Diagnostic de sol et recommandations potassiques pour la
culture de pomme de terre en sol minéral
Mémoire
Moussa Doumbouya
Maîtrise en sols et environnement
Maître ès sciences (M.Sc.)
Québec, Canada
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RÉSUMÉ
Le potassium est l’élément requis en plus grande quantité par la pomme de terre (Solanum tuberosum L.). L’effet de la fertilisation potassique sur la pomme de terre a été largement décrit en bibliographie. Cependant, aucune méta-analyse n’a encore été effectuée sur la base de données québécoise des essais de fertilisation potassique.
L’objectif de ce projet est d’évaluer les performances de trois méthodes diagnostiques du potassium du sol en culture de pomme de terre au Québec, à savoir : la méthode du niveau de suffisance de nutriments disponibles (SLAN), la méthode de saturation en base (BCSR) et la méthode d’analyse compositionnelle, centred log ratio (CLR), afin de contribuer à des grilles de fertilisation pour cette culture. Pour ce faire, les résultats de 57 essais de fertilisation potassique réalisés au Québec entre 1970 à 2013 ont été compilés dans une base de données. La réponse de la pomme de terre aux ajouts de potassium a été analysée par la méthode de Cate-Nelson et traitée par méta-analyse.
Le diagnostic par suffisance des nutriments du sol (SLAN) et l’analyse compositionnelle, l’indice log centré, étaient les plus précis lors de la répartition Cate-Nelson. Le BCSR s’est montré peu performant. Le SLAN a surévalué les cas de carences en K par rapport à l’indice log centré, soit 32 vrais positifs contre 21, et avait tendance à sous-évaluer les cas de faible réponse au K, avec 10 vs. 23 vrais négatifs. Le SLAN tendait à surévaluer la dose de K dans les sols de teneur intermédiaire en K échangeable par rapport au CLR.L’indice CLR montre une diminution graduelle des besoins en K avec l’augmentation du poids du K dans le ratio, et se prête donc mieux à la modélisation que l’indice SLAN. Il est suggéré que la dose de K dépasse les exportations de K par la récolte lorsque le log centré se situe sous -2,9 et qu’au-delà de -2,9, la fertilisation potassique complète la fourniture du sol. La recommandation potassique de la pomme de terre suggérée par le CRAAQ (2010) pourrait donc être améliorée avec l’indice CLR.
V
ABSTRACT
Potassium is the element required in largest quantities by the potato (Solanum tuberosum L.). The effect of potassium fertilization on potato yield and quality has been extensively described in the bibliography. However, no meta-analysis has yet been performed on the Quebec potato database on potassium fertilization trials.
The objective of this project was to evaluate the performance of three diagnostic methods for soil potassium to improve fertilizer recommendation for potato in Quebec: the traditional sufficiency level of available nutrients (SLAN), basic catioon saturation ratios (BCSR) and and the new compositional data analysis method of centred log ratios (CLR). The results of 57 trials of potassium fertilization in Quebec between 1970 and2013 were compiled in a database. The database was analyzed by Cate-Nelson method and meta-analysis.
Diagnosis by SLAN and CLR were more accurate compared to BCSR. SLAN generated 32 vs. 21true positive specimens compared to CLR but over estimated cases of K deficiency with10 vs. 23 true negative specimens, hence underestimating cases of small response to added K. The SLAN tended to overestimate the K requirements in the intermediate soil K fertility class compared to CLR. It is suggested that the dose of K should exceed K exportations through harvest when CLR is below -2,9 and that, above a CLR value of -2,9, K fertilization should complement soil K supply. The potassium recommendation potato suggested by CRAAQ (2010) could be improved with the index CLR.
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Table des matières
RÉSUMÉ ... III ABSTRACT ... V TABLE DES MATIÈRES ... VII LISTE DES TABLEAUX ... IX LISTE DES FIGURES ... X LISTE DES ABRÉVIATIONS ET DES ACRONYMES ... XI DÉDICACE ...XII REMERCIEMENTS ...XIII 1. INTRODUCTION ... 1 2. REVUE DE LITTÉRATURE ... 3 2.1. CARACTERISTIQUES DE LA CULTURE ... 3 2.1.1. Aspect botanique ... 3 2.1.2. Croissance et développement ... 3 2.1.3. Exigences hydriques ... 4
2.1.4. Exigences en fumure et en éléments minéraux ... 4
2.2. LA POMME DE TERRE ET LA FERTILISATION POTASSIQUE ... 5
2.2.1. Les différentes sources de fertilisants potassiques ... 5
2.2.2. Temps d'application de la fertilisation potassique ... 5
2.2.3. Rôle du potassium dans les processus physiologique de la plante ... 6
2.2.4. Les effets de la fertilisation potassique sur le rendement ... 7
2.2.5. Les effets de la fertilisation potassique sur la qualité des tubercules ... 8
2.2.6. Calibre des tubercules ... 8
2.2.7. Les effets de la fertilisation potassique sur la conservation ... 10
2.2.8. Les symptômes de déficience en potassium... 10
2.2.9. Interaction du potassium avec les autres éléments ... 10
2.2.10. Engrais minéraux potassiques utilisés au Québec ... 12
2.3. PROBLEMATIQUEDE LA FERTILISATION ... 13
2.3.1. Concept du SLAN ... 14
2.3.2. Concept du BCSR ... 14
2.3.3. Concept des balances ... 15
2.3.4. Concept de méta-analyse ... 17 3. HYPOTHÈSES ET OBJECTIF ... 19 3.1. HYPOTHESES ... 19 3.2. OBJECTIFS ... 19 4. MATÉRIEL ET MÉTHODES ... 21 4.1. MATERIEL ... 21
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4.2. METHODOLOGIE : ... 22
4.2.1. Établissement des classes de fertilité ... 22
4.2.2. ANALYSES STATISTIQUES : ... 23
4.2.3. CALCUL DU TEST DE PUISSANCE. ... 24
4.2.4. CALCUL ÉCONOMIQUE : ... 25
5. RÉSULTATS ... 27
5.1. LES PARTITIONS CATE-NELSON DES TROIS METHODES : ... 27
5.2. META-ANALYSE DE LA METHODE DE SLAN ... 30
5.4. ÉVALUATION DES DOSES ECONOMIQUES POUR LA METHODE DE SLAN ... 34
5.5. META-ANALYSE DE LA METHODE DE CLR1 ... 39
5.6. LE MODELE DE RECOMMANDATION EN ENGRAIS SELON LE CLR1 : ... 41
5.7. ÉVALUATION DES DOSES ECONOMIQUES DE LA METHODE CLR1 ... 42
6. DISCUSSION ... 45
6.1. PERFORMANCES DES METHODES ... 45
6.2. FERTILISATION POTASSIQUE ... 45
7. CONCLUSION: ... 47
BIBLIOGRAPHIE: ... 51
ANNEXES ... 62
IX
Liste des tableaux
TABLEAU 1.LES EXPORTATIONS EN ÉLÉMENTS MAJEURS PAR LA POMME DE TERRE (KG T-1);DARIDO,(2000) ... 5
TABLEAU 2.GRILLE DE RÉFÉRENCE POUR LA FERTILISATION EN POTASSIUM DE LA POMME DE TERRE (CRAAQ,2010) ... 12 TABLEAU 3.DISTRIBUTION DES VRAIS NÉGATIFS (VN), VRAIS POSITIFS(VP), FAUX NÉGATIFS(FN) ET VRAIS POSITIFS(VP) SELON
L’INDICE DE FERTILITÉ DU SOL CLR1 PAR RAPPORT À LA MÉTHODE DU NIVEAU DE SUFFISANCE EN ÉLÉMENTS
FERTILISANT(SLAN) ... 30
TABLEAU 4.RÉSUMÉ DES MÉTA-ANALYSES DES ESSAIS DE FERTILISATION POTASSIQUE SELON LA MÉTHODE DU NIVEAU DE SUFFISANCE EN ÉLÉMENT FERTILISANT(SLAN) ... 32
TABLEAU 5.TEST DE PUISSANCE SELON LA MÉTHODE DU NIVEAU DE SUFFISANCE EN ÉLÉMENT FERTILISANT(SLAN) PAR CLASSE DE FERTILITÉ POTASSIQUE ... 33 TABLEAU 6.RÉSUMÉ DES GAINS ET DES PERTES SELON LES RÉSULTATS DE LA MÉTA-ANALYSE POUR LA MÉTHODE DU NIVEAU DE
SUFFISANCE EN ÉLÉMENTS NUTRITIFS(SLAN)... 35
