Une nouvelle m??thode pour la mesure du flux de s??ve brute dans le tronc des arbres

Abstract

La methode decrite dans cet article utilise un capteur thermique compose de deux sondes inserees radialement dans le bois d'aubier du tronc. Une de ces sondes est chauffee a puissance constante, l'autre sert de reference de temperature. Une equation simple permet de calculer le flux de seve en fonction de la difference de temperature entre les deux elements. Un etalonnage a ete effectue sur des echantillons de tronc de differentes essences. Le faible cout et la sensibilite de ce systeme doivent permettre d'aborder la mesure quantitative de la transpiration et de sa variabilite en foret

Full text

Une
nouvelle
méthode
pour
la
mesure
du
flux
de
sève
brute
dans
le
tronc
des
arbres
A.
GRANIER
Station
de
Sylviculture
et ,
LN.R.A.-C.R.F.,
Station
de
Sylviculture
et
de Production
Champenoux,
F
54280
Seichamps
Résumé
La
méthode
décrite
dans
cet
article
utilise
un
capteur
thermique
composé
de
deux
sondes
insérées
radialement
dans
le
bois d’aubier
du
tronc.
Une
de
ces
sondes
est
chauffée
à
puissance
constante,
l’autre
sert
de
référence
de
température.
Une
équation
simple
permet
de
calculer
le
flux
de
sève
en
fonction
de
la
différence
de
température
entre
les
deux
éléments.
Un
étalonnage
a
été
effectué
sur
des
échantillons
de
tronc
de
différentes
essences.
Le
faible
coût
et
la
sensibilité
de
ce
système
doivent
permettre
d’aborder
la
mesure
quantitative
de
la
transpiration
et
de
sa
variabilité
en
forêt.
La
mesure
de
la
transpiration
constitue
un
élément
essentiel
de
la
compréhension
de
la
physiologie
de
l’arbre
et
de
la
dynamique
des
transferts
d’eau
dans
les
peu-
plements
forestiers.
Dans
le
cadre
des
recherches
menées
à
la
Station
de
Sylviculture
et
de
Production
du
C.R.F.,
nous
nous
sommes
intéressés
depuis
plusieurs
années
à
la
mesure
du
flux
de
sève
brute
dans
le
tronc
des
arbres.
Il
existe
à
ce
jour
de
nombreuses
méthodes
de
mesure
du
flux
transpiratoire ;
la
méthode
des
impulsions
de
chaleur
a
eu,
depuis
HÜ
BER
&
S
CHMIDT
(1937)
un
développement
très
significatif,
notamment
grâce
à
SwnNSOtv
(1962,
1974).
Nous
avons
largement
utilisé
cette
tech-
nique,
en
la
rendant
automatique,
et
en
modifiant
la
structure
du
capteur
(G
RANIER
&
G
ROSS
,
en
cours
de
publication).
Toutefois,
aucune
de
ces
méthodes
ne
présente
les
spécifications
requises
pour
permettre,
à
faible
coût,
de
procéder
à
un
échantillonnage
de
la
transpiration
des
arbres
en
peuplements
forestiers.
La
méthode
des
impulsions
de
chaleur
a
en
parti-.
culier
deux
inconvénients :
son
caractère
ponctuel
dans
le
tronc
et
son
imprécision;
en
condition
de
transpiration
faible.
Nous
proposons
ici
une
nouvelle
méthode
et
un
capteur
permettant
de
mesurer
le
flux
de
sève
suivant
un
axe
radial
dans
le
bois
d’aubier
du
tronc.

