Amélioration du drainage des sols organiques cultivés
ayant des couches compactes
Mémoire
Renel Lherisson
Maitrise en sols et environnement
Maitre ès sciences (M.Sc.)
Québec, Canada
Amélioration du drainage des sols organiques cultivés
ayant des couches compactes
Mémoire
Renel Lherisson
Sous la direction de :
Jean Caron, directeur de recherche
Silvio José Gumière, codirecteur de recherche
iii
Résumé
Les sols organiques cultivés sont reconnus pour leur excellente qualité agricole. Cependant, la nature des matériaux les constituant et les processus physico-chimiques et mécaniques liés à leur mise en valeur agricole les rendent exposés aux problèmes de drainage. Généralement, la formation de couches compactes qui stratifient le profil de sol limite progressivement l’infiltration de l’eau dans le sol et favorise la formation de nappes perchées à la surface du sol. Ces manifestations sont en grande partie néfastes pour les cultures ne tolérant pas que leur système racinaire soit inondé au-delà de 48 heures. Le but de cette étude a été : (1) de décrire le mouvement de l’eau dans le sol au cours de deux événements de drainage et de caractériser ses principales propriétés hydrauliques ; (2) de caractériser le niveau de compaction des profils non perturbés et (3) de déterminer la réponse de la mise en place d’une technique de perturbation mécanique en rapport avec l’amélioration du drainage. Les principaux résultats indiquent que le modèle hydraulique de van Genuchten décrit efficacement l’écoulement de l’eau et les propriétés hydrauliques du sol. Ils démontrent que les profils non perturbés se compactent et deviennent problématiques pour le drainage à partir de 30 centimètres de profondeur. Ils démontrent également que la perturbation du profil au-dessus des drains permet d’améliorer la perméabilité des zones critiques du sol et l’infiltration de l’eau à travers celles-ci. La mise en place d’un profil perturbé sur les drains permet d’améliorer significativement le drainage en comparaison avec un profil non perturbé et réduit considérablement le temps de ressuyage. Ces résultats peuvent servir à la caractérisation des sols organiques cultivés et à la détermination des zones critiques des profils à intervenir pour améliorer l’infiltration de l’eau, l’enracinement de certaines cultures, etc.
iv
Abstract
Cultivated organic soils are recognized for their excellent agricultural quality. However, the nature of their constitutive materials and physicochemical and mechanical processes associated with their agricultural development make them be susceptible to surface drainage problems over time. Usually, the compacted layers formation which contributes to the stratification of the soil profile gradually limits the soil water infiltration and tend to the formation of perched water table near the soil surface. These observations associated with drainage problems have largely negative impacts on crops which do not tolerate their root system being flooded beyond 48 hours. The purpose of this study was: (1) to describe the soil water movement during two soil drainage events and characterize its main soil hydraulic properties; (2) to characterize the undisturbed cultivated organic soil profile compaction level and (3) to determine the effects of a mechanical soil disturbance techniques in relation to the soil surface drainage improvement. The main results indicated that the van Genuchten hydraulic model describes efficiently the cultivated organic soils water flow and their soil hydraulic properties. They demonstrate that the undisturbed soil profile is compacted and is problematic for surface drainage from 30-cm-deep. They also demonstrate that the disturbance of the soil profile on the drain tile could improve the soil water permeability of the critical areas of the soil profile and the water infiltration. Implementation of a disturbed soil profile over the drain tile significantly improves the soil drainage compared to an undisturbed soil profile and considerably reduces the time to reach field capacity at the soil surface. These results could be useful for further characterization of cultivated organic soil profiles and determination of soil critical areas to take action for improving water infiltration, crops rooting, etc.
v
Table des matières
Résumé ... iii
Abstract ... iv
Table des matières... v
Liste des tableaux ... viii
Liste des figures ... ix
Listes des abréviations et des sigles ... xi
Remerciements ... xiii
Avant-propos ... xiv
Introduction générale ... 1
Chapitre I Revue de littérature ... 3
1.1. Sols organiques ... 3
1.1.1. Formation des sols organiques ... 3
1.1.2. Propriétés des sols organiques... 4
1.1.3. Classification des sols organiques ... 6
1.1.4. Répartition des sols organiques... 6
1.2. Phénomène d’affaissement des sols organiques... 8
1.2.1. Décomposition de la matière organique du sol ... 9
1.2.2. Retrait des sols ... 11
1.2.3. Compaction des sols... 12
1.3. Drainage des sols organiques ... 14
1.4. Modélisation du processus d’écoulement de l’eau dans les sols organiques ... 17
1.4.1. Teneur en eau et potentiel matriciel du sol ... 17
1.4.2. Méthode de profil instantané ... 18
1.4.3. Caractérisation hydraulique des sols par méthode inverse (modélisation inverse) ... 19
1.5. Hypothèses de recherche ... 22
1.6. Objectifs de recherche ... 22
Références bibliographiques ... 23
Chapitre II Adéquation de deux modèles hydrauliques dans la description des effets de la compaction des profils de sol organique cultivé à partir de l’analyse du processus de drainage d’un sol saturé .... 32
Résumé ... 32
Abstract ... 33
2.1. Introduction ... 34
2.2. Matériels et méthodes ... 36
2.2.1. Sols et localisation ... 36
vi
2.2.3. Expérimentation au laboratoire ... 37
2.2.4. Description de l’écoulement de l’eau et des propriétés hydrauliques du sol ... 38
2.2.4.1. Valeur initiale des paramètres hydrauliques ... 40
2.2.4.2. Optimisation des paramètres hydrauliques ... 41
2.2.5. Procédures de comparaison statistique ... 41
2.3. Résultats et discussion ... 42
2.3.1. Description de l’écoulement de l’eau et des propriétés hydrauliques du sol ... 42
2.3.1.1. Modélisation avec Hydrus 1D ... 42
2.3.1.2. Adéquation avec la modélisation basée sur la résolution numérique d’équation ... 46
2.3.2. Comparaison statistique des propriétés hydrauliques du sol... 48
2.4. Conclusions ... 50
2.5. Remerciements ... 51
Références bibliographiques ... 52
Chapitre III La perturbation structurale du profil de sol sur les drains améliore le drainage des sols organiques cultivés ayant des couches compactes en profondeur ... 54
Résumé ... 54
Abstract ... 55
3.1. Introduction ... 56
3.2. Matériels et méthodes ... 58
3.2.1. Localisation de la zone d’étude et description du profil de sol ... 58
3.2.2. Expérimentation ... 59
3.2.3. Modélisation et description des propriétés hydrauliques du sol... 61
3.2.3.1. Valeur initiale et optimisation des paramètres hydrauliques du modèle ... 62
3.2.4. Drainage cumulé après la simulation d’une hauteur de pluie ... 63
3.2.5. Procédures statistiques et analyse des flux d’eau drainés ... 63
3.3. Résultats et discussion ... 64
3.3.1. Effets de la mise en place de tranchées drainantes (perturbation du profil) sur les drains ... 64
3.3.2. Flux d’eau drainé par les profils de sols installés sur les drains ... 66
