Article

Actes des JSIRAUF, Hanoi, 6-9 novembre 2007
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 NOUIRA1,*, M. DUCHEMIN2, M. BENMANSOUR1,
J. GALLICHAND3, H. BOUKSIRATE4
1
Centre national de l’énergie, des sciences et des techniques nucléaires (CNESTEN), Rabat - Maroc
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 : [email protected]
2
Mots clés : érosion hydrique, radioéléments (137Cs, 210Pb et 7Be), 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 m3 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
Actes des JSIRAUF, Hanoi, 6-9 novembre 2007
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 (137Cs,
210
Pb, 7Be) et la modélisation par RUSLE. Pour le Québec les techniques préconisées ont été
les radioéléments (137Cs et 7Be), 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 137Cs, 210Pb et 7Be 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 137Cs, 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
Actes des JSIRAUF, Hanoi, 6-9 novembre 2007
relativement plus longues environ 100 ans, les taux de dégradation de sol sont déterminés à
partir du 210Pb, produit naturellement du radon atmosphérique (222Rn). Le 7Be, 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
Inventaitre
137
Cs (Bq/m2)
Les activités mesurées du 137Cs et 210Pb 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.m2 relatives au 137Cs et 210Pb, 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 137Cs dans le champ agricole.
2000
1800
1600
Référence: 1444 Bq/m2
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
0
20
40
T1
T2
T3
T4
60
80
100
Distance du sommet ( m)
Figure 3 : Inventaires en 137Cs le long de 4 transects (T1,T2,T3,T4)
du champ agricole au Maroc
Les taux d’érosion calculés à partir de 137Cs, 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 210Pbex, sur une période de 100 ans, conduisent à des résultats
comparables à ceux obtenus par le 137Cs, compte tenu des erreurs sur la mesure de 210Pbex. La
3
Actes des JSIRAUF, Hanoi, 6-9 novembre 2007
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 (137Cs, 210Pbex et modélisation RUSLE2)
137
Erosion/déposition
210
Pbex (100 ans)
Cs (45 ans)
5- 80
27.9
20.3
17.2
69%
4 - 30
17.9
6.3
14.3
92 %
8 -26
15.4
7.1
9.3
77 %
Gamme
Erosion moyenne
Déposition moyenne
Erosion nette
Sédiment délivré
RUSLE2 (10 ans)
Mass balance2
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 7Be 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.m2
) 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.
Oct.2005-Mar 2006
Oct.2003 -Mars 2004
Oct.2004-Mars 2005
Precipitation I: 377
Precipitation I: 361 mm
Precipitation I: 292 mm
mm
Semi direct Conventionnel Semis
Conventionnel
Conventionnel
avec culture
avec culture
direct avec
avec culture
sans culture
Erosion/Déposition
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
Actes des JSIRAUF, Hanoi, 6-9 novembre 2007
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 137Cs 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 7Be 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
Be
0,123
0,076
0,057
RUSLE
0,160
0,138
0,066
7
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
Actes des JSIRAUF, Hanoi, 6-9 novembre 2007
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 137Cs et 210Pb 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 7Be 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 7Be
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 137Cs 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 137Cs 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