Utilisation agricole du sol à des fins non alimentaires - un danger pour les eaux souterraines?

000

-, ~- Station fédérale de recherches en agroécologie et agriculture

Institut de recherches en protection de l'environnement et en agriculture IUL FAL ULJ

Liebefeld-Berne

Directeur: Alfred Brdnnimann

Utilisation agricole du sol à des fins non alimentaires - un danger pour les eaux souterraines?

Premiers résultats en lysimetres

W. STAUFFER, Station fédérale de recherches en agroécologie et agriculture (FAL),

Institut de recherches en protection de l'environnement et en agriculture (IUL), Liebefeld, CH-3003 Berne

Introduction

Dans le cadre de l' extensification de l' agriculture et de la recherche de solu- tions de remplacement pour l'utilisation des surfaces agricoles, la culture de ma- tières premières renouvelables occupe une place de choix. On peut penser que les rendements des cultures traditionnel- les ne diminueront pas de manière sen- sible à la suite d'une extensification.

C'est la raison pour laquelle le Septième rapport sur l agriculture (ANONYME,

1992) consacre un chapitre aux solutions de remplacement pour l'utilisation des surfaces. Celles-ci ne doivent plus être emblavées pour des cultures vivrières.

Dans le message concernant la réforme de la politique agraire, deuxième étape

(politique agraire 2002) du 26 juin 1996, il est prévu que la Confédération sou- tienne la culture et l'utilisation de matiè- res premières renouvelables. On connaît cependant relativement peu les consé- quences de cette forme d'utilisation des sols sur la percolation de l'azote nitri- que, comparativement aux rotations tra- ditionnelles de cultures, bien qu'on ait procédé à certaines estimations. Man- daté par l'Office fédéral de l' agricul- Tableau 1. Caractéristiques du sol utilisé.

ture, un groupe de travail a été consti- tué et sa tâche réside dans l évaluation des matières premières renouvelables d'après des critères économiques et écologiques (WOLFENSBERGER et DIN-

KEL, 1997, non publié).

A l'Institut de recherches en protection de l'environnement et en agriculture (IUL) à Liebefeld (Station fédérale de recherches en agroécologie et agricul- ture, Zurich- Reckenholz), on conduit des essais en lysimètres depuis 1995.

Ceux-ci ont pour objet de quantifier le lessivage des nitrates dû à la production de matières premières renouvelables.

Matériel et méthodes

Les effets de l'utilisation alternative des sols sur la qualité des percolats sont étudiés dans des essais en lysimètres depuis mai 1995. La durée de l'expéri- mentation prise en considération est de vingt mois. Les cases lysimétriques, d'une surface del m- et d'une profon- deur utile de 1,5 m (FURRER et STAUFFER, 1980), ont été remplies en 1982 avec un sable fortement limoneux (il ne s'agit donc pas de monolythes) (tabl. 1 et fig. 1). Chaque procédé expérimental est répété trois fois.

Résumé

A l'aide d'essais en cases lysimétriques, on cherche à savoir, en compa- raison avec la jachère nue, dans quelle mesure l'utilisation alternative du sol par le roseau de Chine, le kénaf, le chanvre et la jachère verte dans une rotation de cultures ainsi que la prairie permanente peut influencer les pertes d'azote nitrique par percolation dans les eaux souterraines.

Les résultats de vingt mois montrent que seuls le roseau de Chine et la prairie permanente présentent un risque relativement faible. La jachère verte semée en août après la culture principale (dans le cas présent des pois proteagineux) ainsi que le kénaf sont en revanche à considérer comme critiques. Les concentrations différentes en nitrates dans les per- colats résultent de la consommation différente en eau des cultures. Les pertes en azote nitrique calculées pour la période expérimentale de vingt mois varient selon le procédé cultural entre 3 et 640 kg/ha. Les teneurs moyennes en azote nitrique des percolats pour la durée des essais se situent entre 0,5 et 50 mg/I.

