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Climatologie

2006

Impact des haies brise-vent sur le gel printanier en arboriculture

Impact of shelterbelt on spring frost in arboriculture

Hervé Quénol et Gérard Beltrando

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Résumé

Afin de mieux cerner les facteurs explicatifs de la variabilité spatiale et temporelle du gel en milieu clos, un protocole de mesure de la température en indice actinothermique (IA), des écoulements de l’air superficiel et de l’humidité relative a été mis en place sur un ensemble de parcelles dans un réseau de haies brise-vent. Les mesures ont été réalisées sur 6 parcelles durant 42 nuits gélives entre 1998 et 2002. En situation de gel printanier, le pourcentage de bourgeons gelés a été cartographié pour repérer l’extension spatiale de cet aléa en tenant compte de l’état phénologique des arbres fruitiers. En situation radiative (ciel clair, vent inférieur à 3 m/s), lorsque la haie brise-vent ne bloque pas les écoulements nocturnes, le secteur le plus froid correspond au milieu de la parcelle alors que, quand la haie est quasi imperméable aux écoulements nocturnes superficiels, le plus fort refroidissement se produit en amont de la haie (blocage de l'air froid). En situation froide d’origine advective (autres situations), les résultats montrent que le secteur le plus froid est celui abrité par la haie.

Abstract

In order to better determine the factors of spatial and temporal variability of frost in shelterbelt environments, a protocol of temperature measurements in actinothermic index (IA), surface air flows and humidity relative has been installed on parcels protected by shelterbelts. Measurements were carried out in 6 parcels during 42 winter and spring frost nights between 1998 and 2002. During spring, the buds percentage nipped by the frost was charted to locate the spatial extension of the cold air surfaces according to the phenological level of the fruit trees. In radiative situation (clear sky, wind lower than 3 m/s), the results show that when the shelterbelt doesn't block the nocturnal wind slope, the coldest sector corresponds to the parcel middle whereas, when the impermeable shelterbelt blockes the wind slope, strongest cooling occurs upstream hedge (blocking of the cold air). In cold situation of advective origin (other situations), the area sector sheltered by the shelterbelt is the coldest.

Entrées d'index

Mots-clés : haies, risque gélif, arbres fruitiers, températures minimales, lutte antigel

Keywords: shelterbelt, frost risk, fruit trees, minimum temperatures, fight against spring frost

Texte intégral

Introduction

Au printemps, le gel cause des dommages sur les arbres fruitiers dont les organes végétatifs (bourgeon ou fleur) sont sensibles au fort refroidissement. La variabilité spatiale du gel (notamment de type radiatif) est souvent importante et les dégâts agronomiques sont alors très hétérogènes dans l’espace (Kalma et al., 1992 ; Jones, 1992 ; Blennow, 1998 ; Quénol, 2002). Cela pose aux agriculteurs un problème pour le choix d’un système de lutte antigel optimal.

La distribution spatiale des dommages dus au gel varie en fonction de la nature du végétal (espèce et variété), du type de temps (radiatif, advectif), de la topographie et des caractéristiques de surface (rugosité, vallée, …). Cette variabilité spatiale, peu accentuée sur les parcelles en zone plane et ouverte, est importante sur des terrains accidentés (pente, cuvette) et dans des vergers encadrés de haies (Bootsma, 1975 ; Oke, 1987 ; Blennow, 1993 ; Robinson et Henderson-Sellers, 1999). Par temps radiatif (ciel clair ou peu nuageux) et vent inférieur à 2-3 m/s, les secteurs les plus froids sont observés dans les dépressions topographiques et en amont d’obstacles où l’air froid s’écoulant par gravité est ralenti (Geiger, 1965 ; Doran et Horst, 1986 ; Mahrt, 1986 ; Oke, 1987 ; Carrega, 1995 ; Beltrando, 1998 ; Bridier, 2001). Par temps advectif, contrairement au refroidissement radiatif, où la grande variabilité spatiale des températures minimales est liée à la morphologie, à l’état et aux aspérités de la surface, la variabilité thermique est plus faible puisque le vent homogénéise la température superficielle de l’air. Seuls les secteurs abrités du vent sont soumis à risque gélif plus important (Bordreuil, 1975).

Pour mettre en place une méthode opérationnelle de lutte contre le gel (passive ou active), une bonne connaissance de la variabilité spatiale de l'aléa en fonction des facteurs environnementaux est donc nécessaire (Figuerola et Mazzeo, 1997 ; Blennow et Persson, 1998) notamment en milieu clos où les parcelles, de taille relativement réduite, nécessitent l’utilisation de techniques spécifiques telles que l’aspersion d’eau ou le brassage de l’air (CTIFL, 1998).

