Chapitre 13 - Contribution des arbustes au fonctionnement hydrique et carboné des parcs agroforestiers à Guiera senegalensis J.F. Gmel : observations et modélisation
p. 205-216
Résumés
Notre objectif est d’évaluer la contribution des arbustes de Guiera senegalensis aux flux d’eau et de carbone dans un parc agroforestier à petit mil (Pennisetum glaucum L.R. Br.) et dans une jachère. Le site expérimental est situé au sud-ouest du Niger, sur un bassin-versant sahélien de 2 km2. À l’échelle de l’arbuste de Guiera senegalensis, le taux de transpiration foliaire a été déduit de la conductance stomatique et du déficit de pression de vapeur. La dynamique de la biomasse aérienne et souterraine des arbustes a été suivie en saison des pluies, en saison sèche froide et en saison sèche chaude. À l’échelle de la parcelle, les bilans d’eau et d’assimilation du carbone ont été estimés par une modélisation de type « transferts surface-végétation-atmosphère ». Le modèle est paramétré à partir de mesures automatiques de terrain selon la méthode des corrélations turbulentes. Le taux de transpiration foliaire et la biomasse aérienne de Guiera ont augmenté dans le parc, de la saison des pluies à la saison sèche chaude, alors qu’ils ont diminué dans la jachère. Les résultats du modèle montrent une activité de la jachère centrée sur la saison des pluies, mais décalée vers le début de la saison sèche pour le parc. À l’échelle de la parcelle, le modèle est capable de bien simuler l’évapotranspiration et l’assimilation de carbone au regard de la période de la croissance active des arbustes dans les deux types de couvert, tout en assurant un haut degré de cohérence avec le contenu en eau du sol.
The main objective of this work is to evaluate the contribution of the shrubs to the water and CO2 flux in the soil-vegetation-atmosphere continuum and to the carbon sequestration in a pearl millet-Guiera senegalensis agroforestry parkland and a fallow. The experimental site is located in a 2 km2 Sahelian watershed in South-West Niger. At shrub scale, the leaf transpiration rate was deduced from stomatal conductance and vapor pressure deficit. The dynamics of field above- and below-ground biomass dynamic survey was conducted in rainy, cool and hot dry seasons. At plot scale, water budget and carbon assimilation were estimated by Svat (surface-vegetation-atmosphere transfer) modeling approach, parameterized from field measurements (Eddy correlation). At shrub scale, leaf transpiration rate and aboveground biomass increased in the parkland from rainy to hot dry season while it decreased in fallow. The model results show a fallow activity peaking during the rainy season but shifting towards the beginning of the dry season for the parkland. At plot scale, the model is able to finely match the measured evapotranspiration and carbon assimilation with regard to the period of active growth of shrubs specific, keeping consistent with the soil water in both cover types.
Remerciements
Ce travail a été réalisé en partie grâce au financement du Système national d’observation « Analyse multidisciplinaire de la mousson africaine : couplage de l’atmosphère tropicale et du cycle hydrologique » et du projet Cirad-IRD Safse. L’acquisition et le traitement des données ont été assurés par l’équipe du laboratoire de l’IRD Niamey et celle de l’université Dan Dicko Dankoulodo de Maradi.
Texte intégral
Introduction
1L’association culture-arbuste est typique des systèmes d’agriculture sahéliens. Elle est étudiée depuis plus de vingt ans (Louppe, 1991 ; Wezel et al., 2000 ; voir également chapitre 12). Guiera senegalensis J.F. Gmel est une Combretaceae soudano-sahélienne dominante sur les sols sableux, lessivés ou épuisés. En zone sahélienne agropastorale en particulier, malgré la forte pression de coupe exercée par les agriculteurs, l’espèce se maintient dans les parcs agroforestiers en association avec le petit mil (Pennisetum glaucum) et, par conséquent, aussi dans les jachères (Saâdou, 1990 ; Arbonnier, 2001). Dans les champs de mil, les arbustes sont rabattus au moment du semis ou de la levée des plantules de mil pour éliminer toute compétition avec la céréale. De plus, le bois est utilisé comme combustible (Louppe, 1991).
