UNIVERSITÉ MOHAMMED V
FACULTÉ DES SCIENCES
Rabat
Faculté des Sciences, 4 Avenue Ibn Battouta B.P. 1014 RP, Rabat – Maroc Tel +212 (0) 37 77 18 34/35/38, Fax : +212 (0) 37 77 42 61, http://www.fsr.ac.ma
N° d’ordre 2749
THÈSE DE DOCTORAT
Présentée par
MAROUANE Bouchra
Discipline : Chimie
Spécialité : Chimie de l’Environnement
Transfert des nitrates et des pesticides dans les sols de la région du
Gharb- Etude à l’échelle de la parcelle
Soutenue le 22/12/2014
Devant le jury composé de:
Président :
M. DAHCHOUR Abdelmalek, PES,Institut Agronomique et Vétérinaire Hassan II, Rabat
Examinateurs :
M. EL AZZOUZI Mohamed PES, Faculté des Sciences de Rabat
M. HASNAOUI Mustapha PES, Faculté des Sciences et Techniques de Beni Mellal Mme MOUNTACER Hafida PES, Faculté des Sciences et Techniques de Settat
M. SATRALLAH Ahmed PES, Institut Agronomique et Vétérinaire Hassan II, Rabat Mme DOUSSET Sylvie PES, Université de Lorraine, Nancy
Avant-Propos
Ce travail a été réalisé au laboratoire de Spectroscopie, Modélisation Moléculaire, Matériaux et Environnement (LS3ME), Equipe Physico-chimie des Matériaux et Environnement EPCME, Université Mohammed V, Faculté des Sciences de Rabat sous la direction conjointe des Professeurs Souad EL HAJJAJI, Abdelmalek DAHCHOUR (IAV Hassan II) et Sylvie DOUSSET (LIEC, Nancy). Cette thèse a été réalisée dans le cadre du projet PRAD n°10-03 entre l’Unité de Chimie de l’Institut Agronomique et Vétérinaire Hassan II, Rabat et le Laboratoire Interdisciplinaire des Ecosystèmes Continentaux (LIEC), Université de Lorraine, Nancy en collaboration avec le Laboratoire de Spectroscopie, Modélisation Moléculaire, Matériaux et Environnement (LS3ME) de la Faculté des Sciences de Rabat avec un financement de la bourse d’Excellence du Centre National des Recherches Scientifiques et Techniques (CNRST, Maroc). Je tiens à remercier Professeur Souad EL HAJJAJI, responsable de l’équipe Physico-Chimie des Matériaux et Environnement et directrice de thèse, qui m’a activement encadré depuis mon Master. Je lui suis particulièrement reconnaissante pour sa disponibilité permanente, ses encouragements, ses conseils pertinents et constructifs au cours de ces années. Je la remercie pour la confiance et la sympathie qu’elle m’a toujours témoignées.
Mes remerciements vont également au Professeur Abdelmalek DAHCHOUR, chef de département des Sciences Fondamentales et Appliquées de l’APESA, pour l’accueil qu’il m’a réservé, pour son encadrement, sa confiance, et l’aide qu’il a su m’apporter tout au long de ce travail. Ses qualités humaines, sa constante bonne humeur et son optimisme ont rendu ces années agréables, même dans les moments les plus incertains. Je tiens également à le remercier pour le grand honneur de vouloir présider le jury de cette thèse.
Je tiens à remercier sincèrement Professeur Sylvie DOUSSET, responsable du département des Géosciences à l’Université de Lorraine et mon encadrante au Laboratoire Interdisciplinaire des Ecosystèmes Continentaux (LIEC), de m’avoir accordé son soutien inconditionnel, ses conseils et ses discussions toujours fructueuses qui ont contribué au bon déroulement de ce travail.
Je ne saurai jamais assez remercier Monsieur Mohamed EL AZZOUZI, Professeur à la faculté des Sciences de Rabat pour avoir accepté d’être rapporteur de ce travail.
Je remercie sincèrement Monsieur Mustapha HASNAOUI, Professeur à la faculté des Sciences et Techniques de Beni Mellal qui a accepté d’évaluer ce travail de thèse en tant que rapporteur.
J’adresse un remerciement particulier à Monsieur Ahmed SATRALLAH, Professeur à l’Institut Agronomique et Vétérinaires Hassan II, Rabat d’avoir accepté de faire partie du Jury et d’examiner ce travail.
J’adresse mes plus vifs remerciements à Madame Hafida MOUNTACER, Professeur à la Faculté des Sciences et Technique de Settat qui a accepté de se joindre au jury comme examinateur.
Je tiens à remercier vivement le Professeur Oum Kaltoum Kabbaj de m’avoir accueillie au sein du laboratoire de Spectroscopie, Modélisation Moléculaire, Matériaux et Environnement (LS3ME). Mes sincères remerciements à Madame Géraldine KITZINGER pour les analyses des nitrates et à Monsieur David BILLET pour les analyses des pesticides. Mes remerciements vont aussi à tous les membres de LIEC pour leur sympathie et la bonne ambiance partagée durant mes différentes visites.
Je remercie chaleureusement le Professeur Mourad EL BELKACEMI de la faculté des Sciences de Rabat et Monsieur Adbelaziz AMMADI de Météo Maroc pour les données météorologiques. Je remercie aussi Monsieur Abdellatif FILALI du Ministère de l’Energie, des Mines, de l’Eau et de l’Environnement pour la carte piézométrique, Madame Fatima Zohra Cherkaoui et Monsieur Mohamed EL GHACHOUI de l’ORMVAG pour leur support technique, ainsi que les agriculteurs pour leur précieuse collaboration.
Je tiens à associer à ces remerciements toutes les personnes qui m’ont soutenue et aidée durant les années consacrées à la réalisation de ce travail.
Pour finir, je dédie cette thèse à ma famille, particulièrement mes chers parents sans qui tout cela n’aurait pas été possible. Je vous remercie très affectueusement pour m’avoir toujours soutenue et encouragée dans mes choix et épaulée dans les moments difficiles, que Allah vous protège, et à ma sœur Ghizlane et mon frère Mohamed pour leur encouragement et leur soutien.
Résumé
La plaine du Gharb est la plus large des zones agricoles irriguées au nord-ouest du Maroc. L’usage excessif des fertilisants et du fumier présente un vrai risque pour la détérioration de la qualité de la nappe phréatique, particulièrement en présence d’un sol limoneux-sableux. Cependant, peu d’études ont été réalisées sur la contamination de la nappe phréatique par les pesticides au Maroc. L’objectif principal de ce travail est d’évaluer le taux des nitrates et des pesticides dans le sol et la nappe phréatique de la zone de Mnasra (Gharb). Un total de 108 échantillons d’eau et 68 échantillons du sol ont été prélevés dans 10 sites de Mai 2010 à Septembre 2012. Des enquêtes auprès des agriculteurs ont été réalisées pour recenser les produits agrochimiques et les pratiques utilisés. Les nitrates ont été analysés par la chromatographie ionique, alors que les pesticides ont été extraits du sol par ASE, de l’eau par SPE et par la suite analysés par HPLC.
Les résultats obtenus montrent que 89,8 % des échantillons d’eau dépassent la norme internationale de la concentration des nitrates (50 mg/L). Ces résultats peuvent être expliqués par la nature sableuse du sol dans la zone d’étude, l’utilisation fréquente des fertilisants et la proximité du niveau de l’eau à la surface du sol. Concernant les pesticides analysés (bénalaxyl, chlorpyrifos, cyperméthrine, méthomyl et pénconazole), aucune des molécules étudiées n’a été détectée dans l’eau ou le sol analysé. Ce résultat peut être expliqué par la faible utilisation de ces produits ou bien par la transformation partielle ou totale de ces molécules.
La forte utilisation du fumier et des fertilisants chimique doit être réduite par des systèmes de fertigation adaptés. Pour les pesticides, des études complémentaires sur la surveillance des traces et des métabolites des pesticides dans les échantillons de l’eau et du sol sont nécessaires avec la programmation d’enquêtes régulières.
Abstract
Gharb plain is the largest agriculture irrigated zone in northwest Morocco and is well-known for its intensive agricultural activities. The excessive use of fertilisers and manure presents a huge risk to groundwater quality, especially for sandy-loam soils similar to those of the area. Nevertheless, few studies have dealt with the level of pesticides in groundwater in Morocco.