3.3.3. Propriétés hydrauliques des profils de sol (estimées à partir du drainage) ... 69
3.3.3.1. Paramètres estimés et performance des modèles hydrauliques ... 72
3.3.4. Performance des profils de sol testés par rapport au drainage dans le temps ... 74
3.4. Conclusions ... 77 3.5. Remerciements ... 77 Références bibliographiques ... 78 Conclusion générale ... 80 Bibliographie générale ... 81 ANNEXES ... 90
vii
Annexe A. Propriétés hydrauliques estimées par les deux modèles utilisés (reportées sur un même graphique) ... 90 Annexe B : Séries de précipitation journalière des 30 dernières années de Sherrington (source : station météorologique d’Environnement Canada à Iberville, Québec) ... 91 Annexe C : Distribution de fréquence des séries de précipitation des trente dernières années de Sherrington (source Station météorologique Environnement Canada à Iberville, Québec) ... 92
viii
Liste des tableaux
Tableau 1. Valeurs initiales des paramètres hydrauliques fournis au modèle numérique Hydrus pour la caractérisation des
propriétés hydrauliques des trois sections de profil prédéfinies ... 41
Tableau 2. Résultats de l’analyse de variance et des comparaisons de niveaux des facteurs par les contrastes (utilisant
proc mixed de SAS) avec le seuil de signification alpha fixé à 0,05. ... 49
Tableau 3. Valeurs initiales des paramètres hydrauliques fournis au modèle numérique Hydrus pour la caractérisation des
propriétés hydrauliques des trois sections de profil prédéfinies ... 62
Tableau 4. Flux cumulé moyen mesuré aux temps (12h, 24h, 48h) à partir de l’application de 3 hauteurs de pluie (10, 30
et 50 mm) à la surface des deux profils de sol testés (P : perturbé, NP : non perturbé) ... 69
Tableau 5. Résultats de l’analyse de variance et des comparaisons de niveaux des facteurs par les contrastes (utilisant
proc mixed du logiciel SAS) avec le seuil de signification alpha fixé à 0,05. ... 75
Tableau 6. Estimés de moyennes de flux cumulé à partir de l’application de trois hauteurs de pluie (10, 30 et 50 mm) à la
surface du sol (P : profil perturbé, NP : profil non perturbé) comparés à l’aide de la procédure mixed du logiciel SAS (avec une transformation logarithmique des données) ... 75
Tableau 7. Moyenne de flux cumulé estimée par la procédure mixed du logiciel SAS (avec une transformation
logarithmique) pour évaluer les effets principaux des niveaux de précipitation appliqués (10, 30 et 50 mm) à la surface des profils de sol (P : profil perturbé, NP : profil non perturbé) testés ... 76
ix
Liste des figures
Figures 1a. Répartition des tourbières ombotrophes du Canada - Département des ressources naturelles Canada dans
Langlois (2013) ... 7
Figures 1b. Répartition des tourbières minérotrophes du Canada - Département des ressources naturelles Canada dans
Langlois (2013) ... 7
Figure 2. Mesures de résistance à la pénétration du sol réalisée avec le pénétromètre d’Eijkelkamp (Eijkelkanp Company,
2013). 2 points indiquent 2 prises de mesure différentes à la même position pour caractériser avec précision la résistance du sol à l’endroit bien déterminé du champ (points en rouges représentent la valeur moyenne calculée représentative de la mesure de résistance du sol) ... 37
Figure 3. Schéma d’un cylindre placé sur une table de tension, instrumenté avec des tensiomètres (A) et des sondes TDR
(B) pour mesurer chaque minute respectivement le potentiel matriciel et la teneur en eau du sol au cours du processus de drainage par gravité. ... 38
Figure 4. Valeurs mesurées (cercles fermés) de potentiel matriciel du sol (graphique à gauche) et de teneur en eau du sol
(graphique à droite) sur trois jours à différentes profondeurs au cours d’un événement de drainage d’un échantillon de profil initialement saturé. Ajustement par un modèle hydraulique (lignes brisées) de ces variables pour un profil typique non perturbé de sol organique. ... 44
Figure 5. Courbes de rétention d’eau du sol (colonne à gauche) et fonctions de conductivité hydraulique (colonne à droite)
des 3 sections de profil de sol (0-30 cm, 30-40 cm et 40-65 cm). Ces propriétés sont estimées par modélisation inverse dans Hydrus 1D de l’événement de drainage des échantillons de profil de sol initialement saturé. Les courbes en rouges traduisent la valeur moyenne de la propriété pour chaque graphique. ... 45
Figure 6a. Valeur des paramètres du modèle de van Genuchten (1980) optimisés par simulation à l’aide du logiciel Hydrus
1D de l’événement de drainage de 12 échantillons de profil de sol initialement saturé. 1,2 et 3 indiquent les valeurs correspondant respectivement aux trois sections de profil de sol prédéfinies dans le cadre de cette étude (0-30, 30-40 et 40-65 cm). ... 46
Figure 6b. Mesures de performance des modèles hydrauliques obtenus par modélisation inverse dans Hydrus 1D de
l’événement de drainage des échantillons de profil de sol initialement saturé. R2 indique la régression des valeurs observées versus les valeurs prédites par les modèles hydrauliques. RMSE et MAE (multipliées par 10-2) sont les termes d’erreur associés à la validation statistique des modèles. ... 46
Figure 7. Courbes de rétention d’eau et fonctions de conductivité hydraulique non saturée caractéristiques des trois
couches du profil de sol (0-30 cm, 30-40 cm et 40-65 cm) estimés à partir de la résolution de l’équation associée à la loi de Darcy généralisée. La lettre S accompagnée d’un numéro représente l’échantillon de profil de sol analysé. ... 47
Figure 8. Résultats du test de comparaison des valeurs moyennes des estimées de conductivité hydraulique saturée des
trois couches de sol analysées. Les lettres différentes indiquent une différence significative au seuil de probabilités 0,05. ... 50
Figure 9. Schéma d’un cylindre placé sur une table de tension, instrumenté avec des tensiomètres (A) et des sondes TDR
(B) pour mesurer chaque minute respectivement le potentiel matriciel et la teneur en eau du sol au cours des processus de drainage. Les instruments ont été placés à des profondeurs définies en fonction d’un montage de profil instantané pour faciliter la caractérisation des propriétés hydrauliques du sol. Le volume d’eau drainé dans le temps a été mesuré à l’aide d’un système automatique de balance de précision (C). ... 60
Figure 10. Potentiel matriciel mesuré aux quatre profondeurs (3, 28,37 et 57 cm) des échantillons de profil de sol perturbés
(PP — à gauche) et non perturbés (PNP — à droite) à partir du début de l’application des trois hauteurs de précipitation (10, 30 et 50 mm) jusqu’à trois jours de drainage. ... 65
Figure 11. Flux d’eau drainé cumulés mesurés (cercles pleins) et ajustés dans Hydrus 1D (lignes brisées) suite à
l’application d’une tension constante de 15 cm dans la partie inférieure des profils (R pour répétition) de sols perturbés (à gauche) et non perturbés (à droite) à partir du début de l’application des trois hauteurs de précipitation (10, 30 et 50 mm) jusqu’à trois jours de drainage. ... 68
x
Figure 12. Fonctions de conductivité hydraulique non saturée des trois sections prédéfinies (0-30 cm, 30-40 cm et 40-65
cm) des profils de sol perturbés (PP — à gauche) et non perturbés (PNP — à droite). Elles ont été estimées par modélisation inverse dans Hydrus 1D de l’événement de drainage de plusieurs échantillons de profil de sol à partir de l’application de 3 hauteurs de pluie à leur surface. La courbe en rouge désigne la valeur moyenne pour la couche de sol. ... 70