1

1

Argile Silt

1

(°/O) (°/O) (°/O) (°/O) (°/O)

0-30 cm 7,5 1,72 0,15 14,6 26,1 59,3

30-120 cm 7,9 0,69 0,06 11,8 20,6 67,6

Fig. 2. Utilisations du sol pendant la période d'expérimentation. PP: pois protéagineux;

M jachère verte.

Tableau 2. Fertilisation et fumure des cultures.

Fertilisation

Cultures Fumure

(Quantité/ha/an)

N P K

(kg/ha/an)

Roseau de Chine — — — 35 m3 lisier

Kénaf 30 — — 25 t fumier

Chanvre 50 — — 25 t fumier

Pois protéagineux — 30 100 —

Jachere verte — — — —

Colza — 35 110 —

Prairie permanente complément 60 m3 lisier

Fig. 1. Cases lysimetriques de Liebefeld: essais d'utilisation alternative du sol (à gauche) et station de mesure des percolats en sous-sol (à droite).

1995 1996

~/~ Roseau de Chine ~///~ Roseau de Chine

~~_ Kénaf ~/~I Kénaf

Jachère nue

culture jachère nue jachère partielle/chaume

~~_ Chanvre ~/~' Chanvre

PP ' JV /Colza

Prairie permanente

Les cultures et les périodes de jachère sont présentées dans la figure 2. La prairie permanente est exploitée de ma- nière extensive. Pendant la période sans végétation jachère partielle/chaume), on a affaire à un sol non travaillé ou à une matière première renouvelable ré- coltée. Le roseau de Chine a été mis en culture en 1992.

La fumure des cultures est présentée dans le tableau 2. Les teneurs moyennes en azote des engrais de ferme épandus sont pour le fumier de 2,94 d'azote total et 0,27 g/kg d'azote ammoniacal et pour le lisier de 1,93 et 0,87 g/kg de matière fraîche, respectivement. Les éléments nutritifs du lisier appliqué sur la prairie permanente ont été pris en compte lors du dosage des fertilisants minéraux. Au cours de la période ex- périmentale prise en considération, le colza n'a pas reçu d'azote.

La répartition des précipitations men- suelles est donnée dans la figure 3. Les précipitations annuelles se montent à 1223 mm en 1995 et à 1054 mm en

1996.

Résultats et discussion

Rendements

Le niveau des rendements (fig. 4) pour une période donnée est dépendant de la culture, c'est-à-dire de son potentiel de production, et de la répartition des pré- cipitations. Le roseau de Chine et la prairie permanente ont atteint des ren- dements supérieurs à 150 et 100 dt/ha de matière sèche, respectivement. En 1995, le kénaf a dépassé la production attendue de 50 dt/ha de matière sèche;

en revanche, le rendement a été plus fai- ble en 1996 en raison d'une mauvaise levée du semis, engendrant un tapis vé- gétal lacunaire. Le chanvre s'est main-

v

JFMAMJJASONDJFMAMJJASOND

1995 1996

mg N-NO3/1 12f

101 81 6 4 2 Fiel. 3. Précipitations (mm) pendant la D

période d'expérimentation 1995-1996 à Liebefeld-Berne.

ment en dessous du rendement escompté de 50 dt/ha. Les rendements des pois protéagineux ont été élevés. Cette cul- ture a été suivie, en automne 1995, par une jachère verte qui n'a pas été récol- tée l'année suivante, mais qu'on a utili- sée deux fois sous forme de «mulch»

resté en surface du sol.

