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Lutte antiérosive

Thème 2. Influence de la LAE sur la dynamique de l'eau : de la parcelle au bassin versant

Effets des systèmes de cultures bananières sur un sol brun tropical volcanique sous des simulations de pluies cycloniques en Martinique

Bounmanh Benoît Khamsouk, Éric Roose, Éric Blanchart, Marc Dorel, Luc Rangon et Jean-José Banidol

Résumé

Principale production végétale sur 9 000 ha en Martinique, la culture bananière d’exportation ‘Cavendish’ peut présenter un risque de dégradation pour l’environnement (érosion, pollutions aquatiques) en raison de ses pratiques culturales, du relief accidenté des zones de production et de fortes pluies. Récemment, une étude en parcelles expérimentales de 100-200 m² sur un sol brun tropical volcanique a démontré que les systèmes intensifs à gestion de paillis protégeaient le sol de l’érosion hydrique à l’opposé de la culture traditionnelle d’ananas billonné, entrant en rotation avec les bananeraies. Afin d’approfondir ces résultats, une campagne de simulations de pluies cycloniques (19 tests sur des micro-parcelles de 1m² arrosées par une pluie artificielle d’intensité de 100 mm.h-1 durant trois heures) a donc été réalisée in situ avec pour objectif de mieux comprendre le fonctionnement hydrique du sol, l’efficacité du paillage et de rechercher des liens hydrodynamiques remarquables entre les parcelles expérimentales de 200 m² sous pluviosité naturelle et les micro-parcelles 1m² sous simulations de pluies.
Les résultats des pluies simulées sont bien conformes aux mesures observées en parcelles d’érosion sous pluies naturelles, notamment à travers les hydrogrammes obtenus sur les différents traitements testés et à travers les paramètres de ruissellement. Le sol brun tropical volcanique présente une forte capacité d’infiltration et même après trois heures de simulation de pluie cyclonique, la saturation du sol superficielle n’est jamais atteinte (Hp < 58 %). Le paillage protège efficacement le sol du ruissellement (et de l’érosion hydrique) en accentuant l’infiltration totale de la pluie artificielle déversée, même après 180 mm de pluie en trois heures car celui-ci couvre bien la surface du sol et augmente la rugosité superficielle. A l’inverse, les billons concentrent un ruissellement abondant après 40 minutes d’application. D’autres résultats remarquables sont soulignés : (i) – une grande stabilité des agrégats sur les sols nus où la désagrégation n’est que partielle avec des mottes émoussées reposant sur une croûte inférieure formée à partir de particules fines désagrégées ; (ii) - un changement de processus hydrodynamique sur le traitement « sol nu » avec une diminution du ruissellement sur les plus fortes pentes (25 et 40 %), provoquée par le maintien de l’ouverture des macro-pores superficielles due à l’énergie décapante de la lame d’eau. Les résultats des pluies simulées sur 1m ² ont donc bien permis de préciser le fonctionnement hydrique du sol brun tropical volcanique et de définir le rôle remarquable du paillage dans les systèmes de cultures intensives contre le ruissellement (et l’érosion hydrique).

Texte intégral

1- INTRODUCTION

1En Martinique, île volcanique des Antilles françaises (14-16° N ; 60-62° W ; 1080 km²), la production intensive de banane dessert « Cavendish » qui est un atout économique essentiel, occupe près de 9 000 ha des terres agricoles.

2En raison des pratiques agricoles (grande consommation d'intrants) sur un relief montagneux accidenté soumis à de forte pluviosité 2000-5000 mm/an (tempêtes tropicales), les systèmes de cultures bananières peut présenter des risques de dégradation pour l'environnement.

3De 1998 à 2001, une étude en parcelles expérimentales sur un sol brun tropical volcanique ou « sol brun rouille à halloysite » selon Colmet-Daage et Lagache (1965) a montré qu'en matière de dégradation du sol sur un versant de pente moyenne 10 %, les systèmes intensifs bananiers à gestion de paillis ou mulch protégeaient efficacement le sol de l'érosion hydrique (E = 0,6 t/ha/an) à l'inverse de la culture d'ananas billonné (E = 17 t/ha/an), en rotation avec les bananeraies ou du sol dénudé (E = 85 t/ha/an) (Khamsouk et Roose, 2003).