Figure 13. Courbes de rétention d’eau de trois sections prédéfinies (0-30 cm, 30-40 cm et 40-65 cm) des profils de sol
perturbés (PP — à gauche) et non perturbés (PNP — à droite). Elles ont été estimées par modélisation inverse dans Hydrus 1D de l’événement de drainage de plusieurs échantillons de profil de sol à partir de l’application de 3 hauteurs de pluie à leur surface. La courbe en rouge désigne la valeur moyenne pour la couche de sol. ... 71
Figure 14a. Valeur des paramètres du modèle de van Genuchten (1980) optimisés par simulation à l’aide du logiciel Hydrus
1D de l’événement de drainage de 12 échantillons de profil de sol perturbé à partir de l’application d’une hauteur de pluie à leur surface. Les chiffres 1,2 et 3 indiquent les valeurs correspondant respectivement aux trois sections de profil de sol prédéfinies (0-30, 30-40 et 40-65 cm). ... 72
Figure 14b. Valeur des paramètres du modèle de van Genuchten (1980) optimisés par simulation à l’aide du logiciel Hydrus
1D de l’événement de drainage de 12 échantillons de profil non perturbé à partir de l’application d’une hauteur de pluie à leur surface. Les chiffres 1,2 et 3 indiquent les valeurs correspondant respectivement aux trois sections de profil de sol prédéfinies (0-30, 30-40 et 40-65 cm). ... 72
Figure 15a. Mesures de performance des modèles hydrauliques obtenus par modélisation inverse dans Hydrus 1D de
l’événement de drainage des échantillons de profil de sol perturbé à partir de l’application d’une hauteur de pluie a leur surface. R2 indique la régression des valeurs observées versus les valeurs prédites par les modèles hydrauliques. RMSE et MAE (multipliées par 10-2) sont les termes d’erreur associés à la validation statistique des modèles. ... 73
Figure 15b. Mesures de performance des modèles hydrauliques obtenus par modélisation inverse dans Hydrus 1D de
l’événement de drainage des échantillons de profil non perturbé à partir de l’application d’une hauteur de pluie a leur surface. R2 indique la régression des valeurs observées versus les valeurs prédites par les modèles hydrauliques. RMSE et MAE (multipliées par 10-2) sont les termes d’erreur associés à la validation statistique des modèles. ... 73 Figure 16. Effets de la perturbation du profil de sol sur le processus de drainage de l’eau apportée à la surface du sol
évalués en termes de flux cumulé (après 12 h, 24 h et 48 h de drainage). L’échelle présentée est une transformée logarithmique des valeurs calculées à partir des mesures effectuées au laboratoire pour s’assurer de l’homogénéité de la variance. Les bâtons de même couleur ayant une lettre en commun indiquent un effet non significatif selon le test de Tukey-Kramer au seuil de signification de 0,05. ... 76
Figure 17. Effets de la pluie appliquée à la surface du sol évalués suivant les flux cumulés estimés (après 12 h, 24 h et 48
h de drainage). L’échelle est une transformée logarithmique des valeurs mesurées au laboratoire pour s’assurer de l’homogénéité de la variance. Entre 10 et 30 mm un effet linéaire est démontré tandis que de 30 à 50 mm un début d’effet quadratique est également démontré. Les deux effets sont très significatifs au seuil de probabilité P=0,01. ... 76
xi
Listes des abréviations et des sigles
DDL Degré de liberté
FAO Food and Agriculture Organization
MAE Mean absolute error
MO Matière organique
MVA Masse volumique apparente sèche
PVC Polychlorure de vinyle
RMSE Root mean square error
TDR Time domain reflectometry
xii
À mon père et ma mère, Monsieur et Madame Osnet Lherisson, Pour tous les sacrifices qu’ils ont consentis pour moi
xiii
Remerciements
D’abord, je remercie mon directeur de recherche, Jean Caron, Ph. D., pour la possibilité de réaliser cette maitrise qu’il m’a offerte. Il a toujours été disponible, patient et un très bon guide pour moi. J’ai pu apprendre beaucoup de choses utiles sous sa direction durant ces deux années que je pourrai mettre en application durant toute ma vie professionnelle. Je le remercie particulièrement pour la confiance qu’il a placée en moi, qui m’a servi également de source de motivation.
Je remercie mon codirecteur de recherche, Silvio José Gumière pour l’encadrement qu’il m’a donné durant ces deux années de maitrise qui m’a permis d’avancer vers l’achèvement de ce long travail. Je tiens à remercier l’ensemble des professionnels et auxiliaires de recherche de l’équipe de recherche de Jean Caron pour toute l’aide technique qu’ils m’ont apportée ; principalement Jacynthe Dessureault-Rompré, Ph. D., Carole Boily, M. Sc., Yann Périard Larrivée, Christophe Libbrecht, Ph. D. et Vincent Grégoire. Leur disponibilité et multiple soutien m’ont permis de réaliser dans le temps imparti mes expérimentations et le traitement des données. Sans eux, ces longues tâches seraient interminables et irréalisables à moi tout seul durant ces deux années.
Je remercie énormément mes parents, Monsieur et Madame Osnet Lherisson, mes sœurs et frère, Nanotte, Jordane, Dania et William Lherisson pour l’encouragement et la motivation qu’ils m’ont donnés pendant ces deux années de maitrise, principalement dans les moments difficiles. Je remercie Anne-Sophie Cardinael et tous les amis qui m’ont soutenu d’une façon ou d’une autre. Ce serait difficile de tout achever sans eux.
Finalement, je remercie l’ensemble des organismes subventionnaires et les producteurs agricoles de Sherrington qui ont rendu possible le projet de recherche sur lequel j’ai travaillé : le Conseil de recherche en sciences naturelles et en génie du Canada (CRSNG), l’Université Laval et les entreprises agricoles Vert Nature Inc., Delfland Producteur Maraicher, Producteur Horticole Van Winden Inc., Maraicher Jean-Paul Guérin & Fils et les Fermes Hotte et Van Winden Inc.
xiv
Avant-propos
Ce mémoire de maitrise comporte trois grandes parties. La première partie est une revue de littérature touchant les généralités sur les sols organiques cultivés et la problématique de drainage de surface à laquelle ils font face à travers le monde et particulièrement au Québec. Elle traite également de la problématique de recherche qui nous a intéressés dans le cadre de ce travail. La deuxième et la troisième partie sont deux articles scientifiques dont je suis l’auteur principal. Jean Caron, Ph. D. et Silvio José Gumière, Ph. D., professeurs au département des sols et de génie agroalimentaire (SGA) de l’Université Laval sont les coauteurs de ces articles. Ils ont contribué dans l’élaboration du plan expérimental et la révision de la rédaction. Ces deux articles seront soumis aux journaux scientifiques « Soil science society of America journal » et « Journal of irrigation and drainage » au mois d’aout 2017. Le titre du premier article est : ‘’ Adéquation de deux modèles hydrauliques dans la description des effets de la compaction des profils de sol organique cultivé à partir de l’analyse du processus de drainage d’un sol saturé ’’. Le titre du second article est : ‘’ la perturbation structurale du profil de sol sur les drains améliore le drainage des sols organiques cultivés ayant des couches compactes en profondeur’’. À la fin du mémoire, une conclusion générale présente de façon synthétique les résultats majeurs du travail effectué et leurs retombées.
