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Restauration de la productivité des sols tropicaux et méditerranéens

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Éric Roose

Partie 2. La restauration des sols par la gestion des matières organiques et minérales des agrosystèmes

Chapitre 16. Effets de la gestion des résidus de culture sur un sol brun tropical volcanique

Tests sur divers systèmes intensifs de cultures d’exportation sous pluies naturelles et simulées en Martinique

Benoît Khamsouk et Éric Roose

Résumé

En Martinique, les cultures d’exportation (banane, ananas, canne à sucre) peuvent présenter un risque de dégradation pour l’environnement (érosion, pollutions des sols et des eaux) en raison du relief accidenté, des pluies cycloniques et des pratiques culturales très consommatrices d’intrants. Une étude sur dix parcelles d’érosion de 200 m² a été mise en place (1998-2001) sur un sol brun tropical volcanique. Elle a démontré que les systèmes intensifs de cultures à gestion superficielle des résidus de culture protégeaient le sol de l’érosion hydrique, à l’opposé du sol nu et de la culture traditionnelle d’ananas billonné. Sur sol nu labouré de pente croissant de 10-25 à 40 %, l’érosion augmente linéairement de 86 à 147 t. ha-1. an-1, alors que le ruissellement diminue de 7 à 4 %, le type d’érosion passant de l’érosion en nappe, aux rigoles et au creeping. Afin d’approfondir les connaissances sur ces processus, une campagne de simulation de pluies cycloniques (19 tests sur des micro-parcelles de 1 m2 arrosées par une pluie artificielle d’intensité de 100 mm. h-1 durant trois heures) a été réalisée in situ pour mieux comprendre le fonctionnement hydrique du sol.
Les résultats des pluies simulées sur 1 m2 se sont avérés conformes aux mesures observées en parcelles d’érosion (200 m2) sous pluies naturelles. Le sol brun tropical sur cendres volcaniques présente une forte capacité d’infiltration et même après trois heures de simulation de pluie très intense, la saturation du sol superficiel 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, même après 300 mm de pluie en trois heures. Par contre, les billons concentrent un ruissellement abondant après 40 minutes de pluie de même intensité. 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 macropores superficiels due à l’énergie décapante de la lame de ruissellement.

In Martinique Island, intensive plantations of bananas, pineapple or sugar cane present a risk of erosion and soil + water pollution in relation to steep slopes, intensive cyclonic rainstorms and cultural practices. A study on ten runoff plots (200 m²) on a volcanic brown tropical soil demonstrated that intensive cropping systems with complete mulching (with crop residues) protected the soil against erosion when the conventional cropping system of pineapple on ridges lost more than 17 t. ha-1. year-1 of topsoil. On bare plots, on slopes increasing from 10 to 25 and 40 %, soil erosion increased linearly from 86 to 128 and 148 t. ha-1. year-1 when runoff decreased from 7 to 4 %, the type of erosion varying from sheet to rill and even creep erosion. In order to better understand erosion processes, 19 tests of cyclonic simulated rainfalls on micro-plots of 1 m² were irrigated during three hours with 100 mm. hour-1 intensity.
Conclusions under intensive simulated rainfalls confirmed those under natural rainfalls on 200 m² runoff plots, particularly concerning runoff and soil losses under different treatments. This volcanic brown soil kept a strong infiltration capacity even after three hours of simulated heavy rainfalls: the soil saturation was never attained (Hp < 58 %). Mulching protects the soil surface very efficiently against rainfall and runoff energy and against erosion, even during a very intense cyclonic rainstorm. It was not the case for the ridges of denuded soil where runoff became very active after 40 minutes of simulated rain. The rain simulation tests have demonstrated the strong stability of aggregates on bare plots where the structure degradation was only partial with rounded clods sitting on a crust built with fine particles infiltrated. It was also observed a change of erosion processes on bare plots with a decreasing runoff on the steepest slopes (25 and 40 %), due to scouring of the topsoil opening continuously macro-pores.