4Afin d'approfondir les résultats obtenus en parcelles expérimentales sous pluies naturelles et de déterminer les facteurs explicatifs, des tests de simulations de pluies cycloniques (intensité 100 mm/h) ont été appliqués sur des micro-parcelles de 1m² à l'intérieur des parcelles d'essais cultivés de 200 m² (Khamsouk et al., 2006).

5Cet article va présenter les résultats obtenus sous les simulations de pluies cycloniques, notamment l'influence du paillis ou mulch en surface du sol sur le comportement hydrique du sol testé.

2 – SITE, MATERIELS ET METHODES

2.1 – Le site d'étude

6Le site d’étude est la station expérimentale Rivière Lézarde (110 ha), situé en région centrale de l’île avec une pluviosité de 2000-2500 mm/an et caractérisé par un sol brun tropical volcanique cultivé en systèmes bananiers. Six parcelles d’érosion (200 m²) sur différentes pentes ont été installées avec quatre traitements dont les caractéristiques mesurées durant deux années sont récapitulées dans le tableau 1 :

  • les sols nus Nu11, Nu25 et Nu40 (sol dénudé, travaillé sur 20 cm) : traitement standard ou témoin sur trois pentes 11-25-40 %, permettant de déterminer le comportement du sol sous les averses érosives (Wischmeier et Smith, 1978) ;

  • la canne à sucre avec paillage de résidus organique Ca10 (13 lignes de cannes) : parcelle installée sur une pente de 10 %, proposée en rotation avec la bananeraie pour réduire les risques d’érosion et assainir le sol des nématodes parasites ;

  • la bananeraie établie avec paillis en bandes perpendiculaires à la pente Ba11 (36 pieds) : traitement situé sur une pente à 11 %, préconisée pour lutter contre l’érosion ;

  • L’ananas mécanisé et billonné An7 (sept billons ; 850 plants) : système intensif traditionnel en rotation avec la bananeraie et situé sur une pente de 7 % - labour profond à 60 cm avec enfouissement des résidus et billonnage en descendant la pente.

Tableau 1. Caractéristiques mesurées des six parcelles d’érosion installées sur le sol brun tropical volcanique (sol brun rouille à halloysite)

Tableau 1. Caractéristiques mesurées des six parcelles d’érosion installées sur le sol brun tropical volcanique (sol brun rouille à halloysite)

* Cram : coefficient de ruissellement annuel ou rapport annuel de la lame d’eau ruisselée sur la pluviosité
** Crmax : coefficient de ruissellemen maximal mesuré sous l’épisode pluvial correspondant

7Sur ces traitements, 19 simulations de pluies cycloniques (intensité : 100 mm. h-1) ont été appliquées sur des micro-parcelles (1m²) durant trois heures. Les mesures de ruissellement à l’exutoire des micro-parcelles permettent de déterminer les paramètres hydrodynamiques, bien représentatifs du comportement des surfaces de sol (Lafforgue, 1977 ; Collinet et Valentin, 1979) : la pluie d’imbibition Pi (mm) ou hauteur d’eau de pluie minimale et nécessaire pour provoquer le ruissellement ; la lame ruisselée cumulée LR60’ et LR180’ (mm) correspondant à la hauteur du ruissellement après 60 et 180 minutes de simulation ; le coefficient de ruissellement Kr60’ et Kr180’ ( %) ou rapport des hauteurs d’eau ruissellement/pluie après 60 et 180 minutes ; le palier de ruissellement Rx (mm. h-1) ou intensité maximale et constante d’écoulement d’eau durant le régime permanent du ruissellement. A noter que tous ces paramètres se retrouvent également dans les hydrogrammes ou courbes de ruissellement/infiltration durant la durée d'application des pluies artificielles.

8A chaque simulation, les conditions initiales et finales des micro-parcelles sont déterminées par cinq mesures : la pente p (%) à l’aide d’un mètre, d’une règle et d’un niveau à bulle ; les humidités pondérales initiale Hpi ( %) et finale Hpf ( %) par prélèvement du sol sur 10 cm ; la rugosité de surface Rg par la méthode de la chaînette (rapport de longueurs chaîne/mètre linéaire) ; la densité apparente du sol Dapp (g. cm-³) avec les cylindres (1000 cm³) ; l’état de surface du sol comprenant : les surfaces ouvertes SO ( %) ou mottes ; les surfaces couvertes SC ( %) regroupant la litière et les cailloux protégeant le sol ; les surfaces lisses et fermées SF ( %) ou croûte.

