Les gelées de printemps : un problème toujours actuel

De Les Mots de l'agronomie
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Auteur : Bernard Itier

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Anglais : spring frost
Espagnol : helada de primavera
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Article accepté le 10 juin 2021
Article mis en ligne le 16 juin 2021


Introduction et définition

Pourquoi parler des gelées de printemps alors qu’il fait plus froid en hiver ?

L’expression « gelées de printemps » est née en région tempérée, où la destruction des jeunes pousses, fleurs et fruits, compromet au printemps la production de toute une année.

En hiver, la température est certes plus basse, mais la végétation de nos régions est adaptée au rythme des saisons. Pour faire simple, elle « attend que ça passe pour repartir », elle s’est endurcie à l’automne et peut supporter sans dégâts les températures négatives d’une « gelée d’hiver » (sauf si elles sont exceptionnellement basses et mettent en jeu sa survie comme ce fut le cas en janvier 1985 en Europe).

Il en va différemment au printemps. Une « gelée de printemps » est une gelée qui :

  • sur le plan météorologique, est produite (localement) par le bilan radiatif nocturne, alors que la température de l’air est positive de jour (voire même de nuit, à une hauteur suffisante au-dessus du sol) ;
  • sur le plan agronomique (horticole, viticole), affecte des organes fragiles de plantes en début de végétation active.

Les bourgeons apparaissent progressivement et, au fur et à mesure qu’ils se développent, ils deviennent de plus en plus sensibles au froid. Si, par une nuit de ciel clair, leur température descend en dessous d’une valeur seuil (dépendant du stade phénologique, grosso modo -5°C au stade bouton vert, –3°C en début de floraison), une bonne partie d’entre eux meurent et la récolte de l’année est compromise. L’important ici est l’interaction entre données physiques et état des plantes. Une même gelée à une date donnée provoque d’autant plus de dégâts qu’il a fait chaud auparavant, car la végétation étant plus avancée, le seuil critique sera plus élevé ! C’est parce que la végétation était très en avance que les gelées de début avril 2021 en Europe ont eu des effets très importants.

Pour étudier les gelées de printemps, il faut donc croiser la physique du refroidissement nocturne (micrométéorologie) avec la gélivité des bourgeons, des fleurs ou des jeunes fruits (physiologie du gel). On pourra ensuite aborder la question de la lutte contre le gel et de son intérêt économique.


Refroidissement nocturne : moteur et freins

A la tombée de la nuit, la basse atmosphère a une température homogène. Ensuite, si le ciel est clair, la surface du sol se refroidit en perdant par rayonnement infrarouge thermique beaucoup plus d’énergie qu’elle n’en reçoit de la voûte céleste (déficit de l’ordre de 100 W.m–2. La basse atmosphère acquiert une structure thermique stable (air froid en bas car plus lourd) qui diminue fortement les échanges avec l’air, sauf si le vent se lève. Le sol ne peut compenser par conduction qu’une fraction faible de la perte radiative (20% sur sol humide, 5% sur sol sec ou enherbé), et la température continue à baisser fortement, sauf si l’air est humide. Dans ce cas, la formation de rosée et/ou de givre apporte de la chaleur latente de condensation (de sublimation inverse pour le givre) qui réduit fortement la chute de température.

On voit donc que le refroidissement nocturne a un moteur : le rayonnement thermique, et deux freins possibles : le vent et une forte humidité de l’air.

Il y aura donc de forts risques de gelées de printemps si :

  • L’atmosphère est déjà froide au coucher du soleil (moins de 5°C)
  • Le ciel est clair
  • Le vent et faible
  • L’air est sec

Le raisonnement est valable en plaine. Or beaucoup de vignobles et de vergers sont plantés sur des versants. Il faut alors tenir compte de la topographie. L’air froid qui se forme par contact avec la surface du sol étant plus lourd, s’écoule et s’accumule vers le bas du coteau, qu’il rend plus « gélif » que les parties hautes (en vignoble de coteau, les bas de vallées sont réservés aux céréales).

