AFFHOLDER François (1), MACENA DA SILVA Fernando Antônio(2)

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1 Enregistrement scientifique nº : 744 Symposium nº : 14 Présentation : Poster Variabilité spatiale de l interaction entre gestion de la fertilité et risque climatique. Space variability of the interaction between fertility management and climatic risk. AFFHOLDER François (1), MACENA DA SILVA Fernando Antônio(2) (1) CIRAD/EMBRAPA-CPAC, BR020 km18, Planaltina DF, Brésil. (2) EMBRAPA-CPAC, BR020 km18, Planaltina DF, Brésil. Introduction Les flux hydriques dans le système sol-plante-atmosphère peuvent être modifiés indirectement par la fertilisation (fig.1): 1

2 - dans le cas d apports de matière organique, ceux-ci peuvent augmenter l infiltrabilité et la capacité de rétention des sols (Millar et Turk, 1951; Kumar et al., 1984), - l effet d apports d éléments minéraux sur la croissance souterraine des cultures entraîne une modification de la zone de sol concernée par l extraction racinaire de l eau, - l augmentation de l indice de surface foliaire favorisée par la fertilisation, en particulier azotée, réduit la part de rayonnement parvenant à la surface du sol et réduit ainsi l évaporation (Ritchie, 1972), - cette augmentation du LAI réduit également la proportion de gouttes d eau atteignant directement le sol sans rencontrer d obstacle et donc l énergie cinétique moyennes des gouttes d eau au moment de leur impact, favorisant ainsi une réduction du ruissellement et de l érosion, - enfin, conjointement, l amélioration des croissances aérienne et souterraine entraîne une augmentation de la transpiration potentielle par réduction de la résistance au transfert de l eau dans le continuum sol-racines-feuilles-atmosphère. L objectif de la présente communication est de montrer que les conséquences de cette interaction pour la culture et le milieu sont très variables dans le temps et l espace, et de présenter, à l aide d études de cas, une démarche pour analyser cette variabilité. 1. Conséquences de l interaction entre fertilisation et bilan hydrique. Ces différentes actions de la fertlilisation sur les flux hydriques effets interagissent entre eux de manière très variable suivant la nature du fertilisant employé, le type de sol, la culture et le climat. Par exemple, dans des sols sableux en région tempérée, des apports de fumier peuvent augmenter la réserve utile du sol, alors qu en région tropicale, pour ce type de texture, les températures élevées favorisent une minéralisation très rapide de la matière organique et la fumure n a de ce fait qu une influence très limitée sur les caractéristiques hydrodynamiques (Cisse et Vachaud, 1987). De même, le sol peut avoir ou non des propriétés de self-mulching, selon les caractéristiques de ses horizons superficiels. Si l évaporation du sol est rapidement stoppée à la suite de l assèchement des premiers centimètres, et que la distribution des pluies est telle que cet assèchement superficiel se produit avec une fréquence suffisante, l effet de la fertilisation sur le développement aérien de la culture n aura que peu de conséquences sur l évaporation par rapport à celles qu il aura sur la transpiration. Lorsque les précipitations sont excédentaires par rapport aux besoins des cultures, les effets de la fertilisation sur le bilan hydrique modifieront peu la réponse de la culture à l apport fertilisant une année donnée car ils n auront qu une faible incidence sur la distribution et l intensité des stresses hydriques au cours du cycle. Par contre les conséquences pour l évolution du milieu à long terme seront variables selon la manière dont sont affectés les flux de drainage et de ruissellement. Si une réduction de l érosion paraît toujours bénéfique, la réduction de l évaporation et du ruissellement tend à favoriser le drainage et la perte d éléments minéraux qu il provoque. L augmentation de la transpiration et de la réserve utile racinaire agit, quant à elle, dans le sens inverse. 2