Texte intégral

Introduction

1Les sols volcaniques sont intensivement cultivés dans le monde en raison de leurs propriétés physico-chimiques remarquables et de leur bonne fertilité. Les experts considèrent que ces sols sur cendres volcaniques sont stables, bien agrégés et très résistants à l’érosion hydrique (Cabidoche, 1999). Cependant, en Martinique, île volcanique des Antilles françaises (14-16° N ; 60-62° W ; 1 080 km²), ces sols sont peu étudiés, alors que les systèmes de cultures intensives d’exportation (bananes, ananas, cannes à sucre) peuvent présenter des risques de dégradation pour l’environnement (érosion et pollutions) en raison des pratiques agricoles (grande consommation d’intrants et nombreux passages des planteurs) sur un relief montagneux accidenté (pentes de 10 à > 40 %) soumis à une forte pluviosité (2 000-5 000 mm. an-1) et à des tempêtes tropicales. Les dégâts lors des cyclones (décapage des sols labourés, coulées boueuses, ravines, pollutions des eaux de surface) peuvent être très sévères, car les cultures sont situées près des habitations. Certaines études en bananeraies ont montré l’importance des pertes de nutriments lors des averses (Godefroy et Dormoy, 1989) et la pollution du ruissellement suite à l’application de pesticides à l’échelle d’un petit bassin versant (Dorel et al., 1996).

2De 1998 à 2001, une étude sur dix parcelles d’érosion sur un sol brun tropical volcanique ou « sol brun rouille à halloysite » (Colmet-Daage et Lagache, 1965) a montré qu’en matière de dégradation du sol sur un versant de 10 à 40 % de pente, les systèmes intensifs de culture bananière à gestion des résidus de culture en surface protégeaient efficacement le sol de l’érosion hydrique (E = 0,6 t/ha/an) à l’inverse de la culture d’ananas sur billons (E = 17 t/ha/an), en rotation avec les bananeraies ou du sol dénudé (E = 85 à 145 t/ha/an en fonction de la pente) (Khamsouk, 2001 ; Khamsouk et Roose, 2003).

3Afin d’approfondir les connaissances obtenues en parcelles expérimentales sous pluies naturelles et de déterminer les facteurs explicatifs, 19 tests de simulation de pluies cycloniques (intensité 100 mm/h durant plus de trois heures) ont été appliqués sur des microparcelles de 1 m2 situées à l’intérieur des parcelles d’érosion de 200 m2 (Khamsouk et al., 2006).

4Ce chapitre présente les résultats obtenus sous pluies naturelles et sous simulation de pluies cycloniques, notamment l’influence du paillis de résidus de culture étalés en surface du sol sur le comportement hydrique du sol testé. La fertilisation du sol est assurée par des apports raisonnés d’engrais minéraux (Khamsouk, 2001).

Site, matériels et méthodes

Le site d’étude

5L’étude a été réalisée à la station expérimentale du Cirad-Fhlor de Rivière Lézarde, située en région centrale de l’île avec une pluviosité de 2 000-2 500 mm. an-1 et un sol brun tropical sur cendres volcaniques, cultivé en systèmes bananiers, canne à sucre et ananas. Six parcelles d’érosion (200 m ²) sur différentes pentes (7 à 40 %) 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 (parcelles dénudées sur des pentes de 11, 25 et 40 % d’inclinaison, labourées sur 20 cm) : traitement standard ou témoin sur trois pentes, 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 de 11 % Ba11 (36 pieds) : traitement préconisé pour réduire 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 de la culture précédente et billonnage dans le sens de la pente.

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

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

* Kram : coefficient de ruissellement annuel ou rapport annuel de la lame d’eau ruisselée sur la pluviosité.
** Krmax : coefficient de ruissellement maximal mesuré sur les plus fortes averses.

