Abstract
This work is part of the French-Moroccan SudMed project, which was coordinated by University Cadi Ayyad of Marrakech (UCAM) and Center of Space Studies of the Biosphere (CESBIO) in Toulouse. The project also involves many technical partners, amongst which Regional Office of Agricultural Development of the Haouz plain (ORMVAH), which is in charge of agricultural management and dam water distribution for the main cultivated areas on the surrounding of the Marrakech city. The main objective of the project is to develop methodologies allowing the integration of ground data, simulation models, and remote sensing data to evaluate the hydro-ecological resources of semi-arid regions.
In this context, this study aims to use a crop model for simulating grain yield and water consumption of wheat crops in the semi-arid Al Haouz/Marrakech plain. We use the STICS crop model « Simulateur mulTIdisciplinaire pour les Cultures Standard », which was developed by French Agronomic Research National Institute since 1996. It is a dynamic crop model with a daily time step. The specific objectives of this study are :
1- To test STICS model for irrigated wheat crops under semi-arid agro-climatic conditions, especially those of the Haouz plain.
2- To develop a methodology in order to map wheat actual evapotranspiration and grain yield at a regional scale, using the STICS model and remote sensing data.
3- To demonstrate the possibilities offered by STICS in the perspective of improving irrigation water management.
In the first part of this work, the model was calibrated and validated against the data collected in two different semi arid sites : the Yaqui Valley (Sonora, North-West of Mexico) in 1999/2000 and the Haouz Plain during the 2002/2003 and 2003/2004 agricultural seasons. We were particularly interested in the simulation of leaf area index (LAI), a key variable in the processes related to plant growth (photosynthesis, transpiration) which can be derived from remote sensing data. This step of evaluation allowed us to conclude that the STICS model provides accurate estimates of wheat evapotranspiration and grain yield once the leaf area is properly simulated.
In the second part of this study, a preliminary work was performed to compare two methods (forcing and calibration) for controlling the STICS model using time series of LAI derived from remotely-sensed data collected using a handheld radiometer. The analysis was done for three principal variables of interest (LAI, grains yield, and evapotranspiration) through simulations according to the capacities of Earth Observation System to provide data. The analysis was carried out for various frequencies of remote sensing observations (from 1 to 15 days) according to the cloudiness conditions of the Marrakech region. Following this analysis, a methodology was developed to calibrate STICS using ground data and images of LAI derived from high space resolution satellite data (Landsat and SPOT). The methodology was tested over an irrigated area of 9 km² dominated by wheat crops (60% of total surface during the 2002/2003 agricultural season). It made it possible to accurately estimate wheat evapotranspiration at the scale of the irrigated area, but results in unrealistically low space variation of grain yield.
In the last part of this work, we demonstrate that the STICS model can be used as a tool for guiding agricultural practices in the Haouz Plain. The study has revealed the importance of the nitrogen stress effects compared to those of water stress in the studied zone. On the assumption that the plants were growing under optimal conditions of fertilization, the simulations we performed showed how irrigation management can be improve and water can be saved in the Haouz region for the year 2002/2003. Finally, the quantification of water losses highlighted the advantages of early sowing in the region
Keywords : crop model, STICS, wheat, Haouz, leaf area index, grains yield, evapotranspiration, semi arid, irrigation, remote sensing, NDVI.
RESUME
Ce travail a été réalisé dans le cadre du projet franco-marocain SudMed coordonné par l’Université Cadi Ayyad de Marrakech (UCAM) et le Centre d’Etudes Spatiales de la BIOsphère (CESBIO) à Toulouse. Il s’inscrit également dans une coopération avec différents partenaires techniques, dont l’Office Régional de Mise en Valeur Agricole du Haouz (ORMVAH) et l’Agence de Bassin Hydraulique du Tensift (ABHT), responsables de la gestion agricole et de la distribution de l’eau des barrages sur les principaux secteurs cultivés autour de Marrakech. L’objectif principal du projet est de développer des méthodologies permettant d’intégrer les données de terrain, les modèles de processus et les données de télédétection dans le but de comprendre le fonctionnement des régions semi-arides pour évaluer leurs ressources hydro écologiques.
