Analysis and modelling of soil surface crusting and crop emergence. Contribution to the improvement of the SIMPLE model
Analyse et modélisation de la levée sous croûte. Contribution à l'amélioration du modèle SIMPLE
Résumé
The SIMPLE model can predict the emergence of various types of crop. It includes an empirical module predicting seedling emergence from under a crust. That module is based on the observation of the emergence of sugar beet crops in a field network with silt loam soils. This module is basic, but effective, and the purpose of this work is to allow the extension of forecasts to other sowing conditions and other crops (seedbed types, soil types, different characteristics of the seeds), given the huge problems in crop emergence resulting from the formation of crusts on the surface of seedbeds for various crops. Field experiments were carried out to characterize the different tactics used by the seedlings to break through (penetration, rupture and passage through cracks), according to the different types of crust, in the case of spring (sugar beet, flax and bean) and autumn crops (wheat). On the same plots, we characterized the dynamics of crust formation for the various initial states of seedbeds (aggregate size, soil water content) according to the rains cumulated since sowing. We also analysed soil crusting data acquired on a long term experiment, thus complementing our two experimentation campaigns. The crusts were characterized by their stage, their thickness and their resistance to penetration. Various quantities of cumulated rains, from 11mm for seedbeds mainly made of thin dry earth to 27mm for coarse soil surfaces, were determined in order to obtain the formation of structural crusts, which are already enough to penalize emergence if they dry out. Complementary experiments were led in the laboratory in order to obtain under simulated rainfalls more advanced stages of crust unobserved during the two years of experimentation in the field, and characterize them. We quantified the evolution of the forming network of cracks according to the degree of degradation and the moistening/desiccation alternation. Those data made it possible to parameterise and test geometrical models for the appearance of cracks. The forces exerted by the seedlings and their changes in time, according to the variations in the seed mass, the varieties and the species studied, were measured with force sensors in the laboratory. All those elements made it possible to build a new module integrating factors which had not been taken into account before when predicting emergence through crusts. This module integrates initial states for various seedbeds (structure and water content) and different cumulated rain values which lead to successive stages in the formation of the crust. With each type of crust, a characteristic distribution of resistances is associated. The maximum force of every seedling that comes to the surface is drawn at random in a distribution, then decreases with the age of the seedling. That value is compared day after day with the resistance of the material via a coefficient that makes it possible to determine whether the seedling will emerge or not. That coefficient results from an adjustment to the data observed. It was based on sugar beet, a crop for which numerous and precise data were recorded. The first simulations carried out with this new module show the importance of the effects of the initial states of the seedbeds on emergence rates. The effect of force differences due to the mass of the seeds is more limited (about 10% on average) but it reaches about 20% in certain sowing conditions. We also tested the possibility of using this coefficient for other crops, the force of which had been measured. The extension to other species gives encouraging results but requires additional work. We finally discuss the possibility of using various parameters measured on soils in the laboratory in order to be able to adapt the proposed model to other soil types.
Le modèle SIMPLE prévoit les levées de différentes cultures. Il comporte un module de prévision des levées sous croûte empirique, basé sur l'observation de levées de betterave sucrière dans un réseau de parcelles pour un type de sol de limons argileux. Ce module est donc assez sommaire bien qu'efficace et l'objectif de ce travail était de pouvoir étendre les prévisions à d'autres conditions de semis et pour d'autres cultures (types de lits de semences, types de sols, différentes caractéristiques des semences) étant donné l'importance des problèmes de levée liés au développement de croûtes à la surface des lits de semences de différentes cultures. Nous avons entrepris de caractériser les types de franchissement des plantules (pénétration, rupture et passage par fissure) au champ face à différents types de croûtes pour des cultures de printemps (betterave, lin et haricot) et d'automne (blé). Nous avons caractérisé sur ces mêmes parcelles la dynamique de formation des croûtes pour les différents états initiaux des lits de semences (granulométrie, humidité au semis) en fonction des pluies cumulées depuis le semis, en complétant les observations de nos deux campagnes d'expérimentation par celles acquises sur un essai de longue durée. Les croûtes ont été caractérisées par leur faciès, leur épaisseur et leur résistance à la pénétration. Des quantités de pluies cumulées, allant de 11 mm pour des lits de semences fins et secs à 27 mm pour des états de surface grossiers ont été mises en évidence pour obtenir la formation de croûtes structurales, qui suffisent déjà à pénaliser les levées si elles se dessèchent. Des expérimentations complémentaires ont été menées au laboratoire pour obtenir sous simulateur de pluie et caractériser des stades plus avancés de croûtes non observés au cours des deux années d'expérimentation au champ. Nous avons quantifié l'évolution du réseau de fissures se formant en fonction du degré de dégradation et des alternances humectation-dessication. Ces données ont permis de paramétrer et tester des modèles géométriques d'apparition de fissures. Les forces exercées par les plantules et leurs variations au cours du temps en fonction de la masse, des variétés et des espèces étudiées ont été mesurées avec des capteurs de force au laboratoire. Les différents éléments acquis par ces expérimentations ont permis d'élaborer un module intégrant des facteurs de variations non pris en compte jusqu'alors pour prévoir la formation d'une croûte et les levées. Ce module intègre des états initiaux de lits de semences variés (structure et teneur en eau), des cumuls de pluie différenciés aboutissant à des stades successifs de formation de la croûte. A chaque type de croûte est associé une distribution de résistances caractéristique. Pour chaque plantule arrivant à la surface, sa force maximum est tirée au sort dans une distribution puis diminue avec l'âge de la plantule. Cette valeur est confrontée jour après jour à la résistance du matériau via un coefficient qui permet d'établir si la plante passe ou reste bloquée. Ce coefficient résulte d'un ajustement aux données observées. Il a été établi sur la betterave, culture pour laquelle les données les plus nombreuses et précises étaient enregistrées. Les premières simulations réalisées à l'aide de ce nouveau module indiquent l'importance des effets des états du lit de semences initiaux sur les taux de levées. L'effet de différences de forces dues aux masses des semences est plus limité mais non négligeable dans certaines situations. On a ensuite testé la possibilité de l'utiliser pour prévoir la levée d'autres cultures, dont la force avait été mesurée. L'extension à d'autres espèces donne des résultats encourageants mais nécessite un travail supplémentaire. La possibilité d'utiliser différents paramètres mesurés au laboratoire sur le sol pour pouvoir adapter le modèle proposé à d'autres types de sol est discutée.