3 Stock utile 0-100cm (mm) Jours après semis Lorsque les précipitations sont du même ordre de grandeur que les besoins de la culture ou inférieures, les stresses hydriques sont beaucoup plus fréquents que dans le cas précédent. La réponse de la culture à la fertilisation dépendra de leur intensité et de leur distribution dans le cycle, toutes deux influencées par l interaction entre bilan hydrique et fertilisation. Un cas particulier, étudié par Affholder (1995) dans le bassin arachidier du Sénégal pour la culture de mil (Pennisetum glaucum), permet d illustrer ceci. Des apports de poudrette de parc sur sol ferrugineux tropicaux peu lessivés favorisent sensiblement la croissance aérienne de la culture pendant la première moitié de son cycle, et donc sa demande transpirative. L évapotranspiration est augmentée. Après un événement pluvieux, le sol est asséché plus rapidement que sous un témoin non fumé (fig. 2). La pluie suivante s infiltre donc moins profondément. Il en résulte une descente du front d humectation plus lente qu en l absence de fumure, ce qui limite également la descente des racines (le sol était entièrement au point de flétrissement permanent au début de la saison des pluies). Dans la seconde partie du cycle, celle où les grains sont formés, la pluviométrie est telle que la culture fumée rencontre un stress hydrique limitant le rendement final alors que sous le témoin le sol contient des réserves en eau qui n ont pas encore été utilisées et qui limitent les effets des faibles précipitations. Dans ce cas, l interaction entre bilan hydrique et fertilisation est telle que cette dernière n est pas valorisée correctement par la culture. L étude montre en outre que cet effet pervers de la fertilisation ne peut être prédit à l aide des seules données pluviométriques et qu il n est pas un phénomène exceptionnel dans la région. 2. Etudes régionales au Sénégal et au Brésil Fig. 2 (adaptée de Affholder, 1995) : évolution des stocsk hydriques et du LAI du mil sur sol sableux du Sénégal. Traits continus: stocks avec (gras) et sans (fin) fumure. Tirets: LAI avec ( ) et sans ( ) fumure LAI Dans le but d évaluer la probabilité d occurrence de tels effets pervers en fonction du climat, du sol et de la culture, un modèle simple a été construit puis appliqué à des séries historiques de pluies pour trois localités du Sénégal (Affholder, 1997). Ce modèle, SARRA-mil (Système d Analyse Régionale du Risque Climatique-mil, adapté du modèle de Forest et Clopes, 1993) est basé sur un module standard de bilan hydrique à réservoirs, couplé à un module de croissance simplifié. Ce dernier simule en particulier l indice de surface foliaire journalier (LAI) qui est fourni au module de bilan hydrique pour le calcul de l évapotranspiration potentielle de la culture, de même que la cote atteinte chaque jour par le système racinaire. Le modèle considère un LAI et une profondeur d enracinement potentiels, qui seraient atteint à la floraison en l absence de toute contrainte hydrique et qui sont fournis comme paramètres d entrée. Les contraintes hydriques simulées réduisent le LAI par rapport à ce potentiel, et le rendement final intègre l effet des contraintes hydriques sur le LAI et sur un indice de récolte. 3

4 probabilité cumulée rendement kg/ha Fig. 3 (adaptée de Affholder, 1997): effet d une fumure organique sur la variabilité temporelle des rendements à Louga ( ) et à Niorodu-Rip ( ). Traits fins: parcelles avec potentiel de rendement de 1500 kg/ha. Traits gras: parcelles avec fumure permettant un potentiel de 3000 kg/ha. Pour chaque localité et chaque année de données climatiques, différents jeux d hypothèses ont été testés pour représenter l action d apports fertilisants sur le LAI et l enracinement potentiel ainsi que sur la capacité de stockage du sol et le ruissellement. Les résultats montrent que l interaction entre la fertilisation et le risque climatique est extrêmement variable dans l espace pour la région étudiée (fig.3). Pour la localité de Louga, située au nord du bassin arachidier Sénégalais, la fertilisation augmente considérablement la variabilité inter annuelle des rendements. De plus, un apport fertilisant qui permettrait de doubler le rendement potentiel en conditions hydriques non limitantes ne permet en fait d obtenir un rendement supérieur que moins de cinq années sur dix, du fait des contraintes hydriques. A seulement 200 km au sud, pour la localité de Nioro du Rip, l effet de la fertilisation sur la variabilité inter annuelle des rendements est beaucoup plus faible, et surtout le gain de rendement est supérieur à 50% neuf années sur dix. Pour les Cerrados brésiliens, région de savane qui couvre 2 millions de km², la même approche a été utilisée, en allant jusqu à la cartographie du risque lié à l interaction entre fertilisation et bilan hydrique. Le modèle précédent a préalablement été adapté, calé et validé pour la culture de maïs et les sols de cette région (Affholder et al, 1997). Il a ensuite été appliqué à 400 postes climatiques pour 15 années chacun en considérant deux hypothèses de potentiel de production; 5 T/ha et 10 T/ha. Pour chaque poste a été calculée la probabilité que le gain de rendement obtenu en passant du potentiel bas au potentiel élevé soit inférieur à 50%. Cette probabilité a ensuite été spatialisée par krigeage. La carte obtenue (fig.4) révèle ainsi les zones où la recherche d un potentiel de production élevé, à travers en particulier l usage de fertilisants, s accompagne d une augmentation du risque pris par l agriculteur. 3. Conclusion: potentialités et limites du modèle utilisé Le modèle utilisé dans les études de cas précédentes s applique bien aux zonages régionaux visant à repérer la variabilité spatiale de la façon dont la fertilisation interagit avec le climat. Dans ces études, les conséquences de cette interaction sur l évolution du milieu n ont pas été abordées, mais il nous semble que cela pourrait être traité en conservant la grande simplicité du modèle, nécessaire pour ce niveau d échelle. En effet, il s agit davantage de révéler certaines caractéristiques du climat, à travers une représentation grossière du sol, de la culture, et de l effet de la fertilisation sur ces derniers, que de décrire fidèlement l ensemble des mécanismes en cause. Par exemple, 4

