Quand l'eau est un enjeu : Commentaire du LIST sur une étude concernant l'utilisation de l'eau dans l'agriculture

« Le whisky, c'est pour boire, l'eau, c'est pour se battre », dit un proverbe occidental, souvent attribué à Mark Twain. Pas besoin de proverbe pour mesurer l'importance de l'eau dans nos vies, bien sûr. L'eau est un élément aussi essentiel pour l'homme que l'air. La différence est que le changement climatique, la pression démographique et la combinaison de plusieurs autres facteurs d'origine humaine ont fait de l'eau une ressource extrêmement rare, en faisant un objet de discorde.

La production agricole, en particulier, est fortement tributaire de l'eau et constitue le principal consommateur dans son secteur. « Il est donc impératif d'améliorer les pratiques de gestion de l'eau dans l'agriculture pour garantir la durabilité et la productivité à long terme dans le domaine agroalimentaire », explique Kanishka Mallick, Lead R&T Associate au sein de l'unité de modélisation et de détection environnementale du LIST. Récemment, il a été invité à rédiger un avis d'expert, en collaboration avec le professeur Dennis Baldocchi, de l'Université de Californie à Berkley, sur une étude consacrée à l'utilisation de l'eau par les cultures, publiée dans Nature Water.

Exploiter la technologie satellite pour mesurer l'utilisation de l'eau par les plantes

Dans cette étude, qui porte sur l'utilisation de l'eau par les cultures à partir de données satellitaires, John Volk, du Desert Research Institute (États-Unis), et ses collègues ont présenté l'initiative OpenET, où « ET » fait référence à l'évapotranspiration, un processus qui représente la quantité totale d'eau utilisée par les plantes tout au long de leur cycle de vie pour mener à bien leurs activités métaboliques, réaliser la photosynthèse et générer de la biomasse. Kanishka Mallick souligne l'importance de la surveillance et de la mesure de l'évapotranspiration en agriculture, car elle joue un rôle crucial dans la détermination de l'eau d'irrigation nécessaire au maintien du métabolisme et de la productivité des plantes tout au long de leur cycle de croissance.

Traditionnellement, les estimations de l'utilisation de l'eau par évaporation sont obtenues à l'aide de méthodes d'observation. Ces méthodes englobent différents sous-groupes, la mesure d'Eddy-covariance - une technique de mesure atmosphérique - étant une approche largement utilisée. « Il s'agit de grandes tours équipées de capteurs sophistiqués qui enregistrent la vapeur d'eau, le dioxyde de carbone et les flux de chaleur à une fréquence d'échantillonnage typique de 10 Hz », explique le chercheur.

« Ces données sont ensuite converties en flux d'énergie au moyen d'équations mathématiques complexes, ce qui permet de connaître le volume d'eau utilisé par les différents écosystèmes. » Bien qu'il existe entre 700 et 750 tours de ce type dans le monde, elles ne sont peut-être pas suffisantes pour saisir les nuances du cycle de l'eau, l'utilisation de l'eau par les plantes et le fonctionnement des écosystèmes sur des millions de pixels terrestres.

Dans le cadre du projet OpenET, la technologie employée pour mesurer la quantité d'eau nécessaire repose sur la technologie satellitaire, qui permet de cartographier des zones spécifiques. Le cœur de cette technologie comporte plusieurs sous-parties, qui se concentrent principalement sur ce que les satellites peuvent percevoir. Contrairement à nos yeux, qui ne peuvent différencier toutes les longueurs d'onde et tous les spectres, les satellites utilisent différents filtres dans les régions rouge, bleue, verte, proche infrarouge, infrarouge à ondes courtes, infrarouge thermique et infrarouge à ondes moyennes pour détecter les signaux réfléchis par la surface de la Terre.

