Fertilisation phosphatée du maïs selon les
conditions pédoclimatiques au Québec
Mémoire
Wilfried Dossou-Yovo
Maitrise en sols et environnement
Maître ès sciences (M. Sc.)
Québec, Canada
Fertilisation phosphatée du maïs selon les
conditions pédoclimatiques au Québec
Mémoire
Wilfried Dossou-Yovo
Sous la direction de :
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RÉSUMÉ
La fertilisation de démarrage du maïs à base de phosphate d’ammonium est une pratique courante au Québec. En effet, on présume que la croissance précoce du maïs conduit à une augmentation de rendement et à une amélioration de la qualité du grain. L’objectif de ce travail de recherche consistait à déterminer l’influence des facteurs climatiques, édaphiques et agronomiques sur le rendement, la qualité du grain de maïs et sur les doses de fertilisants phosphatés au démarrage. Une modélisation multiniveau des essais de fertilisation phosphatés du maïs recueillis au Québec de 1967 à 2009 a permis d’intégrer les facteurs déterminants pour la productivité de la culture du maïs. Les facteurs ayant un impact significatif sur le rendement sont les unités thermiques du maïs (UTM), le pH, les balances [Al | P], [Fv | Al, P] et ([loam gley | sable gley]). L'indice de diversité Shannon (IDS) et la balace [gley laomeux | gley sableux] ont un impact significatif sur le poids spécifique des grains, tandis que les UTM, IDS, le pH et la balance [Al | P] impactent significativement sur et humidité du grain. Il y avait aucune corrélation entre, d’une part, la hauteur du plant au démarrage et, d’autre part, le rendement de maïs grain (R2 = 0,024), l’humidité (R2 = 0,100)
et le poids spécifique (R2 = 0,003) du grain à récolte. Cependant, la discrétisation des
variables-réponse a permis de mettre en lumière certaines tendances : au-delà d’une hauteur au démarrage supérieure ou égale à 80 cm au stade cinq à six feuilles, les probabilités d’obtenir un rendement minimum de 8 Mg ha-1, un poids spécifique du grain minimum de
720 g L-1 et un taux d’humidité maximal de 32% étaient de 0,97, 0,98 et 0,92, respectivement.
Avec une hauteur inférieure à 80 cm, les probabilités d’obtenir un rendement inférieur à 8 Mg ha-1, un poids spécifique du grain inférieur à 720 g L-1 et un taux d’humidité supérieur à
32% étaient de 0,2, 0,22 et 0,5, respectivement.
En général, le maïs ne répondait que faiblement à la fertilisation phosphatée, indiquant que la fertilisation de cette culture, qui exporte 32 kg P ha-1 pour un rendement en grain de 10
Mg ha-1, devrait tenir compte surtout de bilan du P dans l’agroécosystème. Néanmoins, les
fertilisants de démarrage augmentent la probabilité d’obtenir un rendement supérieur à 8 Mg ha-1, un poids spécifique du grain supérieur à 720 g L-1 et un taux d’humidité supérieur à
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TABLE DES MATIERES
RÉSUMÉ ... iii
TABLE DES MATIERES ... iv
Liste des tableaux ... vi
Liste des figures ... vii
Abréviations et définitions ... viii
DÉDICACE ... x
REMERCIEMENTS ... xi
1. Introduction ... 1
2. État des connaissances ... 2
2.1 Production de maïs ... 2
2.2 Travail du sol ... 5
2.3 Propriétés du sol ... 6
2.4 Phosphore et eutrophisation ... 7
2.4 Compaction et dégradation des sols ... 8
2.5 Phosphore et productivité du maïs ... 10
2.7 Densité de semis et dates de plantation du maïs ... 14
2.7.1 Densité de semis et rendement du maïs ... 14
2.7.2 Importance des dates de semis sur la densité de peuplement du maïs ... 15
2.7.3 Humidité et poids spécifique du maïs grain ... 16
2.8 Objectif ... 17
2.9 Hypothèses ... 17
3. MATÉRIELS ET MÉTHODES ... 17
3.1 Source des données... 17
3.2 Analyse compositionnelle ... 18
3.3 Modèle linéaire et modèle de Mitscherlich ... 21
3.4 Modèles multiniveaux ... 22 3.5 Analyse statistique ... 23 4. Résultats ... 24 4.1 Indices climatiques ... 24 4.2 Modèles de réponses ... 25 4.2.1 Rendement du maïs ... 25
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4.2.2 Poids spécifique du maïs-grain ... 27
4.2.3 Humidité du maïs-grain ... 28
5. Discussion... 32
6. Conclusion ... 35
7. Informations complémentaires ... 36
vi
Liste des tableaux
Tableau 1: Concentration en phosphore total correspondant aux niveaux trophiques des plans d’eau
du Canada ... 8
Tableau 2: Recommandation en phosphore selon l’indice de saturation du sol (Khiari, 2010) ... 12
Tableau 3: Pourcentage de rendement optimal du maïs grain selon différentes dates de semis et différentes densités finales de peuplement en millier de plants par hectare ; adapté de Nafziger, (1994). ... 16
Tableau 4: Équations de calcul des indices climatiques ... 18
Tableau 5: Partition binaire séquentielle pour les balances entre les séries de sol ... 20
Tableau 6: Partition binaire séquentielle pour les balances entre la texture et le carbone ... 20
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Liste des figures
Figure 1: Pricipaux producteurs de maïs-grain au monde par tonne métrique ... 3 Figure 2: Production de maïs par province en 2011 ... 4 Figure 3: Évolution du rendement relatif du maïs grain en fonction de la concentration de P dans la solution du sol chez deux catégories de sols de minéralogie différente (Hue et Fox, 2010). ... 11 Figure 4: Carte des unités thermiques maïs (UTM) pour le Québec, à un niveau de probabilité de 80% (8 années sur 10) pour la période 1979-2008 ... 14 Figure 5: Schéma des paramètres de Mitscherlich (Parent et al. 2015) ... 22 Figure 6: Biplot de corrélation présentant l’analyse en composantes principales des indices
climatiques durant les saisons des essais de fertilisation. ... 24 Figure 7: Éffets des variables normalisées climatiques (Climate), de gestion (Management), de chimie des sols (Soil chemistry), de pédologie (Soil pedology) et de texture du sol (Soil texture) sur les paramètres de Mitscherlich (Asym : Asymptote, Env : Environnement, Rate : Taux) liant la dose de phosphore au rendement du maïs (intervalles de confiance au niveau de 95%). ... 25 Figure 8: Courbe de Mitscherlich de trois essais de fertilisation liant le rendement à la dose de phosphore ... 27 Figure 9: Modèle multiniveau décrivant l’influence des facteurs pédoclimatiques, agronomiques et de la fertilisation phosphatée de démarrage sur le poids spécifique du grain de maïs (intervalle de confiance de 95%). ... 28 Figure 10: Modèle multiniveau décrivant l’influence des facteurs pédoclimatiques et de la
fertilisation phosphatée de démarrage sur l’humidité du grain de maïs (intervalle de confiance de 95%). ... 29 Figure 11: Rendement en maïs-grain en fonction de la hauteur du plant au stade de 5 à 6 feuilles. . 31 Figure 12: Poids spécifique du maïs-grain à la récolte en fonction de la hauteur du plant au stade de 5 à 6 feuilles. ... 31 Figure 13: Humidité du maïs-grain à la récolte en fonction de la hauteur du plant au stade de 5 à 6 feuilles. ... 32
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Abréviations et définitions
ACP : analyse en composantes principales
AWDR : indice d'abondance de l'eau (abundant and well-distributed rainfall)
cClim : classe climatique d'après l'indice d'humidité de Thorntwaite avec ETP non ajustée cClimKc : classe climatique d'après l'indice d'humidité de Thorntwaite avec ETP ajustée
pour le coefficient de croissance
DJCm : degrés-jours de croissance selon Moulin et al. DJCb : degrés-jours de croissance en base 5°C
etpBRcum : ETP de Baier-Robertson
etpKcBRcum : ETP de Baier-Robertson corrigée avec le coefficient de croissance
IhBR : indice d'humidité (humidity index de Thorntwaite) d'après ETP de Baier-Robertson IhKcBR : indice d'humidité (humidity index de Thorntwaite) d'après ETP de
Baier-Robertson corrigée avec le coefficient de croissance
Ilr : Isometric Log Ratio (Rapport Logarithmique Isométique) LongSC : longueur de la saison de croissance
nbPcp1 : nombre de jours de précipitations >=1mm nbPcp2 : nombre de jours de précipitations >=2mm nbPcp5 : nombre jours de précipitations >=5mm nbPcp10 : nombre jours de précipitations >=10mm
nb3po3j : nombre d'événements d'au moins 3pouces en 3 jours nb4po7j : nombre d'événements d'au moins 4pouces en 7 jours
ix P : phosphore
PM3 : phosphore disponible pour la plante estimé par la méthode Mehlich 3 pcpCum : précipitations cumulées
pcpIrCum : précipitations cumulées + irrigation R2 : coefficient de détermination
SDI : indice de Shannon (Shannon diverstity index) tMean : température moyenne
UTMc : unités thermiques du maïs
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DÉDICACE
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REMERCIEMENTS
Mes remerciements vont à l’endroit de mon directeur de recherche le docteur Serge-Étienne Parent pour son encadrement exceptionnel en modélisation. Tes conseils, ton soutien et tes encouragements m’ont donné le courage d’aller jusqu’au bout de ce travail.