1.
Matériel
et
méthodes
1.1.
A1
atéricl
Le
capteur
(fig.
1)
se
compose
de
deux
sondes
cylindriques
de
2
mm
de
dia-
mètre
et
de
20
mm
de
longueur,
insérées
radialemcnt
dans
le
bois
d’aubier
du
tronc,
séparées
d’une
distance
de
5
cm
environ.
Unc
de
ces
sondes
est
chauffée
à
puissance
constante
au
moyen
d’un
enroulement
de
fil
de
constantan
autour
d’unc
aiguille
hypo-
dermique
en
acier
inoxydable.
La
résistance
chauffante
est
calibrée
à
10
52
et
la
tension
d’alimentation
est
délivrée
par
une
alimentation
stabilisée
réglable.
Un
thcrmo-
couple
(cuivre -
constantan)
est
disposé
à
mi-longueur
de
la
résistance
chauffante
et
une
gaine
en
aluminium
recouvre
l’ensemble
pour
en
uniformiser
la
température.
La
deuxième
sonde,
située
dans
le
tronc
au-dessous
de
la
précédente,
renferme
un
thermo-
couple
identique
et
monté
en
opposition
avec
celui
de
l’élément
chauffant.
Le
système
permet
ainsi
de
mesurer
l’écart
de
température
entre
les
deux
sondes.
Un
amplificateur
opérationnel
de
type
OP
27
PMI
permet
d’augmenter
le
signal
des
thermocouples
(avec
un
gain
de
1 000).
1.?.
Théorie
En
condition
de
régime
thermique
établi
entre
l’élément
chauffant
et
le
milieu
(bois
+
sève),
et
pour
un
flux
de
sève
constant,
nous
supposerons
que
l’apport
de
chaleur
par
effet
Joule
est
égal
à
la
quantité
de
chaleur
dissipée
au
niveau
de
la
paroi
du
capteur.
Nous
posons
donc :
h S (T - T__) = R 1
2
(I)
>
avcc :
h
= coefficient
de
transfert
de
la
chaleur
(W .
m ! . &dquo;C
1
),
S
= aire de
la
surface
d’échange
(m!),
T
=
température
du
cylindre (&dquo;C),
T 00 =
température
du
matériau
bois
en
l’absence
de
chauffage
(&dquo;C),
R
= résistance
électrique
(S2),
i
= intensité
du
courant
électrique
(A).
Le
coefficient
h
est
supposé
dépendre
du
débit
de
la
sève
u
(m .
s.
1)
sous
la
forme :
h - h,, (1 + (t . u)
(2)
où
ho
est
le
coefficient
d’échange
lorsque
u
=
0
(transpiration
nulle),
qu’il
est
possible
de
calculer
d’après
(1) :
:
R
i-’
,
, !B
T,,
désigne
la
température
à
flux
de
sève
nul
(u =
0)

Lorsque
u
est
constant
et
non
nul,
il
vient :
1
TM
-
T
ÏM
——T
Le
rapport
est
un
nombre
sans
dimension,
que
nous
appellerons
index
T-T
de
flux
K,
proportionnel
à
u.
2.
Résultats
2.1.
Etalonnage
Le
capteur
a
été
testé
et
étalonné
sur
des
fragments
de
troncs
de
diamètre
compris
entre
40
et
50
mm.
Nous
avons
fait
circuler
de
l’eau
sous
pression
dans
ces
échan-
tillons,
et
mesuré
simultanément
le
débit
de
l’eau
par
pesée
de
l’exsudat
et
le
signal
AT
T
T
’L0
,!.
o ! .
*
a0
0
0.5
<!*&dquo; o
.j’
o
*
a
. -
0
.1
li
e
o
V
i
I
!
n n
I
0
’10
50
’100
’130
U
10-
6 m
s-
1
0
Pseudotsuga
menziesü
o
Pinus nigra
+
Quercus
peduncuLata
Fic.
2
Relation
entre
le
rapport
K
(voir
texte
1.2)
et
le
flux
d’eau
par
unité
de
section
de
bois
d’aubier
pour
différentes
essences.
Relationship
between
K
(see
text
§ 1.2)
and
the
water
flux
per
unit
nf
sapwood
area,
for
dif/erent
species.

