Objectifs de la thèse

Dans ce contexte, l’objectif général du travail de thèse est de caractériser l’impact des systèmes de culture sur les processus de rétention et d’infiltration de l’eau et de pesticides à l’échelle de parcelles du Bassin Adour Garonne pour apporter des éléments de réponses aux manques de connaissances actuelles. Dans ce travail, un système de culture correspond à l’interaction des pratiques agricoles (travail du sol par exemple, itinéraires techniques), d’un sol et d’un climat. Les pratiques agricoles étudiées sont l’agriculture conventionnelle avec labour et l’agriculture de conservation. Une originalité de ce travail repose sur la mobilisation d’une approche systémique pour évaluer les effets des systèmes de culture dans leur ensemble sur le devenir de l’eau et des pesticides.

L’objectif général de la thèse se décompose en deux sous objectifs reposant chacun sur deux hypothèses :

47

1/ Caractériser et modéliser le fonctionnement hydrique dans deux systèmes de culture contrastés sous deux pédoclimats du BAG

H1 : l’agriculture de conservation améliore la capacité du sol à infiltrer l’eau via la conservation du réseau de pores en l’absence de travail du sol et une meilleure stabilité structurale (accumulation matière organique en lien avec la présence de mulch et la restitution des plantes de services)

H2 : l’agriculture de conservation améliore la capacité du sol à retenir l’eau via une meilleure stabilité structurale et l’accumulation de matière organique

2/ Caractériser et modéliser le transport des pesticides dans deux systèmes de culture contrastés sous deux pédoclimats du BAG

H3 : l’agriculture de conservation favorise la lixiviation des pesticides via des écoulements préférentiels en lien avec une présence accrue de macropores (en lien avec un accroissement de la macrofaune du sol)

H4 : l’agriculture de conservation favorise la rétention et la dégradation des pesticides dans les horizons de surface via l’accumulation de matière organique et une activité microbiologique plus intense (décomposition du mulch)

Afin de répondre à ces deux objectifs, le travail de thèse s’articule autour de 5 parties représentées dans le schéma suivant (Fig. 1.11) et couple une multiplicité d’approches dont :

1/ une analyse d’une base de données des propriétés physiques et hydrodynamiques des sols en agriculture de conservation

2/ des expérimentations au champ et notamment des mesures des propriétés physiques et hydrodynamiques des parcelles couple du projet BAG’AGES

48

4/ des expérimentations en microcosmes d’adsorption et de dégradation de pesticides

5/ une modélisation des processus de transport de l’eau et des pesticides et de leur devenir dans les sols

Pour diverses raisons précisées par la suite, certains travaux n’ont toutefois pas pu être réalisés dans le cadre de cette thèse. Ainsi, la modélisation des transferts d’eau et de pesticides à l’échelle des colonnes et des parcelles agricoles n’a pas pu être réalisée. Le dysfonctionnement des lysimètres mis en place dans les parcelles n’a par ailleurs pas permis de réaliser le suivi des flux d’eau et de pesticides au champ. Bien qu’il ait été réalisé dans le cadre de la thèse, le suivi in-situ des propriétés physiques et hydrodynamiques ne sera pas présenté dans ce manuscrit. Ces données auraient notamment dû être valorisées dans les chapitres relatifs à la modélisation des flux d’eau et de pesticides sur colonne et en plein champ. Néanmoins, bien que ces recherches n’aient pu aboutir, différentes pistes de réflexion et de perspectives sur la modélisation de ces données seront discutées à la fin de ce mémoire.

49

Fig. 1.11 Schéma de la démarche du travail de thèse. Les encadrés oranges entourés par une ligne bleue permettent de

répondre à l’objectif 1 et les encadrés oranges entourés par une ligne verte permettent de répondre à l’objectif 2. Les encadrés pleins correspondent aux parties effectivement réalisées pendant la thèse.