Je tiens à remercier vivement ma co-directrice docteur Noura Ziadi, chercheure au centre de recherche et de développement sur les sols et les grandes cultures d’Agriculture et Agroalimentaire Canada pour m’avoir accordé cette confiance en acceptant codiriger mes travaux.
Mes profonds remerciements au docteur Léon Etienne Parent de m’avoir fait bénéficier de ses connaissances techniques et scientifiques pour la bonne rédaction du mémoire. Merci également pour le soutien financier qui a été d’une aide importante pour la réalisation de mon projet d’étude.
Je suis très reconnaissant au docteur Antoine Karam directeur de programme en sols et génie agroalimentaire pour son soutien financier, ses conseils et ses encouragements.
J’aimerais remercier tous mes collègues étudiants avec qui j’ai travaillé, tous nos échanges et nos partages d’expériences n’ont pas été sans impact sur la qualité de mon rapport.
Enfin, j’aimerais remercier toute ma famille, mes frères et ma mère pour le soutien, les conseils et toutes les prières à mon égard.
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AVANT-PROPOS
Ce mémoire s’inscrit dans le cadre de ma maîtrise en sols et environnement avec mémoire à l’Université Laval. Ce mémoire est structuré en deux chapitres. Le premier chapitre consiste en une introduction générale et une revue de littérature sur le thème de recherche. Le second présente les résultats des travaux de recherche. Tous mes travaux ont été rédigés en français.
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1. Introduction
Les agroécosystèmes qui sous-tendent la production du maïs (zéa mays L.) varient grandement en fonction des conditions climatiques et de la qualité du sol. Le climat (température et pluviométrie) peut avoir un impact considérable sur le rendement du maïs. À l’aube des changements climatiques, il y a une tendance lourde au réchauffement global et à un nouveau régime de pluviométrie en Amérique du Nord : cela nécessite une adaptation des systèmes de production (Howden et al., 2007). Une étude réalisée par Miedema (1982) sur l’influence des températures froides dans la culture du maïs montrait que les températures inférieures à 5°C pouvaient causer des dommages structurels et des nécroses irréversibles alors que des températures inférieures à 15°C (5 < Température < 15) réduisaient l’activité photosynthétique et la croissance. La température optimale dans le sol pour la croissance racinaire du maïs est environ 24°C (Dickson, 1923). Dumont et al. (2015) ont rapporté que la pluviométrie est l’un des facteurs les moins contrôlés dû à des prévisions météorologiques peu précises. À l’opposé, la fertilisation est une pratique facilement contrôlable.
Le phosphore est un facteur déterminant aux plans agronomique et environnemental. Le phosphore est un élément essentiel au développement des végétaux. « Il est impliqué dans plusieurs processus physiologiques comme les transferts d’énergie, la division cellulaire, la respiration, la photosynthèse et la transformation de l’amidon en sucre » (Khiari, 2010).De plus, le phosphore est essentiel pour assurer la maturation des graines ou des fruits, qui, une fois matures, contiennent la majorité des P dans les plantes (Landry, 2009). Le phosphore est assimilé par les peuplements végétaux et les champignons mycorhiziens sous forme d’ions orthophosphates (surtout H2PO4- et dans les moindre mesure HPO42-) (Khiari, 2010). Negassa
et Leinweber (2009) rapportent également que le cycle du P dans le sol est contrôlé par une combinaison de réactions physiques, chimiques et biologiques et que ces réactions peuvent être affectées par les cultures, les pratiques agricoles et les conditions environnementales.
Les rendements de la culture du maïs dépendent de la qualité du sol, des pratiques culturales, des conditions initiales du sol et de la conduite des systèmes culturaux (Gregorich and Carter, 1997). La compaction et la sur-fertilisation, notamment en combinaison avec des productions animales sous gestion des fumiers, constituent les principaux problèmes de
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dégradation du sol contribuant à l’empreinte environnementale de la production intensive du maïs (Tabi et al., 1990). L’eutrophisation des eaux de surface par les excès de phosphore requiert des plans de gestion des nutriments soumis à des règlements spécifiques à chaque juridiction en Amérique du Nord. Les recherches qui ont mené à la réglementation du Québec ont porté sur la valeur fertilisante des fumiers solides, semi-liquides et liquides (Khiari, 2010) et sur le lessivage des phosphates à travers le système de drainage (Khiari et al., 2000; Pellerin et al., 2006a,b; Parent et Marchand, 2006; Guérin et al., 2007; Leblanc et al., 2013).
Puisque la compaction du sol peut interagir avec le dosage du phosphore en raison de son effet négatif sur le système racinaire donc sur l’exploitation des réserves du sol par les racines (Barber, 1995), le producteur tend à sur-fertiliser en croyant compenser les effets négatifs de la compaction, ce qui exacerbe l’empreinte environnementale de la production de maïs. La gestion du compactage du sol exige une prise de conscience de quand et où le compactage se produit, quand il devient excessif et nuisible, combien de temps il dure et comment cela pourrait affecter la santé des racines (Allmaras et al., 1988). Un modèle qui tient compte des facteurs édaphiques et de gestion permettrait d’assujettir la fertilisation phosphatée du maïs à des actions d’amélioration générale de la qualité du sol plutôt qu’à la sur-fertilisation seule ou à de simples mesures de décompactage mécanique du sol.
L’objectif de cette étude est d’élaborer un modèle de fertilisation phosphatée du maïs grain à l’aide d’une modélisation multiniveau tenant compte du climat (précipitations, température), La nature pédologique (basée sur la reconnaissance de la série) et du mode de gestion des cultures (précédent cultural, cultivar, labour conventionnelle ou semis direct).
Cette étude débutera par l’état des connaissances dans la littérature, puis les matériels et méthodes utilisés pour mes travaux, enfin les résultats, discussion et conclusion.
2. État des connaissances 2.1 Production de maïs
Le maïs (Zea mays L.) est une plante d’origine américaine de la famille des graminées (graminacées). Cultivé sur tous les continents, le maïs est adapté autant à un schéma d’agriculture vivrière comme c’est le cas en Afrique subsaharienne, que d’agriculture
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intensive comme aux États-Unis et au Canada. Hamel et Dorff, (2015) estiment que 885,3 millions de tonnes de maïs grain ont été produites dans le monde en 2011. Les principaux producteurs sont les États-Unis (35,5 % de la production mondiale) et la Chine (21,8 % de la production mondiale) (Hamel et Dorff, 2015).