TABLEAU 7.RÉSUMÉ DES MÉTA-ANALYSES DES ESSAIS SELON L’ANALYSE COMPOSITIONNELLE (CLR1) ... 40
TABLEAU 8.TEST DE PUISSANCE DE LA MÉTHODE DE L’ANALYSE COMPOSITIONNELLE (CLR1). ... 41
TABLEAU 9.RÉSUMÉ DES GAINS ET DES PERTES SELON LES RÉSULTATS DE LA MÉTA-ANALYSE POUR L’ANALYSE COMPOSITIONNELLE
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Liste des figures
FIGURE 1.CYCLE DE CROISSANCE ET DE DÉVELOPPEMENT DE LA POMME DE TERRE (KOTCHI,2004) ... 4
FIGURE 2.ÉVOLUTION DE L'ABSORPTION DES ÉLÉMENTS NUTRITIFS MAJEURS PAR LA POMME DE TERRE (HARRIS,1978) ... 6
FIGURE 3.RENDEMENT DE LA POMME DE TERRE EN FONCTION DE LA SOURCE DE POTASSIUM (PANIQUE ET AL.,1997) ... 13
FIGURE 4.MIGRATION DE L’INTERVALLE DE CONFIANCE VERS L’ESPACE COMPOSITIONNEL AVEC LES TRANSFORMATIONS DE DONNÉES COMPOSITIONNELLES EN LOG RATIO (WELTJE,2002). ... 16
FIGURE 5.CARTE DES EMPLACEMENTS DES SITES D’ESSAIS ... 22
FIGURE 6.GRAPHIQUE DU RENDEMENT RELATIF (%) DE LA POMME DE TERRE SELON LA TENEUR EN POTASSIUM DU SOL (MG KM-III
KG-1) EN UTILISANT LA MÉTHODE DE CATE-NELSON.(LA FLÈCHE ROUGE REPRÉSENTE LA PREMIÈRE RÉPARTITION CATE -NELSON.LA FLÈCHE BLEUE EST UNE TENTATIVE VISUELLE POUR ÉTABLIR UNE AUTRE RÉPARTITION). ... 27 FIGURE 7.GRAPHIQUE DU RENDEMENT RELATIF (%) DE LA POMME DE TERRE SELON LE RATIO CA/MG DU SOL EN UTILISANT LA
MÉTHODE DE CATE-NELSON (PERFORMANCE DE 57%). ... 28
FIGURE 8.GRAPHIQUE DU RENDEMENT RELATIF (%) DE LA POMME DE TERRE SELON LE RATIO CA/K DU SOL EN UTILISANT LA MÉTHODE CATE-NELSON (PERFORMANCE DE 59%). ... 28
FIGURE 9.GRAPHIQUE DU RENDEMENT RELATIF (%) DE LA POMME DE TERRE SELON LE RATIO MG/K DU SOL EN UTILISANT LA MÉTHODE CATE-NELSON (PERFORMANCE DE 57%). ... 29
FIGURE 10.RÉPARTITION DES DONNÉES PAR LA MÉTHODE CATE-NELSON : RENDEMENT RELATIF (%) DE LA POMME DE TERRE SELON LE CLR1=LN(K/MOYENNEGEOMETRIQUE(K:CA:MG:FV)) DU SOL (PERFORMANCE DE 75%). ... 30
FIGURE 11.RÉPARTITION DES DONNÉES PAR LA MÉTHODE CATE-NELSON : RENDEMENT RELATIF (%) DE LA POMME DE TERRE SELON LE CLR2=LN(K/MOYENNEGEOMETRIQUE(K:CA:MG)) DU SO L(PERFORMANCE DE 56%). ... 30
FIGURE 12.REPRÉSENTATION GRAPHIQUE DES MODÈLES DE RECOMMANDATION EN K2O POUR LA POMME DE TERRE SELON LES TENEURS MOYENS DU SOL EN K(MG KM-IIIKG-1) ... 33
FIGURE 13.REPRÉSENTATION GRAPHIQUE DES MODÈLES DE RECOMMANDATION EN K DE LA POMME DE TERRE EN FONCTION DES
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Liste des abréviations et des acronymes
Al : Aluminium Ca : Calcium
CAH : Complexe argilo-humique CEC : Capacité d’Échange Cationique K : Potassium
KM-III : Potassium extrait selon la méthode Mehlich 3 Mg : Magnésium
MAPAQ : Ministère de l’Agriculture, des Pêcheries et de l’Alimentation du Québec CRAAQ : Le Centre de référence en agriculture et agroalimentaire du Québec SLAN: Sufficiency Levels of Available Nutrients
BCSR: Basic Cation Saturation Ratio CLR: Centred log ratio
VN : Vrais Négatifs VP : Vrais Positifs FN : Faux Négatifs FP : Faux Positifs
AAC :Agriculture et Agroalimentaire Canada
IRDA : Institut de Recherche et de Développement en Agroenvironnement ULAVAL : Université Laval
G1: Sols à texture fine G2 : Sols à texture moyenne G3 : Sols à texture grossière
MOYENNEGEOMETRIQUE :La moyenne géométrique de n valeurs positives xi est la racine nième du produit
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Dédicace
À ma mère Source de tendresse et d’amour. Pour ton soutien tout le long de ma vie. Les mots me manquent pour exprimer toute la reconnaissance, la fierté et le profond amour que je te porte pour les sacrifices que tu as consentis pour ma réussite. Que tu trouves ici le témoignage de mon attachement, gratitude et respect.
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Remerciements
Un infini remerciement à mon directeur de maîtrise Léon-Étienne Parent professeur au département des sols et de génie agroalimentaire pour le temps qu'il m'a accordé et les précieuses recommandations et suggestions pertinentes, malgré son horaire chargé. Au Directeur de l’Institut de recherche Agronomique de Guinée (IRAG), Docteur Famoi Béavogui, pour avoir inscrit la formation des jeunes dans les priorités de son institution et sans l’aide de qui cette bourse n’aurait pas été obtenue. Mes sincères remerciements vont à l’endroit du Programme Canadien de Bourse de la Francophonie (PCBF) pour avoir financé ma formation ici au Canada. Un gros merci à Nicolas Samson (U. Laval) et à Michael Leblanc (Doctorant, U. Laval), qui ont toujours été là pour moi, m’ont aimablement fourni des documents et permis de me familiariser avec le terrain.
Ce projet a reçu un appui financier partiel du Conseil de Recherche en Sciences Naturelles et en Génie du Canada (CRDPJ 385199 09) et des partenaires industriels suivants : Patates Dolbec Inc., Groupe Gosselin FG Inc., Agriparmentier Inc., Prochamps Inc. et Ferme Daniel Bolduc et Fils Inc.
À tous ceux qui, à un moment ou un autre, m’ont apporté une aide dans la réalisation de ce travail : un grand merci à tous.
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1. INTRODUCTION
La pomme de terre, Solanum tuberosum L., est la quatrième culture végétale en importance dans le monde, après celles du blé, du maïs et du riz, avec une production de 364 millions de tonnes métriques par an (FAO, 2012). Le Canada se classe au 12e rang des plus grands producteurs de pommes de terre, avec une production annuelle de 4,59 millions de tonnes métriques (FAO 2012).
Au Québec, la pomme de terre est la troisième production horticole en importance après l’horticulture ornementale et les légumes frais (Statistique Canada, 2012). La province produit environ 80 % des pommes de terre consommées sur son territoire. Un peu plus de la moitié de la production se retrouve sur les tables, alors qu'environ 20 % est destiné au marché de la croustille; les frites et les semences se partagent le reste (MAPAQ, 2005 et 2006).
Le potassium (K) est l'élément nutritif absorbé en plus grande quantité par la pomme de terre. Il y a dans les sols une quantité abondante de K. Malheureusement, la portion assimilable par la plante est minime, seulement 1 à 2% du potassium total (Barbier, 1962); le reste, étant contenu dans les matériaux silicaté sous forme de feldspath et dans certaines argiles comme les illites, reste non disponible (95 à 98%) (Barbier, 1962). A l'intérieur du sol, le K est disponible sous des formes qu'on peut repartir en trois catégories : relativement indisponible, lentement disponible et facilement disponible (Simard et al., 1990).
En fertilité des sols, les limites de groupes de teneur des sols en K disponible pour les variables continues comme l’analyse de sol ou de tissus végétaux peuvent être déterminées à l’aide des procédures Cate-Nelson (Parent et al., 2012) et receiving operating characteristic (ROC) (Delacour et al., 2005). Ces méthodes permettent de classer les sites expérimentaux en termes de vrais négatifs (VN = nutrition équilibrée), faux négatifs (FN = erreur de type II due à d’autres facteurs), vrais positifs (VP = nutrition déséquilibrée) et faux positifs (FP = erreur de type I due à un excès de consommation).