délivré
par
le
capteur
thermique.
Le
débit
pouvait
être
modifié
en
ajustant
la
pression
de
feau.
Après
les
mesures,
chaque
échantillon
était
sectionné
pour
mesurer
la
section
du
bois
d’aubier
au
niveau de
l’élément
chauffant.
L’étalonnage
a
porté
sur
trois
essen-
ces
différentes :
douglas,
pin
noir,
et
chêne
pédonculé.
La
figure
2
représente
les
résultats
obtenus,
avec
en
abscisse
le
flux
d’eau
par
unité
de
surface
u
(en
m .
s-’)
et
en
ordonnée
le
rapport
K.
Le
calcul
de
K
s’effectue
d’après
la
relation
(4)
en
connaissant
pour
chaque
échantillon
la
température
T
st
atteinte
lorsque
le
flux
d’eau
est
nul.
Il
est
intéressant
de
constater
que
la
relation
entre
K
et
u
est
la
même
pour
les
trois
espèces ;
le
coefficient
<x
de
l’équation
(4)
semble
donc,
dans
les
conditions
expérimentales,
indépendant
de
l’essence.
Un
ajustement
non
linéaire
a
conduit
à
la
relation
expérimentale :
K
=
0.0206
UO,
H124
(5)
r2
= 0.96
n =
53
points
où
u
est
exprimé
en
10
li
m . s-
1.
Signalons
enfin
que
nous
avons
fixé
l’intensité
du
courant
dans
la
résistance
chauffante
à
une
valeur
de
0,141
A,
ce
qui
est
un
compromis
entre
la
sensibilité
du
capteur
(qui
augmente
avec
l’intensité
appliquée)
et
le
risque
d’un
échauffement
de
la
sonde
de
référence
de
la
température
(1
).
2.2.
Mesures
sur
des
arbres
Durant
l’été
et
l’automne
1983,
nous
avons
effectué
des
enregistrements
journa-
liers
de
flux
de
transpiration
sur
des
douglas
de
la
forêt
domaniale
d’Amance
(à
15
km
à
l’est
de
Nancy).
Nous
avons
choisi
des
arbres
placés
dans
des
situations
différentes :
des
arbres
de
plein
découvert,
d’une
hauteur
de
5
m,
et
des
arbres
d’une
plantation
régulière
âgée
de
20
ans,
pour
une
hauteur
moyenne
de
15
m.
Quatre
arbres
(deux
dans
chacune
des
situations)
ont
été
équipés
chacun
d’un
capteur
ther-
mique
inséré
radialement
dans
leur
bois
d’aubier.
Le
coefficient
K
repose
sur
l’évaluation
de
T
st
(voir
équation
(4)
au
1.2).
Nous
avons
supposé
que
cette
température
d’équilibre
à
flux
de
sève
nul
pouvait
être
me-
surée
lors
de
séquences
nocturnes
où
l’humidité
de
l’air
est
voisine
de
la
saturation.
La
figure
3
reporte
pour
une
journée
(le
16-8-1983)
la
variation
du
coefficient
K,
observée
pour
un
arbre
de
chaque
traitement,
ainsi
que
l’évolution
de
l’évapotrans-
piration
potentielle
(E.T.P.)
calculée
par
la
formule
de
Penman.
Nous
avons
choisi
une
journée
présentant
des
passages
nuageux
qui
permettent
de
mettre
en
évidence
la
réponse
des
capteurs.
Les
deux
arbres
suivent
une
évolution
similaire,
en
parti-
culier
au
niveau
des
maximas
et
des
minimas.
Le
retard
important
de
K
par
rapport
à
l’E.T.P.
le
matin
correspond
à
une
phase
d’évaporation
de
la
rosée
sur
les
aiguilles.
Après
cette
phase,
le
facteur
K
des
deux
arbres
suit
la
variation
de
l’E.T.P.
Il
est
à
noter
que
la
chute
brutale
de
l’E.T.P.
intervenant
en
milieu
de
journée
(passages
nuageux)
se
manifeste
de
façon
plus
accentuée
pour
l’arbre
situé
en
plein
découvert.
L’arbre
de
peuplement
semble
ainsi
mieux
tamponner
les
variations
de
l’E.T.P.
En
fin
de
journée,
si
les
deux
arbres
voient
diminuer
K
en
même
temps
que
l’E.T.P.,
un
retard
se
manifeste
pour
le
douglas
du
peuplement.
(1)
D’après
nos
mesures,
le
coefficient
a
des
relations
(2)
et
(4)
est
dépendant
de
la
quantité
de
chaleur
apportée.

