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Impact à long terme du travail du sol sur le cycle biogéochimique du phosphore : analyse de l'essai L'Acadie (Québec, Canada) et modélisation

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2017
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La pratique du «semis direct» ou no-till (NT) se développe rapidement comme méthode de conservation des sols. Cette pratique modifie nombre de propriétés du sol comme, par exemple, la répartition du phosphore (P) dans le profil du sol. L’objectif de cette thèse est d’analyser les impacts après plusieurs décennies sous la gestion de NT sur le cycle biogéochimique du P et d’intégrer ces effets dans un modèle de fonctionnement. Nous avons utilisé un essai au champ de longue durée sous maïs-soja (L’Acadie, Québec, Canada) implanté sur un sol argilo-limoneux. Le dispositif était un split-plot à 4 blocs avec le labour conventionnel ou « mouldboard plough » (MP) et sans labour (NT) en parcelles prioncipales et 3 doses de fertilisation en P minéral [0 (0P), 17.5 (0.5P), 35 (1P) kg P ha⁻¹] apportées sur le maïs et localisées à 5 cm de profondeur et à 5 cm du rang de maïs, en sous-parcelles. La concentration en ions phosphates dans le sol (Cp) était relativement uniforme dans la couche labourée (0-20 cm) (0.08 mg P L⁻¹), puis baissait légèrement dans la couche 20-30 cm (0.05 mg P L⁻¹) et davantage au-delà (0.01 mg P L⁻¹). Sous les traitements [NT, 0.5P] et [NT, 1P] traitements, le Cp était plus élevé dans la couche 0-10 cm (0.28 et 0.19 mg P L⁻¹) que dans la couche labourée mais baissait rapidement avec la profondeur. Cette stratification verticale sous NT était également observée pour les teneurs en P-Olsen, P-M3 et autres nutriments comme C, N et K. Après 23 et 24 années d’essai, il y avait tendanciellement moins de racines du maïs sous NT (-14%) que sous MP, probablement à cause de la présence plus importante d’adventices sous NT. Pour le soja, il y avait beaucoup plus de racines dans la couche 0-10 cm sous NT (44% de longueur total) que sous MP (21%) et inversement dans la couche 10-20 cm. Ces différences de distribution des racines sous NT et MP correspondaient à la stratification de N, P, et K. Ce jeu de données sur la distribution des racines et du phosphore a été utilisé pour i) évaluer un modèle 1D décrivant la dynamique du P dans la couche labourée du sol sur plusieurs décennies, ii) proposer un mode d’estimation de la distribution du prélèvement dans le profil de sol, et iii) développer un modèle spatialisé 2D décrivant la dynamique du P pour le traitement sans labour. Ce modèle permet de simuler l’évolution de la disponibilité en P du sol sur le long terme quelque soient les modes de préparation du sol et le régime de fertilisation P. Même si le modèle surestime parfois la disponibilité en P à proximité de la zone fertilisée, il permet de prédire la stratification du P du sol en NT et ses conséquences sur le prélèvement de P en relation avec les propriétés du sol et le développement du système racinaire. Il contribue à améliorer le raisonnement de la fertilisation phosphatée dans le contexte du sans-labour. Mots clés : labour, sans-labour, semis direct, agriculture de conservation, fertilisation phosphatée, agrosystèmes, stocks et flux, interception racinaire, sol, fertilité, bilan.
The no-till (NT) is gaining great attention for soil preparation. This practice modifies number of soil properties such as the distribution of phosphorus (P) in the soil profile. This work aims to analyze the impacts on the biogeochemical P cycle after decades of NT and to incorporate those effects in an operational model. We used a long-term field experiment under corn-soybean rotation established on a clay loam soil (L’Acadie, Quebec, Canada). The design was a split-plot plan with 4 blocks under moldboard plough (MP) and NT as main plots, subdivided by 3 doses of P [0 (0P), 17.5 (0.5P), 35 (1P) kg P ha⁻¹] applied in corn phase and localized to 5-cm deep and 5-cm from the corn row, as sub-plots. The phosphate ion concentration under MP was relatively constant (0.08 mg P L⁻¹) in the tilled layer (0-20 cm), slightly lower in 20-30 cm (0.05 mg P L⁻¹) and much lower below (0.01 mg P L⁻¹). In [NT, 0.5P] and [NT, 1P] plots, Cp was higher (0.28 et 0.19 mg P L⁻¹) in the 0-10 cm layer compared to the tilled layer in MP, but decreased sharply with depth. This vertical stratification in NT was also observed for P-Olsen, P-M3 and other nutrients as C, N, and K. After 23- and 24-year of experimentation, maize roots tended to be fewer (-14%) under NT than MP, probably because of increased weed infestation under NT. For soybean, more roots accumulated in the 0-10 cm layer under NT (44% of total length) than MP (21%) and vice versa for the 10-20 cm layer. Those differences in root distribution under NT and MP corresponded to the stratification of N, P, and K. This data set on the distribution of roots and phosphorus was used i) to develop a 1D model describing P dynamics over several decades in MP, ii) to test a method to assess the spatial P uptake distribution according local root length density and soil P availability, and iii) to develop a spatial 2D model describing P dynamic in NT. This model simulates the soil P availability dynamic on long term according soil properties and crop root distribution within the soil profile for different soil preparation regimes and P fertilization rates. Although the model overestimates the P availability near the localized P fertilizer, it can predict soil P stratification in the NT treatment and its consequences on crop P uptake. This new model will be a useful tool to improve P fertilization management in context of no-till practices. Keywords: tillage, no-till, direct drilling, conservation agriculture, phosphate fertilizer, agro-systems, stocks and flows, root interception, soil fertility, P budget.
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thèse de doctorat