Caractériser et modéliser le

fonctionnement hydrique

Caractériser et modéliser le

transport des pesticides

1- Base de données Agriculture de conservation Propriétés hydrodynamiques RU, θ(h) Prédiction Fonctions de pédotransfert Confrontation des données - Estimation

paramètres 2- Expérimentations in-situ Agriculture conservation vs conventionnelle Propriétés physiques et hydrodynamiques RU, θ(h), K(h), ρb Flux d’eau et de pesticides 3- Expérimentation colonnes Agriculture conservation vs conventionnelle Flux d’eau et de pesticides

4- Expérimentation microcosmes Agriculture conservation vs conventionnelle Dégradation Adsorption Désorption 5- Modélisation Agriculture conservation vs conventionnelle Modèle de transfert d’eau et de pesticides Modèle de dissipation des pesticides Estimation paramètres Confrontation des données - Estimation paramètres

50

Le mémoire est organisé en 5 chapitres que sont :

 Chapitre 2 : Analyse d’une base de données en agriculture de conservation pour évaluer et développer des fonctions de pédotransfert

L’objectif de cette partie est d’évaluer la performance de fonctions de pédotransfert existantes et de nouvelles fonctions de pédotransfert pour prédire la rétention de l’eau des sols en agriculture de conservation. Une base de données acquise dans le cadre du projet CASDAR TTSI (2008-2012) a été utilisée pour ce travail. Elle contient uniquement des données en agriculture de conservation également issues de parcelles se situant sur le BAG.

Les performances ont été évaluées à l’aide de critères statistiques. Une méthode de développement classiquement utilisée pour développer des fonctions de pédotransfert ainsi que deux outils de machine learning ont été utilisés pour développer les modèles.

Ce chapitre est présenté sous la forme d’un article scientifique en anglais ‘Evaluation of soil water retention characteristics in conservation agriculture using published and new pedotransfer functions’ soumis à la revue ‘Soil & Tillage Research’.

 Chapitre 3 : Etude de la lixiviation des pesticides sur colonnes

L’objectif de cette partie est d’étudier l’influence du type de sol, du système agricole et des propriétés des pesticides sur le transfert de l’eau et des trois pesticides (métaldéhyde, le nicosulfuron et la mésotrione) en conditions contrôlées de laboratoire. Ces trois pesticides sont utilisés par les agriculteurs du projet aussi bien en agriculture de conservation qu’en agriculture conventionnelle. Ils ont été appliqués à la dose agronomique.

Une approche de laboratoire avec des expérimentations sur colonnes sous des pluies simulées a été mobilisée. Des conditions proches des conditions de terrain (intensité de pluie et dose agronomique pour les pesticides) ont été appliquées pour mener une expérience la plus réaliste possible.

51

Cette partie est présentée sous la forme d’un article scientifique ‘Water and pesticide transfers in undisturbed soil columns sampled from a luvisol redoxisol and a veracrisol both cultivated under conventional and conservation agriculture’ en anglais soumis à la revue ‘Geoderma’.

 Chapitre 4 : Etude en microcosmes de l’adsorption et de la dégradation du nicosulfuron L’objectif de cette partie est de comparer l’adsorption et la dégradation d’un des pesticides, le nicosulfuron dans des profils de sol prélevés dans les parcelles couples en agriculture de conservation et en agriculture conventionnelle du projet BAGAGES. Les expérimentations 14C étant consommatrices en temps, l’étude sur les deux autres molécules n’a pu être réalisée.

Le devenir du 14C-nicosulfuron a été étudié en conditions contrôlées durant une incubation de 3 mois. Le marquage avec un radio-isotope présente l’avantage particulier d’établir un bilan complet du devenir du pesticide dans le sol par la quantification de fractions (résidus non-extractibles et minéralisation spécifique du pesticide) impossible à quantifier avec un pesticide non marqué. Les coefficients d’adsorption du nicosulfuron sur le sol ont été déterminés avec la molécule non marquée. Une partie des coefficients (horizons de surface 0-10 cm et 10-30 cm) a déjà été présentée dans le chapitre 3 pour aider à l’interprétation des résultats.

Cette partie est présentée sous la forme d’un article scientifique en anglais ‘Adsorption and degradation of the herbicide nicosulfuron in a Stagnic Luvisol and Vermic Umbrisol cultivated under conventional or conservation agriculture’ soumis à la revue ‘Environmental Science and Pollution Research’.

 Chapitre 5 : Modélisation de la dissipation du nicosulfuron

L’objectif de cette partie est de calibrer un modèle de devenir des pesticides dans le sol avec les données expérimentales d’adsorption et de dégradation du nicosulfuron obtenues au chapitre 4.

52

Le modèle a été adapté à partir d’un modèle de devenir des HAP dans le sol publié par Brimo et al. (2016), en utilisant la plateforme de modélisation VSoil (INRA). Cinq paramètres du modèle ont été optimisés avec la procédure d’optimisation DREAM (Vrugt et al., 2008).

 Chapitre 6 : Discussion générale et perspectives

Cette partie fait la synthèse des principaux résultats du travail de thèse. Une discussion sur une partie des travaux qui n’a pas pu être réalisée est également proposée.

53