Efficacité du semis direct à contrer l érosion hydrique en milieu agricole : mise en évidence à l'aide des techniques de radioéléments, de modélisation et de mesures aux champs (Maroc et Canada) Asmaé NOUIRA 1,*, M. DUCHEMIN 2, M. BENMANSOUR 1, J. GALLICHAND 3, H. BOUKSIRATE 4 1 Centre national de l énergie, des sciences et des techniques nucléaires (CNESTEN), Rabat - Maroc 2 Institut de recherche et de développement en agroenvironnement inc. (IRDA), Québec - Canada 3 Université Laval (Département des Sols et de Génie Agroalimentaire) Québec Canada 4 Institut National de la Recherche Agronomique (INRA), Rabat Maroc E-mail : asmae06@voila.fr Mots clés : érosion hydrique, radioéléments ( 137 Cs, 210 Pb et 7 Be), modélisation, mesures aux champs, labour conventionnel et semis direct. Introduction L érosion hydrique constitue l un des problèmes environnementaux et agricoles majeurs au monde, dont souffre non seulement les pays développés, mais aussi les pays en voie de développement. En effet, la dégradation des sols par érosion hydrique représente une grave menace qui met en danger la production alimentaire et les moyens d'existence ruraux et qui continue de prendre des proportions alarmantes, notamment dans les régions pauvres et de forte démographie. Environ 3 millions d hectares des terres arables disparaissent progressivement chaque année dans le monde (Benmansour et al, 2006). Cette dégradation est d autant plus accentuée par une exploitation intensive et imprudente des terres agricoles ou encore par la mauvaise gestion des champs agricoles. Outre la dégradation agronomique, les impacts environnementaux de l'érosion hydrique sont importants et génèrent des répercussions importantes au delà du sol lui même ; dégradation de la qualité des eaux de surface, envasement des barrages et contamination chimique d origine agricole des ressources en eau. Au Maroc comme au Québec (Canada), l érosion hydrique touche une grande partie des terres agricoles, mais avec des proportions différentes. Ainsi pour le Maroc, où le secteur agricole représente entre 12 et 20% du PIB du pays, dans 22 bassins versants sur une superficie de 15 millions d hectares, environ 11 millions d hectares sont hautement menacés par l érosion hydrique. Les pertes annuelles de sol sont estimées à 100 millions de tonnes et la diminution de la capacité de stockage des barrages est de l ordre de 50 millions de m 3 par an. Au Québec, les sols agricoles à bon potentiel couvrent moins de 2 millions d hectares, soit moins de 2% du territoire. L érosion hydrique est un problème de dégradation des sols qui affecte 10% des terres agricoles du Québec utilisées dans un système de monoculture. De plus, l activité agricole intensive est souvent ciblée comme étant une des causes principales de la dégradation de la qualité des cours d eau. La lutte contre la dégradation des sols nécessite une bonne connaissance de ses causes et effets, afin de choisir avec précision les technologies convenables de conservation des sols et les bonnes stratégies pour remédier aux problèmes pour une production agricole durable. 1
Un projet de recherche, subventionné par l AUF et conduit conjointement par le CNESTEN du Maroc et l IRDA du Québec (Canada), en collaboration avec l INRA du Maroc et l Université Laval (Québec), a été mené afin d étudier et d estimer à long et court terme la perte en sol causée par l érosion hydrique d une part et d autre part vérifier la validité de technique de conservation de sol utilisée, dans notre cas le travail minimum du sol en semis direct. Deux méthodologies ont été utilisées pour le cas du Maroc; les radioéléments ( 137 Cs, 210 Pb, 7 Be) et la modélisation