Figure 1: Principaux producteurs de maïs-grain au monde par tonne métrique Source de données : Hamel et Dorff, (2015)
Au Canada, le maïs est majoritairement utilisé pour l'alimentation animale sous forme de grain ou d’ensilage de la plante entière. Le maïs est un ingrédient important de nombreux aliments notamment tout ce qui contient du sirop de maïs riche en fructose dont les boissons gazeuses comme le coca-cola et le pepsi. Au cours de l’année 2011, les Canadiens ont consommé en moyenne 0,52 kg de farine et semoule de maïs par habitant (Hamel et Dorff , 2015). Le maïs de grande culture est cultivé dans toutes les provinces canadiennes, avec
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environ 96 % de la production provenant de l'Ontario et du Québec: 61,7 % de la superficie ensemencée se situe en Ontario, 30,2 % au Québec et 6,4 % au Manitoba comme le présente la Figure 2 (Hamel and Dorff, 2015) . Au Québec en 2016, les superficies ensemencées étaient de 58 000 ha en maïs fourrager et de 360 000 ha en maïs grain (Institut de la statistique Québec 2016). La place dominante du maïs dans l’Est du Canada mérite qu’une attention particulière soit portée sur les facteurs qui en déterminent la productivité.
Figure 2: Production de maïs par province en 2011
Source : Hamel et Dorff ,(2015)
Chaque agroécosystème a des caractéristiques particulières reliées au climat, à la qualité du sol, ainsi qu’à la gestion des sols et des cultures. Les limites physiques des agroécosystèmes peuvent être définies régionalement mais aussi en termes de sous-parcelles à l’intérieur des champs en unités de gestion à l’aide de cartes pédologiques et de technologies d’agriculture de précision (Inman et al., 2005; Cambouris et al., 2006). Chaque unité de gestion peut être fertilisée de façon spécifique et précise en tenant compte des facteurs qui déterminent la productivité du maïs (Tremblay et al., 2012). Les caractéristiques des unités de gestion peuvent alors être intégrées dans un modèle de réponse du maïs à la fertilisation phosphatée afin d’ajuster la dose de phosphore aux conditions particulières de
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l’agroécosystème. De cette façon, la gestion agro-environnementale parcimonieuse du phosphore peut atteindre la productivité potentielle de l’unité de gestion tout en minimisant les dommages environnementaux.
2.2 Travail du sol
Le travail du sol affect les propriétés physicochimiques et les microorganismes vivant dans le sol. Il peut influencer des facteurs essentiels de production comme la teneur en humidité du sol, le mélange des résidus, la température et l’aération du sol (Kladivko, 2001). Traditionnellement, le travail du sol comprend un labour d’automne et le hersage au printemps jusqu’à l’obtention d’un lit de semence convenable. Le labour est beaucoup plus pratiqué en agriculture conventionnelle et est généralement évité en agriculture de conservation (Khiari, 2010). Les pratiques de conservation sont devenues fréquentes au cours des dernières années, l’objectif étant de réduire l’érosion du sol, de conserver l’eau et d’améliorer la matière organique du sol (Chichester and Richardson, 1992). Chassot et al. (2001) rapportent que le travail réduit est bénéfique pour une culture comme le maïs qui est sensible à la lixiviation des produits agrochimiques et à la perte de sol à cause de la distance entre les rangs de maïs et la croissance initiale lente sous des climats froids et humides. Zhang et al. (2006) ont rapporté que, comparativement au travail conventionnel du sol, le travail réduit du sol dans la culture du maïs a contribué à diminuer les pertes de sédiments et en fertilisants et le transport de P par ruissellement.
Les pratiques de gestion de conservation du sol sont une bonne approche qui pourrait impacter tant sur le plan agroenvironnemental que sur celui de la production. Chassot et al. (2001) ont rapporté que le travail réduit présente quelques désavantages notamment le ralentissement du réchauffement du sol au printemps pour la croissance du maïs précoce. En effet, la plupart des résidus de la culture précédente sont laissés à la surface du sol ce qui induirait une faible conductivité thermique du sol (Chassot et al., 2001). Cannell et Hawes (1994) ont rapporté que la masse volumique apparente de la couche arable des systèmes de labour de conservation était habituellement supérieure à celle des sols labourés. Une masse volumique apparente supérieure est souvent associée à une résistance à la pénétration des racines dans le sol.
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Bien que la réduction de la perturbation du sol puisse limiter l'érosion, les producteurs considèrent encore que le labour constitue une étape essentielle à la préparation du sol, en occurrence dans les sols mal drainés (Cook et Trlica, 2016). Abdi et al. (2014) rapportent que les pratiques de gestion des sols, le travail du sol, et la fertilisation en P affectent la dynamique des fractions de phosphore dans le sol. Dans la même optique, Shi et al. (2015) ont montré que la fertilisation phosphatée en travail réduit du sol avait un effet positif sur les fractions labiles du P et celles du P inorganique du sol et contribuait à l’amélioration de la fertilité du sol à long terme dans les cultures de maïs et de soya. Cook et al. (2016), au terme d’une recherche qui portait sur le labour et les effets de la fertilisation sur les propriétés des sols et le rendement des cultures, ont conclu que le travail réduit du sol permettrait aux agriculteurs de maintenir des rendements élevés tout en réduisant les pertes en éléments nutritifs.
2.3 Propriétés du sol
Les propriétés du sol comme la matière organique et la texture ont des effets considérables sur la biodisponibilité du P dans le sol.
La matière organique est l'une des composantes importantes du sol qui peut influencer le comportement du phosphore et ainsi, sa biodisponibilité pour la plante, en particulier le maïs. « Elle rassemble tout ce qui vit ou a vécu dans les sols, c’est à dire des résidus végétaux et animaux à divers stades de décomposition, la faune et la flore du sol ainsi que les racines » (Laboubée, 2007) qui peuvent être transformées en humus par les microorganismes du sol. Cet humus représente 90% de la matière organique dans la surface cultivée des sols minéraux (Tabi et al., 1990). Sur le plan agronomique, la matière organique intervient dans les apports en éléments fertilisants et en eau et sur la structure des sols (teneurs en argile, limon et sable), le nombre de jours disponibles afin d’effectuer les activités culturales et sur le parasitisme tellurique (Laboubée, 2007). L’humus du sol évolue lentement et sa vitesse de minéralisation dépend du type de sol. « Le coefficient de minéralisation annuel est estimé à 2,5% dans les sols sablonneux, entre 1,5 et 1,2% dans les sols limoneux ou argilo-sableux et à 1,0% dans les sols argileux » (Soltner, 1986). Le coefficient de minéralisation est élevé sous monoculture en raison de l’oxydation de la matière organique liée au travail fréquent du sol, ce qui peut conduire à des niveaux bas d’humus et risque de porter atteinte aux qualités
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physiques, chimiques, et biologiques du sol (Tabi et al., 1990). La matière organique joue un rôle d’importance capitale dans la conservation et l’utilisation des sols.
La texture du sol est l'un des facteurs importants à intégrer dans la gestion de la fertilité des sols. Les propriétés du sol, en particulier la texture, peuvent affecter l’efficacité des fertilisants phosphatés notamment leur disponibilité pour la plante (Zheng et al., 2003). Zheng et al. (2003) rapportent que les transformations biochimiques et les réactions du P dans le sol dépendent de la texture du sol. Les sols sableux sont plus faciles à travailler, se réchauffent facilement au printemps, offrent une bonne aération et un bon drainage, mais ont un risque élevé au lessivage (Hilliard and Reedyk ,2014). Les sols argileux sont généralement fertiles et retiennent bien l'eau et les éléments nutritifs (Hilliard and Reedyk, 2014). Ils sont toutefois, de manière générale, mal aérés, mal drainés et vulnérables à la dénitrification (Scharf et al., 2015). Armstrong et al. (2009) rapportent qu’en climat aride, les rendements des cultures étaient plus élevés en sols argileux qu’en sols sableux.
2.4 Phosphore et eutrophisation
Le P est un élément peu mobile dans le sol principalement lié à la fixation par les sesquioxydes (oxydes et hydroxydes de fer, d’aluminium et de manganèse) en sol acide et par les carbonates de calcium et de magnésium en sol calcaire (Khiari, 2010). La fertilisation en P a un impact sur la dynamique des fractions de P du sol parce que seulement 15-30% du fertilisant phosphaté appliqué est absorbé par les cultures dans l'année d'application (Syers et al., 2008).
