ÉTUDE DE CAS SUR LA PRODUCTIVITÉ DES CULTURES DE MAÏS ET DE SOYA FACE À LA VARIABILITÉ CLIMATIQUE

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1 ÉTUDE DE CAS SUR LA PRODUCTIVITÉ DES CULTURES DE MAÏS ET DE SOYA FACE À LA VARIABILITÉ CLIMATIQUE Élizabeth Pattey, Ph. D. Chercheure scientifique Agriculture et Agroalimentaire Canada (AAC), Ottawa Collaborateur : Ian Strachan, Université McGill, Montréal me M Élizabeth Pattey est chercheure scientifique à la Direction générale de la recherche du Centre de recherche de l Est sur les céréales et les oléagineux d Agriculture et Agroalimentaire Canada. À ce titre, elle travaille à quantifier la réponse des végétaux aux conditions météorologiques et édaphiques ainsi que les émissions agricoles de gaz à effet de serre à l échelle du champ.

2 ÉTUDE DE CAS SUR LA PRODUCTIVITÉ DES CULTURES DE MAÏS ET DE SOYA FACE À LA VARIABILITÉ CLIMATIQUE INTRODUCTION Les variations saisonnières du climat influencent fortement les conditions de croissance des cultures et les rendements obtenus. La variabilité devrait s accentuer avec le réchauffement de l atmosphère causé notamment par l augmentation des gaz à effet de serre. Il est important de comprendre comment les cultures réagissent aux conditions saisonnières contrastées afin d adapter, tant faire se peut, la gestion des cultures en fonction du déroulement de la saison de croissance ou de voir à l implantation de pratiques culturales inusitées dans certaines régions, à la suite de l étude des tendances saisonnières récentes. Avec le développement de l agriculture de précision et l apport de la télédétection, de nouveaux outils sont mis à la disposition des agronomes et des producteurs agricoles pour caractériser l impact des stress environnementaux sur les cultures et identifier les sous-unités homogènes quant à leur potentiel de production des surfaces cultivées par une entreprise agricole donnée. La productivité des cultures face à la variabilité climatique sera illustrée par l influence de périodes de déficits hydriques durant la croissance du maïs-grain et du soya. MATÉRIEL ET MÉTHODES Le site d observation était un champ de 3 ha situé sur une ferme de la ceinture de verdure de la région d Ottawa. Les résultats obtenus durant les saisons de croissance avec périodes de sécheresse sont présentés ici pour une culture de maïs-grain de type physiologique C4 et une culture de soya de type C3. En 1998, le champ de maïs a été divisé en deux sections : l une recevant la dose recommandée d azote et l autre limitée à 63 % de la recommandation (Pattey et autres, 21). Le soya a été semé dans ce même champ en 1999 sans amendement azoté. Durant toute la saison de croissance, les flux nets de CO 2 et de vapeur d eau ont été mesurés aux demi-heures par la technique de covariance turbulente. Ces mesures ont été agrégées pour obtenir des mesures journalières ou décadaires. Un suivi de l état hydrique, de la température, de la respiration du sol et des conditions météorologiques a aussi été effectué. De 2

3 plus, des mesures de biomasse, d indice de surface foliaire et de réflectance hyperspectrale ont été prises. À la récolte, une carte de rendement étalonnée a été acquise. RÉSULTATS Maïs-grain La saison de croissance a été caractérisée par des périodes de sécheresse. Dans le cas du maïs, les déficits hydriques ont eu lieu pendant la croissance active et à l apparition des soies (Figure 1). Figure 1 : Indice de surface foliaire, évapotranspiration et précipitation décadaire d une culture de maïs en condition optimale (155 kg N/ha) et sous-optimale (99 kg N/ha) de fertilisation azotée, observées en 1998 à Ottawa. 4 4, ET-99N ET-155N prec. LAI-99N LAI-155N 3,5 3, Évapotranspiration; précipitation (mm) ,5 2, 1,5 Indice de surface foliaire (m 2 /m 2 ) 1 1, 5,5, Jour de l'année 3