par RUSLE. Pour le Québec les techniques préconisées ont été les radioéléments ( 137 Cs et 7 Be), la modélisation par RUSLE et les mesures en parcelles agricoles. Ce travail a également constitué une opportunité d échange et de développement d expertises Maroc-Québec en faisant ressortir les particularités de chaque équipe pour l étude de l érosion. Sites expérimentaux Le site sélectionné au Maroc est un champ agricole d essai de l INRA, situé à environ 70 km au sud-est de Rabat (Maroc), subdivisé en 18 parcelles de 4 mètres de largeur par 22 mètres de longueur (blé, lentille et lupin) où le semis direct est comparé au labour conventionnel (figure 1) et dont la pente est de 17 %. La texture du sol est de 48% en argile, 28% en sable et 24% en limon. La moyenne annuelle des précipitations est de 405 mm avec un pic durant la période décembre mars. Le système de gestion agricole utilisé antérieurement est le labour conventionnel par une charrue à disques avec une rotation bisannuelle céréale-jachère travaillée. Concernant le Québec, le site choisi se trouve à la Ferme expérimentale de l IRDA localisée à St-Lambert-de-Lauzon, à environ 30 km au sud de Québec et est composée de 6 parcelles de 3 mètres de largeur par 31 mètres de longueur aménagées sur un sol limoneux (51% sable; 39% limon; 10 % argile) dont la pente est de 4,5% (figure 2). Depuis 2004, une culture de maïsgrain (Zea mays L.) a été établie sur les parcelles. La moyenne annuelle des précipitations est d environ 1000 mm. Figure 1 : Champ d essai de l INRA (Maroc) Figure 2 : Parcelles expérimentales de l IRDA (Canada) Méthodologies Les radioéléments 137 Cs, 210 Pb et 7 Be utilisés comme traceurs des mouvements de sol constituent un moyen intéressant et innovateur qui permet de rendre compte du déplacement des particules de sol et d en estimer de façon quantitative les taux de perte en sol sur de longues et courtes périodes (Zapata, 2002). En effet, le 137 Cs, radioélément artificiel introduit dans l environnement suite aux essais nucléaires des années 1950-60, renseigne sur le mouvement du sol et donne les taux d érosion sur 45 ans. Pour des épisodes d érosion 2
relativement plus longues environ 100 ans, les taux de dégradation de sol sont déterminés à partir du 210 Pb, produit naturellement du radon atmosphérique ( 222 Rn). Le 7 Be, issu de l interaction des rayonnements cosmiques avec l atmosphère, offre la possibilité de suivre l'évolution des mouvements de sol suite à un changement des pratiques agricoles et de vérifier l efficacité des méthodes de conservation des sols. Concernant la modélisation, l usage du modèle RUSLE2 (USDA, 2005) a conduit, en intégrant les paramètres locaux (pluie, sol, topographie, culture), à des estimations annuelles de perte en sol sur une période de 10 ans. A court terme, les taux d érosion ont été calculés à partir de l équation de base de RUSLE en insérant les différents paramètres relatifs à chaque site. Les mesures in situ ont été effectuées sur le site expérimental de l IRDA uniquement. Les paramètres mesurés suite aux précipitations étaient les volumes d eau ruisselée et les concentrations de matières en suspension (MES) qui fournissent les masses de sédiments érodées (kg), ces derniers rapportées à la superficie des parcelles donnent le taux d érosion de l événement pluvieux (kg.m -2 ). Résultats et discussions Champ Agricole de Marchouch au Maroc Les activités mesurées du 137 Cs et 210 Pb pour les différents points du champ, du sommet à la base, le long des 4 «transects» comparées aux activités de référence de 1444 Bq.m -2 et de 3010 Bq.m 2 relatives au 137 Cs et 210 Pb, respectivement, montrent un déplacement des