Initialement implantés en vallée du Rhône pour protéger les cultures des vents forts (Gade, 1978), les brise-vent modifient l’ensemble des variables météorologiques générant ainsi des microclimats favorables à la précocité des cultures. Au printemps, période où les cultures fruitières sont sensibles aux forts refroidissements, les haies brise-vent agissent sur les températures. Les effets d’un brise-vent sur la température de l'air au cours d'une nuit gélive sont difficiles à évaluer car ils dépendent de plusieurs facteurs : les caractéristiques de la haie (perméabilité, hauteur, nature), [le rayonnement atmosphérique (RA) et terrestre (RT) nocturne], l’humidité de l’air, la vitesse et la direction du vent. Les conditions météorologiques diurnes antérieures à la nuit gélive ainsi que la topographie - notamment l'orientation de la haie par rapport aux écoulements nocturnes - sont également à prendre en compte.

De nombreux chercheurs (Heisler et Dewalle, 1988 ; Mc Aneney et Judd, 1991 ; Argent, 1992 ; Boldes et al., 1995 ; Geiger, 1995 ; Wang et Takle, 1995 ; Patton et Shaw, 1998) ont étudié l’influence aérodynamique des haies brise-vent en laboratoire (par exemple avec des simulations en soufflerie). Mais l’influence des haies brise-vent sur les paramètres météorologiques favorables à un fort refroidissement de l'air superficiel est moins connue. Blennow (1998) a mis en évidence, par l’intermédiaire de campagnes de mesures météorologiques et de méthodes de modélisation spatiale, l’impact des arbres sur l’évolution des températures nocturnes en situation radiative. En milieu clos, le refroidissement nocturne est limité parce qu’une partie des déperditions énergétiques du sol est ré-émise par les arbres. De même que Chiapale (1975) et Guyot (1997) ont montré que "le flux de rayonnement infrarouge thermique qui atteint le sol est augmenté de façon sensible par des haies… Cela se traduit par une réduction du risque de gel dans cette zone". La variabilité spatiale des températures nocturnes à proximité d’une haie dépend des caractéristiques de la haie (perméabilité, homogénéité, …) mais également de sa position par rapport aux écoulements nocturnes d'air froid au niveau du sol (possibilité d’accumulation d’air froid).

Les mesures expérimentales présentées ici ont été réalisées à l'échelle parcellaire. Elles ont pour objectif de déterminer l'influence des haies brise-vent sur le gel. Les mesures sont intentionnellement effectuées pendant des situations gélives associées à des types de temps différents afin de créer une banque de données regroupant les différentes situations à fort refroidissement nocturne. Dans le cadre des mesures effectuées au printemps, des contrôles des organes fruitiers (bourgeons ou fleurs) sont réalisés afin d'observer la répartition des dégâts et de valider les résultats des mesures météorologiques. La sensibilité aux basses températures des organes fruitiers dépend principalement de l’espèce et de la variété ainsi que du niveau de croissance. Lors de la reprise de l’activité végétative, lorsque le bouton floral apparaît, des températures inférieures à -2°C sont suffisantes pour abaisser la température de surface de la plante en dessous de son seuil de sensibilité et engendrer des dégâts (Huglin, 1986).

Les résultats de cette étude ont pour finalité d'aider les arboriculteurs à connaître la distribution spatiale du risque gélif sur leur exploitation et d’y adapter les pratiques agricoles (lutte passive ou active) afin de limiter les dommages liés à ce phénomène.

1. Matériel et méthodes expérimentales

L’espace étudié se situe dans les vergers de pommiers et de poiriers des communes de Mallemort et de Sénas, dans la basse vallée de la Durance, entre les massifs des Alpilles et du Luberon dans le Sud-Est de la France (figure 1).

Figure 1 : Site d’étude et parcelles expérimentales.
Study area and experimental parcels.

Six parcelles « tests » protégées par des brise-vent (cyprès imperméables et peupliers perméables) et un itinéraire (traversant les parcelles 5 et 6) sont définis comme sites expérimentaux (figure 2).

Figure 2 : Répartition des postes de mesures sur les parcelles tests.
Location of measurements stations.

Une parcelle ouverte plane (non protégée par une haie) sert de témoin. Les parcelles sont choisies en fonction des caractéristiques de la haie qui les protège (perméable ou imperméable) et de leur position par rapport à la pente. Sur les parcelles tests et sur l'itinéraire, les capteurs de température de l'air, de l'humidité relative ainsi que de la direction et de la vitesse des écoulements (vents et écoulements gravitaires) sont installés à 1m50 du sol (hauteur moyenne des bourgeons). Sur la parcelle témoin, les mesures sont réalisées en milieu de parcelle. Les capteurs sont disposés soit de façon à quadriller toute la parcelle, soit selon un axe perpendiculaire aux haies.

