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Performance comparison of the Penman-Monteith-based evapotranspiration models in a citrus orchard of Southwest China

Cette étude évalue cinq modèles basés sur la méthode de Penman-Monteith en utilisant quatre années de données de covariance des turbulences dans un verger d'agrumes du sud-ouest de la Chine, révélant que le modèle hybride à double source (H-D) surpasse généralement les autres à travers les échelles temporelles et les stades de croissance, tout en soulignant la sensibilité critique des estimations de l'évapotranspiration à la résistance de la canopée et au contenu en eau du sol.

Auteurs originaux : Bin Zhu, Qingyan He, Ningbo Cui, Manxue Zhang, Ziling He, Yu Feng, Yuelei Liu, Zhihui Wang, Guoyu Zhu, Liwen Xing, Shouzheng Jiang

Publié 2026-06-24

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CC BY 4.0

Auteurs originaux : Bin Zhu, Qingyan He, Ningbo Cui, Manxue Zhang, Ziling He, Yu Feng, Yuelei Liu, Zhihui Wang, Guoyu Zhu, Liwen Xing, Shouzheng Jiang

Article original sous licence CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Ceci est une explication générée par l'IA de l'article ci-dessous. Elle n'a pas été rédigée ni approuvée par les auteurs. Pour une précision technique, consultez l'article original. Lire la clause de non-responsabilité complète

Imaginez que vous essayez de déterminer exactement la quantité d'eau qu'un verger d'agrumes « boit » et « transpire » (un processus appelé évapotranspiration) chaque jour. Cela est crucial pour les agriculteurs qui veulent arroser leurs arbres parfaitement — en leur donnant juste assez pour s'épanouir sans gaspiller de l'eau précieuse.

Ce document est comme un test de dégustation où des chercheurs ont testé cinq différentes « recettes » (modèles mathématiques) pour prédire la quantité d'eau que ces orangers utilisent. Ils ont comparé ces recettes à une mesure de référence (« étalon d'or ») prise par une tour météo de haute technologie dans un verger réel du sud-ouest de la Chine.

Voici le détail de ce qu'ils ont trouvé, en utilisant des analogies simples :

Les Contestants : Cinq Différentes « Recettes »

Les chercheurs ont testé cinq façons différentes de calculer l'utilisation de l'eau. Voyez cela comme différents chefs essayant de deviner de quelle quantité d'eau un arbre a besoin :

Le Chef « Taille Unique » (Penman-Monteith / P-M) : Ce chef traite tout le verger comme une seule et immense feuille géante. C'est simple et célèbre, mais cela suppose que le sol est complètement couvert de feuilles. Dans un jeune verger où l'on peut encore voir la terre entre les arbres, ce chef s'embrouille et surestime la consommation.
Le Chef « Par Couches » (Shuttleworth-Wallace / S-W) : Ce chef essaie d'être très détaillé, en séparant l'eau utilisée par les feuilles de l'eau s'évaporant du sol. C'est une recette complexe avec beaucoup d'ingrédients. Bien qu'intelligent, il a tendance à trop cuire le plat (surestimer l'utilisation de l'eau), surtout autour de midi.
Le Chef « Patchwork » (Two-Patch / T-P) : Ce chef voit le verger comme un patchwork (un patchwork ou une courtepointe). Certains morceaux sont des feuilles vertes, et d'autres sont de la terre nue. Il calcule l'utilisation de l'eau pour les morceaux verts et les morceaux de terre séparément, puis les additionne. C'est beaucoup plus précis pour les vergers où le sol n'est pas entièrement couvert.
Les Chefs « Hybrides » (TVET et H-D) : Ce sont les chefs avancés qui combinent les meilleurs aspects des approches « Par Couches » et « Patchwork ». Le modèle H-D (Hybrid-Dual Source) est la star de la compétition. C'est comme un chef qui non seulement sépare le sol et les feuilles, mais qui vérifie aussi le vent et la stabilité de l'air pour ajuster la recette en temps réel.

Les Résultats : Qui a Gagné ?

Les chercheurs ont testé ces chefs sur quatre ans, en examinant les données toutes les 30 minutes et chaque jour.

Le Vainqueur : Le modèle H-D a été le champion incontesté. Il a été le plus précis pour prédire exactement la quantité d'eau que les arbres ont utilisée, que ce soit pour un instantané de 30 minutes ou pour une journée entière. C'était le seul modèle qui ne prédisait pas systématiquement trop haut ou trop bas.
Le Deuxième : Le modèle T-P (Patchwork) était également très bon, surtout lorsque les fruits grossissaient et que la canopée de l'arbre devenait épaisse.
Les Perdants : Les modèles simples « Taille Unique » (P-M) et trop complexes « Par Couches » (S-W) ont eu du mal. Ils pensaient souvent que les arbres buvaient beaucoup plus d'eau qu'ils ne le faisaient réellement, particulièrement lorsque les arbres étaient jeunes ou lorsque le soleil était au plus fort à midi.