The objective of this study is to evaluate nitrates and pesticides occurrence in the soil and groundwater in the Mnasra area (Gharb). A set of 108 water and 68 soil samples were collected from 10 selected sites located in the area during agricultural seasons starting from May 2010 to September 2012. Many surveys have been done near farmers in order to inventory the agrochemical products used. Nitrate concentrations in water samples have been analysed by ionic chromatography. Pesticides have been extracted from soil by Accelerated Solvent Extraction (ASE) and from water by Solid phase extraction (SPE). The residues have been analysed by High Performance Liquid Chromatography (HPLC).
Our results reveal that 89.8 % of water samples exceeded the standard limit of nitrate concentration (50 mg/L). These results could be explained by the prevailing sandy nature of the soil in the area, the frequency of fertiliser usage and the closeness of the water table. Five pesticides (benalaxyl, chlorpyrifos, cypermethrin, methomyl and penconazol) were studied. The result shows that no molecules were detected in the analysed soil and water. This situation could be explained by the low use of these compounds in the area and probable partial or total transformation of the molecules.
The strong use of chemical fertilisers and manure should be reduced by adapting fertigation system, balanced manure and watering guidelines. For pesticides, further researches considering the conditioning of samples, and monitoring traces and metabolites of pesticides in water and soil samples are needed. In addition, making regular surveys of pesticide use and publishing annual summaries should be encouraged.
صخلم
ةطشنلأا ةيعارزلا ةفثكملا ديزت نﻣ رطاخملا ةلمتحملا ثولتل ةبرتلا هايملاو ،ةيفوجلا لاضف نع راثلآا ةيبلسلا ناسنلإا ةحص ىلع ةئيبلاو . ربتعي ردصملا يسيئرلا اذھل ثولتلا وھ تارتنلا تاديبملاو ةجتانلا نع مادختسلاا رشابملا وأ نع قيرط ماظن ةعارزلا فثكملا . ربتعي لھس برغلا نﻣ طانملا ربكأ ق ةيعارزلا ةيوقسلا يف لامش برغ برغملا . ريغ نأ طارفلإا يف مادختسا ةدمسلأا ةيواميكلا و ةيوضعلا لثمي ارطخ ايقيقح يدؤي ىلإ روھدت ةيعون هايملا ،ةيفوجلا ةصاخ عﻣ دوجو ةبرت ةيلﻣر ةلثامﻣ ةقطنمل ةساردلا . فدھلا يسيئرلا نﻣ اذھ لمعلا وھ مييقت ىوتسﻣ تارتنلا تاديبملاو يف ةبرتلا هايملاو ةيفوجلا يف ةقطنﻣ ةرصانملا ) برغلا ( ، يھو ةقطنﻣ ةفورعﻣ ةعارزلاب فثكملا ة . للاخ ةدﻣ ةساردلا نﻣ ياﻣ 2010 ىلإ ربنتش 2012 تعمج 108 ةنيع ءاﻣ و 68 ةنيع نﻣ بارتلا ةعزوﻣ ىلع 10 عقاوﻣ . ،تاديبملا زيكرت ديدحتل ةبسنلا اﻣأ ،هايملا تانيع يف تارتنلا زيكرت ديدحتل ةينويلأا ةيفارغوتاﻣوركلا ةينقتلا مادختسإ مت .HPLC ةينقتب اھليلحت مثSPE ةينقت مادختساب هايملا نﻣوASEةينقت ةطساوب ةبرتلا نﻣ اھصلاختسا ةيادبلا يف مت دقف نﻣ تانيع هايملا زواجتت زيكرتلا يرايعملا تارتنلل ) 50 مغلﻣ / رتل ( 89,7 % نأجئاتنلاتنيب هذھ جئاتنلا نكمي اھحرش ةنميھب ةبرتلا ةيلﻣرلا يف ةقطنﻣ و،ةساردلا ةرثك مادختسا ةدمسلأا ةفاﺿلإاب ىلإ برق ىوتسﻣ هايملا نﻣ حطس ضرلأا . لك هذھ لﻣاوعلا مھاست يف حشر تارتنلا نﻣ لوقحلا ةيعارزلا ىلإ هايملا ةيفوجلا . ةبسنلاب تاديبملل مل متي دصر يأ نﻣ تائيزجلا ةعﺿاخلا ةساردلل ءاوس يف تلايلحت ةبرتلا وأ ءاملا ثيح نأ زيكارتلا تناك لقأ نﻣ دحلا يمكلا يف عيمج تانيعلا . هذھ ةجيتنلا نكمي اھريسفت ةلقب مادختسا تاديبملا وأ لوحتلا يئزجلا وأ يلكلا تائيزجلل . ثولت هايملا ةيفوجلا تارتنلاب نكمي نأ نوكي نﻣ تافلآا ةيئيبلا ةريطخلا يف ةھج برغلا . اذھل نإف برست تارتنلا ىلإ هايملا ةيفوجلا بجي نأ بذجي ديزملا نﻣ مامتھلاا ارظن ةلوھسل اھلقنت يف ةبرتلا ةفيعضلا لثﻣ ةبرت ةقطنﻣ ةرصانملا امك يغبني ضفخ مادختسلاا يوقلا ةدمسلأل ةيواميكلا و ةيوضعلا ينبتو ةمظنأ ةبسانﻣ ديمستلل . ةبسنلاب ،تاديبملل كانھ ةجاح ةساﻣ ىلإ ديزملا نﻣ تاساردلا دصرل راثآ تاديبملا اھتابلقتسﻣو يف تانيع هايملا ةبرتلاو . ةفاﺿلإاب ىلإ ةلودج تايلمع حسملا يناديملا مادختسلا تاديبملا و عيجشت رشن ريراقتلا ةيونسلا . HPLC, SPE, ASE, برغلالھس،ثولتلا،ةبرتلا،ةيفوجلاهايملا،تاديبملا،تارتنلا:تاملكلاحيتافمListe des figures
Figure I-1 : Cycle de l’azote (Neitsch et al., 2000)Figure I-2 : Consommation et production mondiale des fertilisants en 2010 (IFA, 2013) Figure I-3 : Consommation globale des engrais par récoltes en 2007/2008 (IFA, 2013). Figure I-4 : Distribution des engrais à l’échelle nationale par région (FAO, 2006)
Figure I-5 : Répartition de la consommation des engrais par groupe de cultures au Maroc Figure I-6 : Différents processus de dissipation des pesticides dans l’environnement Figure II.1 : Schéma de l’aménagement hydraulique du bassin du Sebou
Figure II.2 : Coupe géologique NW-SE de la zone côtière du Gharb (Mnasra) (d’après Combe, 1975).
Figure II.3 : Partition des sols dans la région du Gharb
Figure II-4 : Cumul annuel de précipitation et de température à Mnasra (1982-2012) Figure II.5 : Participation du Gharb dans la production nationale agricole
Figure II.6: Répartition de la région de Mnasra en 4 zones selon la teneur en nitrates de l’eau pendant la période 1993-2003 par l’ORMVAG
Figure II.7 : Localisation de la région du Gharb et les puits d’étude Figure II-8 : Schéma de système d’extraction en phase solide (SPE)
Figure II-9 : Dispositif de l’extraction des pesticides dans les échantillons de l’eau (SPE) Figure II-10: Schéma de système d’extraction en solvant chaud (ASE)
Figure II-11 : Dispositif de l’extraction des pesticides dans les échantillons du sol (ASE) Figure II-12 : Répartition des 10 puits étudiés dans la zone côtière de Mnasra
Figure II-13 : Site 1 localisé au milieu d’une décharge à Mnasra
Figure II-14 : Précipitations et températures mensuelles durant la période d’étude (2010-2012) et précipitations de 29 dernières années (1980-2009) issues des données météorologiques – Météo Maroc
Figure II-15: Concentration moyenne de nitrate analysée de 3 ans dans les eaux de différents puits en corrélation avec les quantités des engrais appliqués durant la période 2010-2012
Figure II-16 : Concentrations moyenne des nitrates (mg/L) dans les eaux de puits en corrélation avec la moyenne de précipitation pour l’année 2011 (a) et l’année 2012 (b).
Figure II-17 : Moyenne et écart-type de concentration de nitrate analysée dans les différents puits Durant la période 2010-2012 en corrélation avec la profondeur des puits
Figure II-18 : Courbe d’étalonnage bénalaxyl, chlorpyrifos, cyperméthrine, méthomyl et pénconazole (gamme de concentration de 0 à 10 mg/L)
Figure II-19 : Chromatogrammes obtenus de méthomyl (1), pénconazole (3), bénalaxyl (4), cadusafos (5), chlorpyrifos (6) et cyperméthrine (7) après injection de 5 µ L du mélange des 5 molécules (2 µg/L chacune) à 210 nm.
