Mécanismes généraux et facteurs de décomposition de la matière organique du sol

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Historique et situation actuelle des SCV dans le monde et à Madagascar

Historique et situation des SCV dans le monde

Le semis direct n’est pas une pratique réellement nouvelle. Cette technique est ancestrale dans les zones tropicales humides de l’Amérique Centrale. Elle y est connue sous le nom de « tapado » ou de « slash and mulch ».

Les agriculteurs de l’Egypte ancienne et les Incas des Andes d’Amérique du Sud cultivaient également sur un abattis sans brûlis, en recouvrant au pied la graine placée dans un trou creusé à l’aide d’un bâton. Ainsi, le principe de s emis direct est utilisé depuis les temps anciens pour les cultures traditionnelles (Raunet, 2004).

En Amérique Latine, l’adoption du semis direct a commencé à partir des années 70, suite à des phénomènes importants d’érosion hydrique dansel Sud du Brésil et en Argentine dans les Pampas Centrales. Toutefois, au Brésil, les techniques de semis direct ont près de 20 ans d’écart pour être appliquées jusqu’au centre du pays (Raunet, 2003).

Aux Etats-Unis, les mauvaises pratiques agricoles avaient été incriminées à l’origine d’une érosion éolienne exacerbée, connue sous le nom de Dust« Bowl ». A la suite de ce désastre, touchant en 1938 plus de la moitié des Grandes Plaines d’une superficie de 1.300.000 km2, les U.S.A devaient importer du blé. Ce véritable fléaunational fut à l’origine de la remise en cause du labour dès les années 30 aux U.S.A. (Séguyet al., 1996 ). Après cette catastrophe écologique, le semis direct s’est surtout développédans ce pays, avec les innovations survenues dans le domaine des herbicides en 1960 et celles des outils de travail superficiel du sol en 1978. C’est ainsi, qu’à partir des années 60, des fermiers américains, laissant sur le sol les résidus des cultures jusqu’au semis suivant, abandonnent le labour et sèment directement après avoir détruit les mauvaises herbes à l’aide des herbicides totaux non résiduels (Raunet, 2004).

En Australie, le boom du semis direct est aussi liéavec l’arrivée en 1980 sur le marché du glyphosate, un herbicide total (Raunet, 2004).

En Afrique de l’Ouest, et plus particulièrement en Côte d’Ivoire, la pression foncière de plus en plus forte a entraîné le développement du semisdirect avec couverture végétale, en substitution du système de défriche-brûlis suivi d’une longue jachère (CIRAD, 2007, AFD, 2006).

Dans le monde, en 2002, le système de culture en zéro labour emblavait 70 millions d’hectares (Derpsch et al., 2003). En 2005, 90 millions d’hectares sont cultivés dans le monde en semis direct sur couverture végétale permanente(AFD, 2006).

Historique du semis direct à Madagascar

A Madagascar, l’avènement du semis direct est apparu pour répondre à l’état de dégradation avancé et la très faible productivité des sols sousystème de culture majoritairement dominé par la pratique du labour. Ce contexte critique, aggravé par un très bas niveau d’utilisation d’engrais, a amené quelques institutions Malgaches à initier la technique de semis direct sans travail de sol sous couverture végétale (Séguy, 1996; CIRAD, 2007).

Les premières expérimentations en SCV ont été conduites en 1991 à la ferme mécanisée de la KOBAMA à Andranomanelatra dans la région du Vakinankaratra. Mais, il a fallu attendre la création en 1994 par un groupe d’institutions malgaches, d’abord de l’ONG TAFA puis en 2004 du Groupement Semis Direct de Madagascar (GSDM), pour voir se coordonner les actions de création, de recherche, de formation etd’appui à la diffusion des techniques SCV adaptées à différentes grandes régions écologiquesde l’île (Husson et al., 2006).

Les zones d’actions actuelles du GSDM sont les Hauts Plateaux, le Sud Est, le Sud Ouest, le Moyen Ouest, les régions d’Alaotra et de l’Itasy mais le Nord Ouest, le Sud et le Menabe représentent également des zones de pénétration destechniques agro écologiques à travers des actions d’autres institutions acquises à la cause d es SCV à Madagascar.