1
Introduction générale
Le drainage des tourbières pour l’exploitation agricole élimine l’eau excédentaire du milieu. Il permet d’établir des conditions d’aération du sol essentielles à la mise en place de certaines cultures. Généralement, il est accompagné de l’intensification des activités des micro-organismes du sol qui conduit parfois à une augmentation de la vitesse de décomposition de la matière organique (MO) (Lähde, 1969; Ewing et Vepraskas, 2006). Le processus de décomposition de la MO du sol constitue en partie un mécanisme important qui contribue grandement au processus de dégradation des sols organiques cultivés avec le temps (Schothorst, 1977 ; Deverel et al., 2016). En effet, avec la mise en culture des sols organiques, les apports naturels de MO au sol sont relativement lents et se font particulièrement en très petite quantité par unité de surface. Cependant, la décomposition de la MO par les micro-organismes du sol est plus rapide dans les conditions environnementales optimales (Davidson et al., 2006). Ce mécanisme de décomposition de la MO du sol, l’érosion éolienne et hydrique expliquent les pertes considérables d’épaisseur de sols cultivés et justifient la menace de leur disparition en absence de l’application de stratégies appropriées de conservation (Parent et al., 1982). De plus, le drainage des sols organiques peut contribuer au phénomène d’affaissement du sol par le phénomène de retrait. Mises à part les pertes en masse de la MO du sol, le phénomène d’affaissement peut résulter également en une consolidation et une stratification du profil de sol. Ces conséquences sont intimement liées à la diminution du volume total des pores avec les phénomènes de retrait et de compaction. En plus, la diminution du volume de sol, la formation de couches compactes dans les sols organiques cultivés se manifestent généralement par une perte d’efficacité des systèmes de drainage avec le temps. Les systèmes ne sont plus alors en mesure de rabattre le niveau de l’eau de la nappe en un temps raisonnable à la suite des limitations de l’écoulement de l’eau.
Le processus de la dégradation des sols organiques cultivés pourrait avoir trois conséquences importantes en absence de la mise en place de bonnes pratiques culturales et de l’application de mesures de conservation appropriées. (i) Les sols organiques cultivés tendent vers une oxydation et une minéralisation de la MO qu’ils renferment. Généralement, ce processus part de la surface du sol progressant verticalement le long de son profil avec l’intensification des activités microbiennes à la suite du drainage agricole (Chow et al., 2006). (ii) La décomposition de la MO pourrait contribuer à augmenter la charge environnementale et à influencer le bilan des émissions de gaz à effets de serre par le rejet de gaz (CO2, CH4, NO2, etc.) dans l’atmosphère. Certains auteurs (Kasimir-Klemedtsson et
2
al., 1997) ont proposé dans la littérature des modes de gestion efficace qui peuvent aider à contrôler les flux d’émission atmosphériques. (iii) Des modifications dans les propriétés biologiques, chimiques et particulièrement physiques du sol peuvent être observées (ex. réduction de la porosité et de la perméabilité du sol) et peuvent être à l’origine de problème d’infiltration de l’eau (Lafond et al., 2014). En effet, la stratification du profil de sol peut contribuer à limiter la vitesse d’infiltration de l’eau et à modifier significativement la dynamique de l’écoulement vertical dans différents endroits spécifiques (ex. formation de nappes perchées). Il existe à ce jour très peu d’études qui se rapportent directement au phénomène de la compaction des sols organiques cultivés en lien avec les modifications de leur comportement hydraulique. La recherche scientifique en est à ses débuts pour identifier des méthodes d’atténuation des effets de la compaction sur le drainage au Québec (Canada).
Les propriétés hydrauliques des sols organiques déterminent le type d’écoulement de l’eau et par conséquent la qualité du processus de drainage qui s’y réalise. Il est possible d’étudier les problèmes de drainage des sols organiques cultivés liés à la compaction du matériau les constituant par une caractérisation de certaines propriétés hydrauliques. L’utilisation de la modélisation est de nos jours l’une des techniques les plus fiables permettant de caractériser plus efficacement certaines propriétés des sols qui déterminent leur comportement hydraulique. Dans la littérature scientifique, de nombreux modèles sont déjà élaborés et implémentés dans des logiciels pour faciliter la résolution des problèmes de caractérisation des sols. Cette étude sur la problématique de drainage des sols organiques cultivés a eu pour objectifs : (1) de décrire à l’aide de techniques de modélisation le mouvement de l’eau dans les profils de sols organiques cultivés à partir de deux événements de drainage. (2) De décrire et de caractériser les principales propriétés hydrauliques des sols organiques cultivés. (3) De caractériser le niveau de compaction des sections de profils non perturbés de sols organiques cultivés de Sherrington, une municipalité de la région de la Montérégie, située au sud-ouest de la province de Québec (Canada). (4) De déterminer l’effet de la perturbation du profil de sol sur les drains (modification de la structure physique du profil de sol) sur le drainage des sols organiques cultivés. (5) Et de déterminer l’interaction de deux types de profils de sol installés sur les drains avec le volume d’eau qu’il faut drainer (à la suite de l’application de trois hauteurs de pluie caractéristiques de la zone d’étude à la surface du sol). La réalisation de ces objectifs permettra pratiquement de générer des estimés des propriétés hydrauliques qui pourraient être utilisés dans la modélisation de l’écoulement de l’eau dans les sols organiques. Elle permettra d’établir une technique d’amélioration du processus d’infiltration de l’eau et de drainage des zones critiques du sol.
3
Chapitre I Revue de littérature
1.1. Sols organiques
1.1.1. Formation des sols organiques
Dans la littérature scientifique, les sols organiques sont désignés sous différentes nominations. Parmi celles-ci on dénote : tourbe, terre noire, terre grise (en anglais peat, peat soils, muck soils, fen soils, bog soils) selon leur provenance d’anciennes tourbières ombotrophes ou minérotrophes drainées pour la valorisation en agriculture des terres, de leur niveau de développement ou de décomposition de la M O. Everett (1983) discute des différences dans la terminologie utilisée dans la littérature pour désigner les sols organiques et les confusions qui émanent des termes utilisés. De multiples facteurs environnementaux, climatiques et temporels (ex. topographique, climat tempéré, conditions de milieu saturé en eau) jouent un rôle important dans la formation des sols organiques (Davis, 1959). En effet, ce type de sol est formé dans des milieux humides à la suite de l’accumulation de débris de végétaux dans des conditions pauvres en oxygène. Ce processus de formation du sol se différencie de ce qui est à l’origine de la plupart des sols minéraux. En général, les sols minéraux naissent à la suite des déformations physiques et de l’altération chimique de matériaux parentaux minéraux (ex. matériaux rocheux, roche mère) sous l’influence de facteurs multiples dont le climat, la végétation et les micro-organismes. Le processus de formation des sols organiques se fait de façon beaucoup plus continue dans le temps à partir de matériaux parentaux organiques qui évoluent.