Figure III-1 : Système d’irradiation (a) équipé d’une lampe HPK Philips 125 W. Figure III-2 : Raies d’émission de la lampe HPK Philips 125 W
Figure III-3 : Tracé du logarithme Ln(C/C0) en fonction du temps de l’hydrolyse du chlorpyrifos
à pH 6 et pH 8
Figure III-4 : Tracé du logarithme Ln(C/C0) en fonction du temps de l’hydrolyse du chlorpyrifos
à 22 °C et 40 °C.
Figure III-5 : Tracé du logarithme Ln(C/C0) en fonction du temps de la photolyse du chlorpyrifos
sous rayonnement solaire dans différentes solutions aqueuses à 0,01M (a) et à 0,1M (b).
Figure III-6 : Tracé du logarithme Ln(C/C0) en fonction du temps de la photolyse du chlorpyrifos
Liste des tableaux
Tableau II-1 : Culture, production et quantité d’engrais utilisée dans la région du Gharb Tableau II-2 : Calendrier du prélèvement des échantillons
Tableau II-3 : Caractéristiques physico-chimiques des pesticides répertoriés en 2010 dans la zone d’étude
Tableau II-4 : Les méthodes d’extraction des pesticides de notre étude dans l’eau par SPE
Tableau II-5 : Les méthodes d’extraction des pesticides de notre étude dans le sol par ASE ou LLE
Tableau II-6 : Echantillons analysés au laboratoire de la Drôme Tableau II-7 : Caractéristiques principales des puits étudiés
Tableau II-8 : Données collectées lors des échantillonnages courant 2010 Tableau II-9 : Données collectées lors de l’échantillonnage du 04 février 2011 Tableau II-10 : Données collectées lors de l’échantillonnage du 16 mars 2011 Tableau II-11 : Données collectées lors de l’échantillonnage du 22 avril 2011 Tableau II-12 : Données collectées lors de l’échantillonnage de 03 juin 2011 Tableau II-13 : Données collectées lors de l’échantillonnage de 05 juillet 2011 Tableau II-14 : Données collectées lors de l’échantillonnage de 02 mars 2012 Tableau II-15 : Données collectées lors de l’échantillonnage de 06 avril 2012 Tableau II-16 : Données collectées lors de l’échantillonnage de 28 mai 2012 Tableau II-17 : Données collectées lors de l’échantillonnage de 28 septembre 2012
Tableau II-18 : Culture installée et usage des pesticides dans les sites étudiés avec la quantité moyenne appliquée de la matière active (m.a.) pour les années 2010, 2011 et 2012
Tableau II-19 : Caractéristiques principales des exploitations agricoles étudiées dans la zone de Mnasra
Tableau II-20 : Principales caractéristique physico-chimiques des molécules étudiées
Tableau II-21 : Caractéristiques principales des sols prélevés des 10 sites étudiés dans la zone de Mnasra (INRA-ARRAS)
Tableau II-22 : Variation tempo-spatiale de conductance avec moyenne et écart-type en µS/cm Tableau II-23 : Variation tempo-spatiale de pH avec moyenne et écart-type
Tableau II-24 : Temps de rétention de méthomyl, pénconazole, bénalaxyl, cadusafos, chlorpyrifos et cyperméthrine.
Tableau II-25 : Limites de détection et de quantification de bénalaxyl, chlorpyrifos, cyperméthrine, méthomyl et pénconazole.
Tableau II-26 : Comparaison des rendements d’extraction des pesticides par SPE dans l’acétone et le méthanol
Tableau II-27 : Comparaison des rendements d’extraction des pesticides par ASE dans l’acétone + hexane et eau acidifiée + DCM
Tableau III-1 : Produits chimiques utilisés dans cette étude Tableau III-2 : Préparation des solutions tampon de pH
Tableau III-3 : Valeurs de la constante cinétique et du temps de demi-vie de l’hydrolyse du chlorpyrifos à pH 6 et pH 8
Tableau III-4 : Valeurs de la constante cinétique et du temps de demi-vie de l’hydrolyse du chlorpyrifos à 22°C et 40°C
Tableau III-5 : Valeurs de la constante cinétique et du temps de demi-vie de la photolyse du chlorpyrifos dans les différentes solutions aqueuses sous rayonnement solaire.
Tableau III-6 : Valeurs de la constante cinétique et du temps de demi-vie de la photolyse du chlorpyrifos dans les différentes solutions aqueuses sous irradiation UV
Liste des abréviations
ADA : Agence pour le Développement Agricole
ADEME : Agence de l’Environnement et de la maitrise de l’énergie AFO : AfricaFertilizer.org
ASE : Accelerated Solvent Extraction ASS : Afrique Subsaharienne
CEC : Capacité d'Echange Cationique COT : Carbone Organique Total DAD : Diode Array Detector DAP : Phosphate Diammonique
DDT : Dichlorodiphenyltrichloroethane DES : Dose sans effet
DJA : Dose journalière admissible DMF : Dimethylformamide
DMSO : Dimethyl sulfoxide
DPA : Directions Provinciales de l’Agriculture DRA : Direction Régionale de l’Agriculture EI : Electron-impact
E.T : Ecart-type
FAO : Food Agriculture Organization FTD : Flame Thermionic Detector GC : Chromatographie Gaseuse
HPK :Lampe au mercure haute pression
HPLC : Chromatographie liquide haute performance IAV : Institut Agronomique et Vétérinaire Hassan II IFA : International Fertilizer Industry
INRA : Institut National de Recherche Agronomique Kd : Coefficient de partage ou de distribution sol / eau KH : Constante de Henry
KOC : Coefficient d’adsorption normalisé par rapport à la teneur en carbone organique
du sol.
KOW : Coefficient de partage octanol/eau
LD50 : Dose létale
LOARC : Laboratoire Officiel d’Analyses et de Recherches Chimiques LOD : Limite de Détection
LOQ : Limite de Quantification LLE : Liquide Liquide Extraction MAD : Morocain Dirham
MAP : Phosphate Mono-Ammonique
MEKC : Chromatographie Electrocinétique Micellaire Capillaire
MINENV : Ministère délégué auprès du Ministre de l'énergie, des Mines, de l’Eau et de l’Environnement.
