Effet de sédiments d’étangs épurateurs combinés
avec des engrais minéraux sur la croissance de
l’avoine cultivée dans un substrat sablonneux
Mémoire
Étienne Dupont
Maîtrise en sols et environnement
Maître ès sciences (M.Sc.)
Québec, Canada
© Étienne Dupont, 2015
III
Résumé
Un essai en serre a été effectué pour évaluer l’effet de sédiments provenant d’étangs épurateurs et régulateurs de l’eau, en l’absence et en présence d’une fumure minérale (N-P-K), sur la croissance, la production de biomasse aérienne sèche (BAS) et la teneur en certains éléments traces métalliques (ÉTM) de l’avoine (Avena sativa L.) cultivée dans un substrat minéral peu fertile. En général, le rendement en BAS a augmenté avec les doses croissantes de sédiments et d’engrais. Bien que le sédiment contenait des éléments nutritifs, sa valeur fertilisante était très faible. Les hauts rendements ont été obtenus avec la combinaison d’engrais minéraux et de sédiments. Les concentrations des ÉTM dans la BAS n’ont pas causées de problèmes de phytotoxicité et étaient en deçà des normes établies. Les prélèvements aériens d’ÉTM les plus élevés ont été obtenus dans le cas des échantillons de sol ayant produit les rendements aériens les plus élevés.
V
Abstract
A greenhouse trial was conducted to evaluate the effect of sediments from scrubber and water ponds, in combination with inorganic fertilizers (NPK), on the growth, shoot biomass (SB) production and trace metal element (TME) concentration in SB of oat (Avena sativa L.) grown in a low fertile mineral substrate. In general, the shoot length and SB yield of the plant increased with increasing rates of sediment and inorganic fertilizer. Although the sediment contained nutrients, its fertilizer value was very low. The high SB yields were obtained with the combination of inorganic fertilizers and sediment. The concentrations of TME in SB were below typical phytotoxic levels. The uptake of the highest TME was obtained in the case of substrates that produced the highest yields of SB.
VII
Table des matières
RÉSUMÉ ... III ABSTRACT ... V TABLE DES MATIÈRES ... VII LISTE DES TABLEAUX ... IX LISTE DES FIGURES ... XI LISTE DES ABRÉVIATIONS ET SIGLES ... XIII REMERCIEMENTS ... XV
INTRODUCTION... 1
HYPOTHÈSE ... 2
OBJECTIF DE L’ÉTUDE ... 2
CHAPITRE 1 - REVUE DE LITTÉRATURE ... 3
1.1. PROBLÉMATIQUE DE L'ÉROSION AU CANADA ET AU QUÉBEC ... 3
1.2. PHÉNOMÈNES D’ÉROSION DUS AU POUVOIR ÉROSIF DE L’EAU ... 6
1.3. SOLIDES EN SUSPENSION, ÉLÉMENTS TRACES MÉTALLIQUES ET NUTRIMENTS ... 8
1.4. UTILISATION DES SÉDIMENTS EN AGRICULTURE ... 10
1.5. AUTRES PROPRIÉTÉS AGRONOMIQUES ... 13
1.6. UTILISATION DES SÉDIMENTS EN TANT QUE SUBSTRAT DE CULTURE ... 13
1.7. EFFET DES SÉDIMENTS SUR LA CROISSANCE ET LE RENDEMENT DES CULTURES ... 14
CHAPITRE 2 - MATÉRIEL ET MÉTHODES ... 17
2.1. SÉDIMENTS ... 17
2.2. SUBSTRAT DE CULTURE ... 19
2.3. ESSAI CULTURAL EN SERRE ... 20
2.4. PARAMÈTRES MESURÉS ... 21
2.5. ANALYSES STATISTIQUES ... 22
CHAPITRE 3 - RÉSULTATS ET DISCUSSION ... 23
3.1. EFFET DES APPORTS DE SÉDIMENTS ET D’ENGRAIS MINÉRAUX SUR LES PARAMÈTRES DE CROISSANCE DE L’AVOINE CULTIVÉE EN SERRE ... 23
3.2. EFFETS DES TRAITEMENTS SUR LA TENEUR EN QUELQUES ÉLÉMENTS TRACES MÉTALLIQUES DE LA BIOMASSE AÉRIENNE SÈCHE DE L’AVOINE. ... 30
CONCLUSION GÉNÉRALE ... 37
BIBLIOGRAPHIE ... 39
IX
Liste des tableaux
TABLEAU 1.1 TENEURS EN ÉLÉMENTS TRACES MÉTALLIQUES D’UN SOL AYANT REÇU DES DOSES D’ENGRAIS ET DE SÉDIMENTS DRAGUÉS (PARKPIAN ET AL., 2002). ... 12 TABLEAU 2.1 QUELQUES PROPRIÉTÉS PHYSICO-CHIMIQUES DU SÉDIMENT UTILISÉ DANS L’ESSAI CULTURAL. ... 19 TABLEAU 2.2 IDENTIFICATION DES TRAITEMENTS RELATIFS À L’UTILISATION DE SÉDIMENTS ET D’ENGRAIS MINÉRAUX DE
BASE (N, P ET K) POUR LA CULTURE DE L’AVOINE DANS UN SUBSTRAT MINÉRAL. ... 21 TABLEAU 3.1 PARAMÈTRES DE CROISSANCE DE L’AVOINE CULTIVÉE EN SERRE DANS UN SOL AYANT REÇU DES DOSES
CROISSANTES DE SÉDIMENT ET D’ENGRAIS MINÉRAUX. ... 26 TABLEAU 3.2 RÉSULTATS DE L’ANALYSE DE LA VARIANCE DES EFFETS SIMPLES DES TRAITEMENTS SUR LES PARAMÈTRES DE
CROISSANCE DE L’AVOINE CULTIVÉE EN SERRE. ... 29 TABLEAU 3.3 TENEURS (MG/KG) MOYENNES EN ÉLÉMENTS TRACES MÉTALLIQUES DES PARTIES AÉRIENNES DE L’AVOINE
CULTIVÉE DANS UN SUBSTRAT SABLONNEUX... 31 TABLEAU 3.4 QUANTITÉS (MG/KG) D’ÉLÉMENTS TRACES MÉTALLIQUES APPORTÉS AU SOL PAR LES DOSES DE SÉDIMENT. 32
XI
Liste des figures
FIGURE 2.1 BASSIN DE SÉDIMENTATION DU SITE DE ST-SAMUEL-DE-HORTON ... 17 FIGURE 3.1 CROISSANCE DE L’AVOINE : TRAITEMENTS 1 À 4. ... 24 FIGURE 3.2 CROISSANCE DE L’AVOINE : TRAITEMENTS 5 À 8, PRÉSENTANT UN TRAITEMENT (7) AFFECTÉ PAR UNE BUSE
D’ARROSAGE DÉFECTUEUSE. ... 24 FIGURE 3.3 CROISSANCE DE L’AVOINE : TRAITEMENTS 9 À 12 ... 25 FIGURE 3.4 CROISSANCE DE L’AVOINE : TRAITEMENTS 13 À 16. ... 25
XIII
Liste des abréviations et sigles
BAS : biomasse aérienne sèche ÉTM : éléments traces métalliques MAS : masse aérienne sèche Al : aluminium As : arsenic Be: beryllium Ca : calcium Cd : cadmium Co: cobalt Cu: cuivre Cr : chrome Fe: fer Hg : mercure Mn: manganèse N : azote Ni : nickel NH4: ammonium NO3: nitrate P: phosphore Pb: plomb Se: sélénium Tl : thallium V : vanadium Zn : zinc
XV
Remerciements
Je tiens à remercier chaleureusement Éric Van Bochove et Antoine Karam de m’avoir offert cette opportunité, mais principalement pour avoir été d’une grande patience pendant ma rédaction.
À Lotfi Khiari, qui m’a suggéré d’entreprendre des études de maîtrise, merci.
Les méthodes d'analyse physico-chimique utilisées ont été effectuées sous la supervision de Nadia Goussard, technicienne au Laboratoire de qualité de l'eau du
Centre de recherche et développement sur les sols et grandes cultures d’Agriculture et Agroalimentaire Canada à Ste-Foy, Québec. Sa contribution fut grandement
appréciée.
À mes parents, mon frère, ma copine, pour votre support et vos encouragements, merci.
À mes amis qui sont toujours là, merci.
À tous ceux qui ont cru, m’ont laissé tenter, ont su m’aiguiller, merci.
Pour ce qui est de l'avenir, il ne s'agit pas de le prévoir, mais de le rendre possible.
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Introduction
L’érosion des sols agricoles causée par les pluies, le ruissellement superficiel, la fonte des neiges au printemps et les tempêtes violentes de l’été est, de longue date, reconnue comme une source de production de sédiments au Québec.