2En pleine saison des pluies, lorsque la compétition pour l’eau et les nutriments n’est plus préjudiciable à la croissance du mil, la partie aérienne des arbustes se régénère alors de façon rapide, de sorte que les plants de mil et les rejets de G. senegalensis coexistent jusqu’à la récolte du mil, en fin de saison des pluies. Les rejets conservent leur feuillage durant presque toute la saison sèche, contrairement aux arbustes non rabattus de la jachère. Nos premiers résultats (Issoufou et al., 2013) ont montré que le maintien du feuillage était dû à un stress hydrique relativement faible des rejets (potentiel hydrique foliaire faiblement négatif) du fait d’une conductance hydraulique élevée et d’une embolie initiale faible dans les vaisseaux encore jeunes des rejets. L’absence de stress a été interprétée comme une probable conséquence d’un ratio racines/partie aérienne plus élevé chez les rejets que chez les arbustes non rabattus en jachère. De plus, la densité des arbustes est plus faible dans les parcs agroforestiers que dans les jachères, ce qui induit une plus grande disponibilité en eau pour les arbustes dans les parcs (Ramier et al., 2009). Enfin, la gestion des champs pour une production maximale de mil bénéficierait aussi aux rejets ; certaines études récentes ont montré qu’une augmentation des rendements céréaliers autour des arbustes était liée à un effet d’« îlot de fertilité » de l’arbuste (Wezel, 2000 ; Wezel et al., 2000, voir chapitre 12).
3Dans ce chapitre, le fonctionnement éco-hydrologique du parc agroforestier et de la jachère est étudié sous l’angle des processus d’échange d’eau et de carbone dans le continuum sol-végétation-atmosphère, à partir des observations in situ à l’échelle de l’arbuste et de la parcelle et des développements récents d’une modélisation de type « transferts surface-végétation-atmosphère » (TSVA). Les résultats sont présentés en distinguant, d’une part, les processus de régulation hydrique et, d’autre part, les processus d’assimilation et de séquestration du carbone.
Site d’étude et méthodologie
4Un parc agroforestier à G. senegalensis et une jachère ont été instrumentés en 2005 pour des mesures intensives et un suivi sur le long terme sur le versant de Wankama (2,6°E ; 13,6°N), à environ 60 km à l’est de Niamey au Niger (Cappelaere et al., 2009). Ce versant est l’un des sites pilotes du Service national d’Observation (SNO) et d’analyse multidisciplinaire de la mousson africaine - couplage de l’atmosphère tropicale et du cycle hydrologique (Amma-Catch, 2018). Un des objectifs de cet observatoire est d’étudier les interactions et les couplages entre les cycles de l’énergie, de l’eau et du carbone à partir des mesures de processus microclimatiques et de la végétation. Des mesures et des observations sont réalisées conjointement sur une parcelle située dans un parc agroforestier associant le petit mil et G. senegalensis et sur une parcelle située dans une jachère (savane arbustive). Elles ont permis de mesurer et de caractériser :
-
la pluviométrie et la micro-météorologie locales ;
-
les échanges thermo-hydriques dans le continuum sol-végétation-atmosphère à l’échelle de la parcelle (humidimétrie et thermique du sol, flux d’énergie, d’eau et de CO2 à l’interface surface-atmosphère) ;
-
le développement saisonnier du couvert (hauteur et indice foliaire) et sa productivité (biomasses aérienne et souterraine, opération financée par le projet Safse, 2018).
5À l’échelle de l’arbuste, le taux de transpiration foliaire (Tr, mmol/m2/s) a été déduit à partir de la conductance stomatique et du déficit de pression de la vapeur par Issoufou et al. (2013) dans le parc agroforestier et dans la jachère. Pour compléter cette étude, dix-huit arbustes espacés d’au moins 3 m les uns des autres ont été échantillonnés dans le parc agroforestier et dans la jachère. Leur hauteur totale, le plus grand diamètre de houppier et le diamètre perpendiculaire (généralement le plus petit) ont été mesurés. Les biomasses aérienne et souterraine de chaque arbuste ont été estimées par la méthode destructive et l’excavation exhaustive du système souterrain jusqu’à 1 m de profondeur. En effet, l’arbuste possèderait plus de 90 % de sa biomasse racinaire dans cet horizon (Kizito et al., 2007). Ce protocole a été appliqué en saison des pluies (juin-octobre), en saison sèche froide (novembre-janvier) et en saison sèche chaude (février-mai). Les biomasses ont été ensuite estimées (au laboratoire de l’IRD de Niamey) par pesée après étuvage, à 70 °C pour les feuilles et les racines fines et à 105 °C pour le bois et les racines architecturales. Le carbone total contenu dans les arbustes est estimé à 50 % de la biomasse sèche selon les références sur les espèces ligneuses de savanes de IPCC (2007) et Lufafa et al. (2008).