Par ailleurs, les organes des plantes (bourgeons, fleurs, jeunes fruits) rayonnent eux aussi dans l’infrarouge et sont, de ce fait, toujours plus froids de nuit que l’air environnant. Donc, ce qui compte n’est pas la température de l’air mais celle des organes végétaux, que l’on évalue par celle d’un thermomètre de verre placé horizontalement hors abri, ce que l’on nomme « indice actinothermique ».


Gélivité des bourgeons et mécanisme de mort par le gel

On ne peut parler de la gélivité sans évoquer les stades phénologiques qui, chez les fruitiers et la vigne, vont au printemps de « bourgeon dormant » à « fruits ou grappes séparées ». Pour étudier les dégâts, on note pour chaque stade les températures où 10% et 90% des bourgeons ont gelé. Saunier (1978) observe ainsi que, chez le prunier, ces températures sont –4,4°C et –8,9°C pour le stade « apparition des sépales » mais –2,8°C et –5°C en « début de floraison ». Différemment présenté, on peut dire que pour toute température minimale de bourgeons, il y a d’autant plus de dégâts que cette température est basse et/ou que la végétation est à un stade plus avancé. Cela permet de comprendre pourquoi une gelée fait d’autant plus de dégâts que les conditions météorologiques précédentes étaient favorables au développement des plantes.

Pour étudier la question de la mort par le gel, il faut détailler deux points (Bouchet, 1965 ; Leddet & Dereuddre, 1993) :

  • A : le suc cellulaire n’est pas de l’eau pure. C’est une solution sucrée, d’autant plus concentrée que le stade phénologique du bourgeon est précoce. Or une solution sucrée ou salée abaisse d’autant plus son point de congélation qu’elle est concentrée, d’où les moindres dégâts aux bourgeons précoces. En aucun cas la congélation ne peut avoir lieu tant que la température est supérieure au point de congélation. Quand on atteint celui-ci, le suc peut encore rester à l’état liquide, dit de surfusion, à condition de ne pas baisser trop en dessous du point de congélation et d’avoir affaire à un très faible volume, comme c’est le cas dans les cellules.
  • B : on peut schématiser le bourgeon en deux ensembles : l’ensemble des cellules, les espaces intercellulaires. Les cellules sont petites comparées à l’ensemble des espaces intercellulaires. Ce qui est vital pour le bourgeon, c’est que les cellules ne gèlent pas. La cristallisation a lieu d’abord dans les espaces intercellulaires, dès lors qu’ils sont plus grands. Non seulement ce gel dans les espaces intercellulaires n’est pas fatal, mais c’est même un mécanisme de défense naturel. En effet, si la baisse de température est suffisamment lente, la congélation d’une partie de cet espace entraîne une augmentation de teneur en sucre dans la solution non gelée, ce qui aura pour conséquence une migration de l’eau depuis les cellules vers les espaces intercellulaires pour rééquilibrer la teneur en sucre de l’ensemble non gelé. Cela a pour effet de concentrer le suc dans les cellules et ainsi d’abaisser leur point de congélation. Dans une expérience déjà ancienne, Rémy Durand (1961) avait mis des fleurs de pommiers à refroidir dans un congélateur. Il abaissait leur température lentement (moins de 0,5°C/h) jusqu’à –7°C et les y avait maintenues pendant 14 heures. Ramenées à 0°C, ces fleurs étaient fonctionnelles, bien qu’ayant des boursouflures liées au gel extracellulaire.
Figure 1. Exemple d’exothermes dans deux bourgeons à des stades différents (partie inférieure) indiquant la rupture de surfusion, au cours d’un refroidissement régulier en chambre radiative (partie supérieure) Les courtes remontées brusques de température dans les bourgeons indiquent le moment où l’eau en surfusion se congèle, libérant sa chaleur latente. (d’après Flura et al., 1991)

