclare un habitant de la région de Central Sands, "et le niveau de l'eau continue de baisser". En 2008, le petit puits qu'il utilisait pour pomper de l'eau potable s'est asséché, et il blâme les puits à haute capacité". (Aljazeera America) De l'autre côté du débat, l'agriculture irriguée par ces puits est extrêmement précieuse pour l'État, et les cultivateurs ont pris beaucoup de temps pour comprendre le cycle de l'eau et le rôle qu'ils y jouent. Pour en savoir plus sur leurs objectifs et leurs réalisations en matière de gestion de l'eau, cliquez ici.

LA MISE À JOUR DES RECHERCHES ANTÉRIEURES

L'agriculture irriguée n'était ni répandue ni rentable dans les Central Sands du Wisconsin jusqu'à ce que l'irrigation des eaux souterraines à l'aide de puits de grande capacité devienne possible dans les années 1950. Depuis lors, cette région écologique relativement petite est passée de 60 puits de grande capacité en 1960 à plus de 2 500 aujourd'hui. Mallika Nocco étudie la recharge potentielle des eaux souterraines par les systèmes de culture irrigués qui utilisent les puits, dans l'espoir de comprendre si l'eau d'irrigation est perdue ou renvoyée dans les eaux souterraines. Elle explique : "Jusqu'à présent, nous nous sommes appuyés sur des modèles validés par deux lysimètres dans les années 1970. Champ Tanner (l'un des pères de la biophysique environnementale) a conçu les lysimètres à pesée, qui étaient très précis, mais nous voulions réaliser une étude à plus grande échelle avec plusieurs cultures pour comprendre la variabilité interannuelle et améliorer notre compréhension de la recharge dans la région afin de mieux gérer l'irrigation et les eaux souterraines."

A researcher's hand holding a TEROS 12 soil moisture sensor over a plowed field

MESURE DE LA RECHARGE

Nocco a utilisé des lysimètres à jauge de drainage de 25 METER G3 pour mesurer le flux de la zone vadose sous des systèmes de culture de pommes de terre et de maïs. Elle a surveillé le flux d'humidité (et de température) du sol en stratifiant des capteurs de teneur en eau METER depuis la surface du sol jusqu'à une profondeur de 1,4 mètre. Elle a également estimé l'évapotranspiration (ET) à l'aide d'un poromètre METER SC-1 pour mesurer la conductance stomatique, en plus d'obtenir des mesures de micrométéorologie, leaf area index, et d'échange de gaz.

Nocco et son équipe ont dû installer leurs capteurs pour éviter les cultures. Ils ont donc prolongé la jauge de drainage en PVC qui arrive à la surface du sol et l'ont enlevée à chaque fois qu'il y avait un travail important sur le terrain, qu'il s'agisse de labour ou de plantation, de sorte que la zone située au-dessus du site lysimeter reçoive le même traitement que le reste des champs agricoles.

SOUS LA ZONE RACINAIRE

Nocco explique que l'installation des lysimètres en dessous de la zone racinaire a été un défi majeur. "Nous avons essayé plusieurs choses, mais nous avons décidé d'installer tous les lysimètres à l'aide d'une tarière de 18 pouces qui forait un trou légèrement plus grand que l'ensemble du site lysimeter. Nous avons creusé une tranchée de 80 cm jusqu'au sommet de la zone monolithique. Nous avons creusé une tranchée de 80 cm jusqu'au sommet de la zone monolithique. Ensuite, nous avons martelé le tube de contrôle de divergence de la jauge de drainage jusqu'à 1,4 m afin d'obtenir un monolithe intact, chaque fois que cela était possible. Nous avons également stratifié les capteurs d'humidité du sol à 10, 20, 40 et 80 cm. Nous avons utilisé un équipement lourd pour soulever lentement le monolithe, creuser le sol en dessous et le remettre en place, en gardant une trace de tous les différents horizons du sol, et nous avons remblayé aussi près que possible de la densité apparente".

TROUVER LES LYSIMÈTRES AVEC LE GPS

En règle générale, les scientifiques enterrent les lysimètres près du bord du champ afin qu'ils soient faciles à localiser, mais Mme Nocco craignait qu'ils ne nuisent à leurs données en raison de l'effet "donut" de l'irrigation par pivot central : une plus grande quantité d'eau irrigue le centre du champ et une moindre quantité les bords. Elle commente : "Lorsque j'ai installé les dix premiers lysimètres, je n'avais pas encore trouvé le moyen de tout trouver. Ces instruments sont tous situés à environ 15 mètres du bord du champ, ce qui me permet de trianguler les mesures et de les retrouver pendant la culture. C'est alors que j'ai rencontré un vulgarisateur scientifique de l'université qui avait accès à un système GPS RTK, capable de localiser les instruments avec une précision d'un demi-pouce. Avec son aide et sa formation, nous avons pu installer le reste des lysimètres à des endroits plus aléatoires dans le champ.

DES CONCLUSIONS SURPRENANTES

Nocco affirme que l'ET et les différences dans la physiologie des cultures n'expliquent pas ou ne rendent pas compte de toute la variabilité qu'elle a observée dans la recharge de la nappe phréatique. Son équipe a effectué une analyse granulométrique des sols adjacents aux lysimètres et commente : "Nous pensions que plus la teneur relative en sable des sols était élevée, plus la recharge serait importante, mais c'est l'inverse que nous constatons. L'analyse de la taille des particules révèle une corrélation linéaire négative entre la recharge potentielle et la teneur en sable. Plus il y a de limon dans ces lysimètres, plus le volume de recharge est important. Ce qui m'intrigue maintenant, c'est de savoir si nous observons un plus grand volume de recharge dans les zones plus silteuses en raison de la convergence des flux. J'essaie d'obtenir les données chronologiques des capteurs de pression pour voir si les zones plus sablonneuses ont moins de potentiel de recharge, mais se drainent peut-être plus rapidement. J'ai constaté une corrélation entre la teneur en eau antérieure du sol et la taille des particules (sans corrélation avec le type de culture). Il semble donc que les sols plus limoneux retiennent davantage d'eau lorsque la pluie arrive".

QUELLE EST LA PROCHAINE ÉTAPE ?

À terme, M. Nocco prévoit d'utiliser les estimations de la recharge des eaux souterraines et de l'évapotranspiration obtenues sur le terrain pour paramétrer et valider un modèle dynamique d'agroécosystème, Agro-IBIS, qui simule les réponses hydrologiques aux changements climatiques et d'utilisation des sols au cours des 60 dernières années. M. Nocco partagera ensuite les bilans eau-énergie et les simulations de quantité d'eau/climat avec les parties prenantes de la région des sables centraux du Wisconsin.

Découvrez les G3 lysimeterSC-1 poromètre et les capteurs d'humidité du sol METER.

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