6À l’échelle de la parcelle, une modélisation des transferts sol-végétation-atmosphère est développée. Elle est adaptée au milieu sahélien (modèle Sispat - Simple soil plant atmosphere transfer ; Braud et al., 1995 ; Braud, 1998) et repose sur les observations faites dans le cadre du Service national d’observation (Amma-Catch). Une étape préliminaire a consisté à éprouver la capacité de ce modèle à décrire le fonctionnement thermo-hydrique du parc agroforestier (Velluet et al., 2014). Des développements récents ont ensuite permis la prise en compte du fonctionnement carboné du parc agroforestier et de la jachère par l’intégration d’un module d’assimilation photosynthétique et de régulation stomatique (modèle A-gs ; Jacobs, 1994) au modèle initial des transferts sol-végétation-atmosphère. La capacité du nouveau modèle à estimer les flux de CO2 à l’interface sol-végétation-atmosphère, tout en conservant sa robustesse sur les flux et les stocks d’eau et d’énergie, a été évaluée (Allies, 2015).
Régulation hydrique
Régulation hydrique à l’échelle de l’arbre
7La fig. 13.1 présente la pluviométrie journalière, le déficit de pression de vapeur (DPV) moyen journalier et le taux de transpiration foliaire journalière maximale (Tr max) mesurés en 2010. Le taux de transpiration foliaire (Tr max) est corrélé positivement au déficit de pression de vapeur dans le parc agroforestier uniquement (F = 6,461 ; P = 0,03 856). La transpiration foliaire diminue concomitamment avec le déficit de pression de vapeur de juillet à septembre, les mois les plus pluvieux de l’année. Les mesures de terrain et les sorties du modèle Sispat (fig. 13.2) confirment qu’en cette saison, la disponibilité en eau du sol pour la végétation est plus élevée sous le parc à G. senegalensis que sous la jachère (Ramier et al., 2009 ; Velluet et al., 2014 ; Issoufou et al., 2015). À l’échelle de l’arbre, ces résultats indiquent que, tant que le contenu en eau du sol est suffisant pour compenser la transpiration du couvert ligneux, le taux maximum de transpiration du couvert ligneux est limité par la demande évaporative de l’atmosphère, comme l’est l’évapotranspiration à l’échelle de la parcelle. Boulain et al. (2009) ont en effet montré que, dans les parcelles localisées dans le parc agroforestier, l’évapotranspiration était limitée par les conditions atmosphériques jusqu’à un seuil de teneur relative en eau du sol correspondant à 70 %. En dessous de ce seuil, elle diminue avec la baisse de la teneur en eau du sol.
Figure 13.1a. Variation de la pluviométrie en 2010.
Figure 13.1b. Variations du déficit de pression de vapeur (DPV) et du taux maximum de transpiration journalier (Tr max) mesurée chez G. senegalensis
Figure 13.2. Bilan hydrique simulé par le modèle Sispat dans le parc agroforestier et dans la jachère.
Variations saisonnières moyennes simulées des composantes du cycle de l’eau, pour les jachères (lignes continues) et les parcelles en parc agroforestier associant petit mil et Guiera senegalensis (lignes pointillées), exprimées en moyenne glissante de 10 jours simulées pour sept années d’observation, de 2005 à 2012 (Velluet et al., 2014, modifié).