De 1991 jusqu’en 2001, les actions ont été constituées essentiellement par des expérimentations et des parcelles de démonstrationau niveau des sites de références de l’ONG TAFA. La réelle mobilisation du groupement sur la diffusion de cette nouvelle technique ne datait que de 2004. Ce qui marquait un véritable décollage de la pratique des SCV à Madagascar, se traduisant par un accroissemen t au fil des années de la superficie cultivée en SCV (Figure 1).

Suivant la figure 1, si les superficies emblavées par les SCV n’étaient que de 5 hectares à l’issue de la saison culturale 2001/2002, elles couvraient 350 hectares environ à la fin de la campagne 2003/2004. Depuis la création du GSDM en 2004, elles n’ont cessé de croître pour atteindre plus de 3500 hectares, en fin de campagne 2007/2008 (Direction exécutive GSDM, 2008).

Figure 2 : Répartition par zone des superficies de tous typesde système en SCV à Madagascar (GSDM, 2008)

Pour toutes les années, la répartition par régionedcette superficie, place en première position la région du Lac Alaotra. En 2007/2008, les surface cultivées en SCV dans cette région représentent 41% du total (Figure 2).

En termes de nombre d’exploitants agricoles, les SCV à Madagascar intéressent en fin de campagne 2006/2007, près de 5000 paysans encadrés, s’ils n’étaient que moins d’une trentaine en 2001/2002 et un millier à la fin de la saison culturale 2003/2004 (Figure 3).

Les 3 grands types de SCV sont rencontrés à Madagascar. Ceux sont :

– les systèmes simples « à couverture morte » où la couverture est constituée par les résidus des cultures précédentes étalées sur la celle,par

– les systèmes à « couverture vive » où les plantes de couverture cultivées en association ou en succession avec la culture principale sont maîtrisés par traitement herbicide avant le semis de la culture principale suivante,

– les systèmes complexes dites « mixtes » où l’on distingue la succession dans la même année, d’une culture vivrière de premier cycle associée en dérobée avec une légumineuse fourragère, avec une autre culture fourragère de second cycle installée sur les résidus des associations précédentes, aprèsleur récolte.

Ainsi, il existe de nombreux systèmes SCV différenciés à Madagascar. Ils sont pratiqués en différents types de terroir (Direction exécutive GSDM, 2008). Les SCV sur tanety et sur les rizières à mauvaise maîtrise de l’eau (RMME) resten t les plus pratiqués à Madagascar (Figure 4).

Les différents types de terroir où sont pratiqués esl SCV reflètent des objectifs différents. Pour les sols de tanety, les objectifs premiers de la pratique des SCV sont la protection du sol contre l’érosion. Pour les RMME, les SCV sont pratiqués en vue d’améliorer la disponibilité en eau pour les cultures.

Les paragraphes suivants traiteront donc les effets des SCV sur la protection du sol contre le ruissellement érosif et l’amélioration du bilan hydrique.

Effets des SCV sur la protection du sol contre l’érosion, sur le bilan hydrique et sur les propriétés physiques des sols

L’infiltrabilité d’un sol sous paillis est généralement élevée et se traduit par une réduction du ruissellement et de l’érosion sur les sols paillés(Findeling et al., 2003). Les SCV contribuent ainsi à diminuer parfois de plus de 50% les pertes par ruissellement.

Au Québec en 2004, une culture intercalaire de plantes fourragères dans le maïs a réduit le ruissellement de 78%, l’érosion du sol de 100% et esl pertes d’azote dissous de 98% (Couture, 2005). Au Brésil dans les conditions tropicales humides des Cerrados, les SCV sont efficaces, non seulement pour contrôler l’érosion des sols et diminuer les coûts de production mais, ils permettent aussi une meilleure valorisation de l’ensemble des ressources disponibles sur un pas de temps annuel (Scopel et al., 2005).

A Madagascar dans le Vakinankaratra, les résultats des mesures du ruissellement et de l’érosion ont révélé que le ruissellement est plusimportant sur labour que sur SCV. L’érosion moyenne va jusqu’à 12 t.ha. -1an-1 sur labour contre 140 kg.ha.-1an-1 seulement sous SCV (Douzet et al., 2010).