Dans ce contexte, ce travail de thèse avait pour objet l’utilisation d’un modèle de culture pour étudier le rendement et la consommation hydrique de la culture de blé dans la plaine semi-aride de Marrakech/Al Haouz. Le modèle utilisé dans cette étude est le modèle STICS, pour « Simulateur mulTIdisciplinaire pour les Cultures Standard », développé en France à l’INRA d’Avignon depuis 1996. C’est un modèle dynamique de fonctionnement de grandes cultures à pas de temps journalier. Ainsi, les objectifs spécifiques de cette étude sont les suivants :
1- Tester le modèle STICS pour la culture de blé dans les conditions agro-climatiques de la plaine du Haouz.
2- Proposer une méthodologie de spatialisation du modèle pour obtenir des cartes d’évapotranspiration réelle et de rendement à l’échelle d’un secteur irrigué test (quelques km²).
3- Démontrer les possibilités offertes par STICS pour contribuer à l’amélioration de la gestion de l’irrigation des céréales.
Dans la première partie de ce travail, le modèle a été calibré et validé à partir des données collectées dans deux sites différents à climat semi aride : la vallée de Yaqui au Mexique pendant la saison 1999/2000 et la plaine du Haouz pendant les deux saisons agricoles 2002/2003 et 2003/2004. La variable ciblé par le procédé de calibration est l’indice foliaire (surface foliaire par unité de surface au sol), variable clef pour le fonctionnement des plantes (photosynthèse, transpiration) qui peux être observé à partir de données de télédétection optique. Ce travail d’évaluation nous a permis de conclure que le modèle STICS permet de simuler d’une façon acceptable l’évapotranspiration réelle et le rendement du blé une fois que l’indice foliaire est bien simulé.
Dans la deuxième partie de cette étude, un travail préliminaire a été réalisé pour comparer deux méthodes de contrôle (forçage ou étalonnage) du modèle, en utilisant une série temporelle d’observations de l’indice foliaire, estimé à partir de données collectées sur le terrain à l’aide d’un radiomètre portable. L’analyse a été conduite pour chaque variable cible (indice foliaire, rendement et évapotranspiration) et en simulant différentes fréquences d’observations (de 1 à 15 jours) en fonction des conditions d’ennuagement de Marrakech. Ensuite, une méthodologie de contrôle de STICS à partir des données satellitaires à haute résolution spatiale a été proposée pour un secteur irrigué test de 9 km² dédié à la culture de blé (60% de la surface totale). Cette méthodologie a permis de combiner les données terrain et une série de données SPOT et Landsat pour calibrer le modèle STICS. Elle a permis d’estimer d’une façon acceptable l’évapotranspiration du blé à l’échelle du secteur irrigué test. En revanche, les rendements en grain simulés ont présenté une faible variabilité spatiale.
Dans la dernière partie de ce travail, nous avons présenté un exemple d’utilisation de STICS comme outil d’aide à la gestion agricole dans la plaine du Haouz. Nous avons utilisé le modèle pour critiquer les itinéraires techniques de parcelles à semis précoce et tardif. L’étude révèle l’importance du stress azoté par rapport au stress hydrique dans la zone étudiée. Dans les conditions non limitantes d’azote, les simulations du pilotage d’irrigation du blé par STICS ont mis en évidence les avantages du semis précoce dans la région du Haouz. Enfin, cette étude nous a permis de quantifier les pertes d’eau associées au mode de gestion de l’irrigation.
Mots clefs : modèle de culture, STICS, blé, Haouz, indice foliaire, rendement, évapotranspiration, semi aride, irrigation, télédétection optique, NDVI.