Les sédiments en milieu agricole sont des particules solides minérales (argiles, carbonates, silicates, phosphates, etc.) et organiques pouvant être entraînées par le mouvement de l’eau (érosion hydrique) ou de l’air (érosion éolienne), puis déposées dans les cours d’eau et plans d'eau. Les sédiments issus de sols fertilisés et amendés avec des biosolides municipaux ou industriels transportent bien souvent de métaux toxiques ou de polluants organiques avec elles. Il est connu que l'apport de sédiments riches en éléments nutritifs favorise la prolifération des plantes aquatiques et des cyanobactéries (Hade, 2003), altérant ainsi la qualité des eaux de surface.
Pour améliorer le bilan agroenvironnemental, des étangs épurateurs et régulateurs de l'eau en bassin versant ainsi que des bassins de stockage d’eau et de sédimentation sont aménagés pour capter les particules de sol érodées. Toutefois, le devenir des sédiments stockés dans les bassins peut représenter un obstacle majeur au développement durable. Plusieurs stratégies de gestion des sédiments issus de l’érosion en milieu agricole ont été proposées, parmi lesquelles nous retrouvons leur valorisation agricole en tant que fertilisant ou amendement de sols peu fertiles. Par leur composition, les sédiments, une fois épandus sur des sols peu fertiles, peuvent augmenter le rendement des cultures. La matière organique contenue dans les sédiments est indispensable à la fertilité des sols pauvres en matières organiques, car elle peut contribuer à l'entretien d'une structure favorable au développement des racines.
De nombreux éléments traces métalliques (ÉTM), qui sont naturellement présents dans les sols érodés, et ceux apportés par les sédiments issus de sols amendés avec des biosolides mixtes de papetiers, sont indispensables aux plantes, font partie des oligo-éléments (Kabata-Pendias et Mukherjee, 2007). Toutefois, la teneur en certains ÉTM dans les sédiments issus de sols amendés avec des biosolides peut s'élever
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considérablement et devenir toxique pour la croissance des plantes agronomiques à haute dose. Également, des apports répétés de sédiments contaminés par des ÉTM pourraient, à long terme, provoquer dans le sol récepteur des accumulations incompatibles avec la qualité des sols et des cultures. Les ÉTM qui ne jouent aucun rôle utile pour les êtres vivants (Tremel-Schaub et Feix, 2005) et qui sont toxiques pour les plantes, les animaux et les humains sont le cadmium (Cd), le mercure (Hg) et le plomb (Pb) (Kabata-Pendias, 2011; Matech et al., 2014).
Bien qu’un guide de bonnes pratiques spécifiques au milieu agricole (matières résiduelles fertilisantes) ait été produit (Hébert, 2012), l’expertise québécoise en matière de valorisation agricole des sédiments issus de l’érosion des sols agricoles est limitée. Il existe un besoin en matière de recherche, de développement et de démonstration. Des possibilités de valorisation agricole peuvent exister pour amender des sols peu fertiles ou des terres marginales, ou pour fertiliser des cultures, mais tout en demeurant dans un cadre d'épandage contrôlé et réglementé.
Hypothèse
L’ajout de sédiments d’étangs épurateurs issus de l’érosion de sols fertilisés et amendés, seuls ou combinés avec des engrais minéraux, à un substrat pauvre en éléments nutritifs permet d’augmenter la biomasse aérienne de l’avoine ainsi que la teneur de certains ÉTM.
Objectif de l’étude
L’objectif principal de cette étude est de valoriser des sédiments provenant d’étangs épurateurs et régulateurs de l'eau à des fins d’amendement ou de fertilisant pour la culture de l’avoine (Avena sativa L.).
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CHAPITRE 1 - REVUE DE LITTÉRATURE
1.1. Problématique de l'érosion au Canada et au Québec 1.1.1. Érosion hydrique
L’érosion est un mécanisme par lequel les particules de sol sont déplacées. L’érosion hydrique comprend tout déplacement de particules dû à l’action de la pluie frappant le sol et éliminant des particules minérales et organiques des couches supérieures du sol (Favis-Mortlock, 2002). L’accumulation de cette eau cause du ruissellement qui transporte lesdites particules et peut, par le fait même, en soulever de nouvelles (Lens, 2005). Une autre forme d’érosion est l’érosion éolienne, qui se distingue de l’érosion hydrique parce que c’est le vent qui dégage, soulève et transporte les particules de sol et de matières organiques plutôt que l’eau. Elle ne sera pas abordée dans le présent cadre.
L'érosion hydrique est un phénomène naturel (Favis-Mortlock, 2002) qui se produit principalement lors de la fonte des neiges et lors des tempêtes violentes de l'été. Le sol érodé, entrainé vers les drains agricoles, les fossés ou autres voies d'eau, altère la qualité de l'eau par l'augmentation de la turbidité et l'augmentation de la sédimentation (van Vliet et al., 2005).
En 2001, 86 % des terres agricoles canadiennes étaient considérées comme à très faible risque d'érosion hydrique, représentant moins de 6 tonnes de perte de sol par hectare par an. Cela représente une amélioration de 8 % par rapport à l'année 1981 (van Vliet et al., 2005). On retrouvait 6 % des terres dans la catégorie de faible risque (6 à 11 t/ha/an), 4 % dans la catégorie de risque moyen (11 à 22 t/ha/an), 2 % dans la catégorie de risque élevé (22 à 33 t/ha/an) et finalement 2 % dans la catégorie de risque très élevé ( ≥ 33 t/ha/an) (van Vliet et al., 2005).
La baisse du risque d'érosion au pays est principalement due aux changements apportés aux systèmes culturaux et aux méthodes de travail du sol. En effet, malgré une superficie cultivée totale en hausse de 400 000 hectares en 20 ans, la diminution des jachères (de plus de la moitié) et le retrait des terres marginales ont aidé à réduire
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l'érosion. Un autre facteur positif dans la réduction de l’érosion hydrique, le travail réduit du sol a fait une progression appréciable, passant de nulle en 1981 à 42 % des superficies en 2001 (van Vliet et al., 2005).
Au niveau québécois, les types de cultures ont considérablement changé dans la période visée, passant principalement des cultures fourragères aux cultures en rang, ce qui assure une moins bonne protection contre l'érosion. Le taux d'adoption de 20 % du travail réduit a neutralisé les effets néfastes du passage aux cultures en rang. Il n'y a donc pas eu de variation notoire dans les risques d'érosion hydrique au Québec (van Vliet et al., 2005).
En 2001, on retrouvait 71 % des terres dans la catégorie de très faible risque, 15 % des terres dans la catégorie de faible risque, 6 % dans la catégorie de risque moyen, 4 % dans la catégorie de risque élevé et finalement 4 % dans la catégorie de risque très élevé (Vliet et al., 2005). Compte tenu des quantités de sol possiblement perdues, on estime que les terres canadiennes présentant un risque très important d'érosion hydrique – parfois négligées dans les programmes de conservation à grande échelle – sont responsables de 16 % des pertes totales de sol. En orientant les efforts de conservation vers les sites les plus vulnérables (approximativement 2 % des terres agricoles canadiennes), on obtiendrait une réduction considérable de l'érosion hydrique (van Vliet et al., 2005).
Un projet tel que celui des étangs épurateurs et régulateurs de l'eau en milieu agricole n'influe pas sur l'érosion, mais est plutôt un outil permettant de réduire les effets de ce phénomène naturel sur les habitats en aval des terres agricoles. Un complément, donc, aux efforts de réduction de l'érosion du sol par l'eau.
1.1.2. Érosion attribuable au travail du sol
Beaucoup d'instruments aratoires déplacent les sols, phénomène amplifié dans le cas d'un sol pentu. Même dans le cas de labours en travers de la pente d'une terre en angle, une plus grande proportion de particules de sol est déplacée vers le bas de la pente (Little et al., 2005; van Vliet et al., 2005; Tiessen, 2009). Ainsi, l'accumulation
5 progressive de sol à la base des pentes est très difficile à prévenir, même lorsque l'on prend les précautions recommandées pour l'exécution des travaux au champ. Les méthodes de culture intensive, les labours et les pentes courtes mais escarpées sont les principaux facteurs de risque de l'érosion lors de l'intervention humaine au champ (van Vliet et al., 2005). L'érosion attribuable au travail du sol influe sur l'érosion hydrique ou éolienne, principalement en exposant le sous-sol, plus sensible aux phénomènes d'érosion.
L'érosion que l'on pourrait qualifier d'anthropique est aussi responsable du déplacement mécanique du sol vers des endroits plus sensibles à l'érosion, le milieu et le bas de pentes, là où l'eau de ruissellement a accumulé plus d'énergie et peut emporter plus de sol (Tiessen, 2009). La perte de sol dans le haut des pentes entraine une baisse des rendements qui n’est pas compensée par l’accumulation de sol dans le milieu ou le bas des pentes où l’érosion hydrique est plus active, ce qui peut entraîner une hausse de l’utilisation d’intrants (Tiessen, 2009).