Pour l’acquisition des données de température, des thermomètres électroniques (de marque Tiny Talk, précision 0,2°C) reliés à une acquisition de données, enregistrent la température de l’air en indice actinothermique (IA) suivant un pas de temps de 1 minute. Chaque capteur, préalablement étalonné par comparaison, est programmé de manière à enregistrer simultanément la température sur tous les postes de mesure de la parcelle. Les mesures du taux d'humidité relative sont réalisées selon le même principe que pour les températures en indice actinothermique (IA). Les mesures anémomètriques sont effectuées avec un anémomètre à hélice relié à une acquisition de données. Les mesures de direction des écoulements gravitaires sont réalisées ponctuellement par un observateur avec une girouette manuelle en balsa ultra sensible (figure 3).

Figure 3 : Thermomètre électronique de type Tiny Talk (en-haut) et girouette électronique (en-bas).
Tiny Talk electronic thermometer (above) and electronic weathervane (below).

L’expérimentation s’est déroulée sur 42 nuits gélives (T°C<0) durant les hivers et les printemps 1998, 1999 et 2000. Les observations agronomiques ont été réalisées au printemps, période où les arbres fruitiers sont sensibles aux basses températures.

Les mesures météorologiques permettent d'observer la variabilité spatiale de l'aléa (secteurs où les températures les plus basses sont observées). Pour déterminer la variabilité spatiale du risque gélif, la vulnérabilité du végétal doit être associée à l'aléa. L’observation des organes fruitiers est réalisée après de fortes gelées printanières (généralement T°C<-2°C) afin d'observer si la répartition des dommages correspond aux secteurs où la température a été la plus basse.

Ici, nous présentons l’analyse des bourgeons floraux réalisée sur les parcelles 5 et 6 (figure

1) après une forte gelée radiative printanière (nuit du 22-23 mars 1998, avec Tmin =-5,5°C sur la parcelle n° 5). Sur ces deux parcelles, composées de pommiers Granny Smith (n° 6) et de poiriers William's Rouge (n° 5), les bourgeons de 18 arbres (répartis de manière à quadriller l'espace des parcelles) ont été cueillis et analysés afin d'observer s'ils ont subi des dommages (pistil ou ovaires gelés) ; 50 corymbes composés de 5-6 bourgeons ont été prélevés sur chaque arbre. Avant la gelée, le niveau de croissance des bourgeons est homogène sur l'ensemble des deux parcelles (bourgeons floraux apparents, avec un seuil critique de -2,8°C d’après CTIFL, 1998).

2. Résultats et discussions

L’influence des haies brise-vent sur le gel varie fortement suivant le type de gel (radiatif ou advectif), la perméabilité de la haie, la topographie et la vulnérabilité du végétal. L’ensemble de ces paramètres est pris en compte dans la méthodologie expérimentale et les résultats sont présentés successivement lors des situations de refroidissement nocturne radiatif puis advectif.

2.1. Nuits radiatives

En situation radiative (32 nuits), la perméabilité et la position de la haie par rapport aux écoulements gravitaires (blocage d’air froid) sont les facteurs les plus influant sur l’évolution microlocale des températures nocturnes.

Lorsque la parcelle est bordée par une haie imperméable ne bloquant pas les écoulements gravitaires, il semble que c’est essentiellement l'effet de réémission du rayonnement infrarouge par la haie qui agit significativement sur les températures nocturnes. Cet effet se traduit par le « sky view factor » (Granberg et al., 1993 ; Groot et Carlson, 1996 ; Blennow, 1998). Sur 32 nuits radiatives de mesures, un écart thermique moyen de 1°C (avec des écarts extrêmes pouvant dépasser 2°C) est observé entre les rangées d'arbres fruitiers proches des haies et les rangées en milieu de parcelle. Ces résultats, issus d'expérimentations sur la parcelle n° 1, ont été également observés sur les parcelles n° 2 et n° 3 (Quénol, 2002).

Par exemple, sur la parcelle n° 1, la nuit du 26 au 27 janvier 2000 (ciel clair, vitesse du vent zonal inférieure à 2 m/s), l'amplitude thermique entre la partie centrale de la parcelle et les rangs en bordure de haies est en moyenne de 0,8°C (maximum de 1,1°C). Les températures obtenues au centre de la parcelle n° 1 sont comparables à celles d'une parcelle ouverte. Sur les points de mesures proches des haies (rangs 1 et 11), les températures sont plus élevées par rapport au milieu de la parcelle (figure 4).

Figure 4 : Températures nocturnes en milieu clos (rang 1, 6 et 11 de la parcelle n° 1) et milieu ouvert en situation de gel radiatif : moyenne toutes les 30 mn suivant un pas de temps de 6 mn (26-27/01/00).
Night temperatures in closed parcel (row 1, 6 and 11 parcel n° 1) and open parcel in radiative frost situation (26- 27/01/00).