Les satellites offrent un avantage unique en capturant des images de vastes régions que les instruments standard ne peuvent pas atteindre. « Pour illustrer cela, explique Kaniska Mallick, prenons l'exemple d'un thermomètre mesurant la température d'une seule plante. Imaginez maintenant que de nombreux thermomètres dans l'espace prennent collectivement des mesures de température, éliminant ainsi la dépendance à l'égard d'une source unique. Les satellites jouent essentiellement le rôle de ces thermomètres, détectant les signaux et les convertissant en termes de température. »

Outre la température, les satellites mesurent également la réflectivité ou la quantité de lumière solaire réfléchie par la végétation. Une fois collectées, ces données de température et de réflectivité, combinées à d'autres informations météorologiques, sont intégrées dans divers modèles mathématiques. Ces modèles, qui font appel à des notions complexes de physique et de biologie, génèrent des résultats qui indiquent la quantité d'eau utilisée par les cultures.

Des informations cruciales pour optimiser l'utilisation de l'eau dans les régions sèches

L'initiative prévoit la mise au point d'un système intégrant plusieurs modèles capables d'exploiter ces informations satellitaires pour calculer l'utilisation de l'eau par les cultures. Les données publiques qui en résulteront devraient être extrêmement utiles, en particulier pour les agriculteurs de régions comme la Californie, caractérisées par des conditions arides et semi-arides.

La Californie, avec son écosystème unique, est confrontée à des enjeux tels qu'une charge radiative élevée pendant la journée et un stress hydrique permanent dû à des précipitations limitées tout au long de l'année. Dans ces conditions, l'utilisation efficace de l'eau par les plantes devient cruciale. Mais les agriculteurs, souvent contraints par l'urgence de protéger leurs cultures, peuvent avoir recours à des pratiques telles que l'irrigation excessive.

« Le problème réside dans le manque de sensibilisation aux conséquences futures potentielles. Les agriculteurs, poussés par la nécessité de protéger leurs cultures, peuvent ne pas être pleinement informés de l'efficacité de l'utilisation de l'eau par les plantes qu'ils cultivent », explique-t-il. Cela peut entraîner des applications d'eau inutiles, alors que les besoins réels en eau des plantes peuvent être inférieurs à ce qui est fourni.

« À plus grande échelle, ajoute-t-il, des régions comme la vallée centrale de la Californie et de nombreuses autres régions semi-arides d'Europe et d'Afrique sont confrontées à des défis similaires. En Afrique, par exemple, le lac Tchad s'est considérablement réduit au cours des 40 dernières années, ce qui a eu un impact sur la durabilité de l'agriculture. La dépendance à l'égard de l'eau du lac Tchad a diminué, entraînant des migrations massives, la pauvreté et des menaces pour les pratiques agricoles qui dépendent de la disponibilité de l'eau ».

Pour remédier à ce problème, il est essentiel d'obtenir des informations sur l'évapotranspiration. La cartographie de ce processus à grande échelle, notamment grâce à l'imagerie satellitaire, fournit aux agriculteurs des informations précieuses qui leur permettront de prendre des décisions avisées concernant les pratiques d'irrigation de leurs champs.

« Les données satellitaires pourraient donc bientôt devenir indispensables dans le secteur agricole, notamment pour répondre aux besoins spécifiques des agriculteurs », explique Kaniska Mallick, qui dirige actuellement le développement du centre européen ECOSTRESS avec des collègues du LIST, dans le but de mettre en œuvre un système similaire pour l'Europe et l'Afrique. Le projet européen ECOSTRESS sert de précurseur à deux futures missions de télédétection thermique par satellite : TRISHNA (Thermal infraRed Imaging Satellite for High-resolution Natural resource Assessment), une collaboration franco-indienne de recherche spatiale, et LSTM (Land Surface Temperature Monitoring), menée par l'Agence spatiale européenne. Ces deux missions ont un objectif commun : cartographier et surveiller le stress hydrique depuis l'espace. « Bien qu'il s'agisse d'un travail en cours, je pense que d'ici quelques années, nous aurons mis en place un système complet », conclut-il.