Teneurs en azote nitrique dans les percolats

Une fois de plus, les essais ont montré nettement que la concentration en ni- trates dans les percolats dépend princi- palement du degré et de la durée de couverture du sol par les différentes cultures (fig. 2). Plus le rendement est important, plus la quantité d'eau trans- pirée est élevée et plus la quantité de percolats est faible. Le danger de perco- lation des nitrates dans les eaux souter- raines augmente avec la quantité totale croissante des percolats. Les concen- trations en azote nitrique sont particu- lièrement élevées avec la jachère nue et la jachère verte pendant les mois d'hi- ver (fig. 5). Ces teneurs sont également élevées avec du kénaf au cours de la période de jachère. Dans le tableau 4, on a reporté les concentrations (moyen- nes proportionnelles aux quantités de percolats) d'azote nitrique en fonction des différentes utilisations du sol. Le ro- seau de Chine et la prairie permanente, avec une couverture du sol qui dure pratiquement toute l'année, ont con- sommé 62% des précipitations. Les te- Fig. 4. Rendements en matière sèche (dt/ha) V des différentes cultures. Pour les pois pro- téagineux (PP): rendement total (pois 61, paille 62 dt/ha de matière sèche).

Fig. 5. Evolution des teneurs en nitrates D (mg N-NO,/1) des différentes cultures pen- dant la période d'expérimentation 1995- 1996. PP: pois protéagineux; JV: jachère verte.

MM 200

, , , ,

160- --- , --- ~ - - - , ,7=, , ~ , , , ,

120- , , ~ --- , --- ---- ,--- , -- . ~ --- / -- , , ,

,

~---

80- _, -- -- ---- ~ -- -- , ,

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~ , ~ / , . ,

40- , ,

,

,,~ ~ ,

, , , ., , , ~ , , ,,, ~ , . ~ , ~

o' /-// I

/ ,/,,, //,,, ,,;

JFMAMJJASONDJFMAMJJASOND

1995 1996

MS dt/ha 250

200 --- ---

150 - --- ---

100 - ---- ::: --- --- --

50- ---- ...: ---- --- --

0 1995 1996

151 ® 111 El

Roseau de Chine Kénaf Chanvre Pois protéagineux Herbe

—r_~% Roseau de Chine —£~--- Kénaf $ Chanvre

— a— PP/JV/Colza —~ Prairie permanente ~- Jachère

Tableau 4. Précipitations (Pr), percolats (Pe) et azote nitrique (N-NO3) pour la période de mai 1995 à décembre 1996 selon différentes utilisations du sol (moyenne de trois répétitions).

Culture Pr

(mm)

Pe (mm)

Pe/Pr

N ^N-NO3 (mg/1)

N-NO3 (kg/ha)

Roseau de Chine 702 38 0,5 3,2

Prairie permanente 729 39 2,9 21,0

Chanvre 675 36 10,3 69,5

1862

PP/JV/colza 838 45 23,5 197,0

Kénaf 1148 62 28,1 322,5

Jachère nue 1212 65 53,1 643,5

Tableau 3. Percolats en % des précipitations (% Pe/Pr) et quantités d'azote nitrique percolées en fonction de l'utilisation du sol.

Précipi- Roseau de Chine Kénaf Chanvre PP/JV/colza Prairie permanente Jachère nue

Pe/ r (N-NO3) Pe/ r (N-NO3) Pe/ r (N-NO3) 3)

(mm) Pe/ r (N-NOs) Pe/ r (N-NO 3) Pe/ r (N-NO

Année Mois tations

(°10) (kg/ha) (%) (kg/ha) (%) (kg/ha) (%) (kg/ha) (%) (kg/ha) (%) (kg/ha)