Concernant le bilan hydrique, la couverture des SCV contribue à améliorer l’infiltration et à réduire l’évaporation. Elle augmenterait ainsi la quantité d’eau disponible pour la transpiration des cultures. Les SCV peuvent également réduire de 10 à 20% les pertes par évaporation directe de l’ensemble sol-systèmes (Scopel et al., 2005).

L’évaporation du sol est fortement réduite avec lemulch. Ce qui conduit à une humidité du sol plus grande que lorsque les résidus sont incorporés (Coppens, 2005)

Au Bénin dans un système Maïs-Mucuna, les fractionsgranulométriques supérieures à 50 µm et celles comprises entre 2 et 20 µm augmentent mai s celles de 20-50 µm varient peu. Par ailleurs, la fraction argileuse inférieure à 50 µm représente systématiquement 50% de l’azote du sol. L’azote minéral est également élevé (9-21%).Par contre, les fractions sableuses représentent moins de 10% de l’azote total (Azontonde, 2000).

A l’université d’Ohio, la comparaison de l’effet sur l’évolution de quelques propriétés physiques du sol, de 4 doses différentes de mulch avec celui d’un traitement sans couverture, a révélé que la couverture augmente de 18 à 35% lacapacité de rétention en eau du sol, de 35 à 46% la porosité totale et de 29 à 70% le point d e flétrissement. Toutefois, la dose optimale de mulch à apporter est de 4 Mg.ha -1 pour avoir un accroissement notable de la porositédu sol et de 8 Mg.ha-1 pour accroître sensiblement la capacité de rétention du sol et la stabilité des agrégats (Mulumba, 2008).

En Suisse, une étude a montré que le traitement nonlabour préserve les horizons de surface du sol du ruissellement et de la perte de la matière organique, en raison de sa plus bonne stabilité structurale et une meilleure infiltrationde l’eau (Muller et al., 2008).

Au Chili sur andosols, après 3 années de combinaison du non labour avec 4 techniques de gestion des résidus de blé-orge en rotation, les raitements maintenant les résidus à la surface du sol présentent les meilleures stabilités structurales et la proportion la plus élevée de macro agrégats (Sandovalet al., 2008).

On peut conclure de ces connaissances évoquées ci-essusd que les SCV, à travers la couverture permanente de la surface du sol, influent sur les variables climatiques et sur la disponibilité en eau à la surface du sol. Ils améliorent donc le bilan hydrique. Ils entraînent aussi des modifications sur quelques propriétés physiques et la composition granulométrique du sol. Ces différents changements induits par les SCV devraient avoir des effets sur la dynamique de l’azote dans le sol.

Dans les paragraphes qui suivent, les mécanismes généraux de la minéralisation à partir de la matière organique du sol et de la dynamique de l’azote seront revus avant de voir les modifications engendrées par les SCV sur ces mécanismes.

