Actions menées pour maîtriser la pollution nitrique d’origine agricole

POLLUTION NITRIQUE ET DE PERTES DE RENDEMENT LIÉS AUX PRATIQUES D’IRRIGATION

Actions menées pour maîtriser la pollution nitrique d’origine agricole

A partir du milieu des années 90, des actions ont été menées, notamment au niveau de la zone 1, par la Chambre Départementale d’Agriculture (CA30), en collaboration avec le Syndicat Mixte d’Etude et de Gestion de la nappe de la Vistrenque et la Direction Régionale de l’Environnement (DIREN L.R.), pour limiter la pollution nitrique d’origine agricole. Ces actions ont été amplifiées avec la mise en place en 1998 du programme d’actions prévu par la Directive Nitrates et par la pré-labélisation d’une opération FERTI-MIEUX en 1999. L’arrêté préfectoral validant le programme d’actions fixe notamment les prescriptions à caractère obligatoire à respecter sur la zone en matière de pratiques de fertilisation essentiellement. Parallèlement à cela, une société d’eau minérale dont le site industriel se situe à cheval entre les zones 1 et 3 (figure I.3) a également mis en place sur son périmètre d’intervention un programme agri-environnemental ayant pour objectif de maîtriser les risques de pollution des eaux d’origine agricole et développer des systèmes de culture ne présentant aucun risque pour la qualité de l’eau.

Une des principales réalisations de ce programme a été de convertir plus de 300 ha en agriculture biologique, essentiellement en grandes cultures et en vigne. Une partie de ces actions a été conduite en partenariat avec l’INRA d’une part et l’Ecole Nationale Supérieure d’Agronomie de Montpellier (Agro. M) d’autre part. Les premiers travaux ont été menés par l’INRA Avignon entre 1992 et 1993 sur des cultures de laitues en plein champ chez un agriculteur situé sur la zone 1. Ces travaux, basés sur une approche de modélisation, ont permis de caractériser les flux d’eau et d’azote en cultures maraîchères de plein champ (Bruckler et al., 1997 ; Lafolie et al., 1997 ). Pour les systèmes étudiés, ils ont notamment montré que les pertes en azote nitrique pouvaient atteindre 200 kg N-NO3.ha-1 en 2 mois de culture (Bruckler et al., 1997). Les travaux menés par l’Agro M. à partir de 1993 ont permis de mettre au point une méthode robuste de diagnostic de la lixiviation du nitrate en parcelles agricoles utilisant des mesures de potentiel hydrique et de concentration en nitrate de la solution du sol (Cuny et al., 1998).

Les premiers suivis effectués avec cette méthode de 1993 à 1996 ont permis d’établir des références sur la lixiviation du nitrate pour les trois types de production les plus rencontrés sur la zone (vigne, grandes cultures et maraîchage). Les résultats de ces suivis montrent le risque élevé de pollution nitrique en cultures maraîchères par rapport aux grandes cultures et à la vigne cultivées sur la zone d’étude (figure I. 4). A partir de 1996, des parcelles de cultures légumières ont été régulièrement suivies chez différents producteurs situés sur la zone 1 à partir du dispositif de Cuny et al . (1998) complété pour pouvoir évaluer les stress hydriques et les stress azotés en plus de la lixiviation du nitrate. L’objectif de ces suivis était d’évaluer les risques de pollution nitrique et de pertes de rendement liés à des stress hydrique et azoté pour ces cultures dans des systèmes de production différents. Dans la suite nous présentons la méthodologie utilisée et les résultats acquis sur 14 cultures suivies sur 5 exploitations.