Les conditions de faible température, d’humidité élevée du sol, d’acidité élevée du sol, de niveau élevé de toxines organiques et de carence en éléments nutritifs contribuent au ralentissement de la décomposition de la MO du sol (FAO, 2001). Elles déterminent également le bilan entre le processus d’accumulation de la MO et sa décomposition par les micro-organismes du sol (vivant en conditions aérobie ou anaérobie). Généralement, les matériaux parentaux des sols organiques sont des débris de mousses, de sphaignes, de joncs, de roseaux, de carex, d’herbacées, de plantes ligneuses, de bois, etc. Au Canada, la plupart se sont accumulés après la dernière période de glaciation il y a dix à treize mille ans. La nature aurait besoin de 500 années pour accumuler dans des bassins mal drainés 30 cm de sol organique (McDonald et Chaput, 1998). Les dépôts accumulés dans des anciens lacs ont donné naissance aux sols organiques valorisés de nos jours en agriculture principalement dans la région de la Montérégie (Québec, Canada) (McKibbin et Stobbe, 1936). Le drainage de ces bassins donne la possibilité de mettre en valeur ces sols (ex. utilisation à des fins agricoles).
4
1.1.2. Propriétés des sols organiques
Les sols organiques comme les sols minéraux peuvent être caractérisés à partir de la détermination de certaines propriétés biologiques, chimiques et physiques du sol. La connaissance de certaines propriétés du sol et le suivi de leur évolution dans le temps peuvent jouer un rôle important dans l’élaboration de stratégies de gestion de la qualité du sol. En effet, nombreuses sont les propriétés du sol qui sont appelées à évoluer à la suite des interactions avec l’environnement physique, du changement dans les constituants biologiques et les constituants chimiques du sol sous l’influence de facteurs externes. La compréhension de certaines problématiques agricoles en sols organiques cultivés (ex. compaction des sols, mauvais drainage) devrait passer par des études minutieuses d’une ou de plusieurs propriétés caractéristiques du sol. De même que toute amélioration de la qualité agricole des sols va également résulter en une modification d’une ou de plusieurs propriétés caractéristiques. L’amélioration du drainage d’un sol organique cultivé ayant un profil compacté en profondeur reviendrait à appliquer une stratégie qui permettrait d’augmenter la perméabilité du sol dans la zone compacte. Farnham et Finney (1965) ont discuté des propriétés physiques et chimiques des sols organiques qui ont une grande importance pour leur utilisation en agriculture.
À ce jour, les études de caractéristiques biologiques des sols organiques cultivés se rapportent particulièrement aux activités microbiennes. Elles concernent également l’influence de l’état hydrique du sol et de la disponibilité en éléments nutritifs sur ces activités (Tate, 1979 ; Tate et Terry, 1980; Skopp et al., 1990 ; Amador et Jones, 1993). L’intensité des activités biologiques dans les sols organiques peut être un bon indicateur du processus de transformation de la MO du sol (Waksman et al., 1928). Généralement, elle est exprimée en termes de rejet de gaz à effets de serre (gaz carbonique, méthane, etc.) dans l’atmosphère. Certaines conditions (ex. changement dans l’environnement physique et dans les caractéristiques chimiques des sols) du sol peuvent déterminer le type d’activité biologique qui s’y réalise (ex. activité en aérobie). Ainsi, les résultats de ces activités microbiennes dans le sol peuvent avoir une influence significative sur l’évolution de la structure du sol et sa stabilité structurale (Samuel et al., 1972). La stabilité structurale d’un sol est en lien avec le niveau d’agrégation de ses particules entre elles. Le niveau d’agrégation est relié à une activité biologique intense et à la libération d’agents liants organiques.
Généralement, les sols organiques sont caractérisés par une teneur élevée en MO (>30 %, matière organique peu décomposée ou à l’état fibrique, modérément décomposée ou à l’état hémique et
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hautement décomposée ou à l’état saprique). Ils sont également caractérisés par un niveau de pH relativement faible (pH < 5) qui explique parfois la nécessité du chaulage des sols agricoles (Mathur et Levesque, 1983). Certaines propriétés chimiques du sol telles que le pH, la teneur en cendre et le degré de décomposition de la MO du sol sont souvent utilisées en caractérisation chimique (Farnham et Finney, 1965). Karam (1993) discute de certaines propriétés chimiques des sols organiques et des procédures appropriées à leur détermination compte tenu de la nature et du niveau de décomposition de la MO du sol. Parmi lesquelles, les propriétés de teneur en cendre et en matière organique, teneur en éléments majeurs et mineurs, pH du sol et capacité d’échange cationique peuvent nous renseigner sur la qualité chimique des sols. Par ailleurs, le drainage des tourbières pour leur mise en culture peut affecter la composition chimique des sols qui en résulte notamment avec le phénomène de la minéralisation de la MO (Van den Pol-van Dasselaar et Oenema, 1998 ; Chow et al., 2006). La chimie des sols organiques pourrait évoluer sous l’influence des facteurs de température et de mouvements d’eau dans le sol. De plus, la composition botanique du sol semble jouer un rôle important dans le relâchement d’éléments nutritifs majeurs (N, P, K) particulièrement sous l’influence d’une augmentation de température (Koerselman et al., 1993).
Plusieurs études (Caron et al., 1993 ; Schwärzel et al., 2002 ; Kechavarzi et al., 2010) traitent les propriétés physiques des sols organiques et leur évolution. Généralement, ils sont caractérisés par une faible masse volumique apparente sèche (moins de 0,25 gcm-3) à cause de leur caractère
organique (Everett, 1983). Les sols organiques sont caractérisés par une évolution de leur masse volumique apparente sèche, de leur porosité et de leur perméabilité avec le développement des sols (Boelter, 1969 ; Elder et Lal, 2008). Le développement de ce type de sol inclut le processus de la minéralisation de la MO du sol, de la modification de la structure du sol, de la diminution du volume des macropores du sol, etc. La connaissance des propriétés caractéristiques qui contrôlent les mouvements de fluides dans le sol (ex. eau) serait importante dans une démarche de la planification de l’irrigation. Elle jouerait également un grand rôle dans la mise en place des pratiques de drainage des sols organiques cultivés et dans la mise en place de stratégies de conservation du sol.
Les travaux de Boelter (1964 ; 1965), Dai et Sparling (1973) et de Päivänen (1973) font partie des premiers qui traitent de certaines propriétés hydrauliques caractéristiques des sols organiques. D’autres auteurs (Bloemen, 1983 ; Mathur et Levesque, 1985; Chason et Siegel, 1986 ; Schwärzel et al., 2006 ; Gnatowski et al., 2010) ont par la suite contribué à alimenter la littérature scientifique en évaluant les caractéristiques hydrauliques de sols organiques directement en plein champ et en
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laboratoire. Cependant, vu la grande variabilité spatiale, les mesures de laboratoire faites sur des échantillons généralement ne sont pas représentatifs des valeurs des propriétés hydrauliques réelles des sols organiques (Wessolek et al., 1994). Oliver (1946), Schlotzhauer et Price (1999) sont parmi les premiers auteurs qui ont étudié les propriétés hydrauliques de sols organiques du Québec. Récemment, une étude de caractérisation des propriétés de rétention d’eau d’une série de sols cultivés a été menée par Hallema et al. (2015) avec utilisation de modèles hydrauliques. Cette approche par modélisation a été également utilisée par Périard et al. (2015) et Hallema et al. (2015) pour étudier respectivement les flux d’eau dans la zone racinaire de la laitue romaine cultivée sur les sols organiques et les effets de la mise en culture des sols organiques sur leurs propriétés hydrauliques.