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Table des matières

INTRODUCTION
PREMIERE PARTIE : CONSIDERATIONS GENERALES
I.1 Définitions, principes et fonctionnement des SCV
I.2 Historique et situation actuelle des SCV dans le monde et à Madagascar
I.2.1 Historique et situation des SCV dans le monde
I.2.2 Historique du semis direct à Madagascar
I.3 Effets des SCV sur la protection du sol contre l’érosion, sur le bilan hydrique et sur les propriétés physiques des sols
I.4 Mécanismes généraux et facteurs de décomposition de la matière organique du sol : minéralisation et dynamique de l’azote dans le sol.
I.4.1 Mécanismes généraux et facteurs de décomposition de la matière organique
I.4.2 Mécanismes généraux de la dynamique de l’azote dans le sol et ses différentes formes
I.4.3 Effets des SCV sur la dynamique de l’azote
Effets des SCV sur l’apport de biomasse et les stocks organiques dans le milieu de culture
Effets des SCV sur la minéralisation de l’azote organique en azote minéral
Effets des SCV sur les mécanismes de décomposition des paillis
Effets des SCV sur les pertes en azote
DEUXIEME PARTIE : MATERIELS ET METHODES
II.1 Présentation de la zone d’étude
II.2 Méthode d’étude
II.2.1 Présentation du dispositif expérimental
Quantification des entrées en azote minéral du sol
a) Suivi de la dégradation des résidus et détermination de leur teneur en azote total par la méthode des litter bag
Composition et quantité initiale des résidus dans chaque litter bag
Mise en place et prélèvement des litter bags
Dégradation en masse et fourniture d’ azote des résidus en dégradation
b) Suivi in situ de la minéralisation du compartiment organique du sol
Caractéristique d’un cylindre
Mise en place et prélèvement des cylindres sur le terrain
Détermination de l’azote minéralisé à partir de la matière organique du sol
c) Suivi ex situ de la minéralisation du compartiment organique du sol
Mesure du carbone minéralisé
Mesure de l’azote minéralisé
d) Suivi de la dynamique de l’azote minéral dans le profil cultural et détermination de la teneur en azote minéral de chaque horizon
Période de prélèvement
Points et mode de prélèvement
Profondeur de prélèvement
Extraction et dosage de l’azote minéral
e) Détermination de la profondeur d’enracinement du riz pluvial
Quantification des sorties d’azote du sol
a) Mesure des pertes d’azote par ruissellement
b) Détermination de la quantité d’azote exportée par la biomasse aérienne du riz pluvial
Détermination des caractéristiques particulières des sols du site d’étude57
a) Détermination de la teneur en éléments amorphes et en allophanes
b) Détermination de la capacité de minéralisation de l’azote organique et de dénitrification
c) Détermination de la CEC et de l’AEC
d) Détermination du Point d’effet de sels nul (PZSE)
e) Détermination des isothermes d’échange Sol-Solution pour NO3
f) Analyse en composantes principales (ACP)
II.2.2 Traitement et analyse statistique des données
Traitement des données brutes
Analyse statistique des données
TROISIEME PARTIE : RESULTATS ET INTERPRETATION
III.1Quantification des entrées en azote dans le sol
III.1.1 Dégradation en masse et fourniture en azote par les résidus (Nres)
Composition, quantité initiale et teneur initiale en azote des résidus de
chaque litter bag avant le semis du riz pluvial
a) Composition et quantité initiale en résidus de chaque litter bag
b) Teneur initiale et quantité initiale en azote des résidus de chaque litter bag
Dynamique de la dégradation en masse des résidus au cours de la saison culturale
a) Première campagne 2005/06
b) Deuxième campagne : 2006/07
c) Variation interannuelle du pourcentage de perte en masse des résidus
Fourniture en azote des résidus en cours de dégradation au cours de la
saison culturale (Nres)
a) Première campagne 2005/06
b) Deuxième campagne 2006/07
III.1.2 Fourniture d’azote par la minéralisation dans le compartiment organique du sol (Nmos)
Première campagne 2005/2006 : Suivi in situ de l’azote minéralisé sur
l’horizon humifère de 30 cm de profondeur du profil cultural
Deuxième campagne 2006/07 : Suivi de la minéralisation du compartiment organique du sol en ex situ au laboratoire
a) Minéralisation de l’azote
b) Minéralisation du carbone
Dégagement de CO2 à partir du C des résidus
Dégagement de CO2 à partir du compartiment organique du sol
Effet des résidus sur la minéralisation de l’azote dans le sol
III.1.3 Suivi de la dynamique de l’azote minéral dans le profil cultural et
détermination de la teneur en azote minéral de chaque horizon