Régulation hydrique à l’échelle de la parcelle
8Les comportements hydrologiques et énergétiques du parc agroforestier et de la jachère à l’échelle de la parcelle ont été modélisés de 2005 à 2012 à partir des observations de terrain : précipitations, rayonnements, micro-météorologie, humidimétrie et développement saisonnier de la végétation. La figure 13.2 illustre les évolutions saisonnières annuelles moyennes des composantes du cycle hydrologique simulées par le modèle Sispat dans le parc agroforestier et en jachère.
9Des différences de fonctionnement apparaissent clairement entre les deux types de couverts, alors qu’ils sont soumis à des conditions pluviométriques et météorologiques similaires. Le ruissellement et l’évaporation directe du sol sont plus faibles dans le parc agroforestier que dans la jachère, tandis que le stockage de l’eau dans la zone racinaire y est plus élevé. Le pic de la transpiration foliaire (Tr max) est également plus tardif (octobre) dans le parc agroforestier par rapport à la jachère (septembre) ; ce décalage s’explique principalement par la reprise de la régénération intensive des rejets dans le parc agroforestier après la récolte du mil (Issoufou et al., 2013, 2015). La régénération des arbustes est favorisée par les plus grandes quantités d’eau disponibles, une compétition pour les ressources (en particulier l’eau) limitée par un couvert moins dense qu’en jachère et la diminution de l’encroûtement du sol par le travail du sol effectué auparavant pour le mil. On observe une plus grande capacité du parc agroforestier à stocker ou à remobiliser de l’eau dans la zone racinaire et au-delà (drainage intense sous le parc mais inexistant sous la jachère ; fig. 13.2) qui pourrait résulter d’une contribution des parcs agroforestiers à la recharge diffuse de la nappe (Massuel et al., 2011 ; Ibrahim et al., 2014).
Stock et assimilation de carbone
Évaluation de la biomasse et du stock de carbone à l’échelle de l’arbre
10La gestion des arbustes dans les parcs arbustifs d’Afrique de l’Ouest est liée au calendrier cultural et aux stades de développement de la culture (Lahmar et al., 2012 ; Issoufou et al., 2015). Dans le parc à G. senegalensis et dans la jachère, nous avons quantifié la biomasse sèche totale produite par arbuste au cours de la saison des pluies, la saison sèche froide et la saison sèche chaude (tab. 13.1). La biomasse totale a augmenté de 13 % dans le parc agroforestier et diminué de 15 % dans la jachère entre la saison des pluies et la saison sèche chaude (février-mai) avant défrichement.
11Dans le parc agroforestier, l’augmentation de la biomasse totale est due à un accroissement de la biomasse aérienne de 55 % et une réduction de la biomasse racinaire de 16 %, principalement les racines fines ; le ratio biomasse racinaire/biomasse aérienne a diminué de moitié dans le même temps (de 3 à 1,5). Dans le parc agroforestier, une diminution significative de la quantité de racines fines de 30 % en saison sèche froide et de 45 % en saison sèche chaude est observée également.
12Du fait de la défeuillaison et du ralentissement de la croissance des arbustes de février à juin dans la jachère (Issoufou et al., 2013), la diminution de la biomasse est plus liée à une réduction de la biomasse racinaire (19 % pour les racines grossières et 40 % pour les racines fines) qu’à celle de la biomasse aérienne (10 %).
Tableau 13.1. Variation de la biomasse aérienne et souterraine moyennes en fonction des saisons chez G. senegalensis dans le parc agroforestier et dans la jachère du bassin-versant à Wankama, Niger.
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Parcelle |
Période |
Biomasse racinaire (tDM/ha) |
Biomasse aérienne (tDM/ha) |
Biomasse totale (tDM/ha) |
|
|
Racines grossières > 2 mm |
Racines nourricières < 2 mm |
||||
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Parc agroforestier |
Saison des pluies (6)(1) |
2,66 (0,27)(2) |
0,11 (0,026) |
0,75 (0,07) |
3,52 (0,28) |
|
Saison sèche froide (6) |
2,37 (0,45) |
0,07 (0,02) |
1,40 (0,17) |
3,83 (0,45) |
|
|
Saison sèche chaude (6) |
2,23 (0,61) |
0,05 (0,01) |
1,70 (0.14) |
3,98 (0,63) |
|
|
Jachère |
Saison des pluies (6) |
4,19 (0,75) |
0,13 (0,02) |
4,12 (0,62) |
8,43 (0,69) |
|
Saison sèche froide (6) |
3,57 (1,14) |
0,01 (0,02) |
4,29 (0,57) |
7,96 (1,38) |
|
|
Saison sèche chaude (6) |
3,39 (0,33) |
0,07 (0,02) |
3,68 (0,93) |
7,14 (1,04) |
|
(1) : nombre d’arbustes échantillonnés. (2) Écart-type de la moyenne.