Les « Ingrédients Secrets » (Analyse de Sensibilité)

Les chercheurs ont également demandé : « Si nous changeons un ingrédient dans la recette, à quel point la prédiction finale change-t-elle ? » C'est comme demander : « Si j'ajoute une pincée de sel supplémentaire, est-ce que la soupe a un goût totalement différent ? »

L'Ingrédient le Plus Sensible (Résistance de la Canopée) : C'est comme l'« estomac » de l'arbre. Cela représente la manière dont l'arbre ferme ses minuscules pores (stomates) pour conserver l'eau. Si l'arbre ouvre un peu plus ses pores (la résistance diminue), le modèle prédit un bond énorme dans l'utilisation de l'eau. Tous les modèles étaient très sensibles à cela.
Le Deuxième Ingrédient le Plus Sensible (Humidité du Sol) : C'est l'eau dans la terre. Si le sol devient plus humide, les arbres boivent plus. Les modèles étaient très réactifs à cela ; un petit changement dans l'humidité du sol entraînait un grand changement dans la prédiction.
Le Tournant Surprenant (Température) : On pourrait penser que par temps plus chaud, les arbres boivent plus. Cependant, les modèles ont montré que lorsqu'il fait trop chaud, les arbres ferment en réalité leurs pores pour se protéger, ce qui diminue l'utilisation d'eau prédite. Les modèles ont capté cette réaction biologique intelligente.
Le Nombre de Feuilles (LAI) : Le chef « Par Couches » (S-W) était très sensible au nombre de feuilles. Si vous vous trompiez sur le compte des feuilles, toute la prédiction partait en vrille. Les chefs « Patchwork » étaient plus indulgents ; ils pouvaient gérer quelques feuilles de plus ou de moins sans paniquer.

L'Essentiel à Retenir

Si vous êtes un agriculteur dans une zone vallonnée et subtropicale essayant d'arroser vos agrumes :

N'utilisez pas la recette simple « Taille Unique » ; elle gaspillera l'eau en prédisant des quantités trop élevées.
Le modèle Hybrid-Dual Source (H-D) est l'outil le plus fiable pour votre travail car il comprend qu'un verger est un mélange de feuilles et de sol, et qu'il s'ajuste en fonction du vent et des conditions de l'air.
Cependant, si les arbres sont pleinement adultes et que le sol est complètement ombragé, le modèle plus simple « Patchwork » (T-P) est également une excellente option, facile à utiliser.

Cette étude aide les agriculteurs et les scientifiques à choisir le bon « calculateur » pour s'assurer que les arbres reçoivent la quantité d'eau appropriée sans en gaspiller une goutte.

Résumé technique : Comparaison des performances des modèles d'évapotranspiration basés sur Penman-Monteith dans un verger d'agrumes du sud-ouest de la Chine

Problématique
L'estimation précise de l'évapotranspiration (ET) des cultures est fondamentale pour optimiser les stratégies d'irrigation et assurer une utilisation durable de l'eau en agriculture. Bien que le modèle Penman-Monteith (P-M) soit la norme de l'industrie pour les écosystèmes bien végétalisés, son cadre classique à source unique « big-leaf » (grande feuille) peine dans les paysages hétérogènes comme les vergers d'agrumes. L'incapacité du modèle à séparer l'évaporation du sol (E) de la transpiration des plantes (T) et sa simplification des réponses stomatales complexes en un terme de résistance globale entraînent souvent des inexactitudes, particulièrement dans les canopées clairsemées ou fragmentées. Bien que des modèles à double source et hybrides aient été proposés pour remédier à ces limitations, il manque des études comparatives rigoureuses et multi-échelles dans les écosystèmes de vergers subtropicaux évaluant la performance des modèles à travers différentes résolutions temporelles (de la demi-heure au jour) et stades phénologiques, parallèlement à une analyse de sensibilité quantitative de leurs moteurs structurels.

Méthodologie
Cette étude a utilisé quatre années de données de covariance des turbulences (EC) (2020–2023) provenant d'un verger d'oranges sucrées (Citrus Tachibana) à Qionglai, dans la province du Sichuan, au sud-ouest de la Chine. La recherche a évalué cinq modèles basés sur P-M avec des structures conceptuelles variables :

Penman-Monteith (P-M) : Un modèle à source unique.
Shuttleworth-Wallace (S-W) : Un modèle à couches à double source.
Two-Patch (T-P) : Un modèle à deux parcelles (patch) à double source supposant des parcelles de sol et de végétation indépendantes.
Algorithme de partitionnement de l'énergie de surface basé sur la topographie et la végétation (TVET) : Un modèle hybride combinant les réseaux de résistance S-W avec l'agrégation T-P.
Hybride à double source (H-D) : Un modèle employant un schéma en couches pour la distribution de l'énergie et une méthode de parcelles pour l'agrégation des flux, incorporant des corrections de stabilité atmosphérique.