particules sédimentaires du haut de la pente vers le bas. La figure 4 illustre l exemple de distribution des inventaires de 137 Cs dans le champ agricole. Inventaitre 137 Cs (Bq/m2) 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 Référence: 1444 Bq/m 2 0 20 40 60 80 100 Distance du sommet ( m) T1 T2 T3 T4 Figure 3 : Inventaires en 137 Cs le long de 4 transects (T1,T2,T3,T4) du champ agricole au Maroc Les taux d érosion calculés à partir de 137 Cs, en utilisant le modèle de conversion «mass balance 2» (Walling et Quine, 1990, Walling and He, 1999, Nouira et al, 2003) le long de tous les transects, pour les différents points varient de 4 à 30 t.ha -1.an -1 avec une perte notée importante en amont du champ et une accumulation en aval. Ainsi, le taux net d érosion relatif au champ sur une période de 45 ans est de l ordre de 14 t.ha -1.an -1. Ces résultats indiquent que 92% de sédiments érodés ont atteint l aval des champs agricoles. Les pertes en sol obtenues à partir du 210 Pb ex, sur une période de 100 ans, conduisent à des résultats comparables à ceux obtenus par le 137 Cs, compte tenu des erreurs sur la mesure de 210 Pb ex. La 3
perte en sol nette est estimée à 9.3 t.ha -1.an -1. La modélisation par RUSLE2, sur une durée de 10 années, effectuée pour les différents transects a présenté des taux compris entre 5 et 80 t.ha -1.an -1 avec un taux net estimé à 17.2 t.ha -1.an -1. L ensemble des résultats est présenté dans le tableau 1. Tableau 1 : Taux d érosion et de déposition du sol (t.ha -1.an -1 ) obtenus pour le site du Maroc en utilisant ( 137 Cs, 210 Pb ex et modélisation RUSLE2) Erosion/déposition Gamme Erosion moyenne Déposition moyenne Erosion nette Sédiment délivré 210 Pb ex (100 ans) 8-26 15.4 7.1 9.3 77 % 137 Cs (45 ans) Mass balance2 4-30 17.9 6.3 14.3 92 % RUSLE2 (10 ans) 5-80 27.9 20.3 17.2 69% Pour les années 2004-2005 et 2006, pendant la période octobre mars où se concentre la majorité des événements pluviométriques au Maroc, les inventaires de 7 Be pour les sites de références sont de 120, 101 et 122 Bq.m -2 respectivement. Dans le site agricole de Marchouch, l activité moyenne a été plus élevée pour les parcelles soumises aux travaux en semis direct (117 et 94 Bq.m -2 ) comparativement aux labours conventionnels (108 et 92 Bq.m - 2 ) pour les années 2004 et 2005. Pour l année 2006, où les parcelles ont été laissées en jachère travaillée, l activité moyenne a été nettement plus faible, soit 80 Bq.m -2. Les taux d érosion calculés par le modèle de conversion «mass balance» (Zapata, 2002) ont exprimé la même tendance (tableau 2). Ainsi, les taux moyens d érosion pour 2004 sont de 10.3 t.ha -1 et 15.8 t.ha -1 pour le semis direct et le labour conventionnel respectivement, alors qu en 2005, avec une plus faible précipitation, les taux moyens sont estimés à 6.6 et 8.3 t.ha -1. Les pertes en sol pour 2006 ont atteint 19.3 t.ha -1. Ces résultats suggèrent une réduction des taux d érosion lorsque les sols sont soumis aux pratiques de conservation en semis direct. Les taux d érosion obtenus à court terme par le modèle RUSLE, en intégrant les données pluviométriques horaires, confirment cette thèse. Ainsi, les taux moyens d érosion pour l année 2004 sont de 1.8 t.ha -1 et 6.6 t.ha -1 pour le semis direct et le labour conventionnel respectivement alors que ces taux atteignent 0.8 t.ha -1 et 2.8 t.ha -1 pour l année 2005. Par ailleurs, en 2006, l INRA a effectué un travail du sol en semis direct pour la majorité des champs agricoles en culture de blé et en pois chiche de son domaine expérimental. Tableau 2 : Taux d érosion et de déposition du sol (t.ha -1 ) obtenus pour le site du Maroc en utilisant 7 Be. Erosion/Déposition Oct.2003 -Mars 2004 Precipitation I: 361 mm Semi direct avec culture Conventionnel avec culture Oct.2004-Mars 2005 Precipitation I: 292 mm Semis direct avec culture Conventionnel avec culture Oct.2005-Mar 2006 Precipitation I: 377 mm Conventionnel sans culture Erosion moyenne Déposition moyenne Erosion nette 10.3 12.9 2.3 15.8 3.4 13.8 6.6 3.5 3.7 8.3 3.2 4.8 19.3 16.9 9.0 4