9Afin de déterminer des relations remarquables et facteurs explicatifs sur les résultats, des corrélations binaires ont été appliquées sur les résultats : leurs coefficients sont dits « très significatifs » au seuil de 1 %, « significatif » au seuil de 5 % et « non significatifs » dans les autres cas.

Photo 1 : évolution de l’état de surface du « sol nu » (Nu11) avant (a) puis après (b) la pluie cyclonique simulée

Photo 2 : autres état de surface des traitements « canne à sucre paillé » Ca10 avant et après la simulation de pluie cyclonique (a et b) et « ananas mécanisé et billonné an 7 avant la pluie artificielle (c)

Tableau 2. Conditions initiales et finales des 19 micro-parcelles (1 m²) testées sous pluies artificielles

Tableau 2. Conditions initiales et finales des 19 micro-parcelles (1 m²) testées sous pluies artificielles

ND : non déterminé

III – RESULTATS ET DISCUSSION

1. Conditions initiales et finales des micro-parcelles

10Ces résultats sont récapitulés dans le tableau 2 : au départ, le sol argileux est sec et peu dense. Les états de surface reflètent bien les caractéristiques des traitements testés : un fort taux de surface couverte sur les essais cultivés paillés (bananeraie et canne à sucre) et un fort taux de surface ouverte ou dénudée sur les sols nus (photos 1 et 2). Après l’arrêt des pluies cycloniques, la saturation du sol n’est jamais atteinte (Hpf <58 %) : la forte capacité d’infiltration du sol brun tropical volcanique est remarquable et elle s’expliquerait par la grande stabilité des agrégats soumis à l’eau, résultats déjà démontrés lors d’un test de stabilité structurale en laboratoire (Khamsouk et al., 1999). D’ailleurs, sur les trois sols nus, la réorganisation superficielle du sol après les pluies artificielles est différent du comportement battant des sols sableux et limoneux : pas d’encroûtement lisse en surface et présence d’agrégats émoussés reposant sur une croûte interne et continue formée par le dépôt des particules fines désagrégées (photo 1b).

2. Hydrogrammes et paramètres hydrodynamiques des pluies simulées

11Les hydrogrammes de ruissellement reflètent le comportement spécifique des traitements testés, avec la distinction entre parcelle très infiltrant (systèmes paillés) et celles très ruisselant (figure 1).

Figure 1. Hydrogrammes moyens du ruissellement issus des traitements testés sous pluies simulées

12Ces comportements sous pluies cycloniques simulées sont bien conformes aux résultats de ruissellement observés en parcelles d’érosion, à savoir :

  • l'absence de perte en terre annuelle sur les traitements cultivés paillés bananeraie et canne à sucre (photos 2a et 2b),

  • une érosion hydrique favorisée par l'effet des sillons concentrant rapidement le ruissellement, même sur pente faible 7 % (ananas mécanisé et billonné (photo 2c)),

  • un changement de processus hydrodynamique et d'érosion hydrique du sol dénudé quand la pente dépasse 25 %, c'est-à-dire une érosion hydrique linéaire pour des pentes <25 % à une érosion hydrique par coulée boueuse sur les pentes à 40 % (Khamsouk et Roose, 2003).

Tableau 3. Paramètres hydrodynamiques des 19 simulations de pluies appliquées sur les 6 traitements

Tableau 3. Paramètres hydrodynamiques des 19 simulations de pluies appliquées sur les 6 traitements

ND : non déterminé

13Au niveau des paramètres hydrodynamiques (tableau 3), les résultats sont également conformes aux mesures réalisées sur les parcelles d’érosion (Khamsouk et Roose, 2003) :

  • pas de ruissellement observé sous traitements paillés, très couvert et très rugueux, et une infiltration totale comme dans d’autres études références (Mannering et al., 1966 ; Roose, 1977 ; Helming et al., 1998),

  • l'effet des sillons concentrant et évacuant le ruissellement, vecteur de la forte érosion et bien souligné dans des études expérimentales sur andosols et ferrisols (Roose et Asseline, 1978 ; El-Swaify et al., 1982 ; Winschester Chromec et al., 1989),

  • l'influence négative de la pente sur le ruissellement sur les sols nus où l’infiltration augmente en raison de l’ouverture du sol, provoquée par l’énergie décapante du ruissellement (Heusch, 1971 ; Poesen, 1986 ; Valentin, 1989 ; Roose et al., 1993 ; Janeau et al., 2003 ; Sabir et al., 2004).