MO : Matière Organique MS : Spectroscopie de Masse NF : Norme Française
NPD : Nitrogen Phosphorous Detector OCP : Office Chérifien de Phosphate
OMC : Organisation Mondiale de Commerce OMS : Organisation Mondiale de Santé
ONSSA : Office National de la Sécurité Sanitaire des Produits Alimentaires ORMVAG : Office Régionale de Mise en Valeur Agricole du Gharb
pH : Potentiel Hydrique PIB : Produit Intérieur Brute PTFE : PolyTétraFluoroEthylène P.V : Pression de Vapeur
REPSM : Reversed Electrode Polarity Stacking Mode SAU : Surface Agricole Utile
SPE : Solid Phase Extraction T1/2 : Temps de demi-vie
TCP : 3,5,6-trichloro-2-pyridinol TE : Taux d’Extraction
TVA : Taxe sur la Valeur Ajoutée UF : Unité fertilisante
UNEP :United Nations Environment Programme USGS : United State Geological Survey
UV : Ultra Violet
Table des matières
Introduction générale ... 1
Parie I: Etat de l'art ... 5
1. Données générales sur le secteur agricole au Maroc ... 6
1.1. Contexte générale ... 6
1.2. Plan Maroc Vert ... 6
1.3. Charte de l’environnement ... 7
2. Engrais, produits phytosanitaires et problèmes environnementaux ... 7
2.1. Introduction ... 7
2.2. Engrais ... 8
2.2.1. L’azote ... 8
2.2.2. Le fumier ... 9
2.2.3. Les fertilisants azotés ... 10
2.3. Marché des engrais ... 11
2.3.1. Marché mondial ... 11
2.3.2. Marché national ... 12
2.4. Produits phytosanitaires ... 14
2.4.1. Aperçu général ... 14
2.4.2. Le marché des pesticides ... 15
2.4.2.1. Marché mondial ... 15
2.4.2.2. Marché national ... 15
2.4.3. Notions de base ... 16
2.4.3.1. Aspects éco-toxicologiques ... 16
2.4.3.2. Dose létale (LD50) ... 16
2.4.3.3. Dose sans effet (DSE) ... 16
2.4.3.4. Dose journalière admissible (DJA) ... 16
2.4.3.5. Potentiel de bioaccumulation ... 16
2.4.4. Propriétés physico-chimiques ... 17
2.4.4.1. Solubilité ... 17
2.4.4.2. Coefficient de partage octanol/eau (KOW) ... 17
2.4.4.3. Pression de vapeur ... 17
2.4.4.4. Constante de Henry (KH) ... 17
2.4.4.5. Temps de demi-vie (T1/2) ... 18
2.5. Problèmes environnementaux ... 18
2.5.1. Problématique de nitrate dans les puits ... 18
2.5.2. Devenir des pesticides dans l’environnement ... 20
3. Processus de transfert des polluants dans le sol et vers la nappe phréatique ... 21
3.1. Phénomène de rétention ... 21 3.1.1. L’adsorption ... 22 3.1.2. La rétention biologique ... 22 3.2. Phénomène de transfert ... 22 3.2.1. La volatilisation ... 23 3.2.2. Le lessivage-lixiviation ... 23 3.2.3. Le ruissellement ... 23 3.3. Phénomène de dégradation ... 24 3.3.1. Dégradation biotique ... 24 3.3.1.1. Le métabolisme direct ... 25 3.3.1.2. Le co-métabolisme ... 25 3.3.2. La dégradation abiotique ... 25 3.3.2.1. L’hydrolyse ... 26 3.3.2.2. L’oxydoréduction ... 26 3.3.2.3. La photo-réaction ... 26
4.1. Propriété physico-chimiques des pesticides ... 27
4.1.1. La structure moléculaire ... 27
4.1.2. La solubilité dans l’eau et temps de demi-vie ... 27
4.2. Facteurs pédologiques ... 28
4.2.1. La matière organique (MO) ... 28
4.2.2. Les argiles ... 28
4.2.3. Le pH du sol ... 29
4.3. Facteurs climatiques ... 29
4.3.1. La température ... 29
4.3.2. Les précipitations ... 30
4.4. Temps de contact sol-pesticide ... 30
5. Problème des résidus de pesticides dans les sols et dans les eaux ... 31
6. Diagnostic environnemental général au Maroc ... 32
6.1. La politique environnementale ... 32
6.2. Etat de dégradation de la qualité des eaux ... 32
7. Conclusion ... 33
Partie II : Impact des pratiques agricoles sur la qualité de la nappe phréatique ... 35
Chapitre 1: Site d’étude et diagnostic agricole et environnemental au niveau de la région du Gharb .. 36
1. Localisation et caractéristiques de la région du Gharb ... 36
1.1. Situation générale ... 36 1.2. Géographie ... 37 1.3. Pédologie ... 38 1.3.1. Vertisol (Tirs) ... 38 1.3.2. Fluvisol (Dehs) ... 38 1.3.3. Arénosol (R’mel) ... 38 1.4. Climat ... 39 1.5. Production nationale ... 40 1.6. Elevage ... 41 1.7. Système d’irrigation ... 41
2. Etat environnemental du Gharb ... 42
2.1. Qualité des eaux ... 42
2.2. Inventaire des pesticides à usage agricole ... 42
3. Etude sur terrain: cas de Mnasra ... 43
3.1. Etude préliminaire ... 43
3.2. Choix des sites d’échantillonnage ... 45
3.3. Réalisation des enquêtes sur terrain ... 45
3.3.1. Objectif des enquêtes ... 45
3.2.1. Méthodologie des enquêtes ... 46
3.2.1.1. Elaboration du questionnaire ... 46
3.2.1.2. Collecte des échantillons ... 46
3.3. Sélection des molécules ciblée pour l’étude ... 47
3.4. Analyses des échantillons ... 51
3.4.1. Paramètres physico-chimiques ... 51
3.4.1.1. Le pH ... 51
3.4.1.2. La conductivité ... 51
3.4.1.3. Les nitrates ... 51
3.4.1.4. Analyse du sol ... 52
3.4.2. Extraction des pesticides dans l’eau par SPE ... 54
3.4.2.1. La technique Solid Phase Extraction ... 54
3.4.2.2. Application de la technique sur les échantillons d’eau ... 56
3.4.3. Extraction des pesticides dans le sol par ASE ... 57
3.4.3.1. La technique Accelerated Solvent Extraction (ASE) ... 57
3.4.3.2. Application de la technique aux échantillons du sol ... 58
3.4.4. Analyse des pesticides dans l’eau et le sol ... 59
Chapitre II: Résultats et Discussions. ... 61
1. Introduction ... 61
2. Traitement de base des données collectée lors des enquêtes ... 61
2.1. Caractéristiques des puits retenus ... 61
2.2. Pratiques agricoles dans les sites étudiés ... 63
2.2.1. Fertilisation en engrais et en fumier ... 75
2.2.2. Traitement par les pesticides ... 75
2.3. Conditions météorologiques ... 77
3. Résultats des analyses ... 79
3.1. Analyse du sol ... 79
3.2. Répartition de la conductivité électrique et pH ... 80
3.3. Concentration des nitrates dans les échantillons d’eau ... 81
3.3.1. Changement saisonnier et teneur en nitrates ... 81
3.3.2. Profondeur des puits et teneur en nitrate ... 85
3.3.3. Irrigation et teneur des nitrates dans les puits ... 86
3.3.4. Influence de type du sol et concentration des nitrates ... 87
4. Résultats sur les procédures analytiques appliquées à la détermination des molécules de pesticide 87 4.1. Détermination des temps de rétention ... 87
4.2. Détermination du seuil de détection et de quantification des pesticides ... 88
4.3. Calcul de rendement des extractions ... 89
4.3.1. Calcul de rendement d’extraction pour le SPE ... 89
4.3.2. Calcul de rendement d’extraction pour le ASE ... 90
4.4. Résidus des pesticides dans les échantillons du sol et de l’eau ... 90
5. Conclusion ... 92
Partie III: Etude de la photolyse du chlorpyrifos en milieux aqueux ... 94
Chapitre 1: Matériels et Méthodes ... 95
1. Introduction ... 95
2. Matériels et méthodes ... 96
2.1. Insecticide étudié ... 96
2.2. Produits chimiques utilisés ... 96
2.3. Conditions opératoires ... 97
2.3.1. Effet du pH ... 97
2.3.2. Effet de la température ... 97
2.3.3. Effet des ions minéraux sous irradiations solaire et UV ... 98
2.3.4. Réacteur photochimique ... 98
2.3.5. Spectrophotomètre UV-Vis ... 99
Chapitre 2: Résultats et Discussion ... 100
1. Cinétique de dégradation du chlorpyrifos à différents pH ... 100
2. Cinétique de dégradation du chlorpyrifos à différentes températures ... 102
3. Effet des ions métalliques sous rayonnement solaire ... 104
4. Effet des ions métalliques sous irradiation UV ... 107
5. Conclusion ... 110
Conclusion générale et perspectives ... 111
Références bibliographiques ... 115
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Aujourd’hui, l’état qualitatif des ressources mondiales en eau est clairement dégradé par les pollutions d’origine agricole (Laftouhi et al., 2003; Koksal et al., 2008; Lowiki, 2012). Les pollutions diffuses qui proviennent du lessivage et de l’érosion de polluants dans les parcelles cultivées et pâturées, constituent un des problèmes épineux qui occupent l’esprit des scientifiques. En effet, les pollutions diffuses sont difficiles à identifier et donc à maîtriser, car elles concernent des espaces importants aux contours imprécis et sont générées par des pratiques variées qui incluent principalement l’utilisation des engrais et des pesticides, et qui interfèrent de façon complexe avec le sol et les aléas météorologiques (Jun et al., 2005; Arias-Estévez et al., 2008; Hansen et al., 2012). Effectivement, certains de ces pesticides et engrais - notamment les nitrates - sont persistants et mobiles, et peuvent menacer les écosystèmes ainsi que la qualité des eaux souterraines. Les pesticides, s’ils ne sont pas utilisés d’une manière rationnelle et correcte, peuvent se retrouver dans les compartiments environnementaux loin de leurs cibles. Ce phénomène est appelé transfert des pesticides dans le milieu naturel. Il peut se produire par volatilisation dans l’atmosphère (Bedos et al., 2009), adsorption par le sol (Worrall et al., 2001), ruissellement par l’eau, infiltration dans les eaux souterraines (Landry et al., 2006) ou encore absorption par les plantes et les bactéries (Ghosh et al., 2009)….Un autre phénomène important qui est mis en jeu est celui de la dégradation, soit biotique par les microorganismes, soit abiotique par les réactions chimiques ou la photodégradation (Burrows et al., 2002; Calvet et al., 2005; Navarro et al., 2007).