L’apport de phosphore en excès par rapport aux besoins des plantes a entraîné un enrichissement significatif des profils de sol en phosphore (Bolinder et al., 2000). Les apports répétitifs en engrais et en fumier sont considérés comme les principales causes de l’augmentation des pertes de P par ruissellement dans les systèmes agricoles (Todd et Bundy, 2003). Les pertes de phosphore dans les agroécosystèmes sont généralement liées à l'eutrophisation des lacs et autres plans d'eau de surface (Zhang et al., 2006). « Cette pollution des eaux de surface est produite par la prolifération de cyanobactéries « algues bleues » et de plantes aquatiques créant des nuisances de trois types : écologiques (vie aquatique), touristiques (activités récréatives) et relative à la santé humaine (remise en cause de la
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potabilité de l’eau) » (Sharpley et al., 1994). En effet le P biodisponible favorise la croissance rapide de la végétation terrestre et également la végétation aquatique comme les cyanobactéries, le phytoplancton et les algues. Les toxines produites par les cyanobactéries peuvent nuire aux espèces aquatiques et à la santé humaine.La présence de plusieurs espèces de poisson peut être réduite ou même éliminée. Le traitement de l'eau potable court un risque en raison du colmatage des filtres, en plus du mauvais goût et des problèmes d'odeur (Van der Molen et al., 1998).
Actuellement au Canada, il n’est pas encore établi une teneur en P total qui permettrait de trancher entre un plan d’eau « sain » et un plan d’eau « contaminé »; le P n’étant pas toxique aux organismes aquatiques, mais constitue plutôt un élément fertilisant qui en limite la croissance (Environnement Canada, 2004). Toutefois, une concentration élevée en P entraîne un développement important de la biomasse aquatique (plantes aquatiques, phytoplancton et zooplancton). La gestion efficiente du phosphore et le contrôle des risques d’eutrophisation des eaux de surfaces concerne les terres cultivées les plus vulnérables aux pertes de phosphore et l’utilisation des pratiques de gestion bénéfiques (Daniel et al., 1994). Tableau 1: Concentration en phosphore total correspondant aux niveaux trophiques des plans d’eau du Canada
État trophique Intervalles d’intervention au Canada P total (µg L-1) Ultra-oligotrophe Oligotrophe Mésotrophe Méso-eutrophe < 4 4-10 10-20 20-35 Eutrophe Hyper-eutrophe 35-100 > 100 Source : Environnement Canada, (2004)
Critère de qualitépour la protection de la vie aquatique dans l’eau de surface du Qc : 30 μg de P total L-1
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La qualité du sol, l'un des piliers de l'environnement est définie par les attributs chimiques, physiques et biologiques dans les 15 premiers cm (Doran et Parkin, 1996; Sharifi et al., 2014) et dans les couches sous-jacentes (Spoor et al., 2003). Parce que l'absorption des éléments nutritifs dépend de processus de diffusion, de convection, de sorption, d'échange, d'immobilisation, de désorption et de minéralisation dans le sol (Barber, 1995) et parce que ces processus sont influencés à leur tour par des conditions environnementales et d'enracinement, la perte de la qualité du sol affecte les besoins en nutriments des cultures. L’optimisation de la gestion des éléments nutritifs et la compréhension des interactions des facteurs impliqués dans la nutrition des plantes sont nécessaires pour maximiser les rendements et améliorer la fertilité des sols. La gestion des éléments nutritifs doit être ajustée aux conditions locales où les interactions se produisent (Inman et al., 2005; Kyveryga et al., 2007).
Facteur central contrôlant la qualité des sols, la matière organique peut agir sur le complexe argilo-humique, la sensibilité des sols à l'érosion et à la compaction et le stockage du carbone dans le sol. La matière organique du sol est composée d’une fraction légère constituée de résidus organiques non décomposés et d’une fraction plus dense, décomposée et humifiée. Selon Tabi et al. (1990), à l’état d’humus, la matière organique est principalement constituée de substances humiques stabilisées par les cations. Les différents constituants de la MOS se dégradent à différents rythmes contribuant à stabiliser ou déstructurer le sol et libérer des éléments nutritifs. Hamza et al. (2005) ont défini le compactage du sol comme le « processus par lequel les grains de sol sont réarrangés pour diminuer l'espace vide et les mettre en contact plus étroit, ce qui augmente la masse volumique apparente et modifie la disposition spatiale, la taille et la forme des mottes et des agrégats et, par conséquent, l’espace poreux à l'intérieur et entre ces unités ». En agriculture intensive, le compactage du sol seul diminuerait en moyenne le rendement du maïs de 15% (Mehuys, 1986) et celui des pommes de terre de 34% (Stalham et al., 2005), d'où des pertes de plusieurs millions de dollars par année au Québec seulement.
L’utilisation de la machinerie, la culture intensive, les rotations de courte durée, le pâturage intensif et la gestion inadéquate des sols conduisent au compactage (Hamza et Anderson, 2005). Selon Allmaras et al. (1988), la compaction peut être causée par le trafic
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des roues, le travail du sol, la pénétration d’instruments, et toute machinerie utilisée pour la pulvérisation des sols et des cultures, la récolte, le transport. Le compactage du sol constitue une problématique qui interpelle les acteurs du domaine car ses effets sont de longue durée et difficiles à corriger (Alakukku et al., 2003). On pourrait l’observer dans plusieurs types de sols et de climats, il est exacerbé par une faible teneur en matière organique, une teneur en eau élevée au moment du passage de la machinerie, le travail intensif du sol et le pâturage. Hamza et al. (2005) rapporte qu’on observe les problèmes de compaction dans tous les pays du monde et ces problèmes affectent 33 millions d'hectares en Europe et environ 30% (4 millions ha) de la ceinture de blé en Australie occidental. La majorité des sols sont compactés par la circulation des véhicules et représente environ 68 millions ha dans le monde.
2.5 Phosphore et productivité du maïs
La concentration optimale requise dans la solution du sol n’est généralement pas constante puisqu’elle dépend notamment du stade phénologique de la plante et des facteurs climatiques. Hue et Fox (2010) ont montré que le potentiel de rendement de maïs grain (rendement relatif de 95-100%) est atteint pour deux types de sols (Andisol et Oxisol) quand la concentration de P de la solution du sol est de l’ordre de 0,05 mg P L-1 (Figure 3).
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Figure 3: Évolution du rendement relatif du maïs grain en fonction de la concentration de P dans la solution du sol chez deux catégories de sols de minéralogie différente (Hue et Fox, 2010).
Au Québec, la grille actuelle de fertilisation en phosphore du maïs est basée sur l’indice de saturation du sol en phosphore (ISP1) qui est le rapport (PMIII/AlMII )*100 comme le présente
le tableau 2. Selon les résultats des essais de fertilisation qui ont été effectués dans plusieurs régions du Québec, on observe une réponse économique à l’application de fertilisant phosphatés pour des teneurs en ISP1 inférieurs à 15,0 % (Khiari, 2010). Cependant, notons
12
Tableau 2: Recommandation en phosphore selon l’indice de saturation du sol (Khiari, 2010)
Analyse
ISP1 (%) Recommandation (kg P2O5/ha)0-2,5 80 2,6-5,0 60 5,1-10,0 40 10,1-15,0 20 15,1-20,0 0-20 20,1 et + 0
Les fertilisants de démarrage les plus couramment utilisés au Québec dans la culture du maïs sont le phosphate mono-ammoniacal (MAP : 11-52-0) et le phosphate bi-ammoniacal (DAP : 18-46-0). L’ammonium est considéré comme un ion accompagnateur car il améliore l’absorption du phosphate par la racine (Marschner, 1986).