13Ainsi, dans la jachère, le ratio biomasse racinaire/biomasse aérienne est passé de 1 en saison des pluies à 0,85 en saison sèche froide et 0,94 en saison sèche chaude. Cette dynamique intersaisonnière de la biomasse ligneuse correspond à une augmentation de stock de carbone de 13 % dans le parc agroforestier et une diminution de 15 % dans la jachère entre la saison des pluies et la saison sèche chaude (tab. 13.2).
Tableau 13.2. Taux moyen du stock de carbone dans la biomasse aérienne et souterraine en fonction des saisons chez l’arbuste G. senegalensis dans le parc agroforestier et la jachère à Wankama, Niger.
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Parcelle |
Période |
Carbone de la biomasse racinaire (tC/ha) |
Carbone de la biomasse aérienne (tC/ha) |
Carbone total de la biomasse (tC/ha) |
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Parc |
Saison des pluies (6)(1) |
1,33 (0,13)(2) |
0,38 (0,036) |
1,76 (0,14) |
|
Saison sèche froide (6) |
1,18 (0,22) |
0,70 (0,08) |
1,92 (0,23) |
|
|
Saison sèche chaude (6) |
1,12 (0,30) |
0,85 (0,07) |
1,99 (0,32) |
|
|
Jachère |
Saison des pluies (6) |
2,09 (0,37) |
2,06 (0,31) |
4,22 (0,34) |
|
Saison sèche froide (6) |
1,79 (0,57) |
2,15 (0,28) |
3,98 (0,69) |
|
|
Saison sèche chaude (6) |
1,69 (0,17) |
1,84 (0,46) |
3,57 (0,52) |
(1) : nombre d’arbustes échantillonnés. (2) Écart-type de la moyenne.
14Dans le parc agroforestier, la biomasse arbustive (3,5-3,9 tDM/h) et le stock de carbone (1,7-1,9 tC/ha) se situent dans la gamme de valeurs proches de celles (0,44-4,58 tDM/ha et 0,9-1,4 tC/ha respectivement) observée par Lufafa et al. (2008, 2009) dans un parc similaire au Sénégal avec une pluviométrie de 540 mm/an. Le système racinaire arbustif a stocké 75 % du carbone total en saison des pluies et 56 % en saison sèche chaude dans le parc agroforestier, contre 50 % pour la jachère sur les mêmes périodes.
Assimilation de carbone à l’échelle de la parcelle
15Les processus de photosynthèse et de transpiration sont couplés à l’échelle de la feuille par le biais de la régulation stomatique. Le couplage réalisé entre le modèle Sispat et le module de photosynthèse de Jacobs (1994) permet désormais de tenir compte de ces processus de manière mécaniste dans la modélisation des transferts sol-végétation-atmosphère. Il permet aussi de comprendre le fonctionnement de l’assimilation du carbone atmosphérique par les feuilles, qui peut être ensuite comparée aux observations (Allies, 2015). Les résultats ont montré la bonne tenue du modèle couplé à restituer le cycle annuel de photosynthèse observé dans le parc agroforestier et la jachère (fig. 13.3).
Figure 13.3. Pluviométrie et variations saisonnières de l’assimilation de carbone (Gross Primary Productivity – micromoles CO2/m2/s) observées et simulées pour le parc agroforestier associant mil-Guiera senegalensis et la jachère en 2007.