14Parmi les paramètres de ruissellement, deux principaux (Pi et LR60’) sont très représentatifs du comportement hydrique des parcelles testées tandis que d’autres travaux analogues font référence au ruissellement maximal Rx ou l'infiltration permanente Fn, obtenus après 60 minutes de pluies sur des sols sableux tropicaux cultivés ou sur des sols limoneux (Roose et Asseline, 1978 ; Collinet et Valentin, 1979 ; Le Bissonnais et al., 1989).

3. Quelques relations remarquables

15Les corrélations significatives établis entre conditions initiales et paramètres hydrodynamiques soulignent bien le rôle très remarquable du paillage (couverture et rugosité au sol) contre le ruissellement (r²=-0,538 pour SC et LR60’ ; r²=-0,695 pour Rg et LR60’ (Khamsouk et al., 2006)).

16Par ailleurs, la corrélation significative entre ruissellements mesurés en parcelles d’érosion 100-200 m² sous pluies naturelles et en micro-parcelles 1 m² sous simulations de pluies cycloniques confirme bien la similitude du fonctionnement hydrique du sol brun tropical cultivé sur les deux surfaces différentes (r²= 0,794 pour Cram et Rx). Cela montre aussi la conformité exceptionnelle des simulations de pluies cycloniques avec la pluviosité naturelle du site au niveau du comportement hydrique des traitements testés (Khamsouk et al., 2006).

17Concernant les paramètres de perte en terre, les résultats obtenus ne permettent pas de dresser des relations remarquables car les micro-parcelles 1 m² utilisés pour les simulations de pluies ne présentent pas d'exutoire aval lisse, mais perforé et pouvant piéger les sédiments entraînés par le ruissellement (voir photo1b).

IV – CONCLUSION

18Les résultats des pluies cycloniques simulées sont non seulement conformes à ceux mesurés sous pluies naturelles, mais aussi et surtout ils ont permis de préciser le fonctionnement hydrique du sol brun tropical cultivé (sol brun rouille à halloysite) et de déterminer les facteurs explicatifs intervenant dans l’installation du ruissellement, principal vecteur de l’érosion hydrique du sol en Martinique. Dans les productions végétales intensives (bananeraie et canne à sucre) sous climat tropical humide avec des tempêtes cycloniques, limiter le ruissellement par le paillage organique bien couvrant et rugueux reste donc une bonne pratique agricole de lutte antiérosive, combinant à la fois la conservation du sol et la disponibilité des résidus culturales.

Bibliographie

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Table des illustrations

Titre Tableau 1. Caractéristiques mesurées des six parcelles d’érosion installées sur le sol brun tropical volcanique (sol brun rouille à halloysite)
Légende * Cram : coefficient de ruissellement annuel ou rapport annuel de la lame d’eau ruisselée sur la pluviosité** Crmax : coefficient de ruissellemen maximal mesuré sous l’épisode pluvial correspondant
URL http://books.openedition.org/irdeditions/docannexe/image/13151/img-1.jpg
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Légende Photo 1 : évolution de l’état de surface du « sol nu » (Nu11) avant (a) puis après (b) la pluie cyclonique simulée
URL http://books.openedition.org/irdeditions/docannexe/image/13151/img-2.jpg
Fichier image/jpeg, 444k
Légende Photo 2 : autres état de surface des traitements « canne à sucre paillé » Ca10 avant et après la simulation de pluie cyclonique (a et b) et « ananas mécanisé et billonné an 7 avant la pluie artificielle (c)
URL http://books.openedition.org/irdeditions/docannexe/image/13151/img-3.jpg
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Titre Tableau 2. Conditions initiales et finales des 19 micro-parcelles (1 m²) testées sous pluies artificielles
Légende ND : non déterminé
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Légende Figure 1. Hydrogrammes moyens du ruissellement issus des traitements testés sous pluies simulées
URL http://books.openedition.org/irdeditions/docannexe/image/13151/img-5.jpg
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Titre Tableau 3. Paramètres hydrodynamiques des 19 simulations de pluies appliquées sur les 6 traitements
Légende ND : non déterminé
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