1995 J 149 54 0,5 52 0,4 52 63,9

F 118 125 2,5 110 1,1 95 7,6

M 92 110 412 98 0,3 87 1,9

A 56 38 1,2 31 0,1 33 0,5

M 189 81 0,2 73 0,4 73 0,2 48 6,5 24 0,6 61 6,5

J 79 96 0,7 102 0,8 86 0,8 88 5,6 78 0,8 88 10,2

J 63 0 0,0 15 0,3 10 0,2 0 0,0 3 0,0 16 2,4

A 147 0 0,0 3 0,5 0 0,0 0 0,0 0 0,0 36 17,6

S 137 0 0,0 3 0,9 0 0,0 16 5,2 2 0,3 67 47,6

O 11 0 0,0 0 0,0 0 0,0 90 2,4 11 0,1 75 5,3

N 57 0 0,0 0 0,0 0 010 16 2,7 8 0,6 33 1217

D 125 2 0,2 37 12,0 53 9,2 81 41,8 71 4,8 71 76,4

1996 J 20 393 1,0 484 20,8 333 12,9 486 69,9 413 2,1 364 84,7

F 45 97 0,4 122 15,3 93 10,5 93 18,6 102 1,2 84 44,1

M 34 33 0,0 35 3,2 37 3,2 49 8,9 48 0,4 46 16,7

A 51 34 0,0 17 2,3 14 1,9 25 2,2 30 0,4 18 9,0

M 127 79 0,4 66 23,1 45 15,5 15 1,9 26 1,0 45 46,5

J 105 5 0,0 84 16,6 44 7,4 3 0,1 13 0,3 68 25,8

J 136 0 0,0 101 3,4 49 1,3 17 0,0 39 1,6 85 2,6

A 185 0 0,0 45 38,2 0 0,0 32 1,8 11 0,7 47 35,0

S 48 0 0,0 9 2,6 0 0,0 17 0,5 15 0,3 30 7,3

O 102 0 0,0 14 10,6 0 0,0 69 4,9 16 1,0 63 40,6

N 147 82 0,1 125 131,9 19 1,7 70 10,3 89 3,6 97 97,1

D 54 174 0,1 183 39,4 132 4,8 154 13,6 167 1,1 126 55,7

PP: pois protéagineux; JV: jachère verte; N-NO3: azote nitrique.

neurs en azote nitrique sont restées fai- bles. Avec 64%, la consommation d'eau par le chanvre a été légèrement supé- rieure. La période intercalaire de jachère a cependant eu pour effet d'augmenter les teneurs en nitrates dans les perco- lats. L'évapotranspiration du kénaf et de la jachère nue n'ont été que de 38 et 35% des précipitations, respectivement.

Pendant la croissance du kénaf de juin à octobre, la teneur en azote nitrique s'est réduite de moitié (28 mg/1) par rapport à celle qui a été obtenue sous jachère nue. La rotation «pois protéagi- neux - jachère verte - colza» occupe une position intermédiaire quant à sa consommation en eau, les teneurs en azote nitriques des percolats étant cependant élevées au cours de l'hiver 1995-1996.

Flux d'azote nitrique percolé Dans le tableau 3, on présente les per- colats mensuels en pour-cent des préci- pitations et les flux d'azote nitrique en kg/ha pour chaque culture et les vingt mois d'expérimentation. Le flux est le produit des quantités de percolats par les concentrations respectives d'azote nitrique. L'influence de la consomma- tion d'eau par les cultures sur les te- neurs en azote nitrique dans les perco- lats est démontrée dans le tableau 4.

Les pertes d'azote nitrique augmentent de 3,2 à 643 kg/ha (vingt mois) selon l'ordre croissant des cultures: roseau de Chine - prairie permanente - chanvre - pois protéagineux/jachère verte/colza - kénaf - jachère nue. RuPP et al., (1997) ont constaté, dans des essais en lysime-

très, que les pertes d'azote par percola- tion étaient jusqu'à 78% plus élevées avec des cultures de matières premières renouvelables qu' avec des cultures con- duites en production intégrée. Les es- pèces cultivées étaient cependant diffé- rentes: cameline cultivée, lin oléagineux et pavot boulanger. MEISSNER et al., (1993) ont également observé un ac- croissement de l'azote percolé après cessation ou modification de l'exploi- tation des surfaces. Les causes en sont d'une part le type préalable d'exploita- tion et, d'autre part, le développement partiellement lacunaire des cultures.