Le Maroc est un pays en transition démographique, économique et politique. Les défis auxquels il est confronté sont considérables. L’agriculture y occupe une place importante sur le plan économique, social et environnemental. Une agriculture moderne s'appuie sur la protection des cultures pour assurer une production stable et de qualité tout en minimisant les risques de contamination de l'environnement. A cet effet, le gouvernement marocain a adopté depuis 2008 une nouvelle politique nommée Plan Maroc Vert allant jusqu’à 2020. Ce plan repose sur deux piliers principaux qui sont une agriculture moderne et une agriculture solidaire.
Cette stratégie vise à une augmentation des superficies et des rendements des cultures vivrières, et de celles destinées à l'exportation tout en stimulant l'intérêt vers les produits de terroir et les éléments de valeurs ajoutés susceptibles d'améliorer les rentes des agriculteurs. L'aspect environnemental n'est pas omis dans cette démarche et concerne la protection de
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l'environnement dans sa globalité. Cette complémentarité sera mise à profit pour aller vers une agriculture respectueuse de l’environnement et compatible avec les directives du Plan Maroc vert qui ouvre la porte à la conjugaison des efforts des agronomes et des environnementalistes pour doter cette agriculture du label de performance et de qualité escomptées.
La région du Gharb est une des zones agricoles les plus importantes du Maroc. Elle est caractérisée par des sols à dominance argileuse et sableuse. Le couvert végétal, diversifié, est favorisé par l’apport des eaux d’irrigation et de la proximité de la nappe. Plusieurs cultures intensives y sont appliquées pour leur valeur marchande sur le marché local ou pour l’exportation. Nous pouvons citer les cultures maraîchères, la canne à sucre, le riz, la banane, les céréales… (ORMVAG, 2011). L'intensification de l'agriculture dans cette région s'est accompagnée par l'apparition de plusieurs maladies et la recrudescence de la compétition des mauvaises herbes. L'amélioration des rendements et de la qualité ainsi que la protection des cultures s’explique par l’utilisation des engrais et des pesticides.
A cette fin, les décideurs seraient intéressés par une sorte de cartographie régionale intégrant les éléments intervenant dans la persistance ou facilitant le transfert des nitrates et des pesticides dans la zone étudiée. Ceci contribuerait à assurer une bonne protection de la culture tout en évitant la contamination des eaux. La disposition de données locales aiderait les décideurs à orienter les utilisateurs vers un usage plus raisonné et fiable, visant à préserver l'environnement et la santé du consommateur.
Les objectifs scientifiques de ce travail sont d’évaluer l’état de contamination (ou non) de la nappe phréatique par les nitrates et les pesticides dans la région agricole du Gharb. Il s’agira plus particulièrement : de mettre en place des enquêtes auprès des agriculteurs pour connaître les cultures, les pratiques agricoles et les intrants (engrais et les pesticides) appliqués ainsi que les doses employées; d’effectuer un suivi des teneurs en nitrates et pesticides des eaux souterraines (prélèvement d’eaux dans les puits) et des sols (prélèvement des champs agricoles voisinage des puits étudiés); de proposer les paramètres explicatifs (nature des sols, propriétés des molécules…) à la présence éventuelle de telle ou telle molécule dans les eaux souterraines et de proposer une conduite à suivre pour limiter le lessivage des nitrates et pesticides dans les eaux souterraines de la région du Gharb s’il y’a lieu.
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Ce mémoire de thèse comporte trois parties :
La première est consacrée à l’état de connaissance du secteur agricole et environnemental au Maroc, au rappel des définitions et de notions de base pour les engrais et les pesticides, ainsi qu’à l’ensemble des processus et des facteurs chimiques et biologiques qui interviennent dans leur devenir.
La deuxième partie, portant sur la présentation de la zone de Mnasra, la description des matériels et méthodes utilisés dans le cadre du travail. Ainsi, nous donnerons des éléments d’explications sur le choix des méthodes et des techniques d’extraction et d’analyse mises en œuvre. Ainsi que l’analyse et l’interprétation des résultats obtenus des enquêtes, des analyses de résidus de nitrates et de pesticides dans les échantillons de sol et de l’eau.
Quant à la dernière partie, elle traite d’une part la cinétique de dégradation de chlorpyrifos à différents pH et à différentes températures, et d’autre part, la cinétique de dégradation sous rayonnement solaire naturel et sous irradiation UV, dans différentes solutions aqueuses contenant le calcium, le magnésium, le potassium et le phosphore, similaires à des solutions du sol de la région.
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Partie I
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1. Données générales sur le secteur agricole au Maroc 1.1. Contexte général
L’agriculture a toujours été un secteur stratégique pour le développement socioéconomique du Maroc. Le pays s’étend sur 71 millions d’hectares dont 8,7 millions d’hectares sont des terres agricoles utiles (SAU), exploitées par 1,5 millions d’agriculteurs (Ministère de l’agriculture et de la pêche maritime, 2010). Malgré la forte urbanisation, l’agriculture représente encore 15 % de la richesse nationale produite chaque année. Aujourd’hui, elle contribue à hauteur de 19 % du PIB national, dont 15 % dans l’agriculture et 4 % en agro-industrie, avec une moyenne supérieure à 100 milliards MAD/an. Ce secteur est le principal pourvoyeur d’emplois (46 %). En effet, en milieu rural, près de 78 % de la population active tire son revenu de la branche agricole. La contribution des exportations agricoles marocaines dans les exportations globales se maintient à 10 %. Ces exportations principalement dirigées vers le marché européen. Les principales exportations agricoles en 2012 étaient : légumes (16,7 %), tomates fraîches (16 %), agrumes (14 %), fruits (12,6 %) et conserves de légumes (10 %).
L’agriculture marocaine dispose d’atouts forts par rapport aux autres pays de la rive Sud : une situation géographique à proximité du marché européen avec des moyens logistiques en nette progression, un marché national potentiel et dynamique, une croissance démographique et une augmentation du niveau de vie ainsi qu’une main d’œuvre agricole qualifiée. Cependant, ce secteur se heurte à plusieurs contraintes dont les plus importantes sont : une dépendance aux aléas climatiques, une sous-valorisation et surexploitation des eaux, une faible capacité d’investissement traduite par une faiblesse du tissu de l’agro-industrie. Alors, conscient de ces avantages et de ces difficultés, le Maroc a adapté depuis 2008 une nouvelle stratégie agricole « Plan Maroc Vert » visant à multiplier les débouchés pour les producteurs agricoles en transformant le secteur agroalimentaire en une source stable de croissance, de concurrence et de développement économique plurisectoriel dans les zones rurales.
1.2. Plan Maroc Vert
Le Plan Maroc Vert est un programme global qui s’étend sur 12 ans; allant de 2008 jusqu’à 2020. Ce programme repose d’ailleurs sur deux piliers majeurs : l’agriculture moderne et l’agriculture solidaire. Le premier pilier est basé sur le développement agricole et
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agroalimentaire adapté aux règles du marché avec une forte valeur ajoutée ainsi qu’une forte productivité. Pour ce faire, le programme a opté pour le déclenchement d’une nouvelle vague d’investissements massifs autour de nouveaux acteurs à forte capacité managériale. S’agissant du deuxième pilier, relatif à l’agriculture solidaire, il prévoit un accompagnement de la petite agriculture dans l’objectif de la moderniser pour lutter contre la pauvreté, ainsi que la mise en place d’une stratégie de développement rural intégré et de développement de sources alternatives de revenu (Ministère de l’agriculture et de la pêche maritime, 2008). 1.3. Charte de l’environnement
Le Maroc et, conformément aux lois internationale de l’environnement, a établi une charte relative à la protection et à la mise en valeur de l’environnement. Elle est connue sous la loi n°11-03 promulguée par le dahir n°1-03-59 du 12 mai 2003. La présente loi fixe les objectifs fondamentaux de l’action de l’État en matière de protection de l’environnement et de développement durable. Elle est constituée de 7 chapitres qui incluent 35 articles. Cette loi a le but de renforcer la protection, de préserver les ressources des milieux naturels, de prévenir et de lutter contre les pollutions et les nuisances, d’intégrer le développement durable dans les politiques publiques sectorielles, d’adopter une stratégie nationale de développement durable, d’harmoniser le cadre juridique national avec les conventions internationales. En matière de protection de l’environnement, les mesures établies visent à promouvoir le recours aux modes d’utilisation rationnelle des ressources en eau, à la lutte contre la pollution de ces ressources ainsi que l’actualisation de la législation sur l’eau pour l’adapter aux exigences du développement durable et aux effets conjugués de la désertification et des changements climatiques (Conseil économique et social, 2012).