Un fertilisant de démarrage dans la production de maïs est recommandé pour les sols à faible teneur en phosphore ou pour des températures froides lors de semis hâtifs. Il a pour but de fournir des éléments nutritifs accessibles jusqu’à ce que les conditions de sol s’améliorent et qu’un système racinaire plus important soit établi (Gagnon et Beaulieu, 2002). Ces fertilisants sont appliqués en petites quantités en bande près de la semence ou dans le sillon de semis, afin de stimuler la croissance de la plante tôt au printemps et possiblement d’améliorer le rendement et la qualité de la récolte (Khiari, 2010). Au Québec, les conditions printanières froides ont favorisé cette pratique particulièrement dans la culture du maïs grain. En effet, alors que la température optimale requise dans le sol pour la croissance racinaire du maïs est environ 24°C (Dickson, 1923), et il est souvent rapporté que des températures froides du sol (soit 10 à 15°C) pourraient diminuer les réserves en éléments nutritifs du maïs, pouvant conduire à une diminution de croissance (Gagnon et Beaulieu, 2002). Chassot et al. (2001) ont rapporté que la combinaison de température froide et de résistance mécanique du sol pouvait être responsable du mauvais début de croissance du maïs dans les systèmes de travail réduit du sol. La température influence également la croissance racinaire et la diffusion du phosphore dans le sol. Bien que les fertilisants de démarrage ne soient pas recommandés sous travail conventionnel et des niveaux moyens à élevés de
13
phosphore dans le sol, ils sont couramment utilisés par les agriculteurs. En effet, on assume qu’un fertilisant de démarrage serait profitable pour le maïs en semis direct dans les régions
nordiques comme au Québec et ce pour la plupart des hybrides (Gagnon et Beaulieu, 2002).
2.6 Unités thermiques du maïs (UTM)
Les UTM sont connues pour décrire les potentialités des régions à la production de maïs et les exigences thermiques des hybrides et cultivars pour atteindre leur maturité (Lepage et al., 2012). Pour atteindre la maturité des cultures, les producteurs optent généralement pour des hybrides exigeant un nombre d’UTM inférieur à celui calculé pour leur région. Les unités thermiques du maïs sont calculées comme suit :
UTM = (Ymax + Ymin)/2 Où
Ymax = 3,33 (Tmax – 10) - 0,084 (Tmax - 10)2 lorsque Tmax≥10 °C.
Ymax = 0 Lorsque Tmax < 10°C ;
Ymin = 1,8 (Tmin – 4,4) Lorsque Tmin ≥ 4,4 °C Ymin = 0 Lorsque Tmin < 4,4 °C
Tmax, Tmin = température maximale et minimale quotidiennes en °C (Lepage et al., 2012). Le cumule des valeurs se situe entre 2000 et 3000 UTM dans les régions de production de maïs grain au Québec, présenté à la Figure 4. Ces unités s’accumulent au rythme moyen de 15 par jour à partir du 15 mai dans la zone de 2500 à 2700 UTM (Lepage et al. 2012). Pour atteindre une bonne qualité de rendement, à chaque retard d’une semaine, on utilise un hybride qui exige 100 UTM de moins que le nombre d’UTM disponibles (Lepage et al. 2012). Dans les régions de 2500 UTM, tout retard de semis peut compromettre la récolte (Lepage et al., 2012).
14
Figure 4: Carte des unités thermiques maïs (UTM) pour le Québec, à un niveau de probabilité de 80% (8 années sur 10) pour la période 1979-2008
Source : Agrométéo Québec (2016)
2.7 Densité de semis et dates de plantation du maïs 2.7.1 Densité de semis et rendement du maïs
La densité de semis par unité de surface est l’une des principales composantes du potentiel de rendement du maïs(Liang et al., 1992). L'augmentation de la densité des plantes a généralement un impact positif sur certains hybrides dû au rayonnement solaire incident intercepté, et par conséquent, sur le taux de croissance de la culture ainsi que sur le rendement final des grains (Begna et al., 1997).
Plusieurs facteurs peuvent influencer la germination et le développement normal des plants de maïs : la texture du sol (lourd vs léger), les conditions climatiques
15
(température, pluviométrie), le système cultural (labour, travail réduit, semis direct), les rotations, les maladies, les insectes, les hybrides, les dates de semis, etc (Tremblay et al., 2014).
Les conditions climatiques sont les facteurs les moins contrôlés et peuvent avoir un impact majeur sur la croissance et le développement des plantes (Tremblay et al., 2014). « Le gel printanier observé au cours de la nuit du 13 au 14 mai 2013, qui avait entraîné une mortalité jusqu’à 5% dans les champs de maïs, ne s’est toutefois pas soldé par des baisses de rendements en fin de saison » (Tremblay et al., 2014). Lors des semis hâtifs où le sol est encore froid, on recommande généralement d’augmenter de 10 % la densité de peuplement finale visée, mais lorsque le sol se réchauffe, il suffit d’augmenter cette densité de 5 % (MAPAQ, 1984). Les revenus en terme de rendement sont liés à la capacité des plants à tolérer les stress et à produire chacun un épi (Dumont 2013). Liang et al (1992) ont prouvé que dans les conditions humides et froides, une augmentation de la densité de semis pourrait augmenter le rendement du maïs. Ainsi, on suppose qu’en augmentant le nombre de plants à l’hectare, on augmente aussi le nombre d’épis à l’hectare (Dumont, 2013).
2.7.2 Importance des dates de semis sur la densité de peuplement du maïs
Plusieurs études ont été menées au cours des dernières années montrant que les dates de semis adéquates pourraient améliorer le rendement du maïs. Tremblay et al. (2014) rapportent que les travaux réalisé par (Nafziger, 1994) en Illinois, présenté au Tableau 3 sont une bonne référence.
16
Tableau 3: Pourcentage de rendement optimal du maïs grain selon différentes dates de semis et différentes densités finales de peuplement en millier de plants par hectare ; adapté de Nafziger, (1994).
Source : Tremblay et al., (2014)
Les dates optimales de semis en Illinois variaient du 20 avril au 5 mai. En adaptant ces résultats aux conditions québécoises, la fenêtre optimale serait plutôt de la fin d’avril à la mi-mai (Tremblay et al., 2014). Quelle que soit la date de semis, les densités optimales variaient de 69 200 à 79 100 plants ha-1 (zone ombragée en jaune
au Tableau 4). Le réseau maïs grain du Québec (RGCQ) utilise actuellement une densité finale visée de 79 100 plants ha-1 dans ses essais réalisés en collaboration avec
l’industrie (Tremblay et al., 2014). 2.7.3 Humidité et poids spécifique du maïs grain
Le poids spécifique du maïs-grain à 14,0-15,5% d’humidité et l’humidité du grain à la récolte sont des indicateurs de la qualité du maïs-grain. Le poids spécifique du maïs grain est mesuré en pesant un volume connu du grain. Selon les spécifications du système de classement canadien, le poids spécifique est exprimé en grammes par 0,5 litre (g/0,5 L) ou en kilogrammes par hectolitre (kg/hL) (Commission Canadienne des grains, 2014).Au Québec les producteurs visent un taux d’humidité variant entre 20 et 28% (Bédard, 2015).
17
Le grain récolté trop sec peut causer des pertes considérables alors que la récolte trop hâtive et trop humide peut être difficile à manutentionner, à sécher et à conserver (Bédard, 2015). Le séchage du maïs-grain peut être coûteux dépendamment de son taux d’humidité à la récolte et du coût de l’énergie (Gagnon, 2010).
2.8 Objectif
L’objectif de cette étude est de modéliser la réponse du maïs à la fertilisation phosphatée selon les conditions pédoclimatiques au Québec par l’utilisation de modèles linéaires mixtes et multiniveaux.
2.9 Hypothèses
Le maïs répond aux fertilisants phosphatés en termes d’effet de démarrage, de rendement, de teneur en eau du grain et du poids spécifique du grain.
La réponse du maïs au P dépend des conditions de sol (analyse P-Mehlich-3, pH, matière organique, texture, profil cultural) et de climat (UTM, précipitations), et suit un modèle de Mitscherlich.