Malheureusement, dans la nature, le refroidissement n’est pas aussi lent, et la migration d’eau depuis les cellules est parfois insuffisante pour assurer une baisse convenable du point de congélation en regard de celle de la température. Il y a alors rupture de la surfusion intracellulaire. La cristallisation qui s’opère est repérable à la chaleur qu’elle dégage (80 cal/g ou 330 KJ/Kg). Cette remontée temporaire de température est comme un « baiser de mort » pour le bourgeon. Flura et al. (1991) ont observé l’évolution de température de bourgeons placés avec leurs rameaux dans des chambres de refroidissement radiatif. La figure 1 permet de voir le comportement de deux bourgeons de stades différents (stades notés selon Eichorn-Lorenz, 1977 : 3 = bourgeon dans le coton, 9 = feuilles étalées). La partie supérieure montre le refroidissement progressif d’un thermomètre placé dans les mêmes conditions que les bourgeons. En partie inférieure, on a porté l’écart de température entre les bourgeons et le thermomètre. Les températures sont d’abord égales au début du refroidissement. Puis les choses se passent différemment selon le stade : pour le stade 3, l’égalité dure longtemps et l’exotherme est faible (peu de suc cellulaire à congeler). Pour le stade 9, l’égalité de température dure beaucoup moins et la rupture plus précoce de surfusion met en jeu beaucoup plus d’eau, ce que traduit le fort exotherme observé après une heure de refroidissement.

Figure 2 : Évolution de la température de rupture de surfusion de bourgeons de vigne Chardonnay (Vitis vinifera) en fonction du stade phénologique d’Eichhorn-Lorenz (1977), à Avize ( Champagne) au cours de 3 années (1987, 88 et 89). La barre verticale indique à chaque stade l’intervalle moyenne ± écart-type (d’après Itier et al. 1991)

La Figure 2, d’après Itier et al. (1991) indique l’évolution, en fonction du stade phénologique, de la température de rupture de surfusion en conditions standard de refroidissement, pour un vignoble de chardonnay observé pendant trois années successives. Ces résultats indiquent que l’on a 66% des dégâts entre –4°C et –9°C pour le stade 3 (bourgeon dans le coton), entre –5°C et –7°C pour le stade 5 (pointe verte) et entre –3°C et –5°C pour le stade 9 (feuilles étalées). Ils recoupent bien ceux, évoqués plus haut, sur prunier (Saunier, 1978).

La nature a bien fait les choses et accompagne le bourgeon principal d’un bourgeon secondaire qui a un retard phénologique sur le principal. Ce retard peut permettre au second de ne pas geler lorsque le premier gèle. Après la migration de l’eau vers les espaces intercellulaires, c’est la « deuxième cartouche » du végétal. Si le bourgeon secondaire gèle aussi, il n’y aura pas de production de fruit sur cet ensemble. Ainsi, une récolte qui aurait pu être très bonne peut être compromise en une, deux ou trois heures par le gel de printemps. C’est, au même titre que la grêle, ce que l’on appelle un accident climatique.

Les conditions du dégel conduisent à des observations contradictoires, évoquées dans l’article Gelées de printemps : un peu d’histoire.

Que faire contre le gel de printemps ?

Le gel de printemps étant un accident, distinguons 3 questions : comment le prévoir ? Comment l’esquiver ? Comment le contrer ?

Prévision du gel de printemps

Les modèles météorologiques synoptiques ne sont pas appropriés pour une prévision localisée des températures de fin de nuit. Diverses formules (radiatives, hygrométriques) ont été élaborées pour calculer le minimum de température matinal à partir de la température de l’air au coucher du soleil. Toutes présentent deux inconvénients majeurs (Cellier, 1991) : elles ne font appel qu’à un des processus en jeu (rayonnement ou condensation) et ne prévoient que la température de l’air et pas l’indice actinothermique. Pour améliorer cela, un système original avait été testé en Champagne dans les années 1980-90 (Choisnel et al., 1984) : par situation printanière anticyclonique de ciel clair, le prévisionniste mettait en œuvre, pour la station de Reims, un modèle de refroidissement nocturne par ciel clair (Cellier & Itier, 1984). Le résultat était ensuite extrapolé à 4 autres stations puis à l’ensemble du vignoble (Beltrando, 1998), à partir d’études statistiques des différences d’indice actinothermique observées avec la station de Reims. Les considérations sur l’opportunité de la lutte (voir ci-après) ont mis cette expérimentation en sommeil.