4 L évapotranspiration décadaire était supérieure à la précipitation. Ces déficits ont entraîné une réduction de l accroissement de la surface foliaire plus importante chez le maïs ayant reçu la dose d azote recommandée que chez celui ayant eu une moindre fertilisation. Au stade des soies, l évapotranspiration a été fortement réduite, passant de 2,5 3, mm/jour à 1,7 mm/jour. Au cours de la saison de croissance, l évapotranspiration était de 21 mm pour le maïs ayant reçu une dose réduite d azote et 23 mm avec une fertilisation adéquate. L accumulation de biomasse décadaire a aussi connu un recul plus important chez le maïs ayant reçu la dose d azote recommandée que chez celui ayant eu une moindre fertilisation (Figure 2). Figure 2 : Indice de surface foliaire et biomasse accumulée par période de 1 jours d une culture de maïs en condition optimale (155 kg N/ha) et sous-optimale (99 kg N/ha) de fertilisation azotée observées en 1998 à Ottawa. 45 4, NPP-99N NPP-155N LAI-99N LAI-155N 4, 3,5 Biomasse accumulée par décade (g MS/m 2 ) , 2,5 2, 1,5 1, Indice de surface foliaire (m 2 /m 2 ) 5,5, ,5 Jour de l'année Une forte diminution dans l accumulation de la biomasse est observée lors de l apparition des soies et de la deuxième période de déficit hydrique. La biomasse totale accumulée au cours de la saison était semblable pour les deux doses de fertilisation avec 2,2 kg de matière sèche 4

5 (MS/m 2 ) telle qu évaluée par la covariance turbulente et les chambres de respiration du sol. Le rendement sec récolté, tel que mesuré par le capteur de rendement étalonné était le même pour les deux doses d azote soit d environ,84 kg/m 2, avec une variabilité spatiale moins grande pour la dose d azote plus élevée. Cette différence de susceptibilité au déficit de précipitation entre les niveaux de fertilisation a pu être détectée par l indice de la bande d eau, extrait de la réflectance hyperspectrale observée au nadir au-dessus du couvert végétal de maïs (Figure 3). En effet, il existe une bande d absorption de l eau, dont le maximum se situe entre 93 et 98 nm, qui peut être exprimée en amplitude relative en la comparant à la réflectance à 9 nm, insensible à l eau (Peñuelas et autres, 1993 et 1997; Shibayama et autres, 1993). La position de la réflectance minimum (ou absorption maximum) change aussi avec le stress hydrique et le stade phénologique, comme le montre la figure 3. Figure 3 : Évolution saisonnière de l indice de la bande d eau et de la position du minimum de réflectance observée au nadir au-dessus d une culture de maïs en condition optimale (155 kg N/ha) et sous-optimale (99 kg N/ha) de fertilisation azotée observées, en 1998 à Ottawa (adapté de Strachan et autres, 22). 11 1,2 Minimum de réflectance de la bande d'eau (nm) N 99N IBE-155N IBE-99N 1,1 1,,9,8,7,6 Indice de la bande d'eau 94, Jour de l'année Fait à noter, l efficacité d utilisation de l eau était plus grande pour le maïs fertilisé en dessous de la dose optimale (Figure 4). L efficience de l eau était de 2,4 g CO 2 /mm pour le maïs sous- 5

6 fertilisé et de 18,8 g CO 2 /mm pour celui fertilisé adéquatement. Ceci s explique par un retard dans le développement foliaire qui a permis une plus grande déperdition d eau (Figure 1). Figure 4 : Flux journalier de CO2 en fonction de l évapotranspiration d une culture de maïs en condition optimale (155 kg N/ha) et sous-optimale (99 kg N/ha) de fertilisation azotée observées, en 1998 à Ottawa. Les pentes de la relation représentent l efficience de l eau (adapté de Pattey et autres, 21) N 155N Linéaire (155N) y = 2,4x R 2 =,69 Flux de CO 2 (g/m 2 /jour) Linéaire (99N) y = 18,8x R 2 =,68 1,,5 1, 1,5 2, 2,5 3, 3,5 4, 4,5 Flux de H 2 O (kg/m 2 /jour) Soya La saison de croissance a été caractérisée par des périodes de sécheresse. Dans le cas du soya le déficit hydrique a eu lieu en début et en fin de croissance active puis lors de la phase reproductive, hâtant ainsi la sénescence et la déhiscence foliaire (Figure 5). À la suite du second déficit hydrique, l évapotranspiration a été fortement réduite, passant de 3,3 à 2,1 mm/jour puis est restée inférieure à ce seuil par la suite, bien que l indice de surface foliaire ait continué d augmenter. Les déficits hydriques suivant le second ont eu lieu pendant la phase sensible floraison-fructification du soya et ont contribué à réduire le rendement. Les taux d évapotranspiration décadaires étaient comparables pour le maïs et le soya alors que l indice de surface foliaire du soya était bien plus élevé (x 1,35) que celui du maïs. L accumulation décadaire de biomasse du soya (Figure 6) a certainement subi l impact des déficits hydriques successifs (Figure 5). 6