Description des « situations agronomiques » évaluées Les enquêtes menées auprès des agriculteurs de la zone entre 1993 et 1996 montrent une grande diversité des systèmes de production et des pratiques agricoles en productions légumières (Chambre d’agriculture du Gard, 1995 ). Notre objectif dans le choix des parcelles d’étude n’était pas de couvrir cette diversité des conditions de cultures, mais d’obtenir un échantillon de situations contrastées des systèmes de culture maraîchers de la zone d’étude, chaque situation correspondant à une combinaison particulière d’un sol, d’une saison de culture, d’une espèce et d’un itinéraire technique. Pour cela, nous avons choisi 5 exploitations spécialisées en production légumières avec des surfaces et des circuits de commercialisation différents (tableau I. 1). E4 et E5 sont des structures de petite taille (SAU < 10 ha), de type familiale, n’employant peu ou pas de main d’oeuvre salariée, et utilisant des circuits de commercialisation courts (marchés locaux). Les 3 autres exploitations sont de taille moyenne (E1 et E3) à grande (E2) avec une main d’oeuvre salariée permanente.

Leur production est destinée en majorité aux grandes et moyennes surfaces (E2 ,E3), et à l’exportation (E1, E2). L’exploitation E1 est certifiée en Agriculture Biologique. Le diagnostic a porté sur 14 situations différentes (notées de S1 à S14, tableau I. 2) caractérisées par l’exploitation agricole sur laquelle elle a été suivie, le type de sol de la parcelle, la culture (laitues, tomates ou melons, en extérieur ou sous abri froid), la période de culture, et les pratiques de fertilisation et d’irrigation. Les cultures suivies représentent les 3 principales espèces légumières cultivées sur la zone : la laitue (6 situations sous abri, 4 en plein champ1), le melon (une en plein champ et une sous abri) et la tomate (2 sous abri). Les périodes de culture couvrent une année entière depuis des cultures de laitues plantées en septembre jusqu’à des cultures de melons ou de tomates dont la récolte se termine en août. Comme certaines situations correspondent à des cultures successives sur la même parcelle, ces 14 situations représentent 9 parcelles différentes ayant des sols similaires avec une texture de type limono-argileuse à argilo-limoneuse, et un taux de matière organique proche ou supérieur à 2% sauf pour la parcelle 1 (tableau I. 3). Pour chaque situation, un entretien a été réalisé avec l’agriculteur pour décrire l’itinéraire technique appliquée sur les parcelles suivies notamment en matière de fertilisation et d’irrigation. Certaines parcelles (voir ci-dessous) ont également été équipées de pluviomètres installés à proximité de chaque site de mesures pour déterminer les doses d’irrigation.

Mesures réalisées sur les parcelles Le suivi réalisé sur chaque parcelle a consisté à mesurer le potentiel hydrique (t) et la concentration en nitrate (CNO3 -) de la solution du sol avec des tensionics (Moutonnet et al., 1993). Le dispositif comprenait 3 sites de mesure par parcelle (A, B et C), situés entre 10 et 20 m de distance, sur un même rang de plantation, en évitant les zones de bordure et de couverture du système d’irrigation. Chaque site de mesure était équipé de 3 tensionics installés à 3 profondeurs différentes. Un appareil était implanté dans la zone où la densité racinaire est la plus forte, les deux autres étaient implantés sous la zone racinaire. Les profondeurs retenues pour les différentes cultures étaient : 20, 50 et 70 cm pour les cultures de laitues, 30, 70 et 90 cm pour les cultures de melons et de tomates. Le potentiel hydrique du sol était mesuré 1 à 3 fois par semaine avec un capteur électronique de pression (Thony et al., 1988).

La fréquence des mesures a été adaptée en fonction de la fréquence des irrigations et des précipitations, pour tenir compte des événements susceptibles de modifier brutalement les flux d’eau. De ce fait, on a estimé dans l’analyse des résultats, que l’évolution de t était linéaire entre 2 dates de mesure. La solution du sol était extraite tous les 10 jours, temps nécessaire à l’équilibre entre la solution de la bougie poreuse et celle du sol d’après Moutonnet et al. (1993). La concentration en nitrate de la solution était mesurée directement au champ avec un kit d’analyse rapide composé de bandelettes colorimétriques (Merckoquant) et d’un colorimètre de type Nitrachekétalonné à chaque série de mesures avec des solutions de concentration en nitrate connues. Ce test rapide montre une bonne corrélation avec les méthodes standard de dosage au laboratoire (Scholefield et al., 1995 ; Sims et al., 1995).