5 Fig. 4: Probabilité que la recherche d un potentiel de production de 10T/ha de grain de maïs se traduise par un gain de rendement inférieur à 50% par rapport à un potentiel de de 5 T/ha. Région des Cerrados brésiliens. des hypothèses grossières en termes d effet du LAI sur le pourcentage des pluies infiltré devraient suffire pour distinguer des situations où les précipitations sont abondantes en début de cycle agricole, lorsque la couverture du sol est incomplète, de situations où la saison commence par des pluies faibles et espacées. Dans le premier cas, une meilleure couverture du sol liée à une croissance plus rapide des plantes aura un impact sur le ruissellement plus important que dans le deuxième. Ce type d approche permet ainsi de repérer la distribution dans l espace des grands types de problèmes liés à l interaction entre fertilisation et bilan hydrique. Par contre, il ne permet pas de définir pour chaque type de problème les choix stratégiques et tactiques à mettre en oeuvre pour optimiser la gestion de la fertilisation. Pour cela des modèles plus proches des mécanismes, adaptés à l échelle de la parcelle et permettant d aller jusqu à l analyse économiques sont nécessaires. Cependant, leur mise au point ou leur choix parmi des modèles déjà existant peut être efficacement orienté par la caractérisation régionale précédente. Si l on se trouve dans une situation où la fertilisation modifie peu l occurrence et l intensité des stresses hydriques, par exemple, il ne sera pas utile de modéliser finement la physiologie de la réponse aux contraintes hydriques, alors qu il pourra être nécessaire de simuler en détail l interception des gouttes par le couvert, l infiltration de l eau et la migration des éléments minéraux dans le sol. 5

6 Références Affholder, F., 1997 Empirically modelling the interaction between agricultural intensification and climatic risk in semiarid regions. Field Crops Res. 52(1-2), pp Affholder, F., Costa Rodrigues G.et Assad E.,1997. Calibração e validação de um modelo simples para avaliar o potencial climático em condições de Cerrado para cultivo de milho. Pesq. Agropec. Bras., 32(10): Affholder, F.,1995. Effect of organic matter input on the water balance and yield of millet under tropical dryland condition. Field Crop Research 41(2): Cisse, L. et Vachaud, G., Effet d un amendement organique sur l infiltration, les coefficients de transfert hydriques et l évaporation d un sol sableux dégradé du Nord-Sénégal. Hydrol. Continent., 2: Forest, F. et Clopes, A., Contribution à l'explication de la variabilité du rendement d'une culture de maïs plus ou moins intensifiée à l'aide d'un modèle de bilan hydrique amélioré. In: Reyniers F.N. et Netoyo L. (eds), Bilan hydrique agricole et sécheresse en Afrique tropicale. J.Libbey Eurotext, Paris pp Kumar, S., Malik, R.S., et Dahiya, I.S., Water retention, transmission and contact characteristics of ludas sand as influenced by farmyard manure. Aus. J. Soil Res., 22: Millard, C.E. et Turk, L.M., Fundamentals of soil science. John Wiley and Sons. Ritchie, J.T., Model for predicting evaporation from a row crop with incomplete cover, Water Resour. Res., 8: Mots clés : risque climatique, fertilisation, zonage, modèle Keywords : climatic risk, fertilization, zoning, model 6