6Les parcelles d’érosion (25 x 8 m) ont été isolées sur des pentes rectilinéaires qui se terminent par un canal de capture du ruissellement et des sédiments, lequel aboutit à trois cuves calibrées reliées par des partiteurs (fig. 1) (Roose, 1981 ; Rishirumuhirwa, 1997). Après chaque pluie, le ruissellement et l’érosion sont directement mesurés au champ avec une grande précision pour les averses ordinaires < 200 mm (0,01 mm pour le ruissellement et 0,2 kg pour les pertes en terre) et une approximation acceptable pour les pluies cycloniques (10 mm pour le ruissellement et 5 kg pour l’érosion).

7Pour mieux comprendre ce qui se passe lors des averses cycloniques, 19 simulations de pluies cycloniques (intensité : 100 mm. h-1 durant trois heures) ont été appliquées sur des micro-parcelles (1 m2) situées dans les grandes parcelles d’érosion. 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) : la pluie d’imbibition Pi (mm) ou hauteur d’eau de pluie 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. À noter que tous ces paramètres se retrouvent également dans les hydrogrammes ou courbes de ruissellement/infiltration durant la durée d’application des pluies artificielles.

Figure 1. Schéma d’une parcelle de mesure du ruissellement et de l’érosion installée dans une bananeraie établie en Martinique.

8À chaque simulation, les conditions initiales et finales de l’état de surface 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 de chaîne plaquée au sol/mètre linéaire) ; la densité apparente du sol Dapp (g. cm-3) avec les cylindres (1 000 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 fermées SF ( %), tassées ou encroûtées (tabl. 2) (Roose, 1996).

9Afin de déterminer les relations remarquables et les 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.

a, b : évolution de l’état de surface d’un sol nu, a : avant la pluie, b : après simulation d’une « pluie cyclonique ».
© B. Khamsouk

a, b, c : état de surface sous canne à sucre, a : avant, b : après une pluie cyclonique simulée et c : sous ananas billonnés mécanisés : Rivière Lézarde, Martinique.
© B. Khamsouk

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

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

ND : non déterminé.

Résultats et discussion

La pluviosité

10La pluie annuelle moyenne entre 1978 et 1998 s’élève à 2 420 mm avec un indice d’agressivité R de 915 MJ. mm/ha. h, caractéristique des climats tropicaux humides (Wischmeier et Smith, 1978 ; Roose, 1994). En 1999, l’essentiel de l’érosion provient de trois tempêtes tropicales de 74 à 94 mm avec des intensités maximales en 30 minutes de 76 mm/h. En 2000 par contre, il n’y a pas eu de tempête tropicale, mais l’agressivité de chaque pluie a été plus forte.

Le taux de couverture végétale sur les grandes parcelles

11Sur les parcelles nues, les cailloux et adventices n’ont jamais couvert plus de 15 % de la surface du sol, tandis que sur les parcelles cultivées le taux de couverture varie de 30 à 60 % sur ananas billonnés et de 60 à 100 % sur les cultures paillées. Sur sol nu de plus de 20 % de pente, la surface couverte par les rigoles atteint jusqu’à 40 % : aucune rigole n’a été observée sous cultures.