La haie brise-vent modifie l'apport énergétique solaire direct et diffus ("effet de masque"), mais cela ne semble pas avoir de conséquences sur l'évolution des températures nocturnes. L'écran que la haie forme limite l'énergie solaire reçue au sol du côté opposé au Soleil. Il se forme une zone d'ombre dont l'extension dépend de la géométrie de la haie (hauteur, azimut, porosité optique). L'ensemble des mesures ne montre pas de variabilité spatiale des températures nocturnes engendrée par l'apport énergétique diurne. Par exemple, dès le début de la nuit du 25 janvier 1999, les températures à proximité des haies sont similaires quelle que soit leur exposition au rayonnement solaire de la veille, Toutefois, à cette période de l’année, l’apport solaire est limité (figure 5).

Figure 5 : Représentation par points des températures nocturnes sur une parcelle bordée de haies imperméables (parcelle n° 3) : moyenne horaire (25-26/01/99).
Representation by points of night temperatures on a parcel (n° 3) sheltered by impermeable shelterbelts (25-26/01/99).

Au lever du soleil, l'amplitude thermique, entre la partie recevant les premiers rayons solaires et celle restant à l'ombre, peut atteindre plusieurs degrés (jusqu'à 11°C le matin du 12 février 1998 ; figure 6). Cet effet de la haie sur le rayonnement solaire n'est pas négligeable sachant que le rayonnement solaire direct sur un organe fruitier froid peut provoquer la déshydratation du végétal et engendrer des dégâts. L'observation des bourgeons après une forte gelée a montré que 2/3 des dégâts concernaient les bourgeons exposés aux premiers rayons du soleil (Quénol, 2002).

Figure 6 : Représentation par points des températures au lever du soleil (07h50 heure locale) sur une parcelle bordée de haies imperméables (parcelle n° 3) : moyenne horaire (11-12/02/98).
Representation by points of the temperatures to the sunrising (07h50) on a parcel (n° 3) sheltered by impermeable shelterbelts (11- 12/02/98).

L'humidité relative de l'air n'est pas non plus un facteur aggravant la variabilité spatiale des températures sur les parcelles protégées par des haies. En ralentissant la vitesse du vent, les arbres maintiennent les masses d'air superficielles plus proches de la saturation que dans d’autres milieux. Mais, par nuit claire et calme, les diverses mesures montrent que l'humidité relative augmente de façon homogène sur l'ensemble des parcelles bordées de haies brise- vent. Par exemple, durant la première partie de la nuit du 02 au 03 février 1998, la forte baisse de la température s’accompagne d’une augmentation de l’humidité relative puis, dès que l’air est saturé, la baisse de la température est moins intense. La condensation libère de l’énergie et diminue donc le taux de refroidissement (figure 7). En schématisant le comportement thermique sur une parcelle bordée de haies imperméables, par temps radiatif, on peut définir deux secteurs (tableau 1) :

  • les rangs situés à proximité des haies (0H-2H1 et 4H-6H) où le refroidissement est atténué ;

  • la partie centrale de la parcelle (2-4H) où l'influence des brise-vent sur le rayonnement IR est beaucoup moins importante.

Figure 7 : Températures nocturnes et taux d’humidité relative (tHr) en situation radiative sur une parcelle bordée de haies imperméables (parcelle n° 1) : moyenne sur 10 mn avec un pas de temps de 2 mn (02- 03/02/98).
Night temperatures and humidity relative rate (tHr) in radiative situation on a parcel sheltered by impermeable shelterbelts in the parcel n° 1(02-03/02/98).

Tableau 1 : Schématisation de la variabilité spatiale des températures nocturnes en milieu clos par divers types de temps favorables aux gelées hivernales et printanières : en-haut, parcelles non soumises aux écoulements d’air froid ; en-bas, parcelles soumises aux écoulements d’air froid.
Spatial variability schematization of night temperatures in shelterbelt environment by various weather types of winter and spring frost: Parcels without wind slope (above); Parcels with wind slope and cold air bloking (below).

Les résultats indiqués dans ce tableau reposent sur une moyenne arrondie de nuits par type de gel. type 1 : 32 nuits ; type 2 : 10 nuits.

La répétition des mesures (32 nuits) a permis de définir une amplitude thermique moyenne proche de 1°C entre la partie centrale de la parcelle et les rangs en bordure de haies. Le même effet bénéfique sur le rayonnement nocturne est observé, que la haie soit perméable ou imperméable. La perméabilité n'est donc pas un facteur limitant la réémission du rayonnement infrarouge par la haie (figure 8). Cependant, la distance d'influence est peut-être plus difficile à évaluer car le brise-vent est très compact à la base et clairsemé au sommet.