Il est possible de réduire l’érosivité des interventions humaines au champ en s’assurant que certains paramètres de l’intervention soient bien adaptés au besoin de la culture et au paysage. Il faut donc bien choisir le modèle et type d’instruments aratoires, réduire au minimum recommandé la profondeur et vitesse de travail du sol, réduire le nombre de passages, réduire la taille des instruments aratoires, etc. (Tiessen, 2009).
Au Canada, le risque d'érosion par la méthode du travail du sol a constamment diminué entre 1981 et 2001. Une baisse de 43 % de l'érosivité des méthodes utilisées a permis une diminution de 48 % de l'érosion de ce type. En 2001, 50 % des terres étaient dans la catégorie de risque très faible pour l'érosion par la méthode de travail, 26 % dans la catégorie faible, 22 % dans la catégorie de risque moyen et 2 % et 0 % dans les catégories de risque élevé et très élevé (van Vliet et al., 2005).
Il y a eu une baisse dans l'érosion par les méthodes de travail de 1981 à 2001, la catégorie de très faible risque passant de 38 % à 50 %, la progression la plus notable étant de 1996 à 2001 (+ 7 %). Ce qui a eu le plus grand effet sur la réduction de
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l'érodabilité fut l'adoption du semis direct dans les cultures céréalières ainsi que, comme mentionné précédemment, la diminution des jachères et des labours (van Vliet et al., 2005).
Au Québec, 70 % des terres sont considérées comme ayant une très faible érodabilité. L'érosivité des méthodes a augmenté due à l'augmentation des superficies consacrées aux cultures intensives ou en rang, mais cela a eu peu d'influence en raison des caractéristiques avantageuses des sols québécois (van Vliet et al., 2005). Le Québec présentait en 2001 45 % de sa superficie cultivée dans la catégorie de très faible risque, 39 % dans la catégorie de faible risque et 13 %, 2 % et 1 % respectivement dans les catégories de risque moyen, élevé et très élevé. L'évolution dans le type de culture se reflète dans l'évolution de la catégorie de risque très faible, qui est passé de 61 % en 1981, à 45 % en 2001 (-16 %) et la catégorie de faible risque qui est passé de 20 à 39 % (+ 19 %, dont 3 % proviennent de la catégorie de risque moyen) (van Vliet et al., 2005).
Le Québec présente un des plus forts taux d'érosivité de ses pratiques culturales et est l'une des deux provinces à présenter une augmentation de cette érosivité (+13 % entre 1981 et 2001) (van Vliet et al., 2005). L'adoption massive des cultures en rang, de 10 % des superficies en 1981 à 35 % en 2001 (van Vliet et al., 2005) et 54,6 % en 2011 (Canada, 2012), est à pointer du doigt, mais aussi un certain retard dans l'adoption de méthodes moins dommageables, telles que le semis direct, le chisel au lieu de la charrue à soc, les labours en remonte-pente, etc. (van Vliet et al., 2005).
1.2. Phénomènes d’érosion dus au pouvoir érosif de l’eau 1.2.1. Érosion en nappe
Il s’agit d’un écoulement uniforme, non concentré dans l’espace, de l’eau. Le mouvement de l’eau peut alors entrainer des particules fines. Son caractère diffus le rend difficilement détectable, mais il peut causer des pertes importantes de sol. Les rendements dans les zones affectées sont plus faibles et la couche arable est plus mince, due aux pertes de sol. Ce phénomène est favorisé par des sols ayant une faible rugosité et une faible capacité d’infiltration (Beaulieu et al., 2007).
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1.2.2. Ravinement au champ ou des berges
Le ravinement est causé par un ruissellement de surface se concentrant dans l’espace. L’érosion, provoquée par le déplacement de l’eau emportant une grande quantité de sol, crée des canaux d’écoulement qui s’approfondissent en fonction de la gravité de la problématique. Ce phénomène peut être dû à un événement météorologique particulier ou à un changement d’utilisation du sol en amon. Il est observé en plein champ ou aux environs des raies de curage, fossés et autres cours d’eau en champ agricole (Beaulieu et al., 2007).
1.2.3. Résurgence d’écoulement hypodermique ou de nappe phréatique
Il y a résurgence d’écoulement hypodermique ou de nappe phréatique lorsque de l’eau provenant du système hydrologique souterrain ressort dans une pente. Ce phénomène est difficile à distinguer des dépressions humides qui elles peuvent être causées par d’autres phénomènes tels que des nappes perchées. Lorsque l’eau rencontre un obstacle souterrain ou si la nature du sol traversé varie brusquement et cause une déviation dans le flot d’eau, l’eau, en ressortant de la terre et en suivant la pente naturelle à la surface, peut alors causer de l’érosion de surface (Beaulieu et al., 2007).
1.2.4. Érosion des berges due à l’effet gravitaire
Le phénomène d’érosion des berges dû à l’effet gravitaire est attribuable à l’effet érosif d’un cours d’eau lorsque le fil de l’eau est dévié par un obstacle ou que la direction du cours d’eau change brusquement. La berge se dégrade alors jusqu’au point où les matériaux de la berge se situant au-dessus de la ligne d’eau ne peuvent plus résister aux forces gravitationnelles (Cazelais et al., 2008). L’érosion des berges est aussi problématique aux confluences de cours d’eau à vocation agricole, due aux débits importants, aux différences d’élévation et à d’autres facteurs tels que l’angle dans lequel le tributaire se jette dans le plus grand des cours d’eau, ce qui pourrait
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créer le même phénomène que pour les changements de direction des cours d’eau (Beaulieu et al., 2007).
Pour des sols peu cohérents, le phénomène ressemble souvent à des affaissements successifs faisant reculer la limite haute de la berge. Dans des sols cohérents, le sol au bas de la berge est emporté par le courant alors que le sol en haut de la pente n’est pas déplacé. Lorsque les matériaux ne peuvent plus résister à cause d’une charge excessive, d’une saturation en eau ou simplement si la pente devient trop abrupte, le sol s’effondre (Cazelais et al., 2008).
1.2.5. Érosion due au phénomène de boulance
La boulance est un phénomène qui est lié à une fragilisation de la rive par une résurgence de la nappe phréatique ou d’une nappe perchée, souvent dans la partie inférieure de la berge. Cette résurgence crée une couche fragilisée qui, en plus d’être entrainée par le mouvement de l’eau, se détache plus facilement de la masse. Ce phénomène peut entrainer ensuite de l’érosion due à l’effet gravitaire (Cazelais et al., 2008).
1.3. Solides en suspension, éléments traces métalliques et nutriments 1.3.1. Problématique du transport de métaux par ruissellement
Il est important de garder à l’esprit que plusieurs éléments traces métalliques (ÉTM) métaux dits lourds (As, Cd, Cu, Cr, Fe, Hg, Mn, Ni, Pd, V et Zn) sont nécessaires à la croissance et à la bonne santé des plantes, mais seulement en concentration minime. Ils deviennent problématiques lorsque leur teneur dépasse une certaine limite dans la plante (CRAAQ, 2010). Une autre limitation est la concentration acceptable pour l'utilisation du matériel végétal. Ainsi, il existe un seuil acceptable pour l’alimentation humaine, un autre pour l’alimentation animale, un pour les plantes d’ornement et finalement un à partir duquel l’élément visé devient toxique pour la plante (CRAAQ, 2010). Bien que présents naturellement dans les sols, les métaux lourds deviennent problématiques principalement dues à des apports anthropiques, apports dont les sources sont multiples. Par exemple, des engrais phosphatés
9 contiennent aussi, à des concentrations diverses, divers métaux tels que As, Cd, Cr, Pd, Hg, Ni et V (Quinton et Catt, 2007). Ces métaux ÉTM se retrouvent alors en surface ou incorporés à faible profondeur, ce qui peut causer des problématiques d’accumulation.
La principale source de Zn, Ni, Pb, Cd, As et Hg dans les sols serait la pollution atmosphérique, ces molécules se déposant en surface (Quinton et Catt, 2007). Une fois dans les sols, elles ont tendance à s’accumuler dans les couches superficielles grâce à leur capacité d’absorption sur les particules du sol (principalement argiles et limons) et sur la matière organique.
Les proportions de particules de différentes masses varient en fonction de l’intensité des événements de ruissellement (fortes pluies, fonte des neiges, etc.). Les pertes de particules de faible masse sont, de façon relative, les plus importantes lors des événements de moindre intensité. La charge totale de métaux augmente lors des événements d'importance, mais la concentration (charge par volume d’eau de ruissellement) diminue.