3. MATÉRIELS ET MÉTHODES
3.1 Source des données
Un jeu de données de 576 sites d’essais de fertilisation en phosphore dans le maïs-grain, maïs ensilage et maïs sucré effectués dans toutes les régions du Québec de 1967 à 2009 par des chercheurs du MAPAQ, de l’Université Laval, de l’Université McGill, d’Agriculture et Agroalimentaire Canada, de l’IRDA, du CEROM et de la COOP fédérée. Des informations d’ordre pédologique et climatique ont été ajoutées. Pour chaque site, on indique les classes et groupes texturaux, le pH, le phosphore Mehlich3, l’aluminium Mehlich3, le potassium Mehlich3 et quelques oligoéléments. On disposait des données sur les différentes doses d’essais de fertilisation, les dates de semis, la densité de semis et également la hauteur des plants au stade 5 à 6 feuilles. Le jeu de donnée comportait également quelques indices climatiques comme le présente le Tableau 4. L’indice de Shannon donne la répartition des
18
précipitations au cours de la saison. Les précipitations cumulées sont un cumul de toute la quantité d’eau dont a bénéficié le maïs pendant la saison généralement sous forme de pluies. Les unités thermiques maïs permettent de décrire le potentiel des régions pour la production de maïs. La température moyenne représente la moyenne de température au cours de la période considérée.
Tableau 4: Équations de calcul des indices climatiques
Indices Descriptions Unités Formules
pcpCum Précipitations
cumulées
mm ∑ Rdi !" Où Rd représente la pluviométrie journalière
UTM Unité thermique
maïs
- UTM = (Ymax + Ymin)/2
Tmean Température moyenne °C # $% & !" Où Ti représente la température à un instant T
SDI Indice de Shannon - − ( (pi ln(pi))+,- .,
!"
ln(/) 01 =040567231 3.2 Analyse compositionnelle
Trois composantes du sol ont été étudiées par analyse compositionnelle. La composition nutritive du sol en phosphore et aluminium; une balance entre les grands groupes de sol et
19
une dernière composition constituée de la texture du sol et du carbone (C). Les simplex qui sont formés au sein de chaque composante sont les suivants:
- Balance Phosphore, Aluminium et le complément: S1d=3 = {P, Al, Fv},
- Balance entre les grands groupes de sols (basés sur la série de sol): S2d=3 = {Gley loameux,
Podzol sableux, Gley sableux},
- Balance entre la texture et le carbone : S3d=4 = {C, sable, limon, argile},
où Fv représente la fraction de remplissage (complémentaire) à l’unité de mesure, calculée par différence entre la masse du sol (1000 000 mg kg-1) et la somme de P plus Al en mg kg -1.
L’analyse compositionnelle a été effectuée en utilisant le isometric log ratio (ilr), une transformation logarithmique permettant de ramener nos fractions en coordonnées cartésiennes (Egozcue et al., 2003). L’interprétation des coordonnées dépend des principes de choix des partitions séquentielles (Tableau 5). L’ilr est calculé de la façon suivante (Egozcue et Pawlowsky-Glahn, 2005): Équation 1
189
= :
;< ;= ;<>
;=8/
?(@
;<)
?(@
;=)
,
où dans la ligne i de la partition orthogonale séquentielle, ni+ et ni- sont les nombres respectifs
de composants des groupes (+) et groupes (-). g(ci+) et g(ci-) les moyennes géométriques
respectives de composants des groupes (+) et groupes (-). Les partitions binaires séquentielles sont présentées aux Tableaux 5-6-7.
20
Tableau 5: Partition binaire séquentielle pour les balances entre les séries de sol
Tableau 6: Partition binaire séquentielle pour les balances entre la texture et le carbone
Tableau 7: Partition binaire séquentielle pour les balances entre le phosphore et l’aluminium ilri
P Al Fv ni+ ni- Calcul de l’ilr Contrastes
1 -1 +1 0 1 1
:">""∗" ln(CDB) [Al|P]
2 +1 +1 -1 2 1
:">E"∗E ln(√B∗CDGH ) [Fv|Al.P] ilri Gley.loam Podzol.sable Gley.sable ni
+
ni- Calcul de l’ilr Contrastes
1 -1 +1 -1 1 2
:">E"∗E ln(IJKLM.KOPQLRS∗JKLM.TPUKLRSVOWXOK.TPUKLRS ) [Podzol.sableux|Gley.loameux Gley.sableux]
2 -1 0 +1 1 1
:">""∗" ln(JKLM.KOPQLRSJKLM.TPUKLRS) [Gley.sableux|Gley.loameux]
ilri Carbone Sable Limon Argile ni+ ni- Calcul de l’ilr
Contrastes
1 -1 +1 +1 +1 3 1
:Y>"Y∗" ln(bIZ[\D]∗^ _` ∗Ca? D]c[a\` ] )
[Sable.Limon.Argile| Carbone] 2 0 +1 +1 -1 2 1 :">""∗" ln(√Z[\D]∗^ _`defgKL ) [Sable.Limon| Argile] 3 0 +1 -1 0 1 1
21
3.3 Modèle linéaire et modèle de Mitscherlich
La croissance de la plante est généralement liée aux niveaux d'éléments nutritifs dans le sol. La "loi du minimum" peut être formalisé en un modèle linéaire-plateau qui montre que le rendement de la production est proportionnel à la quantité d'éléments nutritifs limitant dans le sol (Westerman et al., 1990). Le modèle de Mitscherlich est un modèle non linéaire pour évaluer la réponse du rendement d’une culture donnée à la fertilisation (Dahnke et Olson, 1990). L'équation de Mitscherlich (Figure 5) montre que le taux d'augmentation du rendement diminue progressivement à mesure que les niveaux de nutriments du sol et les additions augmentent, comme suit (Rajsic et Weersink, 2008):
Équation 2
2j/3j7j/k = lmn70kokj × (1 − j.%[qr × (s H a` ]_] t>u`v])),
où le Rendement est la production agricole par unité de surface en (t/ha), et la dose représente la dose de fertilisant par unité de surface en kg ha-1. L’Asymptote est le rendement maximum,
l’Environnement représente la dose de fertilisant fournie ou immobilisée par les facteurs environnementaux : une valeur positive revient à une interception négative sur l’axe des abscisses et indique qu’il y a des réserves en éléments nutritifs fournis par l’environnement; une valeur négative revient à une interception positive et indique une perte ou une immobilisation par l’environnement. Le Taux est la pente de la courbe reliant l’asymptote et l’environnement. Un Taux élevé indique une pente beaucoup plus abrupte et une forte réponse de la culture à la dose d’engrais
22
Figure 5: Schéma des paramètres de Mitscherlich (Parent et al. 2015)
3.4 Modèles multiniveaux
Les paramètres des modèles multiniveaux sont modélisés à partir d'un ensemble de prédicteurs. On effectue une modélisation multiniveau avec un calcul de matrice de variance-covariance et des effets aléatoires, c'est-à-dire des coefficients variant d'un site à l'autre et d'un bloc à l'autre, et qui sont supposés être normalement distribués avec une moyenne nulle (Pinheiro et Bates, 2000). Les paramètres Asymptote, Taux et Environnement de l'équation de Mitscherlich (Équation 2) sont modélisés sous la forme de combinaisons linéaires de prédicteurs avec un effet aléatoire appliqué à l'interception du paramètre Asymptote, comme suit (Équations : 3-4-5): Équation 3 lmn70kokj = βw + 6x + jl, Équation 4 y/z19o/7j/k = γw + jy, Équation 5
23 2-kj = δw + jT,
où Asymptote, Environnement et Taux sont des paramètres de l'équation de Mitscherlich (Equation 1), β, γ et δ sont des vecteurs de coefficients d'effet fixes associés respectivement à l’Asymptote, Environnement et Taux, X est la matrice de modèle à effet fixe (qui pourrait être conçue différemment pour chaque paramètre, mais a été fixé comme similaire à travers Asymptote, Environnement et Taux dans cette étude pour la modélisation descriptive), u est le vecteur des coefficients d'effet aléatoire, Z est la matrice du modèle d'effet aléatoire et eA, eE et eT sont les erreurs de modélisation associées à leur indice respectif.
Les effets aléatoires observés sur les essais et les blocs ont été appliqués uniquement au paramètre Asymptote, car le rendement maximal à atteindre pouvait varier davantage entre les essais comparativement à Environnement et Taux. Aucun effet aléatoire n'a été appliqué sur Environnement et Taux pour éviter un sur-paramétrage et faciliter la convergence des modèles. Un effet aléatoire est calculé pour chaque essai (site), et un autre est calculé pour chaque bloc dans les essais.