La grande majorité des grilles de recommandation en K que l'on retrouve dans le Guide de références en fertilisation (CRAAQ, 2010) ont été élaborées avec la méthode du niveau de suffisance de nutriments disponibles (SLAN).Selon cette méthode, il ya des niveaux définissables de différents nutriments dans le sol en dessous desquelles les cultures vont répondre à la fertilisation et au-delà desquels ils ne vont probablement pas répondre (Eckert, 1987).
Contrairement à la notion de niveau de suffisance, la méthode du BCSR (Basic Cation Saturation Ratioaussi connu comme «équilibre minéral») vise à fertiliser selon les besoins du sol (Eckert, 1987). Le BCSR soutient qu'il existe un rapport équilibré des cations basiques (Ca2+, Mg2+ et K+) sur la capacité d'échange cationique du sol (CEC), et que la croissance de la plante est réduite dans des sols qui ne
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contiennent pas les cations dans le rapport spécifié (McLean, 1977). Bien que diverses valeurs aient été proposés pour la BCSR, elles tombent généralement dans la gamme approximative suivante : pourcentages de saturation de la CEC de 65 à 85% de Ca, 6 à 12% de Mg, et 2 à 5% de K (Graham, 1959), (Bear et al., 1948); tandis que pour Albrecht (1975) H, 10%; Ca, 60 à 75%; Mg, 10 à 20%; K, 2 à 5%; Na, 0,5 à 5,0%; autres cations, 5%.
La méta-analyse est un outil statistique qui permet de regrouper un grand nombre d’expérimentations provenant de différentes études. Cette façon d’analyser les résultats est récente dans le domaine de l’agriculture, mais est utilisée depuis plusieurs années en médecine. En regroupant plusieurs études, la méta-analyse fait ressortir des faits qui ne sont pas démontrés par les méthodes statistiques standards (Borenstein et al., 2009). Cette méthode permet de mieux comprendre les réponses des cultures aux différentes doses d’engrais (Valkama et al., 2009; Tremblay et al., 2012).
Ce mémoire de maîtrise se propose de mettre en évidence la performance de la méthode de l’analyse compositionnelle sur les différents concepts du SLAN et du BCSR qui sous-tendent actuellement les recommandations de fertilisation.
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2. REVUE DE LITTÉRATURE
2.1. Caractéristiques de la culture
2.1.1. Aspect botanique
La pomme de terre est une plante dicotylédone annuelle de la famille des solanacées dont l’espèce commune blanche cultivée a pour nom latin Solanum tuberosum L.
La tige peut atteindre 1 m de longueur, est dressée ou prostrée et porte des feuilles pointues et des fleurs dont la couleur varie du blanc au violet. Le fruit est une baie de la taille d’une cerise et comporte de nombreuses graines. Le tubercule oblong, rond ou réniforme, est l’organe de réserve de la plante, où s’accumulent les sucres. Le tubercule, qui se forme à 15 cm environ sous le sol, est rattaché à la tige souterraine (stolon) par l’une de ses extrémités, le talon. À l’autre extrémité se trouve la couronne, qui porte les yeux (bourgeons), disposés selon une hélice plus ou moins régulière (Kleinkopf, 1983).
2.1.2. Croissance et développement
Le cycle de développement de la pomme de terre varie de 85 à 165 jours selon que la variété est précoce, semi-tardive ou tardive. Ce cycle comprend quatre phases différentes (Perennec et Madec, 1980):
a. La phase du développement végétatif: cette phase s’étale sur 30 à 60 jours allant de la plantation à l’initiation des tubercules selon la variété cultivée et les conditions de l’environnement. Après la plantation, un œil germe puis donne des racines adventives qui se développent rapidement. La plantule se nourrit du tubercule mère durant ce stade.
b. La phase de tubérisation: elle s’étale sur deux semaines depuis l’initiation des premiers tubercules jusqu’à l’initiation de tous les tubercules. Le développement racinaire atteint son maximum.
c. La phase de gonflement des tubercules: elle dure de 30 à 60 jours; durant cette phase, le développement végétatif atteint son maximum. On assiste à la floraison et les tubercules accumulent la majorité des substances nutritives provenant de la photosynthèse (80% du poids final des tubercules est pratiquement atteint).
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d. La phase de maturation des tubercules: représente les derniers 10 à 24 jours de croissance. Elle se caractérise par la sénescence de la plante, par la chute des feuilles ainsi que l’affaiblissement du système racinaire. Les tubercules atteignent leur maximum de développement.
Figure 1. Cycle de croissance et de développement de la pomme de terre (Kotchi, 2004) 2.1.3. Exigences hydriques
La pomme de terre comme toutes les plantes, assure sa croissance et son développement d’une part par les produits élaborés par la photosynthèse et, d’autre part, par l’eau et les éléments minéraux puisés dans le sol. En comparaison avec d’autres cultures, la pomme de terre est très exigeante en eau; une quantité d’eau entre 500 et 700 mm d’eau est requise selon le climat pour obtenir un rendement élevé pour une variété dont le cycle de croissance est de 120 à 150 jours (Wolfe, 1982).
2.1.4. Exigences en fumure et en éléments minéraux
La fumure modifie à la fois le nombre et la taille des tubercules. De façon générale, l'azote et la potasse augmentent le rendement en tubercules commercialisables (diamètre supérieur à 35 mm) en favorisant la production de gros tubercules. D'après Doorenbos et Kassam, (1980), les besoins de la pomme de terre en macronutriments sont de 120 kg ha-1 d'azote, 80 kg ha-1 de P2O5 et 160 kg ha-1de K2O. Les exportations
5 chiffrées d'une tonne de production, font apparaître les exigences de cette plante en ces nutriments (Tableau 1).
Tableau 1. Les exportations en éléments majeurs par la pomme de terre (kg t-1);Darido, (2000)
N P2O5 K2O
Pour une tonne de tubercules 3,2 1,6 6,0
Pour les fanes correspondantes 2,0 à 4,0 0,1 3,0 à 6,0
Les exportations en potasse paraissent élevées. Elles traduisent l'avidité de la pomme de terre pour cet élément, qu'elle consomme souvent en excès lorsque la fumure potassique est abondante. Cette coûteuse et inutile "consommation de luxe" doit être évitée en ne prenant pas les exportations théoriques pour les besoins réels (Darido, 2000).
Les éléments tels que le potassium et surtout le phosphore doivent parvenir au végétal par diffusion (Barber, 1995), c’est à dire les racines des végétaux créent un courant de diffusion des ions; ce courant est renforcé lors d’une demande importante de la part de la plante, ou si le pouvoir d'absorption de la racine est élevé. L'importance de ce transfert dépend du rapport entre ce qui est apporté par le sol et ce qui est demandé par la plante. Les cinétiques de l'exportation des éléments minéraux montrent une absorption intense de K2O. Les tubercules en exportent 1,5 fois plus que l'azote et 4 à 5 fois plus que le P2O5 (Perrenoud, 1993). La pomme de terre s'est avérée comme une culture indicatrice pour la disponibilité du potassium à cause de ses besoins élevés (Roberts et McDole, 1985).
2.2. La pomme de terre et la fertilisation potassique
2.2.1. Les différentes sources de fertilisants potassiques
Westermann et al.(1994) suggèrent que la fertilisation potassique peut être appliquée à la pomme de terre d'après les résultats de l'analyse du sol et les besoins de la culture sans tenir en compte la source de potassium. Le chlorure de potassium est la source la plus recommandée en raison de son prix moins élevé que ceux du sulfate de potassium (K2SO4) et du nitrate de potassium (KNO3). L'application de KNO3 est préférée dans des conditions de salinité élevée du sol ou de l'eau d'irrigation (Perrenoud, 1993). Pour la pomme de terre de transformation, l'utilisation de K2SO4 donne une teneur plus élevée en matière sèche et en amidon que le chlorure de potassium (Perrenoud, 1993).
2.2.2. Temps d'application de la fertilisation potassique
La pomme de terre a besoin de potassium dès le début de la croissance à cause de son effet positif sur le développement des racines. L'application du potassium à la plantation est recommandée (Roberts et McDole,
6
1985). La déficience en potassium se manifeste surtout à l'initiation des tubercules quand le besoin en potassium est maximal et qui s'étend sur une période de 30 à 40 jours (Dahnke et Nelson, 1993). L’absorption du potassium varie selon le stade de développement de la culture (Figure 2). Elle est plus importante au stade de maturation des tubercules et d’accumulation de l'amidon.