Ainsi, les pertes de sol dues aux événements pluviaux de faible intensité (plus nombreux que ceux de forte intensité) comptent pour 50 % des pertes totales de sol, mais on remarque une proportion plus importante des pertes de métaux pour ces événements; 63 % pour le Cr, 71 % pour le Cu, 59 % pour le Ni et 52 % pour le Pb (Quinton et Catt, 2007). Donc, les événements pluvieux de faible intensité sont responsables de plus de pertes de sol que leur intensité pourrait le suggérer, mais surtout la perte de métaux qui leur est due est plus importante encore. La création d’un système tel que les étangs étudiés est une solution élégante à cette problématique, réduisant la quantité de particules chargées se rendant dans les cours d’eau environnants.
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1.3.2. Problématique du transport de nutriments par ruissellement
L’azote, le potassium et les micronutriments divers ne sont pas considérés comme problématiques dans la phase particulaire du ruissellement, contrairement au phosphore (CRAAQ, 2010). On démontre une relation directe entre la concentration en phosphore (P) total dans le ruissellement et la concentration en P particulaire (Little et al., 2005) que l’on retrouvera dans nos sédiments.
L'importance de récupérer le plus possible de ce P provient du fait qu'il peut constituer une proportion majeure du P biodisponible. Cette fraction du P total, le P réactif particulaire, peut représenter jusqu'à 55 % du P particulaire (Uusitalo, 2003), et le P particulaire pouvant représenter jusqu'à 94 % du P total (Uusitalo et Ekholm, 2003). Les données de composition du P total sont variables selon les situations. Par exemple, le P dissous, pratiquement réactif à 100 %, est fortement majoritaire dans certains cas, au point où le P particulaire ne représente plus que 11 % du P total (Shigaki et al., 2007).
D'autres études (Mabit et al., 2002; Kleinman et al., 2006) donnent des valeurs différentes, mais une constante ressort: le phosphore particulaire serait dominant dans les sols avec une faible capacité de drainage ou à forte pente, deux situations où l'infiltration de l'eau est limitée. Ainsi, l'intensité d'une précipitation donnée est négativement corrélée à la concentration en P et en N dissout, mais positivement corrélée à la perte de masse de sol (donc de phosphore particulaire) (Kleinman et al., 2006).
1.4. Utilisation des sédiments en agriculture
1.4.1. Effet des sédiments sur les propriétés du sol
Grâce à leur contenu en particules fines et grossières, en matières organiques et en éléments nutritifs, les sédiments peuvent améliorer les propriétés chimiques et physiques des sols. De nombreux auteurs (Bakšienė, 2004; 2009; Bakšienė et al., 2011; Booth et al., 2007) ont trouvés que les apports répétés (1995, 1998, 1999 et 2003) de sédiments lacustres au taux de 100 t/ha à un Cambisol de texture loam
11 sableux a rehaussé la quantité d’azote total du sol de 0,002-0,021 % et celle de l'humus de 0,53 %. La quantité de cations basiques échangeables a augmenté très légèrement avec les doses d’application. Les autres propriétés du sol qui ont enregistré une hausse sont la teneur en eau (1 à 1,5 %) et la porosité totale du sol (7,89 %), tandis que la densité apparente moyenne du sol a diminué de 0,15 mg m-3 (Bakšienė, 2009). Ces effets bénéfiques seraient encore plus grands dans le cas où les sédiments seraient compostés dans un mélange contenant de fumiers (Bakšienė, 2009).
Les sédiments, en plus d’une potentielle source de fertilisants, peuvent être utilisés en tant que source de matière organique, d’éléments calcaires ou siliceux (Bakšiene et Janušiene, 2005; Bakšienė et Asakaviciute, 2013). Par exemple, des sédiments classés comme organiques (50 à 90 % de matière organique), en opposition à calcaires (30 à 60 % d’équivalent CaCO3) ou siliceux (25 à 45 % de dioxyde de silice) (Bakšienė, 2004). Dans une autre publication parue en 2011, Bakšienė et al. rapportent que les sédiments calcaires ont diminué l'acidité du sol, alors que les sédiments organiques et siliceux n'ont eu aucun effet sur l'acidité du Cambisol.
1.4.2. Effet d'applications de sédiments en tant qu’amendement sur l’accumulation d’éléments traces métalliques dans le sol
Un des facteurs limitants potentiels de l’utilisation des sédiments en tant que matière fertilisante est la possibilité d’une accumulation de métaux dans les sols ou les plantes cultivées. Parkpian et al., (2002) ont évalué l’effet de l’application de doses croissantes (28 et 42 tonnes / ha ou équivalent à 100 kg N / ha et 150 kg N / ha ) de sédiments dragués de la rivière Saigon sur l’accumulation de certains métaux dans un sol agricole. Ces doses ont apporté une quantité accrue de métaux dans le sol (Tableau 1.1). Les auteurs ont procédé au fractionnement chimique des métaux et à la détermination de la concentration de quelques ÉTM sous forme disponible dans les sédiments dragués à l'aide du réactif DTPA (acide diéthylènetriamine pentaacétique). Les données obtenues par (Parkpian et al., 2002) montrent une augmentation de la teneur en métaux disponibles du sol due à l’application des sédiments et à la baisse
12
importante qui a lieu au cours de la saison de croissance de cette fraction disponible. Cette baisse est due, selon les auteurs, à trois facteurs :
1) l’absorption par les plantes (notamment dans le cas du zinc), 2) la transformation en formes amorphes et
3) les pertes dans l’environnement.
Les concentrations des métaux disponibles dans le sol sont majoritairement positivement corrélées avec les quantités de métaux prélevés par la plante. Les quantités de métaux absorbés dans les plantes semblent dépendre d’une multitude de facteurs qui n’ont pu être isolés. Les auteurs remarquent tout de même une corrélation entre certains métaux biodisponibles et la teneur dans une et/ou l’autre partie de la plante. On remarque aussi que les traitements où les sols ne sont pas amendés donnent des plants contenant moins de métaux, suivi des traitements d’engrais minéraux puis des sédiments. La hausse en épandage d’engrais ou de sédiments semble aussi être un facteur faisant augmenter la teneur en métaux (Parkpian et al., 2002). La conclusion que les auteurs tirent de cette expérience d’une saison de croissance seulement est qu’à très court terme, l’utilisation de sédiments pollués n’est pas problématique d’un point de vue des rendements agricoles (Parkpian et al., 2002).
Tableau 1.1 Teneurs en éléments traces métalliques d’un sol ayant reçu des doses d’engrais et de sédiments dragués (Parkpian et al., 2002).
Traitement (kg N/ha, origine)
Taux d'application
(t/ha)
Quantités de métaux (kg/ha)
Cu Zn Pb Ni Cd
100, Engrais 0,625 0,004 0,048 0,008 0,012 0,001 150, Engrais 1,094 0,007 0,085 0,015 0,020 0,002 100, Sédiment 28 6,730 70,280 9,770 2,660 0,560 150, Sédiment 42 10,100 10,420 14,660 3,990 0,840
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1.5. Autres propriétés agronomiques
Les sédiments, en plus d’une potentielle source de fertilisants, peuvent être utilisés en tant que source de matière organique, d’élément calcaire ou siliceux. Par exemple, des sédiments classés comme organiques (50 à 90 % de matières organiques), en opposition à calcaires (30 à 60 % d’équivalent CaCO3) ou siliceux (25 à 45 % de dioxyde de silice) (Bakšienė, 2004). Les sédiments ont été mélangés avec une autre source de nutriments pour obtenir une amélioration des rendements. On remarque que dans tous les cas, les sédiments ont comme effet une augmentation appréciable de la teneur en eau du sol. Les sédiments organiques et siliceux ont permis d’augmenter la porosité, par le fait même diminuant la densité apparente des sols. Aussi, l’application de sédiments calcaires serait plus efficace que la chaux à quantité égale d’équivalents CaCO3 dans l’amélioration des propriétés des sols (Bakšienė, 2004). Au niveau des rendements, on note 46 % d’amélioration avec 100 t/ha de sédiments siliceux, 20 % pour 40 t/ha de sédiments organiques. Une application de 65 t/ha de fumier hause le rendement de 27 %, équivalent à 25 t/ha de sédiments calcaires (Bakšienė, 2004). Il est affirmé que lorsqu’utilisés avec des engrais minéraux, ou lorsque les sols fertilisés avec des sédiments ont un passé d’épandage d’engrais minéral, l’efficacité est décuplée (Bakšienė, 2004). Ainsi, un traitement de 100 t/ha de sédiments siliceux et 40 t/ha de sédiments organiques permet d’obtenir des améliorations de 34 et 30 % respectivement sur des sols au passé de fertilisation minérale. Dans des conditions similaires, le traitement de 65 t/ha de fumier fait augmenter le rendement de 27 % (Bakšienė, 2004).