Le ruissellement et l’érosion sur les grandes parcelles

12Au tableau 1, il apparaît que les parcelles nues et la culture d’ananas sont les moins bien couvertes et les plus sensibles au ruissellement et à l’érosion. Sur les parcelles d’ananas billonnées dans le sens de la pente, le ruissellement se concentre, s’accélère dans les sillons et augmente l’érosion. Sous bananeraie, le paillage, même partiel en bandes perpendiculaires à la pente, dissipe l’énergie des gouttes de pluie et du ruissellement et maintient une bonne capacité d’infiltration, y compris lors des averses tropicales. Cependant sur les parcelles nues, lorsque la pente augmente de 11 à 40 %, le ruissellement diminue (de 7 à 4 %), mais l’érosion augmente (de 85 à 147 t. ha-1. an-1). Des résultats semblables ont été obtenus sur parcelles d’érosion nues en Afrique. Heusch (1971) suggère que sur forte pente le drainage interne est plus rapide et donc le sol se sature moins vite. Roose (1981) a observé que sur les faibles pentes, le ruissellement a moins de puissance et il se forme des croûtes plus rapidement. Sur forte pente, l’énergie du ruissellement augmente et lacère les croûtes en voie de formation. L’érosion sur ces pentes fortes et mal couvertes n’est plus sélective : la force du ruissellement emporte même les agrégats et les cailloux (Khamsouk et Roose, 2003). Ceci démontre la forte énergie du ruissellement sur les fortes pentes, mais aussi la grande résistance des agrégats de ces sols volcaniques soumis à la pluie et leur faible érodibilité. Cette résistance a d’ailleurs été confirmée par l’absence de croûtes d’érosion sur ces terrains (Rooseet al., 1999) et par la grande résistance des agrégats aux tests de tamisage dans l’eau au laboratoire (Khamsouk et al., 1999).

Les conditions initiales et finales des microparcelles sous pluies simulées

13Ces 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 couverture sur les essais sur parcelles cultivées paillées (bananeraie et canne à sucre) et un fort taux de surface ouverte ou dénudée sur les sols nus. 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 parcelles nues, la réorganisation superficielle du sol après les pluies artificielles est différente du comportement battant des sols tropicaux sableux et limoneux : pas d’encroûtement lisse en surface, mais présence d’agrégats émoussés reposant sur une croûte interne et continue formée par le dépôt des particules fines désagrégées.

Les hydrogrammes et les paramètres hydrodynamiques des pluies simulées

14Les hydrogrammes de ruissellement reflètent le comportement spécifique des traitements testés, avec la distinction entre parcelles très filtrantes (systèmes paillés) et celles qui ruissellent beaucoup (fig. 2).

Figure 2. Hydrogrammes moyens du ruissellement issus des traitements testés sous pluies simulées.

15Ces comportements sous pluies très intenses simulées sont bien conformes aux résultats de ruissellement observés en parcelles d’érosion (200m²), à savoir :

  • l’absence de perte en terre sur les traitements cultivés paillés bananeraie et canne à sucre ;
  • une érosion hydrique favorisée par les sillons concentrant rapidement le ruissellement, même sur pente faible 7 % (ananas mécanisé et billonné) ;
  • un changement de processus hydrodynamique et d’érosion hydrique du sol dénudé quand la pente augmente : une érosion hydrique en nappe sur les pentes de < 12 %, combinée à une érosion linéaire pour des pentes < 25 % et à une érosion hydrique par coulée boueuse sur les pentes de 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

16Au niveau des paramètres hydrodynamiques (tabl. 3), les résultats sont également conformes aux mesures réalisées sur les parcelles d’érosion (Khamsouk et Roose, 2003) :

  • pas de ruissellement observé sous les traitements paillés, très couverts et très rugueux, et une infiltration totale comme dans d’autres études référencées (Mannering et al., 1966 ; Roose, 1977 ; Helming et al., 1998) ;
  • l’effet des sillons concentrant et évacuant le ruissellement, vecteur de la forte érosion, est 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 ; Roose, 1977 ; Poesen, 1986 ; Valentin, 1989 ; Roose et al., 1993 ; Janeau et al., 2003 ; Sabir et al., 2004).

17Parmi les paramètres de ruissellement, les 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 à l’infiltration permanente Fn, obtenus après 60 minutes de pluie sur des sols sableux tropicaux cultivés ou sur des sols limoneux tempérés (Roose et Asseline, 1978 ; Casenave et Valentin, 1989 ; LE Bissonnais et al., 1989).

Quelques relations remarquables sous pluies simulées

18Les corrélations significatives établies 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).

19Par ailleurs, la corrélation significative entre ruissellements mesurés en parcelles d’érosion de 200 m2 sous pluies naturelles et en microparcelles de 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).