Figure 2. Évolution de l'absorption des éléments nutritifs majeurs par la pomme de terre (Harris, 1978)
2.2.3. Rôle du potassium dans les processus physiologique de la plante
Le potassium joue un rôle important dans l'amélioration de l'état énergétique de la plante, la translocation et le stockage des éléments assimilés et l'état hydrique dans les tissus (Marschner, 1995). Le potassium n'est pas un élément incorporé dans les molécules de la plante à l'opposé de l'azote et du phosphore qui sont les constituants de protéines, d'acides nucléiques, de phospholipides, d'ATP, etc. Le potassium existe en prédominance sous forme d'ion libre ou d'un cation adsorbé, et peut par conséquent être écarté facilement de la membrane cellulaire et même de la plante entière (Lindhauer, 1985). Cette grande mobilité dans la plante explique les principales caractéristiques physiologiques du potassium: c'est le principal cation impliqué dans la neutralisation des charges et le plus important élément inorganique actif (Clarkson et Hanson, 1980).
La teneur en potassium dans les feuilles de la pomme de terre augmente avec la fertilisation potassique et diminue avec la maturité des plantes (James et al., 1970; McDole, 1978). D'après Chapman et al. (1992), les tubercules secs de pomme de terre contiennent 2 à 3,5% de K2O, et les parties aériennes en contiennent 1,6 à 4,7%. Gunasena et Harris (1971) ont démontré que le potassium favorisait la photosynthèse. En plus, il est indispensable à la formation de la chlorophylle.
7 Le potassium intervient dans différents aspects de la physiologie de la plante (Marschner, 1995), il (1) active plus de 60 enzymes ; (2) aide à la photosynthèse ; (3) favorise de hauts niveaux d'énergie ; (4) maintient la turgescence des cellules ; (5) régularise l'ouverture des stomates des feuilles ; (6) stimule l'absorption d'eau ; (7) régularise la translocation des éléments nutritifs dans la plante ; (8) favorise le transport et le stockage des carbohydrates ; (9) améliore l'assimilation de l'azote et la synthèse des protéines et (10) stimule la synthèse de l'amidon.
Ces fonctions multiples du potassium dans différents processus métaboliques conduisent à de nombreux effets positifs sur la pomme de terre, par conséquent, le K (1) augmente le rendement ; (2) augmente la proportion des tubercules commercialisables ; (3) augmente la taille des tubercules ; (4) diminue le noircissement interne et le cœur creux ; (5) diminue les dommages mécaniques; (6) diminue les pertes en entrepôt ; (7) améliore la qualité lors du transport ; (8) allonge la durée de vie ; (9) améliore la cuisson et la qualité de transformation industrielle ; (10) améliore la couleur de chips ; (11) améliore la résistance au froid, à la sécheresse et au stress hydrique ; (12) diminue l'incidence des maladies (Phytophtora infestans) ; et (13) améliore l'efficience d'utilisation de l'azote (Mnayer, 2004)
2.2.4. Les effets de la fertilisation potassique sur le rendement
Le potassium augmente le rendement utile pour la transformation industrielle. Selon Grewal et al., (1992), le rendement des tubercules peut être augmenté de 50% suite à l'application d'une bonne fertilisation potassique.
Le rendement commercial est fonction de la production totale de biomasse, de la présence d’anomalies sur les tubercules et de la proportion de tubercules acceptée sur le marché en termes de taille et l'absence d’imperfection (Ewing, 1997). De bonnes opportunités existent pour l'augmentation du rendement et de la qualité de la pomme de terre par l'amélioration de la fertilisation.
Comparée aux cultures céréalières, la pomme de terre donne beaucoup plus de matière sèche en un cycle plus court (Singh et Trehan, 1998). Cette forte teneur en matière sèche résulte en une grande exportation du potassium par unité de temps, que le sol est incapable de fournir en général. Par conséquent, l'application de fertilisants de sources externes devient essentielle. Des rendements élevés peuvent être assurés par l'application des doses optimales de N-P-K dans des proportions équilibrées.
Selon Robert et al., (1984) et Chapman et al., (1992), le rendement en tubercules dépendait de la fertilisation potassique. Toutefois, l’efficacité de la fertilisation potassique et son influence sur le rendement en tubercules peut aussi dépendre de la source de potassium utilisée et l’autre composant du fertilisant
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potassique comme le chlore et le soufre. Panique et al., (1997) a obtenu les mêmes résultats. Le rendement augmentait de 45 t ha-1 à 55 t ha-1avec des doses respectives de 0 et 280 kg K20 ha-1, mais en augmentant la dose encore plus (373 kg K2O ha-1), on a remarqué que le rendement diminuait de 1 t ha-1.
2.2.5. Les effets de la fertilisation potassique sur la qualité des tubercules
La fertilisation potassique a une influence sur la taille des tubercules, la teneur en matière sèche, la teneur en amidon, le poids spécifique, la susceptibilité aux taches noires, le noircissement après cuisson, la teneur en sucres réducteurs, la couleur à la friture et la qualité de conservation (Perrenoud, 1993; Martin-Prevel, 1989).
Une carence en potassium affecte plusieurs processus métaboliques comme le taux de photosynthèse, le taux de translocation, le système enzymatique et le taux de respiration (Marschner, 1995; Mengel, 1997). La conséquence est une réduction de la croissance de la plante et par la suite de la qualité des tubercules. Les influences du potassium sur la qualité peuvent être indirectes comme un résultat de son interaction positive avec les autres éléments (surtout avec l'azote) et les pratiques culturales (labour et enfouissement) (Usherwood, 1985).
2.2.6. Calibre des tubercules
Normalement le potassium augmente la moyenne du calibre, l'homogénéité de la production et la proportion des tubercules commercialisables. Archer (1976) a trouvé que la proportion des tubercules commercialisables était de 84,4 % avec 0 kg de K2O ha-1; 85,6 % avec 188 kg de K2O ha-1 et 86,6% pour la dose de 282 kg K2O ha-1.
2.2.6.1. Teneur en matière sèche
Comme le potassium stimule les mécanismes d'absorption de l'eau dans les tubercules, il influence la teneur en eau dans les tubercules. Une concentration élevée en potassium dans les tubercules de plus de 2 % sur base de poids sec peut mener à une teneur normale en eau et une teneur en matière sèche plus élevée (Bergmann, 1992).
2.2.6.2. Teneur en sucres réducteurs
Dans le but d'obtenir des croustilles de couleur désirable, la teneur en glucose et en fructose du tubercule ne doit pas dépasser 0,25 % (Perrenoud, 1993). Une déficience en potassium change le métabolisme des hydrates de carbone provocant l'accumulation d’hydrates de carbone solubles et une diminution de la teneur en amidon (Mengel et Kirby, 1987).
9 2.2.6.3. Teneur en vitamines
La valeur nutritionnelle de la pomme de terre est influencée par sa teneur en potassium. De plus, une concentration élevée en potassium conduit habituellement à une augmentation de la concentration en acide organique, produisant un effet bénéfique sur la teneur en acide ascorbique (Bergmann, 1992).
2.2.6.4. Peau et chair des tubercules
Le potassium a une action directe sur la qualité de la peau et de la chair des tubercules. Le potassium intervient dans l'édification des parois pecto-cellulosiques dont il augmente la résistance, ainsi la pénétration du mycélium des champignons devient plus difficile, et la résistance aux maladies est ainsi améliorée. Le potassium favorise la circulation et le stockage des substances qui contribuent à la coloration et à la constitution de la chair et de la peau des tubercules (Kiraly, 1976).
2.2.6.5. Noircissement interne et cœur creux des tubercules
Il est associé habituellement à un excès de la fertilisation en azote et à un sol contenant peu de potassium. En effet, le potassium réduit la susceptibilité au noircissement interne (Roberts et McDole, 1985). Le cœur creux consiste en des cavités dans les tubercules avec des tissus bruns nécrotiques (Bergmann, 1992). Plusieurs auteurs (Nelson,1970; Jackson et McBride1986) ont démontré que l'application potassique réduisait l'incidence du cœur creux.
2.2.6.6. Blessures du gel
Les plantes recevant des quantités inadéquates de potassium sont souvent plus susceptibles aux dommages par le gel (Marschner, 1995). La diminution de la sévérité du gel est attribuée à de nombreux facteurs physiologiques et morphologiques comme des racines profondes et saines, de larges vaisseaux de xylème, des teneurs élevées en sucres et en hydrates de carbone, une transpiration et une perte en eau réduite (Kemmler et Krauss, 1989). Le potassium agit positivement sur la majorité de ces facteurs et par la suite il diminue les blessures de l'hiver. Une dose adéquate de potassium peut augmenter le potentiel osmotique dans les vacuoles des cellules et par conséquent la tolérance au froid. Il est recommandé de maintenir une dose élevée en potassium dans le sol et dans la plante dans le but d'augmenter la teneur en hydrates de carbone qui peuvent réduire les dommages des tissus lors d'une exposition au froid (Kafkafi, 1990).