Figure 8 : Effet de limitation du rayonnement nocturne par des haies de natures différentes en situation radiative (parcelle n° 2) : moyenne toutes les 30 mn (21-22/12/99).
Limitation effect of the night radiation by shelterbelts of different nature in radiative situation in the parcel n° 2 (21-22/12/99).

En situation nocturne calme, le "sky view factor" de la haie est l'élément principal faisant varier la température sur une parcelle bordée de brise-vent (perméable ou imperméable). Mais si le verger est exposé à des entrées d'air froid (écoulements gravitaires), le facteur radiatif n'est plus aussi déterminant. Une haie imperméable, soumise aux écoulements nocturnes, crée un barrage à l'écoulement naturel de cet air. Le ralentissement de l'écoulement provoque une stagnation de l'air et donc une accentuation du refroidissement.

Dans cette étude, les capteurs de température sont disposés selon un transect sud-nord partant d'un secteur dégagé en pente (30 %) pour aboutir en contrebas dans un secteur "plat" dans des vergers protégés de haies imperméables faisant obstacle aux écoulements nocturnes (parcelles n° 5 et 6 ; figures 1 et 2). Nous distinguons deux secteurs où la haie imperméable a des effets opposés :

  • en amont de la haie, l'air froid, s'écoulant par gravité, est ralenti par la haie, ce qui provoque la formation d'une masse d’air froid et accentue le refroidissement ;

  • à l’aval, où les actions thermiques et protectrices de la haie sont plus importantes.

Le brise-vent imperméable, en protégeant le verger "aval" de cette masse d'air, limite la baisse des températures. La zone située immédiatement en aval de la haie (moins de 10 m) est donc principalement soumise aux déperditions énergétiques du sol et l'apport thermique par réémission du brise-vent est à nouveau significatif. Le différentiel thermique entre la surface affectée par l'air froid bloqué par la haie imperméable et la surface en aval qui en est protégée peut atteindre plusieurs degrés. Les mesures, effectuées sur 15 nuits radiatives, montrent un écart moyen des températures de 2,5°C mais cette différence varie de 1,5°C à 4°C selon les nuits (par exemple, la présence de vent à environ 3 m/s limite le blocage d'air froid en amont de la haie imperméable lorsque les conditions ne sont pas radiatives durant toute la nuit). Durant la première partie de la nuit radiative (léger vent de 3 m/s) du 21 au 22 décembre 1999 (jusqu’à 22h), on note une différence de 2°C entre les deux côtés de la haie imperméable (figure 9). Dans ce type de situation, la partie exposée aux écoulements catabatiques est fortement sujette au risque gélif. C'est pourquoi, dans les vergers situés en bas de coteau, il est préférable de planter les variétés sensibles au gel en aval d'une haie imperméable qui fait barrage aux arrivées d'air froid.

Figure 9 : Températures en amont et en aval d’un brise-vent imperméable soumis à des arrivées d’air froid (parcours 1) : moyenne toutes les 30 mn (21-22/12/99).
Temperatures upstream and downstream impermeable shelterbelt subjected to cold air flows in the itinerary n° 1 (21-22/12/99).

Le ralentissement des écoulements gravitaires et donc le refroidissement de l'air en amont d'un obstacle ne se vérifie qu'en présence de haies imperméables. Si les brise-vent sont perméables (par exemple, des peupliers), l'air s'écoule en permanence et limite ainsi le refroidissement et les différences entre l’amont et l’aval. La ré-émission du rayonnement IR par la haie est prépondérante et limite le refroidissement nocturne. Cela montre que l'action des haies brise-vent sur le rayonnement nocturne est valable autant sur un site plat que sur un site en pente.

2.2. Nuits advectives

Dans le Sud Est de la France, les gelées d’origine advective sont à 80-90 % consécutives à des courants de nord à nord-ouest, c’est-à-dire par temps de mistral (Bordreuil, 1975). En situation de gel advectif avec ciel clair (10 nuits), dans un milieu de brise-vent, l'action du vent est assez complexe. D'une part, à l'échelle régionale, le mistral véhicule l'air froid en provenance du nord-nord-ouest dans ce secteur et, d'autre part, à l'échelle microclimatique, le vent est bénéfique car il limite la baisse des températures en brassant l'air froid favorisé par la protection des haies imperméables. Sur la partie de la parcelle protégée du vent, l'air étant moins turbulent, le refroidissement est accentué par les pertes radiatives.