1.6. Utilisation des sédiments en tant que substrat de culture
Les sédiments pourraient être utilisés en tant que substrats dans divers mélanges (biosolodes, composts). À titre d’exemple, Diaz et Darmody (2004), ont mélangé des sédiments fluviatiles avec de la perlite, de biosolides municipaux, de compost provenant du site d’enfouissement local ou du fumier de cheval pour la culture de l’orge et d’haricots. Il s’est avéré que le mélange de biosolides et de sédiments à proportion égale (50 %-50 %) était celui qui a offert le meilleur rendement dans le
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cas d’orge et 70 % de sédiments avec 30 % de biosolides dans le cas de haricots. (Diaz et Darmody, 2004). Les mélanges de biosolides et de sédiments permettent d’atteindre un équilibre entre les avantages et désavantages de chaque produit pris séparément. Ainsi, les biosolides présentent une salinité élevée qui est contrebalancée par la salinité faible des sédiments. Le pH des sédiments est de 7,6 (valeure supérieure au pH cible de 5,5 à 6,5 généralement visé) et celui des biosolides est de 6,0, ce qui est idéal (Diaz et Darmody, 2004). Les ratios sédiments : biosolides offrant les meilleurs résultats ont un pH approximatif de 6,8 (50 %-50 %) et 7,1 (70 %-30 %). Bien que ces mesures soient légèrement supérieures à ce qui est désiré, l’utilisation d’engrais minéral (généralement reconnu comme agent acidifiant) permettrait l’atteinte des valeurs visées (Diaz et Darmody, 2004). Les concentrations en phosphore et en calcium tendent à augmenter entre l’analyse effectuée avant les semis et celle effectuée après la seconde récolte, alors que ces critères diminuent dans le cas du substrat de contrôle.
Globalement, les sédiments seuls ou mélangés présentent des caractéristiques plus stables dans le temps que le substrat utilisé en contrôle (Diaz et Darmody, 2004). La conclusion des auteurs est que les sédiments et les biosolides municipaux sont des ressources qui sont présentes en quantité pratiquement infinie (puisque leur renouvellement est constant et prévisible), et que leurs qualités agronomiques sont excellentes lorsqu’utilisées dans les bonnes conditions (Diaz et Darmody, 2004).
1.7. Effet des sédiments sur la croissance et le rendement des cultures
L’efficacité des sédiments d’origines diverses en tant que source d’éléments nutritifs pour des plantes est reconnue (Fonseca et al., 2003; Ahipathy et Puttaiah, 2007; Bakšienė, 2009). L’utilisation de sédiments promeut tous les indicateurs de croissance (vitesse de croissance, période de floraison et de fructification, ouverture des fleurs, nombre et masse des fruits, etc.) tant que la texture et la porosité demeurent dans les limites recommandées (Fonseca et al., 2003). La forte teneur en nutriments, sous des formes solubles ou échangeables, est aussi notée comme un élément contribuant positivement au pouvoir fertilisant.
15 Dans un essai cultural mené en serre, Woodard (1999) a évalué la valeur fertilisante d’un sédiment dragué d'un lac d'eau douce dans le Dakota du Sud mélangé avec différentes proportions (sur base de volume sec) d’une couche arable d’un sol agricole ou d’un sable. Les plantes cultivées dans les substrats étaient le maïs (Zea
mays L.), le soja (Glycine max L.), le tournesol (Helianthus annus L.), la luzerne
(Medicago sativa L.) et le barbon de Gérard (Andropogon gerardii Vitman). Les résultats obtenus ont montré que le rendement en matière sèche des parties aériennes des plantes ainsi que les concentrations et les prélèvements (concentration x rendement) de N, P et K des parties aériennes n'ont pas diminué lorsque le volume du sédiment mélangé avec le sol est passé de 25 % à 100 %. Cependant, le rendement en matière sèche des parties aériennes des plantes ainsi que les concentrations et les prélèvements (concentration x rendement) de N, P et K des parties aériennes ont considérablement augmentés avec l’augmentation de la proportion de sédiments mélangés avec le sable. L’auteur a conclu que les sédiments de fond dragués du lac pourraient être appliqués sur un sol agricole sans pour autant nuire à la croissance des plantes. L’ajout du sédiment aurait amélioré la fertilité chimique et physique du sable. Dans un essai en serre, Darmody et al. (2004) ont évalué l’effet de sédiments calcaires de la rivière Illinois (centre de l’Illinois) sur la croissance et le rendement de plantes agronomiques. Les résultats ont indiqué que la laitue (Lactuca sativa L.), l'orge (Hordeum vulgare L.), le radis (Raphanus sativus L.), la tomate (Solanum
lycopersicum L.), et le haricot vert (Phaseolus vulagaris L. var . Humillis) cultivés
dans ces sédiments et dans une couche de sol arable n'ont pas montré de différences significatives sur le plan de la germination ou le rendement. Ils ont conclu que ces sédiments, relativement peu contaminés aux métaux lourds, peuvent être utilisés comme un sol productif ou substrat de culture en raison de leur fertilité naturelle et une capacité de rétention d'eau, et que l'absorption de métaux par les plantes cultivées dans ces sédiments n’est généralement pas une préoccupation.
Dans une autre étude publiée, Ebbs et al. (2006) ont évalué la valeur fertilisante de ce même sédiment en tant que milieu de croissance pour le brocoli (Brassica oleracea L.), la carotte (Daucus carota L.) et le piment (Capsicum annuum L.). Ils ont conclu
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que le sédiment calcaire pourrait être utilisé pour la production de légumes destinés à la consommation humaine. L’effet positif à long terme de l’application de sédiments a aussi été démontré (Bakšienė, 2009). À long terme (11 saisons de culture), l’application de fortes doses de sédiments (de 50 à 100 t/ha) a un potentiel supérieur pour l’amélioration des rendements (25 à 30 %) que l’application de quantités équivalentes de fumier (21 à 25 %). Les propriétés du sol sont aussi améliorées, telles que le contenu en eau des sols qui démontre une hausse entre 1 et 1,5 % , la porosité totale du sol en hausse de 7,89 % et la densité moyenne du sol qui diminue de 0,15 mg/m3. On note aussi une hausse de la quantité de cations échangeables (entre 11,8 et 48 méq/kg) dans les sols traités. Ces effets bénéfiques seraient encore plus grands dans le cas où les sédiments seraient compostés dans un mélange contenant des fumiers (Bakšienė, 2009).
Dans le cas où les sédiments et l’eau d’une rivière fortement polluée sont utilisés en tant qu’amendement et d’eau d’irrigation (Ahipathy et Puttaiah, 2007), les rendements peuvent être grandement améliorés sans effet nocif sur la qualité de la culture. Des cas extrêmes (rejets d’usines de caoutchouc ou de papetières utilisés en tant que source de nutriments et d’eau d’irrigation) peuvent réduire le taux de germination de certains types de plants, mais aucune accumulation nocive dans les portions comestibles n’est notée (Ahipathy et Puttaiah, 2007).
Ces cas ne seraient pas permis dans le cadre de la réglementation québécoise (Hébert et al., 2012). La faible nocivité et accumulation de métaux pourrait être liée à la grande quantité de carbone organique présent dans les effluents industriels, ce qui rendrait les métaux solubles moins disponibles. Le processus expliquant ce phénomène n’est pas décrit. Un paramètre suceptible d’expliquer cette observation serait le pH légèrement alcalin rendant la plupart des métaux non disponibles à l’absorption par les plantes (Ahipathy et Puttaiah, 2007). La conclusion est que malgré le niveau élevé de contaminants dans les sédiments et l’eau de la rivière, ces matériaux permettent un gain important de rendement (Ahipathy et Puttaiah, 2007).
CHAPITRE 2 - MATÉRIEL ET MÉTHODES
2.1. Sédiments
Les sédiments d’étangs épurateurs et régulateurs de l'eau proviennent de bassins de sédimentation installés sur un site d’essai expérimental d’Agriculture et Agroalimentaire Canada (AAC), dans le village de St-Samuel-De-Horton, près de Victoriaville, dans la région du Centre-du-Québec.