1.1.3. Classification des sols organiques
Les sols organiques peuvent être identifiés au moyen de plusieurs systèmes de classification. Les plus utilisés en Amérique du Nord sont le système canadien de classification des sols (CSSC) (Soil Classification Working Group, 1998) et le système américain de classification des sols (Soil Survey Staff, 1999). De plus, il existe également le système corrélé de classification de la FAO, World Reference Base for Soil Ressources (WRB) (Catalogue ou Base de référence mondiale pour les ressources de sol) (FAO, 2001). Dans le CSSC, les sols organiques sont classés dans l’ordre organique et sont caractérisés comme ayant un profil qui présente une disposition par couches avec des propriétés physiques différentes imputables au stade de décomposition des matériaux parentaux végétaux qui les composent. Ils sont classés dans le groupe Histosols dans le système américain et le WRB. En effet, ce sont des sols, sans permafrost, ayant plus de 30 % de teneur en matière organique. Généralement, leur densité apparente sèche est relativement très faible à cause de la teneur en MO élevée. Les deux derniers systèmes de classification ont défini les limites entre le groupe des sols organiques et les autres groupes minéraux et ont établi les caractéristiques particulières des nombreux sous-groupes existants. Au début de la recherche sur les sols organiques, Farnham et Finney (1965) ont proposé différents critères importants pour leur classification. Ils ont également élaboré un système applicable dans plusieurs contextes, dont l’utilisation au champ, en s’inspirant des premières publications établissant le système américain de classification.
1.1.4. Répartition des sols organiques
Les sols organiques se retrouvent un peu partout à travers le monde. La plus grande proportion se localise dans l’hémisphère Nord, les régions boréales, arctiques et subarctiques. Andriesse (1988) a
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mentionné qu’il existe plus de 436 millions d’hectares de sols organiques à travers le monde dont plus de 8 % se localiseraient dans des régions tropicales et subtropicales. Cependant, l’une des dernières publications de la FAO (2001) a fait mention d’une superficie totale estimée à 325-375 millions d’hectares à travers le monde. La Russie et le Canada (voir photo 1a et 1b) viennent en tête de la liste des pays qui possèdent les plus grandes étendues de tourbières au monde qui peuvent être valorisées (Bord na Mona, 1985). Ils ont chacun plus d’une centaine de millions d’hectares. La province de Québec est une des deux provinces canadiennes ayant les plus grandes superficies de sols organiques. Une bonne partie des sols organiques de Québec est valorisée en agriculture et rapporte annuellement une valeur ajoutée intéressante pour le secteur agricole.
Figures 1a. Répartition des tourbières ombotrophes du Canada - Département des ressources
naturelles Canada dans Langlois (2013)
Figures 1b. Répartition des tourbières minérotrophes du Canada - Département des ressources
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1.2. Phénomène d’affaissement des sols organiques
Le drainage des tourbières suivi d’une gestion inadaptée des sols organiques qui en résultent conduit généralement au processus de dégradation des sols (Holden et al., 2004 ; Drexler et al., 2009). Ce processus se manifeste par une détérioration graduelle des propriétés physiques du sol et principalement celles qui déterminent la qualité agricole du sol (Anshari et al., 2010). Le phénomène d’affaissement est un des principaux phénomènes (ex. désertification, acidification, perte de la biodiversité du sol) qui amènent à la détérioration de la qualité agricole du sol. Celui-ci peut être considéré à la fois comme un phénomène naturel et anthropique dépendamment de ce qui est à l’origine. Les récentes publications font mention des facteurs physico-chimiques qui sont à la base de ce phénomène. On compte les facteurs d’oxydation, de la décomposition de la MO du sol par les micro-organismes, le phénomène de retrait par dessiccation (Peng et al., 2007 ; Oleszczuk et Brandyk, 2008 ; Gebhardt et al., 2010). Et on y ajoute également le phénomène de la compaction du sol par l’utilisation répétée de machineries agricoles lourdes (Alakukku, 1996 ; Nugent et al., 2003). Le phénomène d’affaissement se rencontre couramment dans les sols organiques cultivés. Les mesures d’affaissement de surface des sols organiques enregistrées indiquent qu’au moins 50 % des effets sont attribués à l’activité microbienne et au phénomène de retrait du sol (Schothorst, 1982).
En grande partie, pour un sol riche en matière organique (et ayant un rapport C/N > 25), il y aurait une augmentation significative de l’activité des organismes vivants en passant d’une condition anaérobie à une condition aérobie dans le sol. L’augmentation de l’activité microbienne avec l’aération est liée du même coup à une intensité de décomposition de la matière organique du sol relativement élevée. La détermination des effets de l’affaissement du sol passe par une bonne estimation de l’activité microbienne dans les sols. Cependant, pour une meilleure évaluation du phénomène d’affaissement des sols organiques, il est recommandé de bien définir les conditions environnantes, car bon nombre de sols organiques sont parfois exposés aux phénomènes d’érosion particulièrement à l’érosion éolienne (Parent et al., 1982). Les résultats de mesures d’affaissement obtenus dans le temps peuvent être significativement altérés par la présence du phénomène d’érosion de surface. Dans cette revue de littérature, nous nous limitons à une discussion sur chacune des trois composantes majeures du phénomène d’affaissement des sols organiques cultivés. Cette discussion se porte essentiellement sur le processus d’oxydation et de décomposition microbienne de la MO, le phénomène de retrait des sols et le phénomène de la compaction mécanique des sols organiques cultivés.
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1.2.1. Décomposition de la matière organique du sol
Au tout début, avec le drainage des tourbières pour la mise en valeur agricole des sols, on crée inévitablement des conditions d’aération favorables aux activités de décomposition microbienne de la MO. De plus, en aérant les sols organiques cultivés avec le processus de drainage agricole, on favorise également l’intensification des processus d’oxydation et de décomposition de la matière organique du sol (Lähde, 1969; Armentano, 1980). L’intensité de la décomposition de la MO du sol est généralement supérieure au rythme naturel d’accumulation dans le sol. Il est possible d’évaluer l’intensité du processus de décomposition de la MO en évaluant les résultantes de l’activité microbienne du sol. En effet, l’intensité de l’activité biologique du sol peut être évaluée par la mesure des valeurs de sortie des processus de respiration du sol ou de rejet de gaz carbonique dans l’atmosphère. Elle peut comprendre également la mesure des valeurs de sortie des processus de méthanogenèse, de dénitrification et de fixation de l’azote atmosphérique (Murayama et Abu Bakar, 1996b ; Grønlund et al., 2006). Plus l’activité microbienne du sol est intense, plus élevé serait la quantité de gaz dégagé dans l’atmosphère. La décomposition de la MO du sol serait également plus efficace au fur et à mesure que l’activité microbienne devient de plus en plus intense.