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE I POSITION DU PROBLÈME : DU DIAGNOSTIC AGRONOMIQUE A LA DEFINITION DU CAHIER DES CHARGES D’UN OUTIL D’EVALUATION DE STRATEGIES ALTERNATIVES D’IRRIGATION
I.ETUDE PRÉLIMINAIRE : ÉVALUATION DE LA LIXIVIATION DU NITRATE ET DES STRESS HYDRIQUE ET AZOTÉ EN PARCELLES DE CULTURES LÉGUMIÈRES SUR LA ZONE VULNÉRABLE DE LA VISTRENQUE
1.1.CONTEXTE DE L’ETUDE : POLLUTION NITRIQUE DES EAUX SOUTERRAINES ET ACTIVITES AGRICOLES SUR LA PLAINE DE LA VISTRENQUE
1.1.1. Système hydro-géologique
1.1.2. Pollution par le nitrate de la nappe de la Vistrenque
1.1.3. Lien entre activité agricole et pollution nitrique
1.1.4. Actions menées pour maîtriser la pollution nitrique d’origine agricole
1.2. DISPOSITIF
1.2.1. Description des « situations agronomiques » évaluées
1.2.2. Mesures réalisées sur les parcelles
1.2.3. Indicateurs de diagnostic
STRESS HYDRIQUE
1.3. RESULTATS
1.3.1. Gestion de l’eau et de l’azote dans chaque situation
1.3.2. Evolution du potentiel hydrique dans la zone racinaire (ørz ) comme indicateur dynamique du stress hydrique
1.3.3. Evolution de la concentration en nitrate dans la zone racinaire (Crz) comme indicateur dynamique du stress azoté
1.3.4. Diagnostic de lixiviation du nitrate sous la zone racinaire
1.4. DISCUSSION
1.4.1. Diagnostic des stress hydrique et azoté
1.4.2 Analyse de la lixiviation du nitrate
1.4.3. Analyses des pratiques des agriculteurs
1.5. CONCLUSION
1.6. OBJECTIFS DE LA THESE
II.DÉFINITION DU CAHIER DES CHARGES D’UN OUTIL D’ÉVALUATION DES RISQUES D
POLLUTION NITRIQUE ET DE PERTES DE RENDEMENT LIÉS AUX PRATIQUES D’IRRIGATION
2.1. METHODOLOGIE DE L’EVALUATION
2.1.1 Principe d’un outil d’évaluation
2.1.2. Qualités d’un outil d’évaluation
2.1.3. Méthodes pour l’élaboration des indicateurs
2.1.4. Conclusion
2.2. COMMENT EVALUER LES RISQUES DE POLLUTION NITRIQUE EN PARCELLES AGRICOLES
2.2.1. Quelle démarche d’évaluation des risques de pollution nitrique ?
2.2.2. Mesure de la concentration en nitrate de la solution du sol
2.2.3. Modélisation des dynamiques de l’eau et de l’azote dans le sol
2.2.4. Conclusion : choix de la démarche d’évaluation des risques de pollution nitrique
2.3. EVALUATION DES PERTES DE RENDEMENT D’UNE CULTURE DE LAITUES EN FONCTION DU « VECU HYDRIQUE » DE LA CULTURE
2.3.1. Démarche d’évaluation
2.3.2. Modélisation de l’impact du stress hydrique sur l’accumulation de biomasse d’une plante
2.3.3.Choix de l’approche de modélisation de l’impact de stress hydrique sur la production de biomasse de la plante
CONCLUSION : PRÉSENTATION DU TRAVAIL DE RECHERCHE
CHAPITRE II MATÉRIELS ET METHODES