2.2.6.7. État sanitaire de la plante
Le rôle du potassium dans la résistance de la pomme de terre aux maladies causées par les bactéries et les champignons a été revu par Perrenoud (1993). En général, l'application de potassium améliore l'état sanitaire et la vigueur des plantes tout en diminuant les conditions d'infection (Perrenoud, 1993). Dans la pomme de terre, la fertilisation potassique diminue l'incidence des maladies sévères comme le mildiou
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(Phytophtora infestans), la fusariose (Fusarium ssp.), la gale poudreuse (Spongospora subterranea) et l'alternariose (Alternaria solani) (Perrenoud, 1993; Marschner, 1995).
2.2.7. Les effets de la fertilisation potassique sur la conservation
Le potassium améliore la conservation et la qualité de transport des pommes de terre et allonge leur durée de vie (Martin-Prevel, 1989; Perrenoud, 1993). Les effets du potassium sur la durée de vie sont attribuables d'une part au ralentissement de la sénescence et d'autre part à la diminution de l'incidence de nombreuses maladies physiologiques (Martin-Prevel, 1989). L'application de potassium réduit les pertes des tubercules conservés, dû à une réduction de l'activité de la catalase et de la peroxydase (Perrenoud, 1993).
2.2.8. Les symptômes de déficience en potassium
La carence en potassium peut être causée par le lessivage surtout en sol sableux ou dans les sols acides avec une faible capacité d'échange cationique. Les premiers symptômes de la carence en potassium apparaissent dans les feuilles les plus âgées. Les symptômes les plus précoces se manifestent par un verdissement obscur ou un verdissement bleui des feuilles. Le changement de couleur des feuilles est le symptôme typique de carence en potassium. Les feuilles les plus âgées virent au bronze puis au brun (nécrose) et meurent précocement. Une sévère carence se manifeste par des plantes rabougries avec des racines et des stolons courts et une croissance insuffisante. Les tubercules sont alors plus susceptibles aux taches noires, au cœur creux et aux maladies (Bergmann, 1992; (Perrenoud, 1993; Singh et Trehan, 1998).
2.2.9. Interaction du potassium avec les autres éléments
Comme tout élément chimique, le potassium peut avoir un effet antagoniste avec certains autres éléments, à savoir NH4+, Ca2+ et Mg2+chargés tous positivement, ce qui les met en compétition sur les sites d’échange du complexe argilo-humique chargé négativement en surface. Les sites d’échange présentent une certaine affinité vis-à-vis la fixation des éléments nutritifs, de ce fait certains sont retenus plus fortement sur le complexe, ce qui augmente de plus cette compétitivité entre les cations. La force de fixation des cations croît dans l'ordre suivant : Na+< NH4+< K+< H+< Mg2+< Ca2+< Al3+ ...., elle dépend du rayon atomique, de la valence (à rayon atomique semblable, les monovalents sont moins retenus que les bivalents), du degré d'hydratation des ions et du pH du sol (Gobat et al., 2010).
Zhang et al. (2010) ont montré qu’il y a une interaction positive entre N et K pour plusieurs cultures, l’absorption de K a été améliorée en utilisant des engrais N mais ils ont attribué cet effet à une relation de vecteur de transport entre NO3- et K+.
11 Allison et al. (2001) ont montré qu’une forte teneur en K+ dans le sol faisait diminuer la concentration en Mg dans les feuilles de la pomme de terre; ils ont supposé que cette diminution était due à une diminution de cet élément dans la solution du sol et par la suite à une mauvaise absorption du Mg par la plante. Au Québec, les recommandations en K2O dépendent du résultat de l’analyse du sol en K extrait au Mehlich (KM-III), mais un excès de K peut nuire à l’absorption du calcium et du magnésium. On doit donc ajuster la recommandation en Mg en fonction de celle du K (CRAAQ, 2010).
Lorsque l’application de K augmente, la concentration de Mg dans les pétioles diminue (Hossner et Doll, 1970; Giroux, 1987). Walsh et O’Donohoe (1945) ont démontré qu’en absence de fertilisant Mg, l’augmentation des doses de K de 105 à 264 kg K ha-1 diminuait le rendement en tubercules de 25 à 22 Mg ha -1 mais ils n’ont pas prouvé que l’application du fertilisant Mg puisse réduire cet effet. Hossner et Doll (1970) ont montré que l’augmentation de la dose de K de 200 à 665 kg K2O ha-1 augmente les besoins en Mg de 56 kg Mg ha-1.
Johnston et Goulding (1992) ont montré qu’une quantité de 1 kg K ha-1 est perdue pour chaque 100 mm de précipitations filtrées à travers le sol, mais cette valeur serait plus importante si K+ a été déplacé en utilisant une solution riche en ions Ca2+. Jalali et Rowell (2003) ont trouvé aussi qu’une faible quantité de K+ est lessivée à travers le sol avec une solution à faible concentration en CaCl2, mais que l’augmentation de la concentration de Ca2+ dans la solution augmentait la concentration de K+ dans le lixiviat, ce qui démontre encore cet effet d’antagonisme entre ces deux éléments.
Ces antagonismes entre les différents éléments nutritifs du sol sont à l’origine de la perturbation de l’équilibre de l’absorption de ces éléments et par la suite de l’équilibre de ces éléments dans la plante. Fontes et al. (1996) ont trouvé qu’une concentration élevée de K dans le sol engendrait une diminution du poids des tubercules et des pousses. Ils ont montré aussi que dans le cas où la concentration du K était déficiente, la faible croissance était attribuable à une absorption réduite de K à cause de l’interaction avec de fortes concentrations en Ca et Mg. Panique et al. (1997) ont montré que l’augmentation de l’application de K diminuait le poids spécifique de la pomme de terre bien que des diminutions n’étaient généralement pas aussi marquées en utilisant K2SO4.
2.2.9.1. Calibration des besoins en engrais potassiques de la pomme de terre au Québec Le raisonnement de la fertilisation repose sur quatre critères : les exigences de la culture, la teneur du sol en K assimilable, le passé de fertilisation et le devenir des résidus de la récolte précédente. Les recommandations en potassium pour la culture de la pomme de terre au Québec sont mentionnées dans le guide du CRAAQ (2010) (Tableau 2). Ces recommandations en K2O dépendent du résultat de l’analyse du sol
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en K extrait au Mehlich 3 (KM-III), mais un excès de K peut nuire à l’absorption du calcium et du magnésium. On ajuste donc la recommandation en Mg en fonction de celle du K.
Tableau 2. Grille de référence pour la fertilisation en potassium de la pomme de terre (CRAAQ, 2010) Analyse (kg KM-III ha-1) Recommandation (kg K2O ha-1) 0 – 75 76 – 150 151 – 225 226 – 300 301 – 375 376 – 450 451 et + 240 215 160 120 80 50 20 2.2.10. Engrais minéraux potassiques utilisés au Québec
Comme la pomme de terre est une culture exigeante en fertilisants potassiques, l'apport du potassium sous forme d'engrais est un garant pour l’obtention de bons rendements (quantité et qualité des tubercules). Les deux principales sources de potassium utilisées au Québec sont le chlorure de potassium appelé aussi muriate de potasse et le sulfate de potassium (Panique et al., 1997).
Chlorure de potassium (KCl) : est le produit le moins onéreux et le plus courant de tous les engrais potassiques (Khiari, 2012). Il est soit : Rouge : de formule 0-0-60 et d’appellation courante muriate rouge de potassium, issu d’un procédé simple d’extraction mécanique laissant des résidus de fer (responsable de la couleur rougeâtre à rosâtre de l’engrais); Blanc : de formule 0-0-62 appelé muriate blanc de potassium, issu d’un procédé de solubilisation à la vapeur suivie d’une recristallisation. Ce lavage contribue à l’élimination du fer. Les muriates rouge et blanc de potassium ont des masses volumiques respectives de 1,1 et 1,2 kg l-1. Vu son indice global de sel élevé de 109,4, il faut éviter son application sous des conditions salines et pour les cultures sensibles au sel et au chlore.
Sulfate de potassium (K2SO4) de formule (0-0-50) : est un engrais solide blanc de masse volumique 1,2 kg l-1 contenant 17 % de soufre sous forme de sulfate hydrosoluble. Il est plus coûteux que le muriate de potassium et utilisé surtout pour les plantes sensibles au chlorure comme la pomme de terre et le tabac (Khiari, 2012). Son indice de sel est de 40.
Les chercheurs ont émis des opinions très différentes et parfois divergentes sur l'évaluation des engrais potassiques et leur influence sur les pommes de terre. Selon les uns, il n'y a pas lieu de préférer les
13 sulfates aux chlorures puisque les rendements de tubercules sont semblables pour les deux formes d'engrais (Cooke, 1960; Harrap, 1960);
Panique et al. (1997) ont conduit une expérience sur différentes variétés de pomme de terre parmi lesquelles on trouve la Russet Burbank cultivée dans un sol sableux caractérisé par une faible teneur en K échangeable (80 mg K kg-1). Les résultats montraient qu’il n’existait pas de différence significative de rendement entre le muriate et le sulfate de potassium pour les quatre années d’essais (Figure 3).