Esquive du gel de printemps

On peut chercher à esquiver le gel de deux manières : soit physique, en plantant en situation moins gélive de coteaux, soit physio-phénologique, en plantant des variétés plus tardives. La première solution a déjà été adoptée par beaucoup de vignobles. La seconde pourrait l’être pour les vergers si la concurrence internationale n’obligeait les producteurs à raisonner les choix de précocités en fonction de la commercialisation.

Lutte contre le gel de printemps

Distinguons les principes physiques de la lutte et son opportunité.

Les méthodes de lutte se classent en deux catégories : A/ celles qui cherchent à diminuer la perte radiative, moteur du refroidissement ; B/ celles qui cherchent à compenser la perte radiative par un autre apport énergétique.

Pour chacune, on devra distinguer deux aspects : 1/ l’ensemble efficacité-praticabilité et 2/ le coût, le manque d’efficacité rendant inutile la discussion du coût.

A/ méthodes radiatives Pour être efficace, une méthode radiative doit fortement réduire la perte de rayonnement dans le domaine de longueur d’onde 5–40 microns, ce qui exclut les fumées (par ailleurs polluantes) qui ne sont efficaces que dans le visible, ainsi que les brouillards artificiels qui n’ont pas l’épaisseur nécessaire et seront revus en B2 pour leur effet de chaleur latente.

La seule solution efficace serait la pose de bâches dès le soir. Ce serait une sorte d’esquive du gel via une serre provisoire qui, diminuant les pertes radiatives par 2, diminuerait d’autant la baisse de température nocturne ! Malheureusement, ce n’est pas économiquement envisageable.

B1/ méthodes par chaleur sensible

  • – La combustion de fuel ou de bougies est un moyen de lutte reconnu. Deux problèmes se posent : la répartition des points chauffants (protéger sans brûler) et la constance de l’apport de chaleur. Dans le cas du fuel, il faut refaire régulièrement le niveau ou avoir un dispositif d’alimentation automatique (AVC, 1991). Ceci pose la question du coût, soit en main d’œuvre, soit en équipement.
  • – le brassage de l’air peut être localement une solution. Il permet de renvoyer vers le bas l’air moins froid bloqué en hauteur par la stabilité thermique nocturne qui s’étend jusqu’au plafond d’inversion au-delà de 10 m de hauteur. Ce ne peut être qu’un moyen anecdotique, utilisé avec succès avec un hélicoptère par des vignobles de prestige (coût élevé assumé), ou localement à partir d’une tour pour remédier à la gélivité élevée d’une cuvette (AVC, 1991).

B2/ Méthodes par chaleur latente
Deux possibilités ont été envisagées :

Le brouillard artificiel
C’est en effet par chaleur latente de sublimation qu’agit le brouillard artificiel (Itier et al., 1987). Malheureusement, s’il est thermodynamiquement efficace, il est inutilisable pour des questions juridiques liées à la maîtrise de la nappe de brouillard. En effet, en l’absence de vent, le brouillard, plus froid que l’air, s’écoule vers le bas et peut occasionner des accidents sur des routes adjacentes. Si la vitesse du vent atteint un seuil de l’ordre de 0,6 à 1m/sec, le brouillard se dirige dans le sens du vent et peut venir mouiller des [Champ, pièce, parcelle|parcelles]] voisines, les rendant plus gélives lorsque, le vent cessant, il reviendra sur la parcelle initiale..