Figure 2.1 Bassin de sédimentation du site de St-Samuel-De-Horton 1
Les champs des sols avoisinant les bassins possèdent une pente faible (3 %) et le drainage est lent (Série St-Jude et St-Jude Fin) (Choinière et Laplante, 1948). Le prélèvement des sédiments s’est fait manuellement à l’aide d’une pelle-pince à sédiment utilisée dans le laboratoire de qualité de l’eau d’AAC. Les sédiments ont été stockés dans des bacs de plastique et mis au réfrigérateur le plus rapidement possible. Le prélèvement s’est fait au cours du mois d’août 2009. Les champs où les étangs épurateurs d’eau étaient aménagés reçurent environ 215 tonnes (sur une base humide) de boues de papetières et de boues mixtes entre 2003 et 2006 (Annexes 1A à 5A). Ces boues ne furent pas incorporées en profondeur dans les sols en raison de la pratique du semis direct sans labour. L'épandage de ces biosolides semble avoir été
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fait de façon laxiste, puisque l'on retrouvait des croûtes où les cultures étaient moins vigoureuses ou ne poussaient simplement pas. Les sédiments des quatre bassins ont été mélangés en parts égales en fonction de la masse de matière sèche. Ils ont été séchés à l’air et tamisés à 2 mm puis mélangés et homogénéisés pour former un échantillon composite.
Les méthodes analytiques utilisées sont celles du manuel des méthodes d’échantillonnage et d’analyse des sols (CPVQ, 1988; Carter et Gregorich, 2008). La granulométrie du sédiment composite a été déterminée par la méthode de l’hydromètre. Le pH a été déterminé par potentiométrie dans l’eau distillée en utilisant un rapport sol :solution de 1 :1 (P/V). Le contenu en matières organiques du sédiment a été déterminé par voie humide par la méthode de Walkley-Black modifiée. La teneur de N minéral (N-NH4 + N-NO3) dans le sédiment a été déterminée au moyen d’une solution de KCl (2N) tandis que le N total a été mesuré par la méthode d’analyse avec digestion micro-Kjeldahl (Nkonge et Ballance, 1982). Les éléments nutritifs disponibles (P, K, Ca, Mg) ont été extraits suivant la méthode de Mehlich 3. Les oxydes et hydroxydes libres (sesquioxydes) d’aluminium, de fer et de manganèse ont été extraits au moyen des solutions suivantes: l’oxalate acide d’ammonium et le pyrophosphate de sodium. Le contenu en éléments traces métalliques totaux (Hagedom, 2008) a été obtenu après une digestion acide à l'aide d'acide nitrique concentré (69-70% HNO3) et H2O2 (30%). Il est à souligner que cette méthode n’extrait pas complètement le métal lié aux phyllosilicates (forme récalcitrante), mais extrait la quantité totale de métal susceptible d’être mobile dans le sol (Hagedom, 2008). Les principales propriétés de l’échantillon de sédiments composite sont présentées dans le Tableau 2.1.
19 Tableau 2.1 Quelques propriétés physico-chimiques du sédiment utilisé dans l’essai
cultural. Paramètres Valeur pH 6,94 Granulométrie Sable (%) 69,2 Argile (%) 5,4 Limon (%) 25,4 Matière organique (%) 2,3 Azote (mg/kg) N-NH4 1,75 N-NO3 2,28 Nt 16,15
Indice d’éléments disponibles (Mehlich 3) (mg/kg)
Ca 1150,0
K 68,5
Mg 48,8
Mn 10,3
P 18,6
Éléments traces métalliques mobiles
(digestion à l’acide nitrique concentré) (mg/kg)
Al 109,0 Be 0,3 Cd 0,1 Co 7,0 Cr 73,0 Cu 61,2 Ni 128,0 Pb 4,1 Zn 60,0 2.2. Substrat de culture
Le substrat de culture (sol) utilisé comme support pour la croissance de la plante est composé de 60 % (m/m) de silice commerciale (2 mm) et de 40 % (m/m) de sable grossier. La silice et le sable grossier, considérés comme relativement inertes (ou fournissant très peu d’éléments nutritifs), proviennent des laboratoires du Centre de recherche et de développement sur les sols et les grandes cultures d’Agriculture et Agroalimentaire Canada à Sainte-Foy. Les doses de sédiments et d’engrais ont été incorporées à une profondeur de 2,5 cm.
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2.3. Essai cultural en serre
Plusieurs portions de substrat minéral ont été mélangées avec trois doses de sédiments composites et trois doses de fumures minérales. Chaque répétition était faite dans un pot contenant 3,4 kg d’un mélange de sable de silice tel que décrit précédemment. Les doses de sédiments et leur apport en nutriments majeurs sont présentés au Tableau 2.2.
Les doses de la fumure minérale étaient 0,5x, 1x et 2x, ou x est la dose normale de fumure minérale complète recommandée par le CRAAQ (2003) pour l’avoine cultivée dans un sol possédant une fertilité très faible. Ainsi, les doses de l’engrais azoté (nitrate d’ammonium et de calcium, 27-0-0) correspondaient à 25, 50 et 100 kg/ha, celles de l’engrais phosphoré (superphosphate triple, 0-46-0) correspondaient à 30, 60 et 120 kg/ha et celles de l’engrais potassique (muriate de potassium, 0-0-60) correspondaient à 40, 80 et 160 kg/ha.
Deux substrats témoins, l’un n’ayant reçu aucun amendement (sédiments) et engrais, l’autre ayant reçu uniquement des engrais ont été inclus dans le dispositif expérimental. Le sédiment et les engrais ont été incorporés à une profondeur de 2,5 cm dans le substrat. Les traitements ont été répartis dans un bloc distribué au hasard à l’intérieur des cinq répétitions à l’aide du logiciel R (Team, 2014) pour un total de 80 pots. La période de croissance était d’environ 10 semaines. La description détaillée des traitements est présentée au Tableau 2.2.
De l’avoine (Avena sativa L.) de variété Nice a été semée à raison de 8 graines par pot, simulant un taux de semis de 350 graines par mètre carré. La période de croissance a débuté la date de semis est le 11 février 2010 et la récolte a eu lieu le 26 avril 2010. La température de la serre était contrôlée entre 25 et 30 ºC, sous un éclairage naturel ou artificiel d’une durée de 16 heures par jour. L’arrosage a été réalisé au besoin avec de l’eau distillée.
21 Tableau 2.2 Identification des traitements relatifs à l’utilisation de sédiments et d’engrais minéraux de base (N, P et K) pour la culture de l’avoine dans un substrat
minéral. Traitements Quantités de sédiments ajoutées Quantités de N, P et K
apportées (sédiments) Quantités de N, P et K apportées (engrais)
N P K N P K
(g/pot) (mg/pot) (mg/pot)
T1 0 0 0 0 0,0 0,0 0,0 T2 0 0 0 0 85,1 70,9 113,4 T3 0 0 0 0 170,1 141,8 226,8 T4 0 0 0 0 340,2 283,5 453,6 T5 56,4 3,34 1,05 3,88 0,0 0,0 0,0 T6 56,4 3,34 1,05 3,88 81,7 69,7 109,4 T7 56,4 3,34 1,05 3,88 166,7 140,6 222,9 T8 56,4 3,34 1,05 3,88 336,8 282,4 449,7 T9 113,4 6,75 2,10 7,80 0,0 0,0 0,0 T10 113,4 6,75 2,10 7,80 78,3 68,9 105,8 T11 113,4 6,75 2,10 7,80 163,3 139,8 219,2 T12 113,4 6,75 2,10 7,80 333,4 281,5 446,0 T13 170,1 10,09 3,18 11,62 0,0 0,0 0,0 T14 170,1 10,09 3,18 11,62 74,9 67,8 101,8 T15 170,1 10,09 3,18 11,62 159,9 138,6 215,2 T16 170,1 10,09 3,18 11,62 330,0 280,4 442,0 2.4. Paramètres mesurés
Après 10 semaines de croissance, la partie aérienne des plants a été récoltée et mesurée, puis séchée dans une étuve à air forcé à 35 °C pour environ 100 heures Le matériel végétal a été broyé à 1 mm puis soumis à la digestion humide (Acide Nitrique 69-70% et H2O2 30%, Hagedom, 2008). Les éléments suivants ont été déterminés avant d’être pesée afin de déterminer le rendement en matière sèche de la partie aérienne, indice de croissance des végétaux.: Al, Be, Cd, Co, Cr, Cu, Ni, Pb et Zn. Les mesures de la chlorophylle ont été effectuées lors de la sixième semaine de la croissance de l’avoine, soit avant le début de l’épiaison (Ziadi et Robichaud, 2010). Les paramètres de croissance de l’avoine mesurés étaient le nombre de talles, la hauteur du plant, le rendement en biomasse aérienne sèche et le contenu en chlorophylle de la partie aérienne des plants.