Conclusions

• Les pertes les plus élevées par per- colation sous jachère nue d'environ 650 kg/ha d'azote nitrique sur vingt mois ont pour conséquence de très fortes teneurs en nitrates dans les eaux souterraines et portent préjudice à l'environnement. En outre, elles causent des pertes économiques im- portantes à l'agriculteur.

• La culture du chanvre ne comporte qu'un risque modéré quant aux per- tes d'azote par percolation. En re- vanche, le risque devient élevé avec celle du kénaf. Avec une distance entre les lignes de 44 à 50 cm, ce risque peut être comparé à celui

tionnellement (FURRER et STAUFFER, 1986; STAUFFER et ENGGIST, 1990;

STAUFFER, 1993). Dans cet essai, la jachère verte semée en août ne per- met pas de diminuer les pertes d'azo- te au cours de l'hiver; en consé- quence, il est préférable de la mettre en place au printemps.

• Eu égard à la durée relativement courte de l'expérimentation, les ré- sultats présentés méritent d'être con- firmés. C'est la raison pour laquelle les essais sont poursuivis.

Bibliographie

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FURRER O. J. und STAUFFER W., 1986. Stickstoff in der Landwirtschaft. Gus - Wasser - Ab- ti asse►- 66 (7), 460-471.

MEISSNER, R., SEEGER J., RUPh H. und SCHONERT P., 1993. Der Einfluss von Flâchenstillecrumi- und Extensivierung auf den Stickstoffaustrag mit dem Sickerwasser. Voie Wcrsser, Bd. 81, 197-215.

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STAUFFER W., 1993. Einfluss von Beptlanzung, Gülleanwendung und Gtillegrubegr6sse auf

Zusammenfassung

Alternative Flâchennutzung — eine Gefahr für das Grundwasser? Erste Resultate in einem Lysimeterversuch

Mit Lysimeterversuchen wird, im Vergleich zu Schwarzbrache, abgeklârt, inwiefern eine alternative Flâchennutzung mit Chinaschilf, Kenaf, Hanf, Grünbrache in einer Rotation und Dauerwiese die Nitratverluste ins Grundwasser beinflussen. Die Resul- tate zeigen, dass nur Chinaschilf und Dauerwiese ein geringes Risiko aufweisen.

Grünbrache und Kenaf hingegen sind als problematisch zu betrachten. Der verschie- dene Wasserverbrauch der einzelnen Kulturen bewirkte unterschiedliche Nitrat- konzentrationen im Sickerwasser. Die Nitrat-Verluste liegen, berechnet über die ge- samte Versuchsperiode von zwanzig Monaten, je nach Verfahren zwischen 3-640 kg N/ha. Die Nitratgehalte bewegen sich im Durchschnitt des gesamten Sickerwassers von 0,5-50 mg NO3-N/1.

Summary

Alternative land use — a ground water risk? First results of a lysimeter trial Lysimeter experiments are used to investigate how nitrate leaching to the ground water is influenced by alternative land use, e.g. crops like China reed, kenaf, hemp, green fallow in rotation and permanent grassland. Results show that only China reed and permanent grassland bear no risk of nitrate losses to the groundwater. Green fallow and kenaf have to be regarded as critical. Differences in water use of the crops led to different nitrate concentrations in the drainage water. Calculated over the whole experimental period of twenty months, nitrate losses for different crops varied between 3 and 640 kg N/ha. The mean nitrate contents of the drainage water were 0,5-50 mg NO3-N/l.

die Nitratauswaschung in einem Lysimeterver- such. Schw ei<,. Lcinc!«. Fo. 32 (1/- ), 227-232.

WOLFENSBERGER U. und DINKEt. F., 1997. Beur- teilung nachwachsender Rohstoffe. Im Auf- trag des Bundesamtes fiir Landwirtschaft, 3003 Bern (unverdffentlicher Bericht).

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