L’aspersion

Fig 3. Schéma d’évolution de la température d’un bourgeon sous aspersion pendant une nuit de gel (courbe bleue), comparée à la température de l’air (courbe jaune), à l’indice actinothermique (courbe rouge) et à l’indice actinothermique mouillé (courbe verte) (d’après AVC, 1991)

C’est la méthode la plus efficace si elle est bien conduite. C’est un remède « presque » assuré contre le gel de printemps car il maintient la température des bourgeons à 0°C, valeur toujours supérieure à leur point de congélation (cf. supra : même en mai, le point de congélation du bourgeon est inférieur à -1°C). Mais cette méthode ne fonctionne que si, et seulement si, l’utilisateur respecte deux conditions indispensables :

  • le débit d’eau à assurer : il faut que les bourgeons soient toujours recouverts de glace mouillée, sinon leur température baissera en dessous de 0°C ;
  • il faut absolument démarrer l’aspersion avant que l’indice actinothermique mouillé (température d’un thermomètre placé hors abri, comme les bourgeons, et mouillé par une « chaussette », comme le seront les bourgeons) atteigne –2°C. Or, à ce moment là, la température de l’air peut encore être de 0°C voire de +1°C. La Figure 3, d’après AVC (1991), présente un exemple très schématisé d’évolution de température de bourgeon, sous aspersion à partir de 2 heures, c’est-à-dire au moment où cet indice mouillé atteint -2°C. Si on attend au-delà, on fera au moment du démarrage baisser la température des bourgeons en dessous de –2°C et on les tuera. En effet, au démarrage de l’aspersion, les gouttelettes produites baignent dans un air non saturé ; l’évaporation qui en résulte provoque une perte d’énergie et la température des bourgeons mouillés s’abaisse provisoirement jusqu’à l’indice actinothermique mouillé de l’instant. Pour maintenir à 0°C des bourgeons vivants tout au long de la nuit et sauver la récolte potentielle, il ne faut pas les avoir tous tués au démarrage ! Donc, si on ne démarre pas assez tôt, il vaut mieux ne rien faire. Ce point est très important ! De même, on n’arrêtera le système que si le même indice actinothermique mouillé placé hors zone d’aspersion dépasse à nouveau –2°C après le lever du soleil.

Si ces conditions sont bien remplies, on aura la satisfaction de voir un vignoble sauvé en fin de matinée, avec quelques bris de rameaux dus au poids des stalactites de glace. La question du coût de cette technique dépend trop du type de culture et ne peut être abordée qu’avec l’opportunité

Opportunité de la lutte contre le gel

Cette question dépend énormément du contexte économique et législatif. Séparons les vergers du vignoble.

Pour les vergers, le seul système envisageable serait l’aspersion, si elle était déjà installé pour l’irrigation estivale. Or pour économiser l’eau, les arboriculteurs sont massivement passés au goutte à goutte.

Pour le vignoble, même si à l’heure actuelle en France certains vignobles ont obtenu le droit d’irriguer la vigne, les installations d’irrigation dédiées correspondent aussi très généralement au goutte à goutte. L’aspersion ne peut donc être envisagée que pour un vignoble à haute valeur ajoutée. C’était le cas du champagne au siècle dernier, lorsque la profession devait convertir le moût excédentaire de l’année en crémant, sans possibilité de report sur l’année suivante. Dès lors que ce report a été autorisé, l’intérêt pour la lutte par aspersion a disparu. De même pour le Chablis qui peut jouer sur deux années successives. Après les gelées de printemps de 2021, on n’a guère entendu parler que de compensation des pertes par l’État. La question de l’intérêt pour un moyen de lutte pour des vignobles comme le Bourgogne, le Bordeaux voire le Cognac est une question ouverte.