3.5 Analyse statistique
Vingt indices climatiques liés à chaque expérimentation et pour chaque saison ont été réduis par l’analyse en composantes principales (ACP). Cette analyse permet d’éliminer la redondance d’information et de faire le choix des indices à intégrer dans nos modèles sans les surcharger. Elle permet aussi d’évaluer la manière dont se structurent les variables (quelles sont celles qui contiennent de l’information similaire). L’ACP a été effectué avec le logiciel R version 3.4.1 (Verzani, 2006). Plusieurs autres modules de R ont été utilisés. Le module compositions version 1.40-1 a permis d’effectuer la fermeture du simplex et les transformations des compositions en log-ratio isométriques (Boogaart et al., 2015). Le module vegan version 2.4-3 et la fonction rda (Oksanen et al., 2016) ont été utilisés pour l’analyse en composante principale ; le module nlme version 3.1-131 pour la modélisation multiniveaux (José et al., 2016); le module ggplot2 version 2.2.1 pour générer les graphiques (Wickham et Chang, 2016); le module VIM version 4.7.0 a permis de visualiser les données manquantes (Templ et Filzmoser, 2008); le module mice version 2.30 a permis de faire le
24
calcul d’imputation des données manquantes (Stef et al., 2015), et le module dplyr version 0.7.2 a servi à manipuler les tableaux (Hadley et Francois, 2016)
4. Résultats
4.1 Indices climatiques
La Figure 6 représente l’analyse en composantes principales sur les indices climatiques saisonniers. Les pourcentages d’inertie des deux premières composantes principales étaient de 82,62%. Trois indices climatiques ont été choisi selon le regroupement en quatre groupes des indices climatiques. Pour réaliser mes tests statistiques, j’ai sélectionné les indices suivants au sein des groupes : l’indice de Shannon (SDI), les précipitations cumulées (pcpCum) et les unités thermiques maïs (UTM).
Figure 6: Biplot de corrélation présentant l’analyse en composantes principales des indices climatiques durant les saisons des essais de fertilisation.
25
4.2 Modèles de réponses
Les modèles multiniveaux ont été essayés avec les modèles de Mitscherlich et linéaire mixtes. Le but était de présenter les résultats avec le modèle de Mitscherlich mais lors de nos analyses le modèle de Mitscherlich pour l’humidité du grain ne convergeait pas. Ce dernier a donc été modélisé uniquement avec le modèle linéaire. Les modèles de Mitscherlich évaluent l’influence de chaque variable sur les paramètres déterminants du rendement (rendement maximal) ainsi que de la qualité du rendement (poids spécifique et humidité du grain), et ceux linéaires évaluent les mêmes variables mais uniquement sur le rendement maximal. Les coefficients de chaque variable au sein du modèle multiniveau, la moyenne, l’écart-type, la p-value et les intervalles de confiance sont présentés ci-après aux Figures 7, 9 et 10.
4.2.1 Rendement du maïs
Figure 7: Effets des variables normalisées climatiques (Climate), de gestion (Management), de chimie des sols (Soil chemistry), de pédologie (Soil pedology) et de texture du sol (Soil texture) sur les paramètres de Mitscherlich (Asym : Asymptote, Env : Environnement, Rate : Taux) liant la dose de phosphore au rendement du maïs (intervalles de confiance au niveau de 95%).
26
Les unités thermique maïs UTM augmentent significativement le rendement maximum avec un p-value de 2,21 x 10-9. Les balances [Fv | Al,P], [Al | P] sont significatives
avec des p = 1,76 x 10-5, p = 8,15 x 10-8 respectivement. Conséquemment, plus il y a
d’aluminium et de phosphore comparativement au reste de la masse du sol, plus le rendement maximum atteignable (Asymptote) diminue. Par contre, plus le log-ratio entre phosphore et l’aluminium augmente dans le sol, plus l’asymptote augmente. La tendance vers un gley-sableux par rapport au gley-loameux augmente significativement le rendement avec p = 1,77 x 10-3. Notons par ailleurs que les rendements de notre ensemble de données est fortement
influencé par le rendement en maïs ensilage p = 4,77 x 10-21 Mais aucune différence
significative entre le rendement en maïs sucré et maïs-grain.
Les courbes de Mitscherlich ont été généré à la Figure 8 pour vérifier la performance du modèle. La dose de P n’avait qu’une faible influence sur le rendement sur certains sites, indiquant le besoin d’une faible dose de démarrage au semis sur certains sites.
27
Figure 8: Courbe de Mitscherlich de trois essais de fertilisation liant le rendement à la dose de phosphore
4.2.2 Poids spécifique du maïs-grain
28
Figure 9: Modèle multiniveau décrivant l’influence des facteurs pédoclimatiques, agronomiques et de la fertilisation phosphatée de démarrage sur le poids spécifique du grain de maïs (intervalle de confiance de 95%).
Les facteurs ayant une influence considérable sur le poids spécifique du grain sont l’indice de Shannon (IDS) et la balance [Gley loameux | Gley sableux] avec des p-values respectifs de 3,85 x 10-4 et 4,76 x 10-2. Les balances [Fv | Al,P], [Al | P], [limon | sable],
[argile | limon, sable] influencent essentiellement l’environnement avec des p-values respectifs de p = 2,09 x 10-2; p = 1,51 x 10-2 ; p = 1,21 x 10-2; p = 4,82 x 10-2. Une augmentation
de l’indice de Shannon diminue significativement le poids spécifique du grain. La tendance vers le gley sableux comparativement au gley loameux augmente le poids spécifique du grain. Lorsque les balances [Fv | Al,P] et [limon | sable] augmentent, cela contribuent à une diminution significative des éléments nutritifs fournis par les conditions environnementales. Par contre une augmentation des balances [Al | P] et [argile | limon, sable] augmentent la fourniture en éléments nutritifs par les conditions environnementales.
4.2.3 Humidité du maïs-grain
Pour l’humidité des grains, le modèle de Mitscherlich ne convergeait pas. Le modèle linéaire a donc été adopté et dont les effets sont présentés à la Figure 10.
29
Figure 10: Modèle multiniveau décrivant l’influence des facteurs pédoclimatiques et de la fertilisation phosphatée de démarrage sur l’humidité du grain de maïs (intervalle de confiance de 95%).
Dans ce modèle linéaire multiniveau, l’intercepte est la valeur de l’indicateur de performance (ici l’humidité du grain) à une dose de P nulle, et la pente indique la réaction de l’indicateur pour chaque incrément unitaire de dose. Les coefficients indiquent de quelle manière chaque variable (centrée et réduite) influence l’intercept et la pente. Le modèle montre que les facteurs climatiques tels que l’unité thermique maïs et l’indice de Shannon sont importants pour le taux d’humidité du grain à la récolte, autant sur l’intercept que la pente. On note également que le pH du sol et la balance [Al | P] influencent les paramètres. Les UTM diminuent significativement l’intercepte (p = 2,34 x 10-4) tandis-que l’indice de Shannon fait
augmenter l’intercepte (p = 2,05 x 10-2) et diminue la pente (p = 3,95 x 10-2). On note
également sur le modèle qu’une tendance vers un pH élevé diminue significativement l’intercepte (p = 2,68 x 10-3), et moins il y a d’aluminium par rapport au phosphore dans le
sol, plus on assiste à une diminution significative de l’intercepte (p = 2,90 x 10-2) et une
augmentation de la pente (p = 1,29 x 10-2).
4.2.4 Effets de la hauteur des plants au démarrage sur le rendement et sur la qualité du rendement J’ai cherché à comprendre la relation entre la hauteur du plant de maïs au stade V5 - V6, le rendement et la qualité du grain (Figures 11,12 et 13). Les données disponibles ne
30
présentaient pas de relation linéaire entre la hauteur du plant du maïs au démarrage, le rendement et la qualité du rendement (humidité et poids spécifique du grain à la récolte). Toutefois, à une hauteur supérieure ou égale à 80 cm au démarrage (stade de 5 à 6 feuilles), les probabilités d’obtenir un rendement minimum de 8 Mg ha-1, un poids spécifique du grain
minimum de 720 g L-1 et un taux d’humidité maximal de 32% étaient de 0,97, 0,98 et 0,92,
respectivement. Avec une hauteur inférieure à 80 cm, les probabilités d’obtenir un rendement inférieur à 8 Mg ha-1, un poids spécifique du grain inférieur à 720 g L-1 et un taux d’humidité
supérieur à 32% étaient de 0,2, 0,23 et 0,5 respectivement.