L'expérimentation est réalisée sur les parcelles n° 1 et 4 dont les haies font face au mistral. Sur une bande à l'aval de la haie comprise entre 0H et 2H environ, le ralentissement du vent limite le brassage de l’air au niveau du sol et accentue le refroidissement par pertes radiatives. Au delà de 2H, le vent présent sur la parcelle, modère les déperditions énergétiques par rayonnement (tableau 1). On décèle la limite de la zone d'influence du vent sur les températures par les relevés thermiques de quatre rangs de la parcelle qui croissent régulièrement au fur et à mesure que l'on se rapproche du secteur brassé (figure 10). La représentation par points des températures de la nuit du 30 au 31 janvier 1999 sur la parcelle n° 4 confirme ces constatations : il y a un gradient thermique longitudinal s'étendant de la partie « sous le vent » à celle face « au vent » de la parcelle. Dans le sens de la largeur, la température de la parcelle n'est pas homogène. Immédiatement en aval de la haie, le secteur le plus froid se situe au milieu des rangs.

Figure 10 : Variabilité spatiale de la température sur une parcelle (n° 1) bordée de deux haies imperméables perpendiculaires au vent par temps advectif : moyenne horaire (12-13/02/99).
Spatial variability of the temperature in the parcel n° 1 sheltered by two impermeable shelterbelts in advectif weather (12-13/02/99).

Aux extrémités, le refroidissement est amoindri par le vent qui, en bordure de haie, est dévié vers la parcelle (figure 11). En définitive, à l'échelle de la parcelle, les zones protégées des effets mécaniques du vent, sont les plus gélives en situation advective. L'écart thermique entre la zone protégée2 et la zone brassée du verger est en moyenne proche de 1°C (moyenne sur 12 nuits de mesures). En situation advective, le refroidissement est généralement plus important qu'en situation radiative (car la succession d’épisodes de mistral génère l’apport d’air froid) et une baisse d'un degré supplémentaire peut s'avérer catastrophique pour le végétal.

Figure 11 : Représentation par points des températures nocturnes en aval d’une haie imperméable perpendiculaire au vent en situation de gel advectif (parcelle n° 4) : moyenne horaire (30-31/01/99).
Representation by points of the night temperatures downstream from an impermeable shelterbelt in advective situation in the parcel n° 4 (30-31/01/99).

2.3. Mise en évidence de la variabilité spatiale du gel en milieu clos par l’observation des bourgeons gelés

Pour valider les résultats issus de la campagne de mesures des variables météorologiques, nous avons observé l’état des organes végétaux en amont et en aval d’une haie imperméable soumise à des arrivées d’air froid après une forte gelée printanière radiative (itinéraire n° 1, parcelles n° 5 et 6). Au cours de la nuit du 22 au 23 mars 1998, la température minimale est de -4°C en amont de la haie imperméable et de -2,5°C en aval. Les températures négatives ont été relevées pendant une durée de 5 heures (de 02h00 à 07h00), ce qui est largement suffisant pour provoquer des dégâts sur les fleurs de fruitiers très sensibles aux faibles températures (stade E2 "couleur des pétales visible"). On déplore un taux de dommages nettement moins important sur les pommiers (parcelle n° 6) par rapport aux poiriers (parcelle n° 5) ; pourtant, ces arbres ont une croissance plus avancée et sont donc plus sensibles aux faibles températures. Si on observe la répartition des fleurs gelées sur cette parcelle, on s'aperçoit que les points de contrôle immédiatement en aval de la haie brise-vent sont très peu touchés par rapport aux autres (figure 12).

Figure 12 : Contrôles sur fleurs en amont d’une haie imperméable en situation de blocage d’air froid après le gel de la nuit du 22 au 23 mars 1998.
Flowers analysis upstream of an impermeable shelterbelt in blocking of cold air situation (22- 23/03/98).

Sachant que l'air froid s'écoule en direction de ces parcelles, il est bloqué derrière la haie imperméable et stagne sur les parcelles de poiriers. Les Granny Smith sont protégées, tout au moins les premiers rangs, derrière le brise-vent. Dans ce cas, la stratégie de lutte antigel consistera à protéger la parcelle soumise au blocage de l'air froid. Par exemple, si l'arboriculteur utilise le chauffage comme système de lutte antigel, il devra disposer l'ensemble des bougies de paraffine sur les rangées d'arbres fruitiers situées en amont de la haie imperméable.

3. Synthèse et recommandations pour la lutte antigel

3.1. Synthèse des observations

L'analyse des températures nocturnes sur des parcelles protégées par des haies brise-vent a mis en évidence d'une part, une forte variabilité spatio-temporelle des températures et, d'autre part, un comportement thermique différent suivant le type de refroidissement nocturne. Mais, quel que soit le type de gel - radiatif ou advectif - la haie agit principalement et plus ou moins intensément sur les phénomènes convectif (vent) et radiatif (tableau 1) :

En situation calme, la diversité des microclimats engendrée par les haies permet d'observer des écarts de températures importants sur des zones assez restreintes. Les haies brise-vent, suivant leur nature (perméable ou imperméable) et leur position par rapport au relief, influent de manière très diverse sur les températures, elles produisent un effet thermique positif ou négatif.