La performance des modèles a été évaluée à des échelles demi-horaire, journalière et spécifique aux stades de croissance (floraison/fructification, jeune fruit, gonflement du fruit et mûrissement du fruit) en utilisant des métriques statistiques incluant $R^2$ , RMSE, MAE et l'indice de cohérence ( $d_1$ ). De plus, une analyse de sensibilité globale a été menée pour quantifier l'influence des paramètres de résistance clés (résistance de la canopée/feuille, résistances aérodynamiques, résistances du sol) et des entrées environnementales (rayonnement, température, VPD, vitesse du vent, teneur en eau du sol et indice de surface foliaire) sur l'ET simulée.

Résultats clés

Performance selon l'échelle temporelle : La performance des modèles a varié significativement selon la résolution temporelle. À l'échelle de la demi-heure, le modèle H-D a atteint la précision la plus élevée ( $R^2 = 0,84$ , RMSE = 0,038 mm·0,5h⁻¹), reproduisant efficacement les cycles diurnes. Le modèle S-W a présenté une surestimation systématique pendant les heures de midi. À l'échelle journalière, les modèles basés sur les parcelles (T-P, TVET, H-D) ont été systématiquement plus performants que les modèles à source unique (P-M) et à couches (S-W). Le modèle H-D a de nouveau démontré une précision supérieure ( $R^2 = 0,91$ , RMSE = 0,47 mm·j⁻¹) avec une sous-estimation moyenne minimale (1,63 %).
Sensibilité phénologique : L'efficacité des modèles dépendait du stade de croissance. Le modèle H-D excellait durant les périodes de floraison/fructification et de mûrissement du fruit. À l'inverse, le modèle plus simple T-P a obtenu les meilleurs résultats pendant la période d'expansion du fruit ( $R^2 = 0,88$ ), suggérant que sous des conditions de canopée dense où l'évaporation du sol est supprimée, les réseaux de résistance complexes peuvent introduire des rendements décroissants ou des erreurs supplémentaires.
Analyse de sensibilité : L'ET simulée était plus sensible à la résistance de la canopée ( $r_c$ ) dans le modèle P-M et à la résistance stomatale foliaire ( $r_{sc}$ ) dans les autres modèles ; une diminution de 20 % de ces paramètres augmentait l'ET de 3,71 % à 7,41 %. Parmi les entrées environnementales, la teneur en eau du sol (SWC) était le facteur le plus réactif, avec une augmentation de 20 % de la SWC causant des variations d'ET comprises entre 10,43 % et 32,27 % selon les modèles. Le modèle S-W a montré la plus grande sensibilité à l'indice de surface foliaire (LAI), une diminution de 20 % du LAI réduisant l'ET de 11,38 %, tandis que les modèles basés sur les parcelles montraient une sensibilité moindre en raison du compromis compensatoire entre transpiration et évaporation.

Principales contributions
Cette étude fournit une évaluation systématique et multi-échelle de la famille de modèles P-M dans un verger subtropical, allant au-delà du simple classement des performances pour découvrir les raisons structurelles du comportement des modèles. Elle identifie le modèle H-D comme l'option la plus robuste pour les environnements de vergers hétérogènes grâce à l'intégration des corrections de stabilité atmosphérique et du partitionnement de l'énergie à double source. De plus, la recherche clarifie que la sélection du modèle doit dépendre du contexte ; bien que le H-D soit généralement supérieur, des modèles basés sur les parcelles plus simples comme le T-P peuvent être suffisants et plus efficaces pendant les périodes de couverture de canopée dense. L'analyse de sensibilité déconstruit davantage la dépendance de ces modèles vis-à-vis de paramètres de résistance spécifiques et des forçages environnementaux, soulignant que la SWC et la résistance stomatale sont les principaux moteurs d'incertitude.

Signification
Les conclusions offrent une base mécaniste pour la sélection et l'amélioration des modèles dans les écosystèmes de vergers subtropicaux. En identifiant les modèles optimaux pour des contextes temporels et phénologiques spécifiques, cette recherche soutient des stratégies de gestion de l'eau et d'irrigation plus précises pour la production d'agrumes. L'étude souligne la nécessité de paramétrer avec précision les réponses physiologiques des plantes et les processus hydrauliques du sol pour réduire les erreurs d'estimation de l'ET, contribuant ainsi à l'amélioration de l'efficacité de l'utilisation de l'eau et de la gestion des ressources en eau régionales dans des systèmes agricoles sensibles à l'eau.

Les Contestants : Cinq Différentes « Recettes »

Les Résultats : Qui a Gagné ?

Les « Ingrédients Secrets » (Analyse de Sensibilité)

L'Essentiel à Retenir

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