Les rendements ont connu une hausse sous travail minimum en semis- direct. En effet, pour le blé, le rendement était de 46,69 q/ha pour le travail en semis direct alors que pour le labour conventionnel, il a atteint seulement 44,71 q/ha. De même pour le pois chiche, soit 17,04 q/ha pour le semis direct et 14,09 q/ha pour le labour conventionnel. Le coût est également intéressant, le semis direct a coûté 700 Dh (équivalent de 70 /ha) moins cher que le cover crop. Le travail en semis direct constitue donc une stratégie efficace de conservation de sol pour une production agricole acceptable. En raison de la réussite de cette expérience, l INRA a procédé à des campagnes de sensibilisation des paysans pour les inciter à utiliser le travail en semis direct dans la région de Zaer (Nord-Ouest du Maroc). Site agricole de la Ferme de St-Lambert-de-Lauzon au Québec Les résultats obtenus par la technique de 137 Cs indiquent une activité moyenne des champs de référence de 2442 Bq.m -2 alors qu elle a atteint, en moyenne, 1772 Bq.m -2 pour les 6 parcelles agricoles. Le calcul des taux d érosion obtenus à partir des modèles de conversion a atteint, en moyenne, 7.3 t.ha -1.an -1. Il s agit d un taux moyen d érosion à long terme (45 ans). A court terme, les mesures de 7 Be révèlent des activités de 352 Bq.m -2 pour le labour conventionnel, de 380 Bq.m -2 pour le chisel et de 392 Bq.m -2 pour le semis direct. Les taux d érosion estimés à partir du modèle de conversion proposé par Blake et al. (1999) s élèvent à 0,123 t ha -1 pour le labour conventionnel, à 0,076 t ha -1 pour le chisel et à 0,057 t ha -1 pour le semis direct, révélant, de ce fait, l efficacité des méthodes de conservation à réduire l érosion hydrique des sols agricoles. Tableau 3 : Taux d érosion (t/ha) obtenus pour le site du Québec TYPE DE TRAVAIL DU SOL MÉTHODES Conventionnel Chisel Semis direct Terrain 0,224 0,072 0,060 7 Be 0,123 0,076 0,057 RUSLE 0,160 0,138 0,066 Pour la modélisation avec RUSLE, en calculant chaque paramètre (RKLSCP) de l équation sur la période de juin à août 2006, il en résulte des taux d érosion brute de 0,160 t.ha -1 pour le labour conventionnel, de 0,138 t.ha -1 pour le chisel et de 0,066 t.ha -1 pour le semis direct. Ceci confirme encore une fois de plus l efficacité des pratiques de conservation pour protéger les sols contre l érosion hydrique. Des mesures in situ de l érosion hydrique ont été également réalisées au Québec entre juin et août 2006 pour 6 événements pluviométriques qui ont générés un ruissellement significatif à l aval des parcelles. Les charges de sédiments érodés (kg) calculées à partir des volumes d eau ruisselée (litres) et des concentrations de matières en suspension (mg/l) ont été ramenés à la surface totale des parcelles, conduisant ainsi à des taux d érosion nette de 0,224 t.ha -1 pour le labour conventionnel, comparativement à 0,072 t.ha -1 pour le chisel et à 0,060 t.ha -1 pour le semis direct. Certains problèmes techniques liés au système de mesure des volumes d eau ruisselée expliqueraient, en partie, les faibles taux d érosion nette observés. Ces résultats suggèrent toutefois l efficacité du travail de sol en semis direct comme mesure de conservation pour réduire l érosion hydrique des sols agricoles et les charges de sédiments 5