16Précisément, les différences obtenues entre le modèle et les observations sont plus faibles pour le parc agroforestier que pour la jachère, ceci pouvant s’expliquer par une composition spécifique simple (mil et rejets d’arbustes du même âge) et un couvert (plants de mil et repousses de Guiera) plus homogène dans le parc agroforestier que dans la jachère. En effet, la jachère se compose d’un mélange d’arbustes (photosynthèse en C3) d’âges différents avec des plantes annuelles (photosynthèse en C3 et C4) qui ne sont pas différenciées dans le modèle actuel.
17Les évolutions saisonnières du couvert du parc agroforestier et de la jachère sont contrastées : pour la jachère, un départ précoce, un phasage net avec la saison des pluies et un cycle d’assimilation de carbone raccourci. De telles différences sont directement liées aux résultats obtenus concernant la régulation hydrique. Elles sont dues aussi aux effets du défrichage du parc agroforestier en début de saison, au semis du mil après les premières pluies, à la reprise de la régénération intensive des rejets d’arbustes au cœur de la saison des pluies et son maintien tout au long de la saison sèche après la récolte du mil.
Conclusion
18Dans les parcs agroforestiers, la contribution de la transpiration des rejets de G. senegalensis à l’évapotranspiration réelle est significative après la récolte de mil, c’est-à-dire à partir de la fin de la saison des pluies. La régénération intensive des arbustes est liée à leurs caractéristiques physiologiques propres, elle est favorisée par des conditions de plus grande disponibilité en eau que dans les jachères. Nos résultats montrent la meilleure capacité des rejets à séquestrer du carbone en saison sèche que celle des arbustes matures en jachère, qui sont partiellement défeuillés et très peu actifs. Ces résultats mettent également en évidence une réduction de la biomasse racinaire des arbustes dans le parc agroforestier et dans la jachère en saison sèche. Toutefois, la version actuelle du modèle des transferts sol-végétation-atmosphère fonctionne sur un forçage des paramètres liés à la végétation (i.e. profil racinaire et indice foliaire). L’étape suivante serait d’inclure un module d’allocation du carbone aux différents organes de la plante (G. senegalensis en jachère, mil et G. senegalensis en parc agroforestier). Ce type de dispositif de mesures envisagé à l’échelle de la plante et de la parcelle, ainsi que la modélisation associée, permettront d’aborder des études d’impacts des différents scénarios de réaffectation d’usage des terres et de changement climatique sur le devenir des ressources hydrologiques et végétales.
Bibliographie
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Velluet C., Demarty J., Cappelaere B., Braud I., Issoufou H.B.A., Boulain N., Ramier D., Mainassara G., Charvet G., Boucher M., Chazarin JP., Oï M., Yahou H., Maidaji B., Arpin-Pont F., Benarrosh N., Mahamane A., Nazoumou Y., Favreau G., Seghieri J., 2014. Building a field- and model-based climatology of local water and energy cycles in the cultivated Sahel - Annual budgets and seasonality. Hydrology and earth system sciences, 11: 4 753-4 808.
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10.1006/jare.1999.0609 :Auteurs
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H. Issoufou Bil-Assanou
Université Dan Dicko Dankoulodo de Maradi, Faculté d'agronomie et des sciences de l’environnement, département des Sciences et techniques de productions végétales, Maradi, Niger
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J. Demarty
Université de Montpellier, CNRS, IRD, UMR-HydroSciences, Montpellier, France
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B. Cappelaere
IRD, université de Montpellier, UMR-HydroSciences, Montpellier, France
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A. Allies
IRD, université de Montpellier, UMR-HydroSciences, Montpellier, France
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C. Velluet
Université de Montpellier, CNRS, IRD, UMR-HydroSciences, Montpellier, France
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I. Maïnassara
IRD, Niamey, Niger
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M. Oï
Université de Montpellier, CNRS, IRD, UMR-HydroSciences, Montpellier, France
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J.-P. Chazarin
Université de Montpellier, CNRS, IRD, UMR-HydroSciences, Montpellier, France
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R. Moussa Moumouni
Faculté d’agronomie et des sciences de l’environnement, département des Sciences et Techniques de Productions végétales, université Dan Dicko Dankoulodo de Maradi, Maradi, Niger
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J. Seghieri
Université de Montpellier, CNRS, IRD, UMR-HydroSciences, Montpellier, France
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