Dès le début de la recherche sur les sols organiques cultivés, des chercheurs ont démontré l’influence significative d’autres facteurs intrinsèques et extrinsèques au milieu sur la décomposition de la MO peu importe le type de climat en présence (tempéré et tropical). Les plus importants parmi ces facteurs sont : le pH du sol (acidité du sol), la teneur en matière organique du sol, la température et l’humidité du sol (Wessolek et al., 2002 ; Inubushi et al., 2005 ; Berglund et Berglund, 2011 ; Wilson et al., 2016). En effet, le processus de décomposition de la MO résulte en une perte de la masse et de l’épaisseur de matériaux du milieu et contribue significativement au phénomène d’affaissement des sols organiques dans le long terme (Stephens, 1956). Les matériaux des sols organiques peuvent être décomposés à un certain niveau ou stade identifiable et caractérisable. Il existe plusieurs méthodes de caractérisation du niveau ou du stade de décomposition de la MO d’un sol. La méthode de Von Post, qui établit sur une échelle de 10 différents degrés de décomposition de la MO allant du stade non décomposé à fortement décomposé, est la plus adaptée à utiliser sur le terrain dans les études de caractérisation (Stanek et Silc, 1977). Celle-ci et la méthode russe par centrifugation sont à ce jour les mieux adaptées pour distinguer les différents degrés de décomposition de la tourbe et qui sont utilisées un peu partout à travers le monde (Malterer et al., 1992).
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Le processus de la décomposition microbienne de la MO se différencie des phénomènes de retrait et de compaction qui impactent beaucoup plus sur la densification du sol sans aucune perte substantielle de MO du sol. Les changements graduels de la nature et de la teneur en MO du sol occasionnés par les micro-organismes peuvent être à la base de modifications considérables dans les propriétés physiques, chimiques et biologiques le long d’un profil de sol. Ces modifications engendrées et les impacts des phénomènes de compaction et de retrait du sol pourraient résulter en une stratification du profil. Par rapport à la conservation de ce type de ressource naturelle, des observations inquiétantes ont été faites un peu partout à travers le monde.
Dans les Everglades et à Sacramento dans la vallée de San Joaquin aux USA (Stephens, 1956 ; Deverel et al., 2016), en Hollande (Schothorst, 1977), en Angleterre (Kechavarzi et al., 2010) et ailleurs des masses (épaisseurs) significatives (épaisseur allant de 1 mètre jusqu’à plus de 3 m de sol) de sol ont été perdues. Les périodes d’observation ont été relativement courtes (allant de 5 à 100 ans). Dans la plupart des cas, les pertes d’épaisseur de sol ont rendu inappropriées les installations de drainage existantes (Gambolati et al., 2006). La plupart de ces sols sont alors devenus vulnérables à l’inondation. Le taux annuel d’affaissement des sols organiques varie d’une région à l’autre allant de 0,5 à 10 cm par année (rapporté dans Armentano, 1980). Toutefois, des chercheurs ont démontré qu’il tend à se stabiliser voire à diminuer au fil des années (ex. de 2,16 cm/année à 0,19 cm/année sur un intervalle de 42 ans avec une teneur en MO < 20 %) (Rojstaczer et Deverel, 1995 ; Deverel et al., 2016). Cette tendance pourrait être due particulièrement à la modification de la teneur en MO du sol, du pH et de la fluctuation du niveau de l’eau dans la nappe phréatique locale. Plus le pH et la teneur en MO non stable du sol sont élevés, plus le taux de décomposition de la MO et d’affaissement des sols organiques tend à augmenter (Rojstaczer et Deverel, 1995 ; Murayama et Abu Bakar, 1996). Le CO2, le CH4, les oxydes d’azote que les sols organiques rejettent dans l’atmosphère proviennent
généralement de la transformation de composés organiques instables du sol par les micro-organismes. Les mesures de mitigation du processus d’oxydation de la MO du sol peuvent d’une part se baser sur un meilleur contrôle des facteurs qui inhiberaient en partie les activités des micro-organismes et des enzymes dans les sols. Par exemple, le maintien de la nappe phréatique à un niveau où les conditions aérobies ne seraient pas totales dans la zone cultivable par drainage contrôlé. En effet, le maintien d’un niveau élevé d’eau de la nappe assurera constamment la remontée capillaire dans la zone cultivable. Il maintiendrait également cette portion du profil de sol en condition suffisamment aérée et humide pour réduire la production de gaz en condition aérobie et anaérobie (Kechavarzi et al., 2007).
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Les conditions précédentes permettent de réduire l’intensité de l’activité microbienne du sol et donc la production des principaux gaz. Les conditions aérobies favorisent beaucoup plus la production de CO2
comparativement aux conditions anaérobies (Magnusson, 1993). De plus, l’addition de sels (sulfate de zinc et sulfate d’aluminium) peut contribuer à réduire l’intensité de l’activité microbienne dans les sols organiques. Les mécanismes qui interviennent favoriseraient la formation de complexes organominéraux qui résisteraient à la décomposition microbienne et défavoriseraient des actions enzymatiques dans le sol (Murayama et Abu Bakar, 1996). Des chercheurs (McDonald et Chaput, 1998) ont démontré que l’addition de cuivre aux proportions recommandées (ex. 14 kg.ha-1 aux trois
premières années) comme fertilisant au sol serait en mesure de réduire l’activité enzymatique de moitié dans les sols organiques cultivés et par conséquent la décomposition microbienne. Elle permettrait ainsi de prolonger la durée de vie des sols qui sont sensibles aux activités microbiennes.
1.2.2. Retrait des sols
La diminution de volume des sols organiques cultivés due au processus de dessiccation correspond au phénomène de retrait des sols. La réalisation de ce phénomène dans les sols organiques résulte en une augmentation de la densification du sol sans aucune variation de la masse de matériaux qui les constituent. Le retrait des sols organiques dans le sens de la verticalité contribue à leur affaissement dans le temps. Les deux phénomènes antagonistes de retrait et de gonflement sont très courants dans les sols organiques cultivés et se manifestent particulièrement durant les cycles de sorption et de désorption. L’intensité du phénomène de retrait (réversible et irréversible) dépend du type de matériaux parentaux végétaux qui sont à l’origine des sols et du niveau de décomposition de la MO (Illnicki et Zeitz, 2003 ; Oleszczuk et Brandyk, 2008). Plus le niveau de décomposition de la tourbe est élevé (plus le volume de micropores devient important) et la teneur en cendre faible, plus le sol est sensible au phénomène de retrait. En effet, quand le changement de volume est irréversible, les sols organiques affectés ont du mal à retrouver la morphologie initiale et certaines caractéristiques physiques d’avant. Cette difficulté s’explique par la compression de certaines macropores du sol et les propriétés hydrophobes de certains matériaux constituant le sol organique à certains stades d’assèchement. Le changement irréversible de volume de sol pourrait même être observé après une longue période de submersion par l’eau (Berglund et Persson, 1996).