Il importe de noter que l’absence de structure dans la plupart des essais de fertilisation, la présence de valeurs aberrantes et l’imputation des valeurs manquantes pourraient expliquer, d’une part, la présence de deux groupes pour le poids spécifique du grain de maïs à la Figure 12 et, d’autres part, influencer l’interprétation des résultats et rendre l’utilisation des modèles peu praticable.
31
Figure 11: Rendement en maïs-grain en fonction de la hauteur du plant au stade de 5 à 6 feuilles.
Figure 12: Poids spécifique du maïs-grain à la récolte en fonction de la hauteur du plant au stade de 5 à 6 feuilles.
r
2= 0, 024
32
Figure 13: Humidité du maïs-grain à la récolte en fonction de la hauteur du plant au stade de 5 à 6 feuilles.
5. Discussion
La réponse du maïs à la fertilisation phosphatée dépend de nombreux facteurs climatiques et pédologiques. Mes résultats ont montré que les unités thermiques maïs jouaient un rôle important aussi bien sur le rendement que sur la qualité du rendement notamment l'humidité du grain à la récolte. Une augmentation des UTM augmente le rendement du maïs et diminue l’humidité du grain à la récolte. Selon Lepage et al. (2012), pour que le maïs arrive à sa maturité, les producteurs devraient opter pour des hybrides exigeant un nombre d’UTM inférieur à celui calculé pour la région de production.
33
L’apport de phosphore de démarrage est essentiel à la productivité du maïs. Les balances [Al | P] et [Fv | Al,P] étaient significatives dans les modèles, de plus la littérature nous rapporte qu’en sol acide, la disponibilité du phosphore pour la plante est influencée par la présence d’Aluminium et de Fer (Khiari, 2010). Pellerin et al. (2006a,b) ont construit des modèles de recommandation agroenvironnementaux en phosphore par groupe de texture basé sur le rapport (P/Al)M-III avec une combinaison de modèles environnementaux et
agronomiques. Pellerin et al. (2006a,b) avaient conclu que pour le maïs, le rapport (P/Al)MIII
améliorait le classement des sols comparativement au PMIII seul. Khiari (2010) a décrit une
grille de fertilisation du maïs-grain tenant compte de l’indice de saturation du sol en phosphore (ISP). Cet indice calculé par le ratio (P/Al)M-III tient compte à la fois du rendement
de la culture et des risques de diffusion du phosphore dans l’environnement. Les recommandations en phosphore selon l’ISP correspondent à une dose économique moyenne basée sur le rendement et l’humidité du grain (Khiari, 2010).
Plusieurs autres facteurs peuvent influencer la réponse du maïs à la fertilisation phosphatée. Le cultivar de maïs pourrait être considéré comme une source de variabilité dans les modèles. Les facteurs pédologiques peuvent aussi influencer la réponse du maïs à la fertilisation phosphatée. La texture, la structure des horizons, la profondeur des sols, la présence d’horizons fortement différenciés (très argileux, très carbonaté avec signes d’asphyxie ou d’hydromorphie, la nature du sous-sol etc.) sont aussi des facteurs habituellement pris en compte pour apprécier la possibilité culturale d’un sol et s’assurer les bases de fertilisations (Callot et al., 1982). Ces différents paramètres constituent des facteurs susceptibles de conditionner le développement du système racinaire. Callot et al. (1982) vont plus loin en affirmant qu’il importe de tenir compte également du comportement hydrique du sol pour assurer une bonne alimentation de la plante. La densité ou la masse volumique des sols, un indicateur du niveau de compaction des sols, causée par la machinerie lourde et tous ces autres facteurs précités sont autant d’informations non disponibles pour effectuer nos analyses mais qui pourraient affecter le rendement et la qualité du maïs. Par ailleurs, les indices climatiques de notre jeu de donnés ne sont pas toujours précis. Ces indices ont été calculés à partir des données météorologiques régionales qui ne sont pas nécessairement les mêmes indices à l’échelle des parcelles.
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Le maïs, cultivé dans les régions nordiques comme le Québec, nécessite un apport de fertilisant phosphaté au démarrage. Les conditions printanières froides au Québec ont engendré cette pratique, l’idée étant de rendre disponibles les éléments fertilisants comme le phosphore au printemps. Dans cette pratique, il est généralement supposé que la croissance hâtive du maïs soit liée à une augmentation du rendement et une amélioration de la qualité du produit. Par ailleurs, la performance d’une culture de maïs-grain ne se limite pas seulement au nombre de tonne par hectare à obtenir, mais aussi au poids spécifique du grain et à son taux d’humidité à la récolte. À une hauteur supérieure ou égale à 80 cm du plant de maïs aux stades V5-V6, on peut obtenir un rendement supérieur ou égal à 8 Mg ha-1, un poids
spécifique minimum de 720 g L-1 et un taux d’humidité maximal de 32% avec une probabilité
de 0,97; 0,98 et 0,92 respectivement (figure11, 12 et 13). Le poids spécifique du grain est également important pour le revenu du producteur en ce sens où le grain est vendu sur le marché selon sa masse. Le prix moyen du maïs-grain sur le marché local était de 184 $ Mg ha-1 en date du 16 Novembre 2016 (PGQ, 2016). Une variation du poids spécifique du grain
pourrait donc avoir un impact sur le revenu du producteur. Avec une hauteur du plant au démarrage supérieur ou égale à 80 cm, le taux maximum d’humidité en grain ne dépasse pas 32%. L’objectif visé par les producteurs est généralement entre 20 et 28 % d’humidité (Bédard, 2015).
Bien que le modèle multiniveau sur le rendement tel que décrit dans mon mémoire a permis de détecter des effets sur les paramètres de Mitscherlich, le R² du modèle de rendement excluant l'effet aléatoire, de 0.39, indique que les rendements estimés par le modèle sont éloignés des rendements mesurés. Ainsi, une utilisation de ce modèle pour prédire la réponse du maïs à la dose de phosphore devrait rester prudente, d'autant plus que le modèle n'a pas été validé sur des observations n'ayant pas servies à le calibrer
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6. Conclusion
La hauteur de la plante au démarrage peut permettre de prédire le rendement de la culture du maïs-grain au Québec. À une hauteur supérieure ou égale à 80 cm on peut obtenir un rendement minimal de 8 Mg ha-1, un poids spécifique du grain minimal de 720 g L-1 et un
taux d’humidité maximal de 32%. La vision des producteurs selon laquelle, « une croissance hâtive du maïs est liée à une augmentation du rendement et une amélioration de la qualité du produit » est validée et rejoint notre première hypothèse.
L’approche par modélisation multiniveau utilisée dans le cadre de mes travaux peut intégrer toutes les composantes du système et évaluer l’effet de chaque composante dans le système sol-plante. La réponse du maïs à la fertilisation phosphatée est influencée par les conditions assez froides surtout au printemps, les unités thermiques maïs, la texture du sol, les balances nutritives entre le phosphore et l’aluminium, ce qui valide notre deuxième hypothèse
Les R2 global du modèle de rendement sont de 0.94 avec effets aléatoires et de 0.39 sans
effet aléatoire. Il est donc peu envisageable que les modèles multiniveaux présentés dans ce mémoire, basés sur des combinaisons linéaires de paramètres, puissent être transposé en mode prédictif dans le but de déterminer des doses optimales localisées. Pour y arriver, des travaux subséquents devront envisager passer par des algorithmes aptes à détecter des structures vraisemblablement complexes qui émergent des mécanismes du phosphore dans des agrosystèmes.
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7. Informations complémentaires
Voici les liens permettant de retrouver tous mes codes R ainsi que les jeux de données qui ont servi à faire nos analyses statistiques. Ces fichiers permettront à mes travaux d’être reproduits.
https://github.com/DosouYovoW/memoire-wilfried-dossou-yovo