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2.5. Analyses statistiques
Toutes les analyses statistiques ainsi que les diagrammes des sections 3 et 4 ont été réalisés à l’aide du logiciel R (R Development Core team, 2013) et du module Rcmdr (Fox et al., 2011). Les tableaux ont été réalisés à l’aide du Tableur Excel (Microsoft, 2010). Le rendement et les paramètres de croissance mesurés ont subi un test d’homogénéité de la variance, soit le test Brown-Forsythe. Une analyse de la variance, une comparaison multiple des moyennes (méthode de Tukey) ainsi qu’une matrice de corrélation (méthode Pearson) ont été effectuées sur les paramètres mesurés. Finalement, une régression linéaire a été effectuée sur tous les facteurs significativement corrélés lors de l’analyse de variance. Les effets significatifs à P ≤ 0,001 (***), P ≤ 0,01 (**), P ≤ 0,05 (*) et P ≤ 0,1 (.) ont été utilisés pour l’analyse des paramètres étudiés.
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CHAPITRE 3 - RÉSULTATS ET DISCUSSION
3.1. Effet des apports de sédiments et d’engrais minéraux sur les paramètres de croissance de l’avoine cultivée en serre
Les Figures 3.1 à 3.4 montrent la croissance et le développement de l’avoine, en fonction de quelques traitements. D’une façon générale, l’avoine s’est bien développée dans les milieux croissance, excepté le témoin. La croissance de l’avoine observée pour l’une des répétitions du traitement 7 (Fig. 3.2) fut affectée par une buse d’irrigation défectueuse, causant une irrigation très importante qui a lessivé l’engrais minéral. Ce fut la seule répétition affectée.
Le Tableau 3.1 rapporte l’effet de l’ajout de sédiments, en présence (T5 à T16) et en l’absence (T2 à T4) d’engrais minéraux (N, P et K), sur les paramètres de croissance de l’avoine, à savoir : masse sèche des parties aériennes (tiges + feuilles), nombre de talles, teneur en chlorophylle et hauteur des plants.
D’une façon générale, les valeurs de la masse aérienne sèche (MAS), les teneurs en chlorophylle et les hauteurs des plants de l’avoine cultivée dans les échantillons de sol ayant reçu de doses croissantes de sédiments et de fumures minérales complètes (T2 à T16) sont plus élevées que celles obtenues avec le témoin (T1). L’obtention de rendements maxima ou optima requiert donc l’application combinée de sédiments et d’engrais minéraux.
En l’absence d’apport de sédiments (T2 à T4), la fertilisation minérale a augmenté la hauteur des plants, le rendement en matière sèche des parties aériennes et le contenu en chlorophylle de la plante. Le rendement en matière sèche des parties aériennes a augmenté de 0,76 g/pot pour le témoin à : (i) 10,48 g/pot pour T2, (ii) 20,65 g/pot pour T3 et (iii) 30,61 g/pot pour T4.
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Figure 3.1 Croissance de l’avoine : traitements 1 à 4.
Figure 3.2 Croissance de l’avoine : traitements 5 à 8, présentant un traitement (7) affecté par une buse d’arrosage défectueuse.
25 Figure 3.3 Croissance de l’avoine : traitements 9 à 12
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Tableau 3.1 Paramètres de croissance de l’avoine cultivée en serre dans un sol ayant reçu des doses croissantes de sédiment et d’engrais minéraux.
Traitement Masse aérienne sèche (g/pot) Nombre de talles chlorophylle Teneur en Hauteur des plants (cm)
T1 0,76 7,6 0,01 5,7 T2 10,48 7,8 22,09 42,0 T3 20,65 7,4 35,32 78,3 T4 30,61 8,6 45,51 88,0 T5 1,15 7,0 6,75 6,7 T6 13,19 8,0 22,09 43,9 T7 18,28 7,8 29,25 75,0 T8 31,46 9,2 45,71 79,7 T9 0,74 8,0 4,43 6,2 T10 13,08 7,2 26,13 34,4 T11 37,23 6,8 38,61 77,8 T12 33,02 12,4 46,5 91,9 T13 2,94 7,6 7,33 6,7 T14 12,95 7,6 21,88 40,7 T15 21,17 7,8 35,33 75,2 T16 32,25 10,2 45,98 82,4
Les rapports T1/T1, T2/T1, T3/T1 et T4/T1 concernant la masse aérienne sèche des plants de l'avoine ont varié de 1,0 pour le témoin (T1) à 3,9 pour T4. Les rapports T1/T1, T2/T1, T3/T1 et T4/T1 concernant le contenu en chlorophylle de l'avoine ont varié de 1,0 pour le témoin (T1) à 4551 pour T4.
En l’absence de fertilisation minérale, l'apport de sédiments (T5, T9 et T13) a augmenté la hauteur des plants, le rendement en matière sèche des parties aériennes et le contenu en chlorophylle de la plante par rapport au témoin. La masse aérienne sèche de l'avoine a augmenté de 0,76 g pour le témoin (T1) à 2,94 g pour T13, soit une augmentation de 287%. Il est à noter que ces sédiments possèdent quelques propriétés chimiques qui militent en faveur de leur utilisation comme amendement inorganique (Tableau 2.1).
En effet, l’échantillon de sédiments composite a un pH voisin de la neutralité et contient de nombreux éléments nutritifs tels que N, P, K, Ca, Mg, K, Zn, Cu, Mn et de matières organiques (environ 2,3 %). Le calcium extractible à la solution
Mehlich-27 3 est le cation basique prédominant, avec un contenu s’élevant à 1150 mg/kg. La fertilité chimique de nombreux sédiments a été soulignée par plusieurs chercheurs Darmody, 2004; Mtibaa et al., 2012). De nombreuses recherches ont démontré l’effet favorable de l’ajout de quantité de sédiments élevée aux sols sablonneux sur la croissance et le rendement des cultures (Woodard, 1999).
Dans une expérience conduite en serre, Darmody et al. (2004) ont trouvé que la laitue (Lactuca sativa L. ), l'orge (Hordeum vulgare L. ), le radis (Raphanus sativus L. ), la tomate (Lycopersicon lycopersicum L. ) et le haricot (Phaseolus vulagaris L. var. humillis) cultivés dans des sédiments fluviaux dragués et dans un sol arable de référence (loam limoneux argileux) n'ont pas montré de différences significatives quant à la germination, la croissance ou les rendements. Ces sédiments, qui contenaient des éléments traces métalliques tels que As, Cd, Co, Cr et Cu, ainsi que le sol agricole ont été mélangés avec de la perlite (pour améliorer l’aération) et fertilisés avec un engrais de formule 20-10-20 (20–4,37–16,6 de N–P–K) à un taux de 200 mg N/kg appliqué chaque semaine après l'amincissement. Les augmentations de rendement observées ont été attribuées à la mise en disponibilité des éléments nutritifs.
Dans un essai conduit en serre, Woodard (1999) a évalué l'effet d’un sédiment dragué d'un lac d’eau fraîche au Dakota du Sud mélangé avec l’un ou l’autre, un sol agricole productif ou un sable peu fertile, sur la croissance et le prélèvement d’éléments nutritifs par le maïs (Zea mays L. ), le soja (Glycine max L. ), le tournesol (Helianthus
annus L. ), la luzerne (Medicago sativa L. ) et le bluestem (Andropogon gerardii
Vitman). Les doses croissantes du sédiment ont favorisé la croissance des végétaux et ont augmenté considérablement les rendements de la biomasse aérienne ainsi que les quantités de N, de P et K prélevés par les plantes cultivées dans le sable. Woodard (1999) a conclu que le sédiment de fond dragué pourrait être appliqué convenablement à un sol agricole sans affecter négativement la croissance des plantes.
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Mao et al. (2014) ont trouvé que les sédiments sableux dragués du Delta de la rivière Jaune en Chine pouvaient aussi améliorer la fertilité physique (macroporisité, conductivité hydraulique) d’un sol argileux pour la culture du coton.
Dans la présente étude, le rendement en matière sèche des parties aériennes le plus élevé (T11) dépassait le témoin de 4 799 % grâce à l’apport de sédiments à la dose de 114 g/pot et en présence de la dose 1x (dose normale) de fumures minérales. En revanche, la hauteur de plant la plus élevée (T12) dépassait le témoin de 62 % grâce à l’apport de sédiments à la dose de 114 g/pot et en présence de la dose 2x de fumures minérales. Comme nous l’avons déjà mentionné, l’obtention de rendements maxima ou optima requiert l’application combinée de sédiments et d’engrais minéraux. Outre les éléments majeurs N, P et K, le sédiment comporte une réserve d’autres éléments nutritifs pour l’avoine. Toutefois, bien que le sédiment ait augmenté légèrement le rendement aérien, sa valeur fertilisante demeure très faible en raison du faible apport en N apporté par les doses sélectionnées. Les hauts rendements ont été obtenus avec la combinaison d’engrais minéral et de sédiments.