20Concernant les paramètres de perte en terre, les résultats obtenus ne permettent pas de dresser des relations remarquables, car les microparcelles de 1 m2 utilisées pour les simulations de pluies ne présentent pas d’exutoire aval lisse, mais une tôle perforée et pouvant piéger les sédiments entraînés par le ruissellement.

Conclusions

21Sur les nitisols volcaniques cultivés en Martinique, l’érosion peut être sévère si le sol n’est pas totalement couvert. Bien que ces sols volcaniques aient des agrégats très stables à l’eau, ils sont emportés par le ruissellement dès que les sols cultivés sont dénudés sur fortes pentes.

22Les résultats de cette étude montrent cependant qu’il est possible de développer des cultures industrielles intensives sur des pentes dépassant 40 %, à condition de respecter une technique antiérosive très simple, à savoir recouvrir le sol complètement, ou, en absence d’une quantité suffisante de paillage, étaler les résidus de culture en bandes perpendiculaires à la pente. Ces deux techniques permettent d’augmenter suffisamment la capacité d’infiltration des sols et de ralentir la vitesse et l’énergie du ruissellement. Cette pratique très simple de déposer les feuilles des bananiers, des cannes à sucre ou les plants broyés des ananas en bandes isohypses peut être facilement acceptée par les petits producteurs : elle suffit à maîtriser la circulation des eaux de surface dans cet environnement de collines.

23Les 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 ou Nitosols) et de déterminer les facteurs explicatifs intervenant dans l’installation du ruissellement lors des pluies cycloniques, principal vecteur de l’érosion hydrique des collines en Martinique. Dans les productions végétales intensives (bananeraie, ananas 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 valorisation des résidus de cultures pour améliorer les propriétés hydrodynamiques de ces sols bruns tropicaux très argileux.

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Table des illustrations

Titre Tableau 1. Caractéristiques des six parcelles d’érosion installées sur le sol brun tropical volcanique (sol brun rouille à halloysite ou Nitisol selon FAO).
Légende * Kram : coefficient de ruissellement annuel ou rapport annuel de la lame d’eau ruisselée sur la pluviosité.** Krmax : coefficient de ruissellement maximal mesuré sur les plus fortes averses.
URL http://books.openedition.org/irdeditions/docannexe/image/24264/img-1.jpg
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Légende Figure 1. Schéma d’une parcelle de mesure du ruissellement et de l’érosion installée dans une bananeraie établie en Martinique.
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Légende a, b : évolution de l’état de surface d’un sol nu, a : avant la pluie, b : après simulation d’une « pluie cyclonique ».© B. Khamsouk
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Légende a, b, c : état de surface sous canne à sucre, a : avant, b : après une pluie cyclonique simulée et c : sous ananas billonnés mécanisés : Rivière Lézarde, Martinique.© B. Khamsouk
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Titre Tableau 2. Conditions initiales et finales des 19 microparcelles (1 m2) testées sous pluies artificielles.
Légende ND : non déterminé.
URL http://books.openedition.org/irdeditions/docannexe/image/24264/img-5.jpg
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Légende Figure 2. Hydrogrammes moyens du ruissellement issus des traitements testés sous pluies simulées.
URL http://books.openedition.org/irdeditions/docannexe/image/24264/img-6.jpg
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Titre Tableau 3. Paramètres hydrodynamiques des 19 simulations de pluies appliquées sur les 6 traitements.
Légende ND : non déterminé
URL http://books.openedition.org/irdeditions/docannexe/image/24264/img-7.jpg
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Auteurs

Agronome, post-doctorant, expert, Cirad, Ville Nouvelle, Meknès, Maroc. benoit.khamsouk@gmail.com

Agro-pédologue, chercheur, DR. émérite, IRD, UMR Eco&Sol, Montpellier, France. Eric.Roose@ird.fr

© IRD Éditions, 2017

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