Première campagne 2005/06
a) Teneur en azote minéral des horizons du profil cultural à chaque date de prélèvement
b) Suivi de la dynamique de l’azote minéral dans le temps et dans l’espace de la campagne 2005/06
Deuxième campagne 2006/07
a) Teneur en azote minéral des horizons du profil cultural à chaque période de prélèvement
b) Suivi de la dynamique de l’azote minéral dans le temps et dans l’espace de la campagne 2006/07
III.1.4 Détermination de la profondeur d’enracinement du riz pluvial
III.1.5 Quantification du reliquat d’azote minéral disponible dans le profil cultural au début du cycle cultural du riz pluvial (Ri)
III.2Quantification des sorties d’azote du sol
III.2.1 Quantification du reliquat d’azote minéral disponible dans le profil cultural à la fin du cycle cultural du riz pluvial (Rf)
III.2.2 Pertes d’azote par ruissellement
III.2.3 Quantité d’azote exportée par la biomasse aérienne du riz pluvial
Première campagne 2005/06
a) Azote absorbée par le riz pluvial et rendement en biomasse aérienne sur l’ensemble du cycle cultural
b) Azote absorbée par le riz pluvial et rendement en biomasse aérienne à ses différents stades du cycle cultural
Deuxième campagne 2006/07
a) Azote exportée par le riz pluvial et rendement en biomasse aérienne sur l’ensemble du cycle cultural
b) Azote absorbé et rendement en biomasse aérienne au cours du cycle cultural en 2006/07
III.2.4 Pertes d’azote par drainage (N dr)
III.3Bilan entrées-sorties d’azote et évaluation de l’efficience de la nutrition azotée du riz pluvial de chaque traitement comparé
III.3.1 Bilan entrées-sorties d’azote sur le cycle cultural du riz pluvial
III.3.2 Comparaison du bilan entrées-sorties de l’azote minéral du sol par phase du cycle cultural du riz pluvial des traitements comparés
Pour les phases de début de cycle : levée-début tallage et début tallagetallage
Pour la phase tallage-floraison
Pour la phase floraison-récolte
III.4Détermination des caractéristiques particulières des sols du lieu d’étude
III.4.1 Détermination de la teneur en éléments amorphes et en allophanes
III.4.2 Détermination de la capacité de minéralisation de l’azote organique et de dénitrification du sol du lieu d’étude
III.4.3 Détermination de la capacité d’échange anionique (AEC) et cationique (CEC) du sol du lieu d’étude
III.4.4 Détermination du Point d’effet de sels nul (PZSE)
III.4.5 Détermination des paramètres d’adsorption des nitrates sur la phase solide
III.4.6 Analyse en composantes principales (ACP)
QUATRIEME PARTIE : DISCUSSIONS DES RESULTATS, LIMITES DE L’ETUDE ET PERSPECTIVES
IV.1Discussions des résultats
IV.1.1 Biomasse, perte en masse des résidus et leur fourniture en azote
IV.1.2 Perte en masse et fourniture en azote des résidus
IV.1.3 Minéralisation de la matière organique du sol
IV.1.4 Profil d’azote, développement racinaire et absorption d’azote par le riz pluvial
IV.1.5 Bilan de l’azote minéral : sorties et efficience de l’azote
IV.1.6 Caractéristiques particulières des paramètres de transfert des nitrates du sol du lieu d’étude et conséquences sur la fertilisation
IV.2Limites de l’étude et perspectives
CONCLUSION GENERALE
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
ANNEXES
Mode de calcul
Traitement des données des entrées en azote dans le sol
c) Suivi de la dégradation des résidus et détermination de leur teneur en azote total
Poids initial des résidus dans un litter bag
Perte en masse et fourniture en azote des résidus dans un litter bag
d) Suivi in situ de la minéralisation de la matière organique du sol
e) Suivi ex situ de la minéralisation de la matière organique du sol
Pour le carbone minéralisé
Pour l’azote minéralisé
f) Suivi de la dynamique de l’azote minéral dans le profil cultural et détermination de la teneur en azote minéral de chaque horizon
g) Profondeur d’enracinement du riz pluvial
Traitement des données des sorties en azote du sol
h) Pertes d’azote par ruissellement
i) Quantité d’azote exportée par la biomasse aérienne du riz pluvial
Traitement des données sur les caractéristiques particulières des sols du site d’étude
j) Détermination de la teneur en éléments amorphes et en allophanes
k) Détermination de la capacité de minéralisation de l’azote organique et de la dénitrification
l) Mesure de la capacité d’échange anionique (AEC) et cationique (CEC)
m) Détermination du Point d’effet de sels nul (PZSE)
n) Détermination des isothermes d’échange Sol-Solution pour les nitrates.
o) Analyse en composante principale