contaminés transportées vers les cours d eau. Le tableau 3 résume les taux d érosion obtenus à partir des trois méthodes. Conclusion Le travail de recherche réalisé en partenariat entre le Maroc et le Québec, moyennant les différentes méthodologies (radioéléments, modélisation et mesures au champ) a permis de renseigner sur les pertes en sol produites sur les sites d études et de démontrer l efficacité des stratégies de conservation de sol (semis direct) à réduire la perte en sol. Sur le long terme, les radioéléments 137 Cs et 210 Pb ont constitué une opportunité intéressante qui rend compte des mouvements de sol d une part et d autre part donne une estimation quantitative sur 45 ans et 100 ans. L emploi du 7 Be a révélé, durant les 3 années d étude pour le site Marchouch (Maroc), que le travail du sol en semis direct conduit à des taux d érosion plus faible comparativement au labour conventionnel. La même conclusion est tirée pour le site expérimental de la Ferme de St-Lambert-de-Lauzon (Québec) à partir des résultats de 7 Be pour la période juin août 2006. Cette constatation a été confirmée également par la modélisation RUSLE et les mesures au champ dans le cas du Québec. Le semi direct constitue donc une mesure efficace pour protéger les sols contre l érosion hydrique, réduisant ainsi les charges de sédiments contaminés évacués vers les cours d eau. Il a permis aussi d accroître les rendements au Maroc et à moindre coût. Des observations complémentaires sont nécessaires pour confirmer la durabilité du système de culture sur semis direct. Remerciements Nous tenons à remercier l AUF pour son appui financier pour la réalisation de ce projet de recherche (convention P2-2092RR621) et l IAEA qui a également financé ce travail dans le cadre du CRP -D1.50.08. On remercie aussi tous les membres qui ont rendu possible ce travail de recherche ; Oumri, Mossadak et Souihka de l INRA, le groupe d Analyse Benkedad, Bizi, et Sebbar du CNESTEN ainsi que l équipe du laboratoire d analyse des sols de l IRDA. Bibliographie Benmansour M., M. Duchemin, A. Nouira et J. Gallichand, (2006). Emploi combiné des radioéléments, de la modélisation et des mesures aux champs pour étudier l érosion hydrique des sols en milieu agricole (MAROC-CANADA) : Rapport 2006. Agence Universitaire de la Francophonie et Réseau Érosion & GCES, Actions en réseau, Convention P2-2092RR621. IRDA, CNESTEN, décembre 2006, 25 p. Blake, W.E., D.E. Walling et Q. He, (1999). Fallout beryllium-7 as tracer in soil erosion investigations. Applied Radiation and Isotopes (51): 599-605. Nouira, A., E.H. Sayouty et M. Benmanssour, (2003) Use of 137 Cs technique for soil erosion study at (Casablanca region) agricultural land in Morocco. Journal of Environmental Radioactivity (68) : 11-26. USDA, (2005). Revised Universal Soil Loss Equation, version 2 (RUSLE2). USDA-ARS National Soil Erosion Research Laboratory, Purdue University, West Lafayette, In. Site internet (http://fargo.nserl.purdue.edu/rusle2 dataweb/rusle2 Index.htm). Wischmeier W. H. et D.D. Smith, (1978). Predicting rainfall erosion losses: a guide to conservation planning. Agricultural Handbook 537, U.S. Department of Agriculture, Washington D.C., 58 p. Walling, D.E. et T.A. Quine, (1990). Calibration of 137 Cs measurements to provide quantitative erosion rate data. Land degradation and Rehabilitation 2 : 161-175. Walling, D.E. et Q. He, (1999). Improved models for estimating soil erosion rates from Cesium-137 measurements. Journal of Environmental Quality (28) : 611-622. Zapata, F.,(2002). Handbook for the assessment of soil erosion and sedimentation using environmental radionuclides. Kuwer Academic Publishers. 6