Dickins et al. (1962) ont comparé l'effet de différentes doses de KCl et de K2SO4 sur le rendement en tubercules et la concentration en matière sèche (MS). L’utilisation de KCl a réduit la concentration en MS des tubercules dans 11 des 16 expériences comparativement à seulement trois réductions lorsque K2SO4 a été utilisé. Allison et al. (2001) ont trouvé aussi que l’utilisation d’une dose de KCl supérieure à la dose optimale causait des réductions de la concentration en MS. Davenport et Bentley (2001) ont montré que l’application de KCl diminuait le rendement total en tubercules.
Figure 3. Rendement de la pomme de terre en fonction de la source de potassium (Panique et al., 1997) 2.3. Problématique de la fertilisation
Les études de fertilité des sols visent à intégrer les principes fondamentaux de la biologie, de la chimie et de la physique, mais conduisent généralement à des interprétations distinctes de données sur les sols et les plantes (Sims, 2000). Différentes approches ont été élaborées pour décrire les bilans de nutriments dans les sols. Le but de la plupart des tests d'analyse de sol est de fournir une mesure de la phyto-disponibilité d'un nutriment. L'information recueillie à partir de l'analyse de sol est souvent utilisée pour guider les pratiques de fertilisation. Alors qu'il est généralement relativement facile de mesurer les cations échangeables du sol, il est
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plus difficile de relier leur phyto-disponibilité à la réponse des plantes. Les concentrations dans le sol de Ca, Mg et K sont généralement interprétées en utilisant deux méthodes, soit le niveau de suffisance de nutriments disponibles SLAN «Sufficiency Levels of Available Nutrients» et le concept BCSR « Basic Cation Saturation Ratio» (Haby et al., 1990 ; McLean, 1977).
2.3.1. Concept du SLAN
Selon le concept du niveau de suffisance, il y a des niveaux définissables de différents nutriments dans le sol en dessous desquels les cultures répondent aux engrais ajoutés et au-dessus desquels on considère qu’il n’y aura plus de réponse (Eckert, 1987). Lorsque le nutriment est présent en quantité suffisante, la croissance des plantes sera maximale. Souvent, l'objectif principal lors de l'utilisation du concept de niveau de suffisance est de fertiliser en fonction des besoins de la plante (Eckert, 1987). Bien que les concentrations critiques de carence pour les cations échangeables Ca, Mg et K varient individuellement pour chacune des espèces, ils se situent dans la gamme de 195 à 585 mg Ca kg-1 de sol pour Ca, 78 à 117 mg Mg kg-1 pour Mg et 78 à 195 mg K kg-1pour K (Aitken et Scott, 1999; Bruce, 1999; Gourley, 1999).
C’est la variante de la loi du minimum illustrée par le baril de Liebig qui a été adaptée pour diagnostiquer la nutrition des plantes à l’aide de la valeur minimale critique. Toutefois, ce concept ne tient pas compte des nombreuses interactions entre D éléments représentés par les D x (D-1)/2 rapports binaires Toutefois, il n’y a que D-1 degrés de liberté dans un vecteur compositionnel contenant D composantes (Parent et al., 2012). La métaphore de la balance à plateaux qui met en équilibre les D concentrations dans un mobile à D-1 pivots et D cuvettes permet de corriger ce biais (Parent et al., 2012, 2013).
Selon (Robert, 2010), dans les années 60, les compagnies ont graduellement modifié l’essence de l’approche SLAN pour soutenir l’accroissement des ventes d’engrais. Dans un contexte de compétition de plus en plus féroce, les entreprises qui n’accroissaient pas leur part de marché périssaient à plus ou moins long terme. Modifiée à tel point que c’en est devenu une approche totalement distincte, connue sous le nom « Enrichissement et entretien ». Selon cette approche, l’objectif poursuivi est d’enrichir le sol à son niveau le plus élevé possible par des apports massifs, et ensuite chercher à le maintenir à ce niveau en apportant les quantités nécessaires pour remplacer les exportations.
2.3.2. Concept du BCSR
Contrairement à la notion de niveau de suffisance, le BCSR aussi connu comme « équilibre minéral » vise à fertiliser selon les besoins du sol (Eckert, 1987). Le BCSR soutient qu'il y a un rapport équilibré de cations basiques (Ca2+, Mg2+ et K+) sur la capacité d’échange cationique du sol (CEC), et que la croissance de la plante sera réduite dans les sols qui ne contiennent pas les cations dans le rapport spécifié (McLean, 1977).
15 Cette idée est née en grande partie du travail de Bear et al. (1948) dans le New Jersey, qui a proposé le concept d'un sol qu'ils considéraient comme « idéal » : « les quantités absolues disponibles de Ca2+, K+ et Mg2+ ne sont pas aussi importantes que leurs valeurs relatives " (Bear et al., 1951). Ce « sol idéal » a été largement promu par Albrecht(1975) comme un « sol équilibré ». Bien que différentes valeurs aient été proposées pour le BCSR, elles tombent dans la fourchette approximative suivante (en pourcentage de saturation de la CEC) : 65 à 85 % de Ca2+, de 6 à 12 % de Mg2+, et de 2 à 5% de K+ (Graham, 1959).
Alors que les laboratoires universitaires utilisent presque exclusivement le concept de niveau de suffisance pour interpréter les données d'analyse des sols (Eckert, 1987), McLean (1977) a suggéré que près de 80% des échantillons testés dans la région centre-nord des États-Unis dans les années 1960 ont été testés dans des laboratoires privés et interprétés selon le concept BCSR. De même, Liebhardt (1981) estima qu'entre 80 et 90% des sols testés dans le Delaware ont utilisés le BCSR. On estime qu'au moins 90 à 95% des sols testés par l'industrie du gazon en Australie sont actuellement interprétés selon le concept de BCSR. Dans une expérience menée sur le terrain dans le Nebraska pendant huit ans, le coût d'achat des engrais selon les recommandations BCSR était généralement le double par rapport au SLAN (Olson et al., 1982).
Toutefois, le BCSR a été critiquée pour sa définition insaisissable de ratios cationiques « idéaux » (Liebhardt, 1981; Kopittke et Menzies, 2007). Et aussi pour ne pas tenir compte des interactions entre plus que deux éléments nutritifs (Bates, 1971). Depuis plusieurs interactions doubles et multiples ont été documentées dans les plantes (Malavolta, 2006). Le Système Intégré de Diagnostic et Recommandation (DRIS) utilise des ratios ou produits binaires pour simuler les interactions (Walworthet Summer, 1988), mais il est géométriquement déficient (Parent et Dafir, 1992; Parent, 2011). Par ailleurs, les concentrations brutes des éléments individuels ou leur transformation logarithmique sont couramment utilisés pour effectuer des analyses statistiques sur les nutriments végétaux (Lahner et al., 2003, Williams et Salt, 2003; Han et al., 2011) et les indices de fertilité des sols (Schlotter et al., 2012).
2.3.3. Concept des balances
Pour corriger un ou plusieurs biais de l’analyse des données compositionnelles, le défi des mathématiciens était de développer une méthode pour (1) projeter les données compositionnelles dans l’espace réel (± α) sans dépasser les limites de l’espace clos (Figure 4) (2) créer de nouvelles variables indépendantes de l’échelle de mesure (i.e. invariance d’échelle), et (3) réduire le nombre de dimensions de D à D-1 sans perdre d’information (i.e. sans enlever une composante redondante potentiellement utile) tout en évitant de générer de fausses corrélations.
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Figure 4.Migration de l’intervalle de confiance vers l’espace compositionnel avec les transformations de données compositionnelles en log ratio (Weltje, 2002).
Cette réflexion a mené à la conception de trois types de log ratios. Le log ratio permet de projeter les données compositionnelles dans l’espace réel. En effet, le log d’un ratio infiniment petit ou infiniment grand est calculé comme suit :
log 𝑚−∝ = −∝ log 𝑚 𝑒𝑡 log 𝑚+∝ = +∝ log 𝑚 (1)
Où m est un ratio quelconque. Donc, le log ratio permet de libérer les données compositionnelles de leur espace clos (i.e. entre 0 et 100%) et de les projeter dans l’espace réel (± α). Le second problème concerne l’invariance d’échelle. Que l’échelle de mesure soit sur une base de matière sèche, humide ou organique, le log ratio doit rester le même pour que l’interprétation soit cohérente. Aitchison (1986) a proposé d’utiliser le log ratio additif (additive log ratio = alr) et le log ratio centré (centred log ratio = clr) comme suit :
𝑎𝑙𝑟 = ln(𝑥𝑖 ) 𝑥𝐷 (2)
𝑐𝑙𝑟 = ln(𝑥𝑖 𝑔(𝑥𝑗)) (3)
Où 𝑥𝑖 est une composante quelconque; 𝑥𝐷 est une composante sélectionnée comme dénominateur commun; 𝑔(𝑥𝑗) est la moyenne géométrique de toutes les composantes. La transformation analogue de alr basée sur N a été utilisée pour la fertilisation des plants forestiers (Ingestad, 1987, 1997). La transformation clr a été utilisée pour l’analyse statistique des tissus végétaux (Parent et Dafir, 1992 ; Parent et al., 2009), des sols (Parent et al., 2012) et des solutions nutritives (Lopez et al., 2002).