En situation radiative, quand la haie ne bloque pas les écoulements gravitaires nocturnes, l’émission du rayonnement infrarouge par les haies limite le refroidissement. Le secteur le plus froid correspond au milieu de la parcelle (2H-4H). Lorsque la haie fait barrage aux écoulements nocturnes, le facteur radiatif est beaucoup moins prépondérant. L'apport thermique est présent à l'aval (protection). A l'amont, il est négligeable comparé au fort refroidissement dû à l'accumulation d'air froid. C'est donc le ralentissement et le quasi- blocage de l'air par la haie imperméable qui provoque un fort refroidissement sur la parcelle située en amont du brise-vent.

En situation advective, c'est le facteur convectif qui est le plus influencé par la haie. Le vent limite le refroidissement nocturne par brassage de l'air. Le secteur le plus froid est donc celui protégé par la haie (0H-2H ; tableau 1).

L’influence de la haie sur les processus de transfert d'énergie - radiation, évaporation, convection et conduction - provoque donc une importante variabilité spatiale de la température de l’air. Mais les secteurs où l’aléa thermique est le plus fort (températures nocturnes les plus froides) ne correspondent pas forcément aux secteurs les plus vulnérables, car la sensibilité du végétal varie suivant le niveau de croissance. Les organes végétaux sont d’autant plus sensibles qu’ils sont développés et c’est généralement à la nouaison (formation du fruit) que la sensibilité est la plus grande. La forte variabilité du risque gélif en milieu clos est accentuée par l'hétérogénéité du niveau de croissance des arbres fruitiers sur la parcelle. Généralement, les arbres fruitiers soumis à un faible rayonnement solaire (zone ombragée par la haie) ont un développement végétatif plus lent.

L’hétérogénéité spatiale des températures agit sur le risque gélif à des échelles temporelles différentes. Sur une période très courte - de quelques heures à quelques minutes - les bourgeons situés dans l'aire d’accumulation d’air froid en amont d’une haie imperméable ont une forte probabilité de subir des dommages. Sur une période de plusieurs mois, la végétation disposée sur la partie la plus ensoleillée de la parcelle a une croissance plus rapide par rapport à la partie ombragée. En cas de gel printanier, les organes végétaux les plus développés sont plus sensibles aux basses températures. C’est donc une interaction de phénomènes agissant à des échelles temporelles différentes qui définit la forte variabilité spatiale du risque gélif à l’échelle microclimatique. Sachant que le gel en arboriculture dépend des températures nocturnes et du stade de croissance du végétal, tous ces éléments d'échelles temporelles différentes doivent être pris en compte pour définir les secteurs de la parcelle les plus gélifs.

3.2. Recommandations techniques

Les résultats tirés de cette expérimentation agro-météorologique à micro-échelle ont permis d'envisager un moyen de lutte antigel raisonné adapté au type de gel et en fonction des caractéristiques de la parcelle (type de haie, pente, ...). Pour le gel radiatif, la méthode de protection contre le gel la plus efficace est l'aspersion d'eau sur frondaison3. Cette technique n'implique pas d'adaptation spécifique dans un milieu de haie brise-vent. Ce système est disposé sur la parcelle de manière uniforme (un asperseur tous les x arbres suivant les caractéristiques de l'asperseur), mais il nécessite un gros investissement financier à l'installation (en moyenne 8450 euros à l'ha, d'après CTIFL, 1998) et surtout, la présence d'un réseau d'eau sous pression, ce qui n'est pas possible dans certaines régions où les réserves d'eau sont trop faibles. Il faut donc se tourner vers d'autres techniques.

L'utilisation d'une tour à vent4 (Wind Machine) est envisageable sur une parcelle dont la surface est supérieure à 2 ha (rare en milieu de brise-vent) sachant que la surface protégée maximale est de 3 ha. Sinon, l'investissement est trop important pour la surface protégée. Pour que la protection soit optimale, la tour à vent doit être disposée au niveau des entrées d'air froid (écoulement gravitaire). Mais, en milieu clos, ce système ne peut être installé qu'en milieu de parcelle, car plus on se rapproche de la haie, plus l'action de brassage est limitée avec un effet d’obstacle du brise-vent. Si la parcelle est soumise à des entrées d'air froid, il est nécessaire d'y associer une autre technique de protection telle que le chauffage. Il s'agit de disposer des bougies de paraffine au niveau des arrivées d'air froid ainsi que dans l'espace où s'accumule l'air froid en amont de la haie imperméable.