7 Figure 5 : Indice de surface foliaire, évapotranspiration et précipitation décadaires d une culture de soya, observée en 1999 à Ottawa. 6 5 ET pluie LAI 6 5 Évapotranspiration; précipitation (mm) Indice de surface foliaire (m 2 /m 2 ) Jour de l'année 7

8 Figure 6 : Indice de surface foliaire et biomasse accumulée par période de 1 jours d une culture de soya, observée en 1999 à Ottawa NPP LAI 6 5 Biomasse accumulée par décade (g MS/m 2 ) Indice de surface foliaire (m 2 /m 2 ) Jour de l'année L accumulation de matière sèche du soya était environ la moitié moindre que celle du maïs. La période d accumulation de biomasse était aussi plus courte d environ un mois (1 jours en début de saison et 2 jours en fin de saison). L efficience de l eau est, de ce fait, très réduite chez le soya (Figure 7) par rapport au maïs (Figure 4). Le soya accumule en moyenne 5,75 g CO 2 /mm, soit moins du tiers de la valeur du maïs. L accumulation totale de matière sèche au cours de la saison de croissance était de 829 g/m 2 pour un cumul de 2 mm d évapotranspiration. Le rendement sec du soya en 1999, tel que mesuré par le capteur de rendement calibré, était d environ 23 g/m 2. 8

9 Figure 7 : Flux journaliers de CO 2 en fonction de l évapotranspiration d une culture de soya, observée en 1999 à Ottawa. Les pentes de la relation représentent l efficience de l eau. 35 Flux journalier de CO 2 (g/m 2 /jour) y = 5,75x R 2 =,51-5,,5 1, 1,5 2, 2,5 3, 3,5 4, 4,5 Évapotranspiration journalière (kg/m 2 /jour) CONCLUSION Le soya est très sensible à la sécheresse et a une efficience de l eau très inférieure à celle du maïs. Les déficits hydriques ont hâté la sénescence. L accumulation de biomasse chez le soya est inférieure à la moitié de l accumulation de biomasse du maïs. Le maïs ayant reçu la dose d azote recommandée s est montré plus susceptible au déficit de précipitation pendant la période de croissance active de 1998 que le maïs ayant reçu une dose inférieure. La dose recommandée n a pas généré une augmentation de rendement significative au niveau économique, à cause du déficit hydrique en juillet et en août

10 Les résultats du maïs montrent que les outils pour assister les producteurs et les conseillers agricoles dans leur prise de décision de préconisation azotée devraient inclure une composante climatique. De tels outils permettraient d améliorer la viabilité de l environnement agricole par une meilleure gestion de l azote. RÉFÉRENCES PATTEY, E. et autres. 21. Effects of nitrogen application rate and weather on cornusing micrometeorological and hyperpectral reflectance measurements. Agric. For. Meteorol. 18, PEÑUELAS, J. et autres The reflectance at the nm region as an indicator of plant water. Int. J. Rem. Sens. 14, PEÑUELAS, J. et autres Estimation of plant water concentration by the reflectance Water Index W1 (R9/R97). Int. J. Rem. Sens. 18, SHIBAYAMA, M. et autres Canopy water deficit detection in paddy rice using a high resolution field spectroradiometer. Rem. Sens. Env. 45, STRACHAN, I., E. PATTEY et B.J. BOISVERT. 22. Impact of nitrogen and environmental conditions on corn as detected by hyperspectral reflectance. Rem. Sens. Env. 8(2) :