Pour résoudre les problèmes liés au diagnostic des éléments nutritifs dans les sciences du sol et des plantes, il faut d'abord reconnaître que les données analytiques des sols et des plantes forment des compositions où les données sont strictement positives (concentrations, proportions), reliées les unes aux
17 autres dans un ensemble clos (Aitchison, 1986). Les données sur la composition minéralogique des sols ont des propriétés numériques spéciales qui peuvent conduire à des conclusions erronées si elles ne sont pas transformées correctement. Les transformations en log-ratios ont été développés pour éviter les biais numériques pouvant conduire à des erreurs d’interprétation (Aitchison, 1986 ; Filzmoser et Hron, 2011 ; Pawlowsky et al., 2006 ; Pawlowsky et Buccianti, 2011).
2.3.4. Concept de méta-analyse
Les méta-analyses rassemblent et traitent des informations diversifiées provenant de plusieurs études et poursuivant le même objectif. Très utilisées en sciences sociales, biologiques et médicales, elles ont été récemment appliquées avec succès aux concepts de la fertilisation des cultures (Tonitto et al., 2006; Valkama et al., 2009; Tremblay et al., 2012; Parent et Bruulsema, 2013). La méta-analyse va au-delà de l’analyse de variance par site et de la revue de littérature où les résultats sont interprétés au cas par cas. Le but de la méta-analyse est de déterminer un patron de réponse dans des essais isolés pour des facteurs de croissance communs. C’est une analyse synthétique des effets de traitement afin de réduire les erreurs de type III sur l’interprétation des résultats. Le guide de fertilisation du Québec (CRAAQ, 2010) est le premier au monde à utiliser les méta-analyses pour synthétiser les résultats des essais de fertilisation disponibles sur la base de l’analyse de sol pour établir les besoins de chaque culture.
Avant d’effectuer une analyse de système complexe, on doit supposer que : 1)-tous les facteurs autres que ceux que l’on fait varier sont égaux par ailleurs (Giampietro, 2004), 2)- tous les éléments nutritifs sauf ceux que l’on fait varier sont présents en quantité suffisante, mais non excessive (Nelson et Anderson, 1984). La méta-analyse regroupe plusieurs études ayant les mêmes objectifs et en extrait la réponse générale (Rosenberg et al., 1999). C’est une analyse synthétique robuste des effets de traitements permettant de réduire les erreurs de types III (donner une réponse à la mauvaise question ou trouver une différence significative, mais dans la mauvaise direction) (Parent, 2012). Le concept primordial à la méta-analyse est la taille de l’effet. Cet effet représente la réponse à un traitement (Rosenberg et al., 1999). La taille de l’effet (Ei)d’un traitement dans un site est calculée comme le logarithme naturel du ratio de réponse d’un traitement par rapport à un témoin. Le log ratio est calculé comme suit :
(4)
Où μE= résultat moyen du traitement et μC= résultat moyen du témoin. Dans le cas d’une valeur négative, le témoin présente une réponse moyenne plus élevée que le traitement et vice versa pour un résultat positif.
18
Pour de plus amples détails sur les formules mathématiques et la méthodologie à suivre consulter Borenstein et al. (2009).
19 3. HYPOTHÈSES ET OBJECTIF
3.1. Hypothèses
La réponse de la pomme de terre à la fertilisation potassique dépend du niveau de potassium échangeable dans le sol.
La réponse de la pomme de terre à la fertilisation potassique dépend de la saturation en base et des rapports Ca/K et Mg/K.
La réponse de la pomme de terre à la fertilisation potassique dépend de la balance de potassium dans le sol par rapport aux autres cations.
3.2. Objectifs
Comparer les performances du concept de fertilisation en potassium basée sur les balances cationiques par rapport aux concepts classiques du niveau de suffisance, «Sufficiency Levels of Available Nutrients» (SLAN), du ratio de saturation en base, «Basic Cation Saturation Ratio» (BSCR) et la balance potassique du sol en culture de pomme de terre mesurée par le «Centred Log Ratio» (CLR).
Faire une méta-analyse des données pour produire un modèle de recommandation en K basée sur la teneur des sols en KM-III, les différents ratios cationiques et l’analyse compositionnelle par balance des cations basiques en culture de pomme de terre au Québec.
Faire une évaluation économique de la fertilisation selon les différentes méthodes, pour déterminer laquelle est la plus avantageuse.
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4. MATÉRIEL ET MÉTHODES
4.1. Matériel
Pour répondre aux objectifs de ce mémoire, nous nous sommes servi d’une base de données qui est une compilation de résultats d’essais de fertilisation par différentes structures de recherche (AAC, IRDA, MAPAQ, ULAVAL), effectués dans différentes régions de la province de Québec entre 1993 à 2013, soit la Montérégie, la Mauricie, les Laurentides, Lanaudière, Québec, Saguenay-Lac st-Jean et Portneuf. Au total, cinquante-sept (57) essais de pomme de terre ont été analysés (Figure 5 et annexe 1). Les essais ont été conduits selon un dispositif en bloc complet randomisés et les doses ont varié entre 0 pour les témoins et 240 kg K2O ha-1 selon les sites. Plus de 77 % des sites ont été établies sur des sols à texture grossière (G3), 16 % sur des sols à texture fine (G1) et 7 % sur des sols à texture moyenne (G2). Les essais inclus dans la base de données ont été réalisé sur 27 séries représentant 10 classes texturales. Les classe texturales sont représentative des trois groupes G1 (loam sablo-argileux, loam argileux, loam limono-argileux, argile sableuse, argile limoneuse, argile et argile lourde) , G2 (loam graveleux, loam, loam limoneux) et G3 (sable, sable loameux, sable fin, loam sableux graveleux et loam-sableux) Plus de 25 cultivars ont été utilisé pour ses essais et les trois plus représenté étaient 49 % pour le cultivars Superior suivi de 42 % pour le cultivar Kennebec et 9 % pour le cultivars Norland.
Les prélèvements de sols pour analyse ont été réalisés au printemps de chaque année d’essais par la méthode de tarière hollandaise à une profondeur de 0 – 20 cm. De nouvelles analyses ont été effectuées au laboratoire de chimie des sols de l’université Laval pour les nouveaux essais (2010 à 2013). Sur une gamme de pH à l’eau variant de 4,25 à 6,90. Les éléments : potassium, calcium et magnésium ont été extraits par Mehlich3 (Mehlich, 1984) ou à l’acétate d’ammonium (NH4-OAc), (Hanlon et al., 1984) et dosés par absorption atomique (AA) ou par spectrophotométrie d’émission à plasma (SEP). Les engrais potassiques utilisés dans les expérimentations étaient le chlorure de potassium (KCl), le sulfate de potassium (K2SO4) et le Sulpo-Mag (K2SO4.2MgSO4) appliqués principalement en bande au semis.
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Figure 5. Carte des emplacements des sites d’essais
Les données compilées dans la base portaient sur l’historique des champs et l’implantation des cultures. Elles couvraient entre autres les descriptions de la culture : cultivar, densité de plantation, espacement sur le rang et entre les rangs, marché de destination (frais ou de transformation), identification des sites (coordonnées géographiques, groupe textural et pH), programme de fertilisation par site, dates (semis, application des engrais), précédent cultural.
4.2. Méthodologie :
4.2.1. Établissement des classes de fertilité
La première étape a visé la calibration d'un indice de fertilité pour chacun des éléments analysés selon les trois approches de diagnostic. La méthode Cate-Nelson (Nelson et Anderson, 1984) permet d’établir des valeurs critiques de fertilité qui aident à l’élaboration des grilles de fertilisation. La méthode de Cate-Nelson graphique consistait à maximiser le partage des données entre des quadrants positifs et négatifs sur un diagramme qui reliait les rendements relatifs des essais aux analyses de sol. Les quatre domaines ainsi délimités contiennent (1) des vrais positifs (rendement élevé, teneur élevée en élément), (2) des faux positifs (rendement faible, teneur élevée en élément), (3) des vrais négatifs (rendement faible, teneur faible en élément) et (4) des faux négatifs (rendement élevé, teneur faible en élément). La performance de la répartition est le nombre de vrais positifs et de vrais négatifs divisé par le nombre total d’observations.