I.CONDITIONS DE CULTURE ET DISPOSITIFS EXPÉRIMENTAUX
1.1.DISPOSITIFS EN PARCELLES AGRICOLES.
1.1.1.Caractéristiques des parcelles
1.1.2.Description des cultures
1.1.3. Dispositif de mesure et traitements expérimentaux
1.2.DISPOSITIF EN POTS
1.2.1. Conditions de culture
1.2.2.Traitements hydriques appliqués
2.MESURES EFFECTUÉES
2.1. ENVIRONNEMENT CLIMATIQUE
2.2. ETAT HYDRIQUE ET AZOTE DU SOL
2.2.1. Dispositif sous abri
2.2.2. Dispositif en pots
2.3. MESURES SUR LES PLANTES
2.3.1. Fréquence et échantillonage
2.3.2. Biomasse fraîche et sèche
2.3.3. Nombre de feuilles apparues et initiées
2.3.4. Surface des feuilles
2.3.5. Taux de couverture
2.3.6. Profondeur et densité racinaire
2.4. MESURES COMPLEMENTAIRES
2.4.1. Propriétés hydrodynamiques des sols
2.4.2. Densité apparente du sol
2.4.3. Evaluation de l’évapotranspiration sous abri
3.TRAITEMENT DES DONNÉES ET ÉTUDES MÉTHODOLOGIQUES
3.1. CONDITIONS CLIMATIQUES
3.2.COMPARAISON DES STOCKS D’AZOTE NITRIQUE CALCULES A PARTIR DE MESURES EFFECTUEES AVEC DES TENSIONICS ET SUR DES PRELEVEMENTS DE SOL
3.3.ANALYSE DES CINETIQUES D’EXPANSION FOLIAIRE
3.3.1. Détermination de la date d’arrêt de l’expansion des feuilles.
3.3.2. Détermination de la date d’arrêt de la phase de croissance exponentielle des feuilles
3.3.3. Calcul de la vitesse d’expansion relative au cours de la phase de croissance exponentielle.
3.4. ANALYSES STATISTIQUES
CHAPITRE III MODÉLISATION DU BILAN HYDRIQUE D’UNE CULTURE DE LAITUES SOUS ABRI FROID : APPLICATION À L’ÉVALUATION DES PERTES D’AZOTE NITRIQUE PAR LIXIVIATION SOUS LA CULTURE
1.INTRODUCTION : OBJECTIFS ET DÉMARCHE
1.1. OBJECTIFS
1.2. SYSTEME A MODELISER, PAS DE TEMPS ET ECHELLE D’ESPACE DE LA MODELISATION
1.3. QUEL MODELE UTILISER
2.DESCRIPTION DES CONCEPTS ET DES FORMALISMES UTILISÉS POUR LA MODÉLISATION DU BILAN HYDRIQUE D’UNE CULTURE DE LAITUES DANS STICS ET PASTIS
2.1. CONSOMMATION EN EAU DE LA CULTURE
2.1.1.Principe
2.1.2. Modélisation de l’évolution du taux de couverture
2.1.3. Calcul de l’évapotranspiration maximale (ETM)
2.1.4. Séparation entre évaporation et transpiration potentielle (resp. Ep et Tp)
2.1.5. Calcul de l’évaporation réelle
2.1.6. Calcul de la transpiration réelle (Tr)
2.2. CROISSANCE RACINAIRE
2.2.1. Croissance du front d’enracinement.
2.2.2. Croissance de la densité racinaire
2.3. TRANSFERTS DE L’EAU DANS LE SOL
2.3.1. PASTIS
2.3.2. STICS
2.4. CONCLUSION
3.PARAMÉTRAGE DES MODÈLES
3.1. CONSOMMATION EN EAU DE LA CULTURE
3.1.1. Evolution du taux de couverture
3.1.2. Estimation du coefficient de réduction de l’évaporation potentielle par un paillage (rf, 1- couvermulch)
3.1.3. Transpiration réelle de la culture
3.2. CROISSANCE RACINAIRE