2. Engrais, produits phytosanitaires et problèmes environnementaux 2.1. Introduction
L’évolution des pratiques agricoles a permis aux populations de bénéficier d’un approvisionnement régulier, diversifié et suffisant en denrées végétales et animales. L’utilisation des fertilisants et des produits phytosanitaires pour améliorer les rendements de la production agricole et limiter la prolifération des parasites est en progression régulière. Cependant, l’usage de ces intrants sans précautions peut avoir des impacts négatifs sur l’environnement et ses différentes composantes, en plus des risques sanitaires (Hansen et al., 2012).
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2.2. Les engrais 2.2.1. L’azote
Le principal réservoir d’azote est l’atmosphère (79 %) sous forme gazeuse (N2). Il est l’objet
d’échanges entre le sol, les hydrosystèmes et la biosphère. Les eaux superficielles et les sols renferment aussi naturellement de l’azote. Celui-ci provient de la fixation de l’azote atmosphérique par certaines bactéries au niveau des nodosités des légumineuses, et par des cyanobactéries (figure I-1, Neitsch et al., 2000). Dans le sol, l’azote est présent sous forme organique. C’est la principale forme de stockage de cet élément dans les sols agricoles. On le trouve surtout dans les couches arables - 0 à 30 cm de profondeur - en quantités variantes de 2 à 10 tonnes d’azote par hectare. L’azote organique résulte de la décomposition et des transformations dans le sol des débris organiques d’origine animale ou végétale (résidus de culture, exsudats racinaires…). L’azote minéral dans le sol est présent sous 3 formes : l’ion ammonium (NH4+), l’ion nitrite (NO2
-) et l’ion nitrate (NO3-). En dehors des périodes
d’apport d’engrais et d’amendements organiques, l’azote minéral dans le sol ne représente généralement qu’une faible fraction (Pont et Neyroud, 1991).
Le cycle d’azote se compose de 5 processus principaux :
La fixation : est le passage de l’azote atmosphérique en azote combiné sous l’action de certains organismes.
L’assimilation : est la transformation de la matière azotée minérale ou organique inerte en matière vivante.
L'ammonification : est la libération d'ammoniac à partir de matières azotées organiques.
La nitrification : est l'oxydation de l'azote ammoniacal en nitrate par l'intermédiaire de bactéries nitrifiantes.
La dénitrification est la réduction des nitrates en azote gazeux par l'intermédiaire de bactéries dénitrifiantes.
Une fois incorporé par les organismes, l’azote devient matière organique. Lors de la décomposition de celle-ci, l’azote est transformé en nitrates (nitrification). La fraction
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minérale, la seule assimilable directement par les plantes, se compose de l’azote ammoniacal (NH+4, NH3), de l’azote nitreux (NO-2) et nitrique (NO-3). Etant très solubles dans l’eau,
l’excédent en nitrates est lessivé par les eaux d’irrigation ou des pluies vers la nappe phréatique (Jun et al., 2005).
Figure I-1 : Cycle de l’azote (Neitsch et al., 2000)
Les processus qui déterminent la disponibilité de l’azote minéral dans le sol sont sous le contrôle de la biomasse microbienne. L’activité de celle-ci dépend fortement des conditions du milieu sol (oxygène, température, humidité du sol…). La prise en compte particulièrement des facteurs température et humidité du sol est primordiale pour estimer les flux d’azote qui résultent de l’activité microbienne. D’autres processus qui conditionnent les pertes par volatilisation ou par lixiviation sont plutôt sous la dépendance de facteurs pédoclimatiques.
2.2.2. Le fumier
Le fumier est également une source de nitrates. C’est un fertilisant organique utilisé en priorité pour couvrir les besoins des plantes en azote, phosphore et potasse. Il améliore la structure, augmente l’activité biologique et contribue à maintenir l’humus du sol. Il est
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composé de parties pailleuses très aérées, de parties déjà décomposées, et d’autres très peu perméables. Il a une structure et une composition très variables qui présentent des comportements différents suivant l’âge, le type d’élevage ou le type de conduite de l’exploitation. Les fumiers de mouton, de porc et de volaille sont riches en azote suivis par celui de bovins, alors que le fumier de cheval est le plus pauvre en azote (USDA, 1992). Le fumier contient de l’azote minéral, principalement sous forme ammoniacale, et de l’azote organique. La forme minérale est disponible immédiatement aux plantes. La forme organique sera minéralisée en azote ammoniacal et en nitrates. Dans le sol, la forme ammoniacale se transforme rapidement par nitrification en nitrates, mieux absorbées par les plantes. Ce processus demande de l’oxygène, et par conséquent, un sol bien aéré et non compact. En l’absence de l’air, les nitrates sont transformés par dénitrification en composés volatils qui se perdent dans l’atmosphère. La capacité du fumier à nourrir les plantes est fortement liée à l’état du sol. Toutefois, si le fumier n’est pas incorporé rapidement après son épandage, la fraction ammoniacale se perd dans l’atmosphère par volatilisation de l’ammoniac (Weill et Duval, 2009).
2.2.3. Les fertilisants azotés
Une autre source importante et majeure des nitrates, est l’apport d’engrais azotés qui fournit des quantités suffisantes d’azote et d’autres éléments nutritifs aux plantes. Les doses d’engrais recommandées dépendent des besoins de la plante, de la nature du sol et des conditions météorologiques locales.
Dans l’industrie des engrais, l’azote de l’atmosphère est fixé chimiquement pour former l’ammoniac en haute température et pression selon la réaction suivante :
2 2 1 2 3 2 4 2 2 O CH HO 2NH CO O N + + + → + +
L’ammoniac est ensuite combiné avec d’autres produits pour donner naissance à d’autres engrais azotés : O N CH Urée carbonique Gaz NH SO ) (NH ammonium d' Sulfate sulfurique Acide NH PO ) (NH ammonium d' Phosphate ue phosphoriq Acide NH ) (NO Ca Calcium de Nitrate CaCO nitrique Acide NH ) NO (NH e Ammonitrat Ammoniac nitrique Acide NH 2 4 3 4 2 4 3 4 3 4 3 2 3 3 3 3 4 3 + + + + + + +
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Apportés au sol, et en présence d’une certaine humidité du sol, les trois principaux engrais azotés subissent les réactions suivantes :
− + → + + → → + + → + → + − + − + OH NH O H (gaz) NH et (gaz) CO (gaz) 2NH NCOONH H O H O N CH : Urée SO 2NH SO ) (NH : ammonium d' Sulphate NO NH NO NH : e Ammonitrat 4 2 3 2 3 4 2 2 2 4 4 4 4 2 4 3 4 2 3 4
L’ammonitrate et le sulfate d’ammonium produisent du nitrate et d’ammonium. Les nitrates sont immédiatement absorbés par les plantes en cas de besoins, sinon ils peuvent être lessivés en profondeur, à cause de leur charge négative qui ne leur permet pas d’être retenus par les colloïdes du sol. Les ions ammonium peuvent être soit absorbés, mais à moindre degré que les nitrates par les plantes, soit transformés en nitrate, soit fixés par les charges négatives des colloïdes du sol. Pour l’urée, à cause de sa nature organique, sa transformation nécessite l’intervention d’une enzyme pour briser la liaison C-O. Celle-ci, est fournie par les microorganismes présents dans le sol. L’azote est d’abord libéré sous forme d’ammoniac (NH3), qui peut soit se volatiliser sous forme de gaz, soit se dissoudre dans l’eau du sol, pour
donner de l’ammonium qui va suivre les mêmes étapes que l’ammonium libéré par le sulfate d’ammonium ou l’ammonitrate (Moughli, 2000).
