Soil-plant water transfer and water extraction by roots: towards spatializing water uptake with electrical resistivity tomography
Transferts hydriques sol-plante et extraction racinaire: une approche de la spatialisation des prélèvements hydriques par tomographie de résistivité électrique
Résumé
A better knowledge of the functioning of water uptake by plant roots is necessary in order to optimize agricultural water resources management. To this respect, the understanding of the acquisition of soil water by root systems is an important objective of agronomical research. However, characterization of water transfer in the soil-plant system and the spatialization of water uptake at the field scale are still problematic and challenging.Soil - plant environment is a complex system, varying in time and space. The depletion of soil water in the rooted zone is controlled by soil, plant and climatic factors. In order to spatialize the water uptake at the plant’s population scale, methodologies and proxy variable allowing an estimation of water extraction and its variability are highly needed. This would reflect simultaneously the overall and spatial heterogeneity of the population and its growing medium. To this aim, we used the Electrical Resistivity Tomography (ERT) as an alternative approach to the classical methods of water measurements (local soil water balance) for estimating root water uptake. ERT results in a spatial estimation of soil electrical resistivity, the latter being related to the variability of soil water content. 2D or 3D imaging of soil electrical resistivity and its variations with time are related to water content variations as well as water extraction distribution in soil. This experimental study aims at evaluating ERT for spatializing water uptake at the field scale with various plants and different levels of water availability. Three types of plant (Maize, Sorghum and Broad bean) were selected because they exhibit different root systems morphologies and /or and water extraction capacities. These crops were subjected in the field to three levels of water availability ranging from rain fed to full irrigation. Water extraction and its variability, at the field scale, was estimated firstly by a “direct” approach which empirically links the temporal difference in soil electrical resistivity and the uptake. Secondly, an “indirect” more general approach, using in situ calibration between soil electrical resistivity and water content into a spatialized water balance calculation has been used. The water uptake images resulting from these estimations show high spatial and temporal variation of water uptake. The estimation of root water uptake at field scale by ERT is thus possible. However, this spatial estimation can be more or less severely restricted by different constraints which are related to: ERT sensitivity (decrease of ERT sensitivity with depth, accuracy of the in situ water content-resistivity calibration relationship: RMSE ~ 0.03 cm3.cm-3), the type of ERT measurement setup (decrease of resolution with depth with a surface array) and to the environmental conditions (problems for ERT measurements in dry and clay soil: decrease of soil-electrode contact and increase of soil heterogeneity due to soil cracking). This work contributes to a first methodological step, showing the possible use of ERT for spatializing and quantifying the spatial variations of root water uptake, if soil hydrodynamic data are available. More globally, this work traces new developments in the understanding of the spatial heterogeneity of root water uptake in relation with soil properties and root system growth
Une meilleure connaissance du fonctionnement du prélèvement hydrique par les racines des plantes est nécessaire pour améliorer les stratégies de gestion de la ressource en eau et, à ce titre, comprendre l’acquisition de l’eau du sol par les systèmes racinaires reste un objectif important de la recherche agronomique. Cependant, la caractérisation du fonctionnement du transfert hydrique sol-plante et la spatialisation des prélèvements à l’échelle parcellaire reste problématique. Le milieu sol-plante est un système complexe, variable dans l’espace et dans le temps. La réduction et l’épuisement de l’eau dans la zone racinaire sont contrôlés par le sol, la plante et les facteurs climatiques. Pour pouvoir spatialiser l’extraction hydrique à l’échelle de la population de plantes (échelle parcellaire), il est nécessaire de posséder un moyen permettant d’estimer l’extraction hydrique et sa variabilité reflétant à la fois l’hétérogénéité globale et spatiale de la population et celle du milieu. Dans ce contexte, nous avons utilisé la Tomographie de Résistivité Electrique (ERT) comme approche alternative aux méthodes classiques de mesures hydriques (bilan hydrique) pour estimer les prélèvements hydriques des racines. Cette méthode est basée sur une mesure spatialisée de la résistivité électrique du sol, qui est elle-même reliée à la variabilité spatio-temporelle de la teneur en eau. La cartographie 2D ou 3D de la résistivité et ses variations dans le temps seront alors reliées aux variations de teneur en eau et aux prélèvements hydriques distribués dans l’espace. Les objectifs de cette étude expérimentale sont d’évaluer les apports de la tomographie de résistivité électrique pour spatialiser les prélèvements hydriques à l’échelle parcellaire et pour analyser les transferts d’eau dans le système sol-plante, avec des plantes diverses et une disponibilité en eau variable. Pour cela, nous avons travaillé avec trois types de plante (Maïs, Sorgho, Féverole) présentant des systèmes racinaires et des capacités de prélèvement d’eau différents. Ces plantes ont été soumises à trois conditions de disponibilité en eau allant de bien irrigué à sec. Nous avons pu estimer l’extraction hydrique à l’échelle parcellaire par une approche directe utilisant la variation temporelle de la résistivité électrique du sol ou par une calibration entre résistivité électrique et teneur en eau établie in situ. Les cartes de prélèvements hydriques issues de cette estimation montrent la variation des prélèvements dans l’espace et le temps. L’estimation des prélèvements hydriques racinaires est donc réalisable à l’échelle parcellaire. Cependant, l’estimations spatiale des ces prélèvements par ERT présente des limites plus ou moins fortes liées à la sensibilité de mesure (sensibilité décroissante en profondeur, erreur RMS de la calibration teneur en eau-résistivité de l’ordre de 0.03 cm3.cm-3), au dispositif de mesures (résolution décroissante en profondeur avec une disposition d’électrodes en surface) et aux conditions expérimentales (problèmes de mesures dans les sol secs et argileux : problème de contact sol électrodes et hétérogénéité induite par la fissuration). Ce travail présente donc une première étape méthodologique, montrant la faisabilité de l’utilisation de l’ERT dans une quantification spatiale du prélèvement si des données hydriques sont disponibles conjointement, et s’inscrit dans une démarche plus générale de compréhension de l’hétérogénéité spatiale de l’extraction en relation avec les propriétés du sol et le développement du système racinaire