Conclusion

D’aucuns auraient pu croire que le changement climatique en cours renverrait aux oubliettes de l’Histoire la question des gelées de printemps. Il n’en est rien, comme l’illustrent les gelées d’avril 2021 en Europe occidentale. En effet, si l’augmentation en cours des températures rendra statistiquement moins probable une chute de température jusqu’à un seuil déterminé à une date donnée, deux éléments viennent contrarier cet espoir :

  • Pour une même variété, la phénologie sera avancée ! Gate et Brisson (2010) prévoient pour différentes variétés de vigne une avancée de la date du stade « floraison » de l’ordre de 15 jours en 50 ans. Ce qui importe n’est pas le risque d’occurrence d’une même température fatale pour une date donnée mais pour un stade donné.
  • Si le producteur opte pour une variété plus tardive (Lebon et Badeau, 2010, estiment, par exemple, à 100% la faisabilité de production du Grenache en Bourgogne et en Alsace après 2050), cette variété risque de retrouver demain à des latitudes plus hautes, les mêmes risques de gel qu’aujourd’hui dans son aire méridionale de production.

Pour sortir de ce dilemme, il faudrait que le développement de ces plantes, principalement dicté par les sommes de température, fasse davantage intervenir la durée du jour, laquelle ne changera pas. Joli programme en perspective pour les généticiens !

La question du gel de printemps a peut-être été enterrée trop vite à la fin du 20e siècle !


Références citées

  • AVC (Association viticole champenoise), 1991. Les gelées de printemps. Le vigneron champenois, N° H.S., novembre, 64 p.
  • Beltrando G, 1998. Les gelées printanières en Champagne viticole : Quelques résultats obtenus à partir d’un réseau de stations automatiques. La Météorologie, 8e série, 21 : 30-43
  • Bouchet R.J., 1965. Problèmes des gelées de printemps. Agr. Meteorol., 2 : 167-195.
  • Cellier P., 1991. La prévision des gelées de printemps. C.R. Acad. Agric. Fr., 77-6 : 55-64. Texte intégral sur Gallica.
  • Cellier P., Itier B., 1984. Un modèle de prévision de la température minimale nocturne sous abri et à la surface du sol en conditions de gelées radiatives. J. Rech. Atmos., 1, 11-22.
  • Durand R., 1961. Seuils de résistance aux gelées de printemps. Phytoma, 126 :27-29
  • Eichhorn K.W., Lorenz D.H., 1977. Phänologisches Entwickulgstadien des Rebe. Nachrichetenbl. Dtsch. Pflanzenschutzdienstes (Braunschw), 29 : 119-120.
  • Flura D., Itier B., Brun O., Durand B., Masson S., 1991. Mise au point de chambres de refroidissement pour l’étude de la gélivité des bourgeons de vigne. Agronomie, 11 : 383-386
  • Gate P., Brisson N., 2010. Anticipation des stades phénologiques et raccourcissement des phases. In : N., Brisson, Levrault, eds, Livre vert de Climator. Ademe, B1, 65-78 Texte intégral sur le site de l'ADEME.
  • Itier B., Flura D., Brun O., Luisetti J., Gaignard J.L., Choisy G., Lemoine G., 1991. Analyse de la gélivité des bourgeons de vigne (expérimentation in situ sur le vignoble champenois). Agronomie, 11 : 169-174.
  • Itier B., Huber L., Brun O., 1987. The influence of artificial fog on conditions prevailing during nights of radiative frost. Report of an experiment over a Champagne vineyard. Agr. Forest. Meteor., 40 : 163-176.
  • Lebon E., Badeau V. 2010. Potentiel de déplacement géographique des cultures et des essences forestières. In : N. Brisson, Levrault, eds., Livre vert de Climator. Ademe, D1: 247-254 Texte intégral sur le site de l'ADEME.
  • Leddet C., Dereudre J., 1993. Mécanisme d’action du gel sur les organes végétaux. Communication au séminaire Le gel en agriculture, C. Riou, ed., Commission d’agrométéorologie de L’INRA, 21-22 novembre 1989.
  • Saunier R., 1978. Sensibilité variétale aux gels chez les cerisiers, pruniers, pêchers et nectariniers. Lutte contre les gelées, Angers février 1978, Invuflec : 69-84. [⟨hal-02858749⟩].
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