3.2.1. Progression de le profondeur d’enracinement
3.2.2. Evolution de la densité racinaire
3.3. PARAMETRES SOL
3.3.1. STICS
3.3.2. PASTIS
4.EVALUATION ET COMPARAISON DE STICS ET PASTIS POUR LA MODÉLISATION DU BILAN HYDRIQUE ET DES FLUX D’EAU SOUS LES RACINES D’UNE CULTURE DE LAITUES101
4.1. CONDITIONS INITIALES ET AUX LIMITES, ET VARIABLES D’ENTREES DES MODELES
4.1.1. Conditions initiales
4.1.2. Conditions aux limites (PASTIS
4.1.3. Variables d’entrées
4.2. CALAGE DE PASTIS
4.3. SIMULATION DE LA CONSOMMATION EN EAU DE LA CULTURE
4.3.1. Evaluation de la prévision du taux de couverture
4.3.2. Simulation des besoins en eau de la culture
4.4. SIMULATION DE L’ETAT HYDRIQUE ET DES TRANSFERTS D’EAU DANS LE SOL
4.4.1.Comparaison des stocks d’eau mesurés et simulés
4.4.2.Comparaison des teneurs en eau pondérales mesurées et simulées par horizon
4.4.3.Simulations des potentiels hydriques du sol
4.4.4. Conclusion
4.5. COMPARAISON DES FLUX SOUS LES RACINES SIMULES PAR STICS ET PASTIS
4.5.1. Flux d’eau journaliers
4.5.2. Flux d’eau cumulés
4.5.3. Comparaison des flux d’azote nitrique et de Nlixi
4.5.4. Conclusion
5.UTILISATION DE STICS POUR LE DIAGNOSTIC DES RISQUES DE POLLUTION NITRIQUE SOUS DES CULTURES DE LAITUES SOUS ABRI FROID
5.1. CALCUL DU DRAINAGE (D)
5.1.1. Calage, initialisation et variables d’entrées du modèle
5.1.2. Bilan hydrique et drainage simulé
5.2. CALCUL DES QUANTITES D’AZOTE NITRIQUE LIXIVIEES (NLIXI)
5.2.1. Diagnostic des risques de pollution nitrique : comparaison entre Nlixi et RNO3
5.2.2. Impact de la gestion de l’eau sur le risque de pollution nitrique.
5.3. CONCLUSION
DISCUSSION ET CONCLUSION
CHAPITRE IV MODÉLISATION DE LA CROISSANCE FOLIAIRE DE LA LAITUE EN FONCTION DE LA TEMPÉRATURE, DU RAYONNEMENT ET DE L’ÉTAT HYDRIQUE DU SOL : APPLICATION À LA PRÉVISION DU RENDEMENT D’UNE CULTURE DE LAITUES .
1.INTRODUCTION : OBJECTIF ET DÉMARCHE
1.1. OBJECTIF
1.2. RELATIONS ENTRE RENDEMENT ET CROISSANCE FOLIAIRE DE LA LAITUE
1.2.1. Le nombre de feuilles est un bon indicateur du stade de récolte d’une culture de laitue
1.2.2. Le rendement d’une laitue peut être calculé simplement à partir de la surface foliaire de la plante
1.2.3.Intérêt de la modélisation de la croissance individuelle des feuilles
1.3. CADRE D’ANALYSE ET DE MODELISATION DE LA CROISSANCE INDIVIDUELLES DES FEUILLES DE LA LAITUE.
1.3.1. Description
1.3.2. Quelles variables environnementales considérer en conditions hydriques non limitantes ?
1.3.3. Quelle variable pour caractériser le stress hydrique ?
1.4. DEMARCHE DU CHAPITRE
2.ANALYSE DU DÉVELOPPEMENT ET DE LA CROISSANCE INDIVIDUELLE DES FEUILLES D LA LAITUE EN FONCTION DE LA TEMPÉRATURE ET DU RAYONNEMENT.