Un
nombre
important
de
journées
a
ainsi
été
étudié :
nous
avons
représenté
sur
la
figure
4,
pour
l’ensemble
des
journées,
la
valeur
du
coefficient
K
zi
de
l’arbre
en
peuplement,
en
fonction
de
fE.T.P.
journalière
exprimée
en
mm.
Le
coefficient
K
:!+
est
égal
à
la
moyenne
journalière
de
K
défini
d’après
l’équation
(4).
Pendant
la
durée
de
ces
mesures,
l’arbre
étudié
a
été
en
permanence
bien
alimenté
en
cau ;
la
transpiration
et
donc
le
coefficient
K:
!I
sont
donc
sensiblement
proportionnels
à
l’E.T.P.
Nous
avons
aussi
fait
figurer
les
journées
présentant
des
épi-
sodes
pluvieux
diurnes,
quelles
que
soient
leur
durée
et
leur
intensité.
Certaines
de
ces
journées
s’écartent
du
nuage
de
points :
l’interception
de
l’eau
par
le
feuillage
provoque
un
blocage
de
la
transpiration ;
l’énergie
incidente
est
alors
utilisée
pour
évaporer
l’eau
interceptée.

3.
Conclusion
La
méthode
que
nous
avons
décrite
présente
un
certain
nombre
d’avantages.
qui
devraient
permettre
d’obtenir
des
résultats
fiables,
à
deux
nivcaux :
-
au
niveau
du
fonctionnement
hydrique
de
l’arbre,
par
l.’étude
fine
des
varia-
tions
journalières
du
flux
de
sève,
particulièrement
en
période
de
stress
hydrique ;
-
au
niveau
du
fonctionnement
hydrique
des
peuplements
forestiers,
sachant
que
la
simplicité
de
mise
en
oeuvre
et
le
faible
coût
(2)
de
cette
technique
permettent
d’aborder
la
mesure
quantitative
de
la
transpiration
et
de
sa
variabilité
spatiale
en
forêt.
(2)
Un
capteur
(deux
sondes)
revient
à
environ
30
FF,
le
système
d’amplification
à
80
FF
par
capteur.

L’utilisation
de
cette
méthode
suppose,
lorsqu’on
désire
calculer le
flux
total,
de
connaître
la
section
du
bois
d’aubier
au
niveau
du
point
de
mesure.
Selon
le
type
d’essence
et
la
précision
souhaitée,
on
pourra
estimer
la
section
du
bois
d’aubier
grâce
à
un
ou
plusieurs
sondages
à
la
tarière
de
Pressler
ou
la
mesurer
directement
après
abattage
de
l’arbre.
Summary
A
aew
method
of
.sap
flow
mensurement
in
tree
stetiis
The
method
described
in
this
paper
is
based
on
a
thermal
sensor
composed
of
two
probes
radially
inserted
in
the
sapwood
of the
trunk.
One
of
those
probes
is
heated
at
a
constant
energy
and
the
other
considered
as
a
temperature
reference.
A
simple
equation
enables
us
to
calculate
the
sapflow
as
a
function
of
the
difference
of
the
temperature
between
the
two
elements.
A
calibration
has
been
made
on
pieces
of
trunk
of
different
species.
Owing
to
its
sensitivity
and
its
low
cost,
this
system
may
fit
for
the
quantitative
measure-
ment
of
forests
transpiration.
Références
bibliographiques
CRANTER
A.,
GR
oss
P.,
1984.
Mesure
du
flux
de
sève
brute
chez
le
Douglas
(P.!t«7!.!;<gf!
menziesü
Mirb.
Franco)
par
la
méthode
thermo-étectrique
automatisée
(à
paraître).
HÜ
BER
B.,S
CHMID
-l’
E.,
1937.
Eine
Kompensationsmethode
zur
thermoelecktrischen
Messung
langsamer
Stafstiëme.
l3er.
dl
sch.
Bot.
Cf.y
.,
55,
514-529.
S
WANSON
R.H.,
1962.
An
instrument
for
detecting
sap
movement
in
woody
plants.
Sta.
Pap.
Rocky
Mt.
For.
Range
Exp.
Sta.
n&dquo;
68.
S
WANSON
R.H.,
1974.
Velocitiy
distribution
patterns
in
ascending
xylem
sap
during
transpiration.
In :
Flow
its
Measuremcnt
and
control
in
Science
and
Industry.
Et.
Rodger
and
Dowdell.
Instrument
Society
of
America.
Vol.
],
1425-30.