Water flow and transport of potassium and nitrate ions in a soil with anionic exchange capacity under rainfall redistributed by crop ; Experimental and modeling study in a banana plantation fertilized on an andosol

La compréhension des transferts d’eau et d’ions dans la zone non saturée d’un andosol sous bananeraie est complexe car gouvernée par des mécanismes hydrodynamiques et chimiques intervenant à des échelles spatiales différentes. D’une part, le bananier intercepte la pluie incidente et la concentre plus de 20 fois le long de son pseudo-tronc (stemflow). D’autre part, les engrais solubles épandus manuellement et intensivement à proximité du pseudo-tronc sont exposés à ce stemflow, qui les entraîne vers les horizons superficiels et profonds du sol à charges variables où existe une adsorption conjointe d’anions et de cations. Ces caractéristiques font des bananeraies sur andosol des configurations culturales sur lesquelles on ne peut porter de diagnostic ni suggérer des pratiques de fertilisation optimisées que si l’on comprend et sait prévoir les flux sortants de solutés. Des expérimentations en laboratoire - mesure des paramètres hydrodynamiques (Wind), batch, colonnes de sol - et in situ - mesure des paramètres hydrodynamiques (Beerkan, Decagon, Trims, infiltromètre double anneaux), lysimétrie à succion contrôlée, tensiométrie - associés à des modèles numériques - HYDRUS 1D/2D/3D - sont utilisés pour gérer de tels systèmes. Les objectifs de la thèse sont de (i) mesurer et modéliser les transferts hydriques à l’échelle de la plante et de son rang (ii) mesurer et analyser le comportement des ions, K+ et NO3- à l’échelle du batch, de la colonne de sol et au champ (iii) modéliser les transferts hydriques et de ces ions à l’échelle de la colonne de sol. Les résultats des isothermes de sorption établis en systèmes batch montrent la capacité des horizons B, en conditions acides, à adsorber préférentiellement les nitrates relativement au potassium et inversement pour l’horizon A. Les mesures en colonne de sol ont permis de confirmer ce comportement. Une modélisation satisfaisante est obtenue en une dimension grâce au calage des paramètres des isothermes linéaires, Langmuir-Freundlich. Au champ, les résultats montrent que l’impact du stemflow concerne essentiellement l’aplomb du bananier et son aval immédiat. Les paramètres hydrauliques (courbe de rétention, conductivité hydraulique en fonction de la charge) évalués par une procédure inverse prenant comme fonction objective les écoulements lysimétriques ont été conformes aux mesures par infiltromètres à double anneau pour la conductivité hydraulique à saturation. La modélisation bi ou tri-dimensionnelle des transferts hydriques est validée par comparaison avec les données tensiométriques. L’identité des écoulements simulés obtenus avec et sans lysimètre a permis de montrer que le dispositif est généralement sans biais sur les périodes étudiées. Le bilan hydrique à l’échelle d’une maille élémentaire et sur 168 jours est équilibré à 4% près, malgré une pluviométrie considérable de 4120 mm. La modélisation des transferts de solutés à l’échelle du bananier n’est pas envisagée car, compte tenu de l’intensité des flux d’eau, il n’est pas possible d’atteindre l’équilibre in situ. Cependant, les expérimentations ont montré que l’impact du stemflow sur les pertes d’azote nitrique et de potassium devient considérable lorsque les engrais sont apportés au pied du bananier : ces ions n’ont alors pas le temps d’interagir avec les capacités d’échange anionique et cationique, et se trouvent rapidement lessivés. Cet impact affecte peu la rétention des nitrates si les fertilisations azotées sont épandues de manière diffuse. Malgré les pluviométries très élevées qu’ils subissent, les andosols sont donc capable de tamponner le lessivage des nitrates abondants sous fertilisation azotée excessive, sauf si les apports d’engrais sont exposés à des drainages localisés suralimentés dus à la concentration de la pluie par des peuplements végétaux cultivés.
Water flow and ion transport in the vadose zone of an andosol under banana plants are complex processes controlled by hydrodynamic and chemical mechanisms active at different spatial scales. On the one hand, the banana plant intercepts the incident rainfall and concentrates it more than 20 times around its pseudo-trunk (stemflow). On the other hand, soluble manure manually and intensively spread near the plant foot is exposed to this stemflow and carried away to depths of the variable charge soil that simultaneously sorbs both cations and anions. These characteristics make banana plantations on andosol very complex. Decisions about configurations on which to carry diagnosis or about optimized fertilization practices can be made only if one understands and can envisage outgoing flows of aqueous solutions. To better understand and manage such systems, laboratory experiments (measurements of the soil hydraulic properties using the Wind evaporation method; batch experiments, and soil columns experiments), in situ experiments (measurements of the hydrodynamic parameters using the Beerkan, Decagon, Trims, double rings infiltrometer methods, lysimetry with controlled suction, and tensiometry) and analyses with the numerical HYDRUS-1D/2D/3D models were carried out. The objectives of the thesis are (i) to measure and model water flow at the scale of the plant and its row, (ii) to measure and analyze the behavior of the K+ and NO3- ions at batch, column and field scales, and (iii) to model the water flow and ions transfers at the scale of the soil column. The adsorption isotherms established in batch systems showed the capacity of the B horizon, under acid conditions, to preferentially adsorb nitrates compared to potassium. Opposite behavior was found for the A horizon. Measurements on soil columns confirmed this behavior. Fitted parameters of the linear and Langmuir-Freundlich isotherms provided satisfactory model descriptions of solute transport in one-dimensional column experiments. In situ, results showed that the main stemflow impact is directly under the banana plant and immediately downstream of it. The soil hydraulic parameters (parameters of the retention curve and the hydraulic conductivity function), obtained using an inverse procedure that considered as objective function the lysimeter fluxes, were in good agreement with saturated hydraulic conductivities measured using double ring infiltrometers. Two- and three-dimensional water flow modeling was validated by comparison with the tensiometric data. The similarity of the simulated fluxes obtained with and without lysimeters made it possible to show that the lysimeter device did not affect results during studied periods. The water balance for the banana plant and the row and duration of 168 days, is reasonable, with an error of 4%, despite of a considerable rainfall of 4120 mm during the studied period. Solute transport modeling at the plant scale was not done since the large water fluxes did not permit in situ equilibrium to be reached. However, the experiments showed that the stemflow considerably affected the potassium and nitric nitrogen losses when manure was spread at the foot of the banana plant. Ions then did not have enough time to interact with the anion and cation exchange capacities of the soil and were quickly leached. The stemflow affected the retention of nitrates and potassium less if fertilizers were spread uniformly on the soil surface. In spite of very high rainfalls typical for regions with andosols, these soils are able to prevent the leaching of abundant nitrates under excessive fertilization, except when manure is exposed to localized drainage fluxes, such as stemflow resulting from the rainfall focused by the cultivated crops.