2.3. Marché des engrais 2.3.1. Marché mondial
Pendant les dernières décennies, les engrais sont devenus un pré-requis et un facteur clé pour l’accroissement de la production agricole, ainsi que le développement de l’agriculture moderne. Les sociétés pétrolières étatiques du Moyen-Orient sont importantes pour le secteur de l’azote, tandis que les producteurs d’Afrique du Nord le sont pour le secteur du phosphate. A l’échelle mondiale, la consommation a atteint 173 millions de tonnes d’unités fertilisantes (UF) pour l’année 2010. Actuellement, l’azote présente 61 % de la consommation des engrais dans le monde, suivi par le phosphate (23 %), et le potassium (16 %) (IFA, 2013). D’après une étude réalisée par le Ministère français de l’alimentation, de l’agriculture et de la pêche en 2010, les pays de l’Europe de l’Ouest et les Etats Unis consomment moins d’engrais que les pays asiatiques. La France est le plus grand consommateur des engrais minéraux. Elle est classée à la 7ème place au niveau mondial avec une consommation de 3,5 millions de tonnes par an, ce qui représente 2 % du marché mondial. La consommation globale des engrais est résumée dans la figure I-2.
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Figure I-2 : Consommation et production mondiale des fertilisants en 2010 (IFA, 2013)
La consommation d’engrais en Afrique Subsaharienne (ASS) était de 1 million de tonnes par an en 2005/2006 jusqu’en 2011. L’utilisation moyenne d’engrais en ASS est de 10 kg/ha, soit un dixième de la moyenne mondiale (environ 100 kg/ha). L’Egypte, l’Afrique du Sud et le Maroc sont les pays leaders en termes de consommation, car ils consomment 3,2 millions de tonnes d’engrais et représentent 69 % de la consommation totale d’engrais d’Afrique en 2005/2006 (AFO, 2012).
La consommation globale des engrais par récoltes à l’échelle mondiale pour l’année 2007/2008 révèle que les céréales reçoivent environ 50 % de la totalité des applications d’engrais comme la montre la figure I-3 (IFA, 2013).
Figure I-3 : Consommation globale des engrais par récoltes en 2007/2008 (IFA, 2013). 2.3.2. Marché national
A l’échelle nationale, depuis juillet 1990, et en vue de mettre en place un marché concurrentiel des engrais, les industriels ont eu la possibilité de s’approvisionner librement tant en engrais locaux qu’en engrais importés, en s’adressant au marché local ou en
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procédant à des importations, puisque le secteur bénéficie d’exonérations de taxes douanières. Le Maroc est le premier exportateur et troisième producteur après les Etas Unis et la Chine à l'échelle mondiale de phosphates bruts, et deuxième exportateur mondial d'engrais solides (OMC, 2009; USGS, 2013). La production nationale d’engrais concerne les engrais complexes et phosphatés produits par le groupe OCP (phosphate diammonique DAP et phosphate mono-ammonique MAP), les engrais ternaires complexes granulés et les sulfo-phosphates d’ammonium. L’analyse du réseau de commercialisation des engrais fait ressortir que la distribution est concentrée principalement dans les régions de Chaouia, Doukkala, le Gharb- Zaërs suivis du Saïs, du Rif et du Prérif (figure I-4).
Figure I-4 : Distribution des engrais à l’échelle nationale par région (FAO, 2006) L’utilisation des engrais se situe aux environs de 750 000 tonnes, soit l’équivalent de 315 000 tonnes UF, ce qui représente 30 % des besoins réels estimés à 2,5 millions de tonnes soit l’équivalent de 1,2 millions de tonnes UF. 65 % de cette consommation est réalisée au niveau des périmètres irrigués. Les exploitations agricoles utilisant les engrais représentent 51,2 % (FAO, 2006). La répartition de la consommation des engrais selon les cultures est présentée dans la figure I-5. (FAO, 2006). L’analyse de la consommation des engrais selon les zones agricoles montre qu’environ 58 % des tonnages sont utilisés au niveau des zones irriguées, contre 42 % en bour (terres agricoles pluviales).
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Figure I-5 : Répartition de la consommation des engrais par groupe de cultures au Maroc La consommation des engrais azotés en 2003, était de l’ordre de 224 722 tonnes et elle constituait 57 % des UF totales consommées. Parmi les engrais azotés utilisés au Maroc, l’ammonitrate 33,5 % d’azote qui représente 27 % de la consommation suivi de l’urée 46 % (17 %). Le Maroc est le 3ème pays consommateur après l’Egypte et l’Afrique du Sud (AFO, 2012), avec une consommation des produits azotés estimée à 51 Kg/ha (Wanzala, 2007). 2.4. Les produits phytosanitaires
2.4.1. Aperçu général
L’utilisation des pesticides est très ancienne et remonte à l’antiquité. Tout d’abord, ils ont été employés sous forme de composés minéraux à base de cuivre, de zinc, de manganèse…. Après la seconde guerre mondiale, le développement de la chimie organique a permis l’apparition des pesticides synthétiques. Le terme « produits phytosanitaires » appelés couramment «pesticides», désigne la substance active et les adjuvants qui facilitent son usage ou son efficacité. Ils ont trois usages principaux : la protection des végétaux et de leurs produits, la lutte contre les vecteurs des maladies, la désinfection des locaux et l’entretien des espaces non agricoles (Calvet et al., 2005). Les produits phytosanitaires sont divisés en plusieurs classes suivant la nature de l’espèce cible. Les classes les plus utilisées sont, les herbicides (contre les mauvaises herbes), les fongicides (contre les champignons phytopathogènes) et les insecticides (contre les insectes nuisibles), s’ajoutent les nématicides (contre les nématodes), les rodonticides (contre les rongeurs) et autres….
En 2009, 100 000 pesticides avec environ 900 matières actives étaient disponibles sur le marché mondial. Ils sont sous une multitude de présentations, de formulations et de marques
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(Tomlin, 2009). La production annuelle mondiale de pesticides en 2008 est estimée à 4,6 millions de tonnes (Zhang et al., 2011).
2.4.2. Le marché des pesticides 2.4.2.1. Le marché mondial
Le marché mondial des pesticides est dominé par le marché américain (42,9 %) dont l’Amérique latine (22,0 %) et l’Amérique du nord (20,9 %), suivi par le marché européen (27,8 %), le marché asiatique (26,3 %), et finalement le marché africain qui ne représente que 3,7 % (Erbach, 2012). En Amérique latine, les conditions tropicales favorisent les ravageurs nécessitant des traitements insecticides (plus de 30 %). En Amérique du Nord, se sont les herbicides qui dominent, très utilisés sur une production dominée par le maïs et le soja. L’Europe se distingue par l'importance des fongicides (près de 37 % des ventes) et la faible consommation des insecticides (13,9 %). Le climat tempéré à continental favorise plutôt les maladies que les ravageurs. Les fongicides sont très employés sur les cultures majeures et intensives que sont les céréales à paille. L'Asie-Océanie est la région où se consomment le plus d'insecticides pour les mêmes raisons climatiques que l'Amérique du Sud et aussi à cause des productions fortes consommatrices comme le riz, le coton, les fruits et les légumes (Gloria, 2012). En Europe, c’est la France qui occupe la première place dans la consommation des pesticides, suivie par l’Allemagne, l’Italie, l’Espagne et le Royaume Unie. En Asie, ce sont la Chine et le Japon qui se tallent la part du lion. En Afrique, l’Afrique du Sud seule consomme 2 % du marché africain (Zhang et al., 2011). Les herbicides présentent la grande part du marché avec 45,5 %, suivi par les insecticides (26,2 %) et les fongicides (26 %) (Erbach, 2012). La répartition des pesticides par culture montre que les fruits et les légumes consomment 30 %, les céréales 18 %, le riz 13 %, le coton 9 %, le soja 6 %, la betterave 3 % et le tournesol 2 % (Erbach, 2012).
2.4.2.2. Le marché national
Au Maroc, 20 000 tonnes de pesticides sont importés annuellement. Il existe près de 60 sociétés agréées et plus de 700 points de distribution et de vente. Les fongicides et les insecticides représentent 75 % du marché, les herbicides 11 %, les nématicides 9 %, les acaricides 3 % en plus de divers à 3 % (ONSSA 2011). Quatre types de cultures consomment 70 % du marché des pesticides : les cultures maraichères (37 %), les agrumes (12 %), les céréales (09 %) et les fruits (09 %). D’autres cultures consomment une part
16
importante des pesticides comme la betterave sucrière (07 %), les pommes de terre (06 %) et la vigne (05 %) (MINENV, 2011). Les produits phytosanitaires à usage agricole et leurs matériels d'application, sont exonérés de la TVA et des droits de douane à l'importation, (loi n°11-03, relative à la protection et à la mise en valeur de l’environnement, promulguée par le dahir n°1-03-59 du 12 mai 2003).