2.1. ANALYSE ET MODELISATION DU DEVELOPPEMENT FOLIAIRE
2.1.1. Description du schéma de développement foliaire de la laitue
2.1.2. Le schéma de développement foliaire de la laitue n’est pas stable en temps thermique
2.1.3. Les vitesses de développement des feuilles dépendent du rapport entre le rayonnement et le temps thermique
2.1.4. Conclusion
2.2. ANALYSE ET MODELISATION DE L’EXPANSION DES FEUILLES DE LAITUE
2.2.1. Analyse de la distribution du RER selon le rang de la feuille
2.2.2. Evolution de RERp en fonction de l’âge de la plante.
2.2.3. Sensibilité de RERp au PAR absorbé par la plante
2.2.4. Modélisation de l’évolution du RER après la phase de croissance exponentielle
2.2.5. Conclusion
3.ANALYSE ET MODÉLISATION DE L’EFFET DE L’ÉTAT HYDRIQUE DU SOL SUR LE
DÉVELOPPEMENT ET LA CROISSANCE FOLIAIRE DE LA LAITUE.
3.1. CARACTERISATION DES STRESS HYDRIQUES DANS LES ESSAIS SER-2 ET SER-3.
3.2. EFFET DE L’ETAT HYDRIQUE DU SOL SUR LE DEVELOPPEMENT
3.3. EFFET DE LA CONTRAINTE HYDRIQUE SUR L’EXPANSION DES FEUILLES
3.4. CONCLUSION
4.ELABORATION ET ÉVALUATION DU MODÈLE DE CROISSANCE FOLIAIRE DE LA LAITUE EN FONCTION DE LA TEMPÉRATURE, DU RAYONNEMENT ET DE L’ÉTAT HYDRIQUE DU SOL
4.1. DESCRIPTION DU MODELE
4.1.1. Principes généraux
4.1.2. Module « Développement foliaire »
4.1.3. Module « Expansion foliaire
4.1.4. Module « Rendement
4.2. EVALUATION DU MODELE
4.2.1. Paramétrage et initialisation
4.2.2. Simulation du développement foliaire
4.2.3. Simulation de la croissance foliaire et du rendement
DISCUSSION ET CONCLUSION
CHAPITRE V SIMULATION DE L’IMPACT DE STRATÉGIES ALTERNATIVES D’IRRIGATION SUR LES RISQUES DE POLLUTION NITRIQUE ET LE RENDEMENT D’UNE CULTURE DE LAITUES
1.OBJECTIFS ET DÉMARCHE
1.1.OBJECTIFS
1.2.CHOIX DU MODELE DE BILAN HYDRIQUE
1.3. ARTICULATION DES MODELES DE BILAN HYDRIQUE ET DE CALCUL DU RENDEMENT
1.4.SITUATION ET STRATEGIES ALTERNATIVES EVALUEES
2.SIMULATION DU BILAN HYDRIQUE
2.1. REGIMES D’IRRIGATION ET VOLUMES D’EAU APPORTEES
2.2. STOCKS D’EAU ET POTENTIELS HYDRIQUES DU SOL
2.3. FLUX D’EAU ET D’AZOTE EN PROFONDEUR
3.CROISSANCE FOLIAIRE, TRANSPIRATION ET RENDEMENT DE LA CULTURE
3.1. EVOLUTION DE FTSW DANS LES DIFFERENTES STRATEGIES ET IMPACT SUR LA CROISSANCE FOLIAIRE
3.2. IMPACT SUR LA TRANSPIRATION
3.3. IMPACT SUR LE RENDEMENT
4.DISCUSSION
CHAPITRE VI CONCLUSION GÉNÉRALE
BILAN DES TRAVAUX EFFECTUÉS
PERSPECTIVES
2.1. EXTENSION DE LA DEMARCHE PROPOSEE A LA GESTION DE LA FERTILISATION
2.2. MISE EN OEUVRE DE LA DEMARCHE CHEZ LES AGRICULTEURS
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES

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