En effet, les teneurs en N, P et K du sédiment (Tableau 2.1) sont faibles et par conséquent, insuffisantes pour obtenir de hauts rendements aériens. À titre indicatif, la teneur en N total du sédiment (0,62 %) est largement inférieure aux teneurs en N total de biosolides, de déchets ou de matières fertilisantes tels que déchets de poissons (8,18 %), déchets de crevettes (5,2 %), fumier de bovins frais (5,9 %), lisiers de porc séchés, floculés, compostés ou traités avec divers amendements (0,9-4,3 %), déchets alimentaires (3,2 %), compost de fumier de mouton et de paille (3,0 %), biosolides de pâtes et papiers (1,5–2,5 %), fumier de bovin solide (1,7 %), algues marines (1,24 %), compost de tourbe et de déchets de crevettes (1,3 %), compost de fumier de bovin et de paille (1,0-1,3 %) et compost de fumier de poulet (1,1 %) (Mathur et al., 1986; Proprasert, 1989; Hébert et al., 1991; Pesant et Vigneux, 1991; Kayhanian et Tchobanoglous, 1992; Hountin et al., 1995; Huard et Fradette, 2000; Sullivan et 2001; Khiari et al., 2012; Gagnon et al., 2013). En outre, l’azote du sédiment est moins efficace que celui des engrais de synthèse.
29 Les résultats statistiques du Tableau 3.2 montrent des effets simples très hautement significatifs (p ≤ 0,001) de la fertilisation minérale sur l’ensemble des paramètres de croissance mesurés, soit la hauteur des plants, le rendement en matière sèche des parties aériennes, la teneur en chlorophylle et le nombre de talles. Les traitements de sédiments ont eu un effet significatif (p ≤ 0,05) sur la teneur en chlorophylle. On remarque finalement un effet synergique (significatif p ≤ 0,001) dans le cas du nombre de talles (p ≤ 0,05) et de la hauteur moyenne des plants ( p ≤ 0,001). Les effets synergiques notés sont des indicateurs principalement promus par l’azote (Mohr et al., 2004).
Tableau 3.2 Résultats de l’analyse de la variance des effets simples des traitements sur les paramètres de croissance de l’avoine cultivée en serre.
Traitements d.l. Valeur de F
Doses d’engrais
Teneur en chlorophylle 3 292,9 *** Masse aérienne sèche 3 35,1 *** Nombre de talles par pot 3 17,3 *** Hauteur des plants 3 504,5 *** Doses de
sédiments
Teneur en chlorophylle 3 3,8 *
Masse aérienne sèche 3 1,2
Nombre de talles par pot 3 1,2
Hauteur des plants 3 2,2
Doses combinées d’engrais et de
sédiments
Teneur en chlorophylle 8 1,6
Masse aérienne sèche 9 0,9
Nombre de talles par pot 9 2,5 *
Hauteur des plants 9 9,3 ***
La fertilisation azotée est généralement reconnue comme un facteur directement lié à la teneur en chlorophylle (CRAAQ, 2010). Seul ce critère présente une évolution aussi importante, et les évolutions sont clairement liées aux traitements d’engrais minéraux puisque les données ne varient que peu en fonction des traitements de sédiments. Le facteur de la hauteur des plants d’avoine présente une variation contenue pour les traitements ou les doses d’engrais sont de 1 et 2 fois la dose recommndée. Encore une fois, la loi des suppléments de rendements moins que proportionnels (Monfort et Falisse, 2009; CRAAQ, 2010) est l’explication la plus plausible. Les doses moins importantes d’engrais permettraient d’atteindre la valeur
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minimale critique, soit la concentration en éléments fertilisants au-delà de laquelle le rendement plafonne (CRAAQ, 2010) pour cet indicateur de croissance.
Dans le cas du nombre de talles par pot, les variations par rapport au sol témoin sans ajout de sédiments et d’engrais (T1) apparaissent seulement en présence de la dose la plus importante d’engrais minéral. Les doses excessives d’engrais pourraient avoir stimulé les plants à produire plus de tiges que dans les scénarios où les teneurs en éléments nutritifs sont raisonnables ou déficitaires.
3.2. Effets des traitements sur la teneur en quelques éléments traces métalliques de la biomasse aérienne sèche de l’avoine.
Le Tableau 3.3 rapporte l’effet de l’ajout de sédiments, en présence (T5 à T16) et en l’absence (T2 à T4) d’engrais minéraux (N, P et K), sur les teneurs en certains éléments traces métalliques de la biomasse aérienne sèche de l’avoine.
En l’absence d’apport de sédiments (T2 à T4), la fertilisation minérale a légèrement augmenté la teneur en Al, Cu, Ni, Pb et Zn, mais a légèrement diminué la teneur en Cd, Co et Cr de la biomasse aérienne sèche de l'avoine. De nombreuses études ont démontré que les engrais minéraux de synthèse sont une source de certains éléments traces pour les sols et les plantes (Mortvedt, 1996; Mendes et al., 2006; Carbonell et al., 2011). Il est bien connu que les engrais minéraux de synthèse, particulièrement ceux à base de phosphore, renferment des éléments traces métalliques comme impuretés (Mortvedt, 1996; Jones et Jarvis, 1981; McBride et Spiers, 2001; Prochnow et al., 2001; Nziguheba et Smolders, 2008).
Carbonell et al. (2011) ont trouvé que l’apport d’une fumure minérale complète (N-P-K) à un sol agricole avait augmenté sa teneur en Cd et en Ni, mais avait diminué celle de Hg. Tu et al. (2000) ont conclu que les applications de N sous forme de (NH2)2CO, de P sous forme de KH2PO4, et de K sous forme de KCl, fournissent non seulement des éléments nutritifs majeurs à la plante, mais modifient également la spéciation et la biodisponibilité des éléments traces métalliques tels que Cd et Pb dans le sol ferrallitique étudié. Les résultats obtenus dans le cadre de la présente étude laissent
31 indiquer que l’avoine est une plante qui peut accumuler des ÉTM dans ses tissus aériens (Gutiérrez-Ginés et al., 2010; Flores-Márgez et al., 2013).
Tableau 3.3 Teneurs (mg/kg) moyennes en éléments traces métalliques des parties aériennes de l’avoine cultivée dans un substrat sablonneux.
Traitements Al Be Cd Co Cr Cu Ni Pb Zn 1 5,5 Trace 0,006 0,01 0,07 0,5 0,6 0,02 1,5 2 57,4 5,0E-03 0,047 0,08 0,47 9,3 1,7 0,54 25,0 3 60,1 4,4E-03 0,064 0,09 0,47 12,1 1,9 0,73 22,2 4 63,3 5,1E-03 0,057 0,11 0,45 9,7 2,1 0,69 17,6 5 64,5 1,4E-03 0,076 0,09 0,45 7,2 3,0 0,10 19,5 6 65,7 1,7E-03 0,067 0,09 0,44 9,4 1,9 0,55 16,6 7 58,9 3,6E-03 0,070 0,08 0,57 9,8 2,7 0,85 17,8 8 61,4 3,3E-03 0,067 0,16 0,48 10,6 2,4 1,00 19,5 9 57,9 2,9E-03 0,025 0,11 0,48 7,9 2,5 0,79 22,8 10 57,0 4,2E-03 0,040 0,06 0,39 7,1 1,5 0,30 13,9 11 63,5 4,7E-03 0,062 0,06 0,43 8,3 2,0 0,47 18,5 12 61,5 3,4E-03 0,066 0,21 0,55 7,7 2,4 0,44 17,3 13 61,7 1,0E-03 0,043 0,03 0,45 10,7 1,5 0,78 23,6 14 54,9 1,2E-04 0,054 0,01 0,39 7,7 1,2 0,27 13,0 15 56,9 1,1E-03 0,057 0,10 0,38 9,4 1,7 0,82 16,3 16 56,5 1,5E-03 0,092 0,11 0,38 9,9 2,0 0,43 19,2
En l’absence de fertilisation minérale, l'apport de sédiments (T5, T9 et T13) au sol (T1) a augmenté les concentrations de Al, Be, Cu, Ni, Pb et Zn, mais a diminué la teneur de Cd, Co et Cr dans la biomasse aérienne sèche de l’avoine (Tableau 3.3). Toutefois, les concentrations des ÉTM dans le substrat de croissance ne sont pas toxiques et n’ont pas entravé la bonne croissance et le développement de l’avoine (section 3.1).
Ces résultats corroborent ceux de nombreux chercheurs qui ont démontré l’effet fertilisant de sédiments dragués contenant des métaux (Darmody et al., 2004). La concentration accrue de certains ÉTM dans la biomasse aérienne de l’avoine peut s’expliquer par le fait que les sédiments contiennent des métaux qui peuvent être disponibles pour l’avoine. Les doses de sédiments utilisées avaient tendance à augmenter les teneurs en ÉTM du sol (Tableau 3.4) et, par conséquent, leur mise en disponibilité pour la plante. Ces résultats sont en accord avec ceux obtenus par