2.4.3. Notions de base
2.4.3.1. Aspects éco-toxicologiques
Plusieurs normes sont établies pour contrôler l’aspect éco-toxicologique ; pour ne pas dépasser les doses recommandées, et par conséquent infecter l’environnement, l’écosystème et la santé humaine. Ces paramètres sont :
2.4.3.2. Dose létale (LD50)
Représente la dose qui entraîne la mort de la moitié du lot d’expérience, elle s’exprime en mg/kg de poids vif.
2.4.3.3. Dose sans effet (DSE)
C'est la quantité de matière active (mg/kg de poids vif), ingérée quotidiennement par un animal de laboratoire sans causer d’effet toxique.
2.4.3.4. Dose journalière admissible (DJA)
C’est une dose 100 parfois 1000 fois plus faible que la DSE. Elle représente la quantité maximale théorique d'agent toxique qui peut être administrée à un individu, sans provoquer d'effet nuisible à sa santé. Elle est habituellement exprimée en mg/kg de poids corporel. 2.4.3.5. Potentiel de bioaccumulation
Ce paramètre permet de mesurer la concentration d'une substance dans un organisme vivant, relativement à sa concentration dans le milieu environnant. Il représente l'apport total venant du milieu environnant et de l'alimentation.
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2.4.4. Propriétés physico-chimiques
Les propriétés physiques et chimiques de chaque substance sont ses principales caractéristiques intrinsèques mesurables, indispensables notamment dans le domaine de l’évaluation des dangers et des risques. Elles permettent ainsi de connaître l’affinité de chaque substance pour un compartiment environnemental donné (eau, air et sol).
2.4.4.1. Solubilité
La solubilité d’une molécule dans l’eau ou dans les solvants organiques traduit son aptitude à se solubiliser (en mg/L). Les valeurs de solubilité des pesticides dépendent de la composition et de la structure chimique des molécules. Comme elles sont très diverses, les valeurs de solubilité le sont aussi.
2.4.4.2. Coefficient de partage octanol/eau (KO W)
C’est une grandeur sans dimension, définie à une température et à un pH donnés. Il est défini par le rapport des concentrations du soluté dans les deux phases octanol et eau à l’équilibre. ) /C (C Log K
Log ow= oct eau
Cette valeur permet d'appréhender le caractère hydrophile ou hydrophobe (lipophile) d'une molécule. Quand le log Kow est positif, le soluté est dit lipophile (hydrophobe), à l’inverse si Kow est négatif, le soluté est dit hydrophile. Le Kow rend compte de la tendance d’un polluant à se solubiliser et s’accumuler dans les membranes des organismes vivants.
2.4.4.3. Pression de vapeur
Elle caractérise l'aptitude d'une substance active à se volatiliser (en Pascal ou mmHg). Les pesticides ayant une pression de vapeur très élevée se volatilisent plus facilement.
2.4.4.4. Constante de Henry (KH)
Elle correspond au coefficient de partage entre la phase vapeur et la phase liquide, en Pa.m3.mol-1. Elle est indicative de la tendance d'un produit à se volatiliser, c'est-à-dire à passer d'un état dissous dans l'eau à l'état gazeux. Plus la constante de Henry est élevée, plus le pesticide aura tendance à se volatiliser.
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2.4.4.5. Temps de demi-vie (T1 / 2)
C’est la période de temps nécessaire pour dégrader la moitié de la quantité de pesticide présente dans le sol. Plusieurs facteurs abiotiques influencent la demi-vie des pesticides dans le sol (populations microbiennes, humidité du sol, température). Les temps de demi-vie varient de 30 jours ou moins pour les pesticides non persistants (ex. malathion), de 31 à 99 jours pour ceux modérément persistants et de plus de 100 jours pour les pesticides persistants (ex. DDT).
2.5. Problèmes environnementaux
Les engrais et les produits phytosanitaires sont des éléments incontournables dans toute activité agricole, néanmoins l’usage intensif et le non respect des doses recommandées peuvent engendrer des impacts négatifs pour l’environnement. C’est le cas de la présence des nitrates et des résidus de pesticides dans les milieux naturels (sols et les eaux). Cette contamination soulève des préoccupations majeures dans l’esprit du public en général, des scientifiques et des décideurs en particulier, puisque l’eau souterraine constitue une source d’eau potable importante pour plusieurs pays (Roche et al., 2005; Arias-Estévez et al., 2008; Darwish et al., 2011). La compréhension de l’origine et des processus de transfert de ces contaminants dans l’écosystème, s’avère un outil pertinent pour mieux protéger les aquifères.
2.5.1. Problématique de nitrate dans les puits
Depuis la mise au point d’engrais azotés de synthèse, l’agriculture moderne occasionne de nombreux problèmes environnementaux : contamination nitrique des eaux, eutrophisation des écosystèmes aquatiques, émission d’ammoniac et aggravation de l’effet de serre (Compton et al., 2011). Parmi ces effets, la contamination nitrique des eaux souterraines s’avère la plus intéressante, vue leur solubilité dans l’eau, ce qui favorise leur transfert vers les écosystèmes aquatiques et vers les nappes. L’organisation mondiale de la santé (OMS) a fixé 50 mg/L comme une norme de concentration maximale en nitrates dans l’eau potable. Par leur nature, les nitrates ne sont pas toxiques pour l’Homme. Le problème provient de leur probable transformation en nitrites par des bactéries présentes dans le tube digestif. Les nourrissons et les petits enfants qui ont un système immunitaire encore immature, et dont l’estomac contient encore des bactéries actives, sont ainsi particulièrement vulnérables à une forme d’anémie (la méthémoglobinémie) causée par la fixation de nitrite sur l’hémoglobine
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au lieu de l’oxygène appelé aussi syndrome du bébé bleu (Sadeq et al., 2008; Curseu et al., 2011). Chez les adultes, les nitrites réagissent avec les matières organiques pour former des nitrosamines dont le caractère cancérigène se présente le plus (Pobel et al., 1995; Gulis et al., 2002; Ward et al., 2011). Au niveau des écosystèmes, lorsque les fortes teneurs en nitrates sont associées à des teneurs élevées en phosphates, ils favorisent le phénomène de l’eutrophisation responsable d’une prolifération anormale d’algues qui conduit à une anoxie du milieu (Smolders et al., 2010; Lowiki, 2012).
La fuite de nitrate vers les eaux souterraines, est appelée lixiviation, elle se produit en période d’excès hydrique lorsque la réserve en eau du sol est saturée. La lixiviation des nitrates est un processus physique naturel, qui peut être augmenté lorsque le cycle de l’azote est perturbé par certaines pratiques agricoles et certains changements d’occupation des terres comme l’absorption d’azote par les plantes et les apports d’engrais azotés (minéraux et organiques). La lixiviation est aussi contrôlée par un processus hydrologique : la percolation de l’eau dans le profil de sol. Cette percolation est un phénomène ponctuel qui a lieu principalement durant les mois de fortes précipitations et de faible évapotranspiration (Jun et al., 2005). En effet, elle est liée aux conditions climatiques et aux systèmes d’irrigation.
Les conditions climatiques : elles incluent la température, les précipitations, l’ensoleillement, l’humidité et la vitesse du vent. Ces paramètres influencent le cycle de l’azote. En addition, les précipitations influencent de façon significative la
percolation de l’eau dans le sol et donc le transport des nitrates dans le sol. Ainsi, De Jong et al. 2008 ont montré que les modifications de climat prévues dans les
prochaines décennies au Canada risqueraient d’augmenter la mobilité des nitrates de 5 à 30 %.
Le système d’irrigation :En cas d’apport excessif d’eau d’irrigation, une partie de cette eau peut percoler dans le sol et ainsi quitter la zone racinaire. Le type d’irrigation a également une importance significative. D’après Burkrat et Kolpin (1993), la fréquence d'apparition des nitrates dans les puits est plus importante en présence d’irrigation (41 %) qu’en son absence (24 %), même si elle est à une distance de 3,2 Km de puits.
Plusieurs études se sont intéressées au phénomène de transfert des nitrates vers la nappe phréatique et ont dénombré, les précipitations, l’épandage excessif des engrais, la nature et