Nombreux sont les chercheurs qui ont étudié le phénomène de retrait et réussi à établir des relations mathématiques ou des modèles réductionnistes décrivant le phénomène en question. En général, ces
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modèles permettent de lier le changement de volume observé à la modification de certaines propriétés physiques du sol (ex. variation de la teneur en eau, variation de la teneur en carbone organique du sol) (Chertkov, 2000 ; Boivin et al., 2009). Ainsi, l’utilisation de modèles pourrait être une façon efficace de déterminer par comparaison mathématique et de caractériser les couches d’un profil de sol qui sont concernées par le phénomène de retrait (Peng et Horn, 2005). Les courbes caractéristiques du phénomène de retrait des sols représentent la relation entre l’indice des vides et la teneur en eau volumique des sols. Tariq et Durnford (1993), Braudeau et al. (1999) ont revu plusieurs méthodes de mesures de retrait en sol minéral. Cependant, très peu d’études spécifiques (Price et Schlotzhauer, 1999 ; Oleszczuk et al., 2003 ; Camporese et al., 2006 ; Peng et al., 2007) aux propriétés de retrait des sols organiques cultivés sont à ce jour publiées.
1.2.3. Compaction des sols
Phénomène communément rencontré en agriculture intensive moderne et mécanisée, reconnu comme un élément intégrant le processus général de dégradation des sols, la compaction du sol se manifeste par un état de consolidation des matériaux qui constituent le sol. Parmi les causes évoquées dans la littérature (Hamza et Anderson, 2005), le phénomène de la compaction peut se réaliser de deux façons dans les sols organiques. Le transport des particules fines résultantes de la décomposition de la MO du sol au moyen des flux d’eau descendants (FAO, 2001). Ces particules fines s’accumulent généralement en profondeur dans le sol et remplissent progressivement les macropores. Par ailleurs, le phénomène de la compaction du sol peut survenir en grande partie à la suite de l’exposition du sol à des surcharges élevées (ex. machineries lourdes). Dans le long terme, elle peut être la conséquence des effets résiduels de l’utilisation abusive, incontrôlée de machineries lourdes dans des conditions défavorables du sol (Alakuku, 1999).
L’origine des charges impliquées dans la compaction mécanique du sol peut être diverse. Elle comprend, parmi d’autres, l’utilisation de tracteurs, d’épandeurs, de moissonneuses pour diverses opérations agricoles sur les grandes superficies cultivées telles que le travail du sol, la fertilisation, l’application de traitements phytosanitaires et la récolte. Par ailleurs, d’autres facteurs peuvent également avoir une influence majeure sur la susceptibilité du sol au phénomène de compaction. Certains de ces facteurs sont liés aux conditions environnementales et particulièrement aux conditions du sol au moment du passage de la machinerie et d’autres sont liés au type de machineries utilisées. Les premières peuvent être en lien avec la teneur en eau, la texture, la structure et la teneur en M O
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du sol tandis que les dernières avec l’intensité de la charge transmise au sol, le nombre et le temps de passages. Il pourrait exister deux types de compaction en fonction de l’étendue des impacts et des effets résiduels cumulés, dépendamment des facteurs qui rentrent en jeu, une profonde et une superficielle. Alakuku (1999) discute de certains paramètres qui favorisent la compaction du sol à la suite des passages de machineries lourdes. Toutefois, le gros des effets de la compaction sur le sol se produit au tout début, les effets résiduels s’accumulent dans le sol et les impacts additionnels du phénomène diminuent progressivement avec le temps (Osman, 2014).
Parmi les conséquences les plus marquées du phénomène de la compaction, on retient la destruction progressive de la structure initiale et la compression du volume du sol avec l’écrasement plus ou moins important du volume de vide. En effet, il se produit graduellement une réduction de la porosité du sol et de sa perméabilité à la suite de l’application des charges lourdes et enfin une augmentation de la résistance du sol (Danfors, 1994; Alakukuu, 1997). La réduction de porosité totale se fait généralement dans le sens de l’augmentation de la charge appliquée et est inversement proportionnelle à la masse volumique apparente sèche du sol. Il a été démontré que le phénomène de la compaction peut persister pendant longtemps dans les sols organiques cultivés (Håkansson et Reeder, 1994 ; Etana et Hakansson, 1994 ; Alakukku, 1996a ; Alakukku, 1996b). Ce phénomène peut toutefois affecter considérablement les propriétés caractéristiques des sols malgré les travaux d’atténuation de surface et les effets des processus d’évolution naturels.
On observe généralement une limitation dans la circulation de l’eau et de l’air dans la matrice sol et une augmentation de la vulnérabilité du sol à l’érosion de surface. En effet, en comprimant certaines porosités du sol, cela diminue sa capacité d’infiltration qui pourrait résulter ultérieurement en des problèmes de drainage et d’érosion hydrique à la surface. Cela diminue également le potentiel d’échange gazeux dans les zones compactes, qui peuvent garder leur eau plus longtemps et permettent l’établissement des conditions anaérobies qui ne favorisent pas l’activité de certains organismes du sol et la respiration racinaire. Par ailleurs, la compaction du sol peut avoir des conséquences négatives sur la production végétale (Gaultney et al., 1982). Il a été démontré que plus la fréquence du passage de machineries lourdes sur les sols organiques cultivés en conditions défavorables est élevée plus les effets de la compaction des sols sont marqués (Alakukku et Elonen, 1995). Dans une telle situation, le rendement des cultures est susceptible d’être affecté considérablement. Ce phénomène a été étudié pour plusieurs sols minéraux à travers le monde (Danfors, 1994 ; Osman, 2014 ; Chan et al., 2006 ; Batey, 2009). Cependant très peu d’études
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concernent cette problématique très présente dans les sols organiques cultivés et qui peut avoir des conséquences négatives sur le développement des cultures.
La caractérisation et la compréhension du phénomène de compaction, comme tout autre phénomène physique qui se produit dans un sol, nécessitent le suivi d’une ou de plusieurs propriétés physiques caractéristiques du sol. L’une des propriétés du sol couramment utilisées à cet effet est la masse volumique apparente sèche (MVA) (Håkansson et Lipiec, 2000) ; mais on utilise également la résistance à la pénétration, la distribution de la taille des pores du sol, la porosité totale, l’indice des vides et la compacité du sol (Soane et van Ouwerkerk, 1994 ; Alakuku,1996). Les mesures de ces propriétés ne nous renseignent pas suffisamment sur les processus d’écoulement de l’eau et les limitations imposées dans le profil de sol. La compréhension du processus de drainage du sol reste primordiale pour une bonne gestion des cultures. Cela est rendu possible par l’analyse des résultats d’étude de propriétés hydrauliques du sol. Néanmoins, la compaction peut affecter à la fois plusieurs propriétés physiques, chimiques et biologiques des sols. Elle augmente la MVA de la couche de sol compactée ainsi que sa résistance à la pénétration racinaire. Indirectement, elle limite le prélèvement et la croissance des racines (Unger et Kaspar, 1994).
Plusieurs techniques et/ou mesures permettent d’atténuer les problèmes de compaction des sols (Hamza et Anderson, 2005 ; Osman, 2014). Les unes sont basées sur la réduction de la fréquence de passage de machineries lourdes pour les opérations agricoles tout en respectant l’état d’humidité du sol et les autres, sur l’amélioration de sa compacité. Zhang et al. (1997) ont démontré que l’apport de M O dans certains