En milieu de brise-vent, lorsque l'aspersion est impossible, le système de chauffage par bougies5 est le mieux adapté. Le coût matériel et les coûts d'utilisation sont moins onéreux. Par contre, son installation demande une main d'œuvre importante et une méthodologie spécifique qui est bien expliquée dans les guides techniques (CTIFL, 1998). Sur les parcelles protégées par des haies perméables ou imperméables non soumises à des écoulements d'air froid, il conviendra d'allumer en priorité les bougies disposées dans le secteur entre 2H et 4H. Il est même conseillé de mettre plus de bougies sur ces rangées que sur celles se situant entre 0H-2H et 4H-6H. Pour une parcelle située en amont d'une haie imperméable soumise aux écoulements d'air froid, des bougies supplémentaires doivent être disposées au niveau des entrées d'air froid et dans la zone de blocage de l'air froid. Ces bougies doivent également être allumées en priorité.

Par gel advectif, la présence du vent limite très fortement l'action du chauffage (dissipation de l'apport calorifique), l'aspersion de l'eau peut accentuer le risque gélif (forte évaporation) et les tours à vent ne peuvent pas être utilisées (vibration de l'hélice provoquée par le vent). Toutefois, en milieu de brise-vent, l'apport de chauffage dans le secteur protégé par la haie imperméable (0H-2H) peut limiter très localement le refroidissement.

Conclusion

Les campagnes de mesures météorologiques et de contrôles agronomiques à l’échelle microclimatique sur des parcelles bordées par des haies ont permis de montrer l’influence des brise-vent sur les paramètres météorologiques et de mettre en évidence la forte variabilité spatio-temporelle du risque gélif. En situation radiative, lorsque la haie ne bloque pas les écoulements nocturnes, le secteur le plus froid correspond au milieu de la parcelle alors que, quand la haie imperméable fait barrage aux écoulements nocturnes, le plus fort refroidissement se produit en amont de la haie (blocage de l'air froid). En situation advective, le secteur le plus froid est celui abrité par la haie.

Ce type d’étude microclimatique a pour objectif d’apporter à la profession agricole des documents favorisant la mise en place de méthodes culturales raisonnées (choix des variétés plus ou moins sensible suivant le type de haie) et apporte une aide quant au choix des moyens de lutte antigel les mieux adaptés à la parcelle à protéger. Cela limite ainsi la probabilité de destruction des récoltes et, par conséquent, minimise les pertes économiques liées aux aléas climatiques locaux.

Etude réalisée dans le cadre de la collaboration entre l’université Denis Diderot Paris 7, Réseau Ferré de France, la Chambre d’Agriculture des Bouches-du-Rhône et la participation de la station arboricole expérimentale de la Pugère à Mallemort.

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Notes

1  La distance d'influence des haies variant dans la majorité des cas en fonction de leur hauteur, elle est exprimée en nombre de fois la hauteur de la haie ; par exemple 2H pour un brise-vent de 10 m représente une longueur de 20 m.

2  La zone immédiatement en aval de la haie est appelée "zone protégée", cela ne signifie pas qu'elle est moins gélive que les autres mais qu'elle est préservée du flux ambiant. Ce terme fait référence à la fonction initiale du brise-vent qui est de protéger les cultures des effets mécaniques du vent.

3  La technique consiste à maintenir à 0°C la température des organes végétaux en les recouvrant d'une pellicule de glace constamment humidifiée. La protection de la culture est obtenue par l'énergie calorifique libérée par l'eau au moment de sa prise en glace.

4  La protection par brassage d'air consiste à mélanger l'air plus chaud du haut de la couche d'inversion thermique avec l'air plus froid au niveau du sol. La tour à vent, munie d'une hélice verticale, permet d'aspirer l'air plus chaud et de le redistribuer au niveau du verger.

5  La technique consiste à disposer de multiples sources de chaleur sur l'ensemble de la parcelle de manière à compenser les pertes énergétiques par rayonnement dans un verger. Actuellement, la disposition de bougies de paraffine est la méthode la plus répandue. Les chaufferettes et autres systèmes utilisant la propulsion de combustibles sont de plus en plus rares (onéreuses et polluantes).

Pour citer ce document

Référence papier : Hervé Quénol et Gérard Beltrando « Impact des haies brise-vent sur le gel printanier en arboriculture », Climatologie, 2006, p. 9-23.

Référence électronique : Hervé Quénol et Gérard Beltrando « Impact des haies brise-vent sur le gel printanier en arboriculture », Climatologie [En ligne], mis à jour le : 17/08/2015, URL : http://lodel.irevues.inist.fr/climatologie/index.php?id=663, https://doi.org/10.4267/climatologie.663

Auteur(s)

Hervé Quénol

UMR6554 du CNRS (LETG), Laboratoire COSTEL, Université Rennes 2, place du Recteur Henri Le Moal, 35043 Rennes Cedex

Gérard Beltrando

UMR 8586 du CNRS (PRODIG), Université Denis Diderot, 2 place Jussieu 75251 Paris Cedex 05