Le principe de base de la méthode Cate-Nelson est d’évaluer le rendement relatif en fonction d’une base de fertilité. Le rendement relatif est calculé comme suit :
23 Rendement relatif (%) = 100 * Rendement témoin /Rendement maximum avec engrais
Souvent, la base de fertilité utilisée est l’analyse de sol. Un rendement relatif inférieur à 100% signifie que la culture a répondu positivement à l’ajout d’engrais, tandis qu’un rendement relatif supérieur à 100% signifie que l’ajout d’engrais a fait diminuer le rendement (Nelson et Anderson, 1984). La procédure de partition de Cate-Nelson permet de séparer le groupe de sites qui répond à la fertilisation du groupe qui ne répond pas. Et ce, par la sélection d’une valeur critique agronomique ou d’un seuil à partir duquel des classes ou des niveaux d’interprétation sont proposés.
Pour le diagnostic du niveau de suffisance en éléments fertilisants (SLAN), nous avons relié le rendement relatif à la fourniture du sol en potassium classée par ordre croissant. Ceci avait pour but de classifier la fertilité des sols par groupe de réponse aux applications d’engrais potassique selon la concentration du sol en potassium échangeable.
Pour le diagnostic par la méthode de la saturation en bases et des ratios de cations basiques (BCSR), ce sont les ratios molaires (une charge-équivalent) Ca/K, Mg/K et Ca/Mg qui ont été corrélés aux rendements relatifs en tubercules. Le poids équivalent de K est 39, celui de Ca est 20 et celui de Mg est 12.
Pour la méthode de l’analyse compositionnelle, nous avons calculé les logs ratios centrés (centred log ratio = CLR) comme suit :
𝑐𝑙𝑟 = ln(𝑥𝑖 𝑔(𝑥𝑗)) (17)
Où 𝑥𝑖 est une composante quelconque et𝑔(𝑥𝑗) est la moyenne géométrique de toutes les composantes (K, Ca et Mg, le tout en mg kg-1 de sol) sur lesquels ont porté les regroupements. Une valeur de remplissage Fv est calculée par différence entre la somme des résultats d’analyse (K+Ca+Mg en mg kg-1) et 106 mg kg-1. La moyenne géométrique peut inclure (CLR1) ou non (CLR2) la valeur de remplissage Fv.
4.2.2. Analyses statistiques :
Les logs ratios centrés ont été calculés à l’aide du logiciel Microsoft Office Excel 2007 (©2009 Microsoft Corporation) dans lequel les données de la base ont été compilées. Les effets de doses de potassium ont été analysés à chaque site par ANOVA avec le logiciel d’analyse statistique SAS 9.1.3 (SAS Institute Inc., 2004).La valeur critique de l’indice de fertilité, le R2, et les intervalles qui discriminent chacune des classes de fertilité ont été déterminés par la méthode de partition de Cate-Nelson (Parent et al., 2012)qui consiste à maximiser le partage des données entre des quadrants positifs et négatifs sur un diagramme qui relie le rendement relatif dans la parcelle témoin à l’analyse de sol. Les quatre domaines ainsi délimités contiennent (1) VN = des vrais négatifs (rendement élevé, teneur élevée en élément), (2) VP = des vrais
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positifs (rendement faible, teneur faible en élément) (3) FN = des faux négatifs (rendement élevé, teneur faible en élément), et (4) FP = des faux positifs (rendement faible, teneur élevé en élément). La valeur critique était celle au-delà de laquelle les rendements relatifs se stabilisaient aux environs de 80 %. La performance de la répartition fut calculée comme suit :
100 × (#VN + #VP) nombre total.
Des sous-groupes ont été bâtis à partir des classes de fertilité établies par la méthode de Cate-Nelson effectuée sur les teneurs des sols en KM-III, les différents ratios cationiques et les balances. La distribution des VN, VP, FN et VP selon l’indice de fertilité du sol a été comparée au SLAN par un test de distribution du khi deux sur logiciel Microsoft Office Excel 2007.
Après que les classes de fertilité avec les seuils agronomiques aient été établies, une méta-analyse a été effectuée par sous-groupe. Les effets synthétiques des ajouts d’engrais par classe de fertilité ont été analysés par la procédure mixte de Borenstein et al. (2009).
Les valeurs de ventes de la pomme de terre ainsi que les prix moyens de l’engrais potassique ont été tirées des publications de (Statistique Canada, 2013) afin d’évaluer le coût de l’engrais sur une période de 5 ans (2009 à 2013 inclusivement). Ce sont les valeurs de ventes pomme de terre à la ferme qui a été considérées.
La courbe de réponse aux ajouts d’engrais a été modélisée à partir des effets moyens pondérés dans chaque classe de fertilité. L’analyse économique a été effectuée sur la courbe de réponse en considérant le coût de l’engrais et le prix de la pomme de terre, selon les valeurs moyennes des 5 dernières années (engrais = 312 $ Mg-1 et pomme de terre = 296 $ Mg-1). Des doses optimales ont été établies pour chaque classe de fertilité.
4.2.3. Calcul du test de puissance.
Un test de puissance supérieur à 80 % signifie que l’ajout de fertilisant est nécessaire pour atteindre le rendement optimal du site (Hair et al., 1995). Sur le plan statistique, ce test équivaut à une erreur du type II ou erreur beta (β). Le test de puissance (1-β) vise à établir, dans un premier temps, la nécessité ou non de fertiliser pour atteindre le rendement potentiel pour chacune des classes de fertilité, mais sans spécifier de dose. Pour calculer la puissance, la moyenne et l’écart type des rendements relatifs doivent d’abord être calculé pour chacune des classes de fertilité. La puissance (ou l’efficacité de réponse à l’engrais K) est ensuite déterminée en suivant les trois étapes suivantes :
25 I. Mesurer la distance entre la moyenne « M » des rendements relatifs de tous les sites compris dans une même classe de fertilité et la valeur « V » située à un niveau de probabilité « α » (erreur de type I) égale à 0,05 selon la formule V = M + t0,05s/ √n, où « t0,05 » est la valeur du test de Student (unidirectionnel vers la droite avec (n-1) degrés de liberté), « s » est l’écart type des rendements relatifs dans une même classe de fertilité et « n » est le nombre de site dans cette même classe. II. Calculer « β » (erreur de type II) selon la formule P [(100-V) / (s / √n)], qui est la probabilité associée
à la valeur (100-V) / (s / √n) distribuée selon une loi de Student unidirectionnelle avec (n-1) degrés de liberté.
III. Calcul de la puissance : (1-β). 4.2.4. Calcul économique :
Pour le calcul économique, on évalue les gains et pertes engendrés par la fertilisation potassique. Pour cela, le coût lié à la fertilisation est déduit de la valeur du gain de rendement occasionné par celle-ci. Par exemple : Pour une valeur de l’effet égale à 1,250, nous avons un gain de rendement de 250 kg occasion par l’ajout de 75 kg de K2O ha-1. Le gain économique se calcul comme suit :
(Gain de rendement en kg x prix du kg de pomme de terre) – (dose de K2O en kg ha-1 x prix du kg de K20) = [(250 x 296)/1000] – [(75 x 312)/1000] = 50,6 $ (Tableau 6, ligne 1).
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5. RÉSULTATS
Les rendements moyens vendables des essais de la base de données variaient entre 7,5 et 53,3 t ha-1 pour les témoins, et de 16 à 53 t ha-1pour les doses optimales. Les teneurs des sols variaient comme suit : 17-255 mg K kg-1 de sol, 182-3177 mg Ca kg-1 de sol et 6-310 mg Mg kg-1 de sol.
5.1. Les partitions Cate-Nelson des trois méthodes :
La Figure 6 montre qu’avec la méthode SLAN, en dessous de 50 mg KM-III kg-1de teneur du sol en K, l’ajout de potassium améliorait les rendements. De 105 à 175 mg KM-III kg-1, les rendements relatifs se stabilisaient entre 80% et 100% du rendement maximum, et au-delà de la valeur de 175 mg KM-III kg-1, les rendements avaient tendance à demeurer stables ou à diminuer. La performance de la répartition était de 77%.
Figure 6. Graphique du rendement relatif (%) de la pomme de terre selon la teneur en potassium du sol (mg KM-III kg-1) en utilisant la méthode de Nelson. (La flèche rouge représente la première répartition Cate-Nelson. La flèche bleue est une tentative visuelle pour établir une autre répartition).
0 20 40 60 80 100 120 140 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 R e nde m e nt r e lat if (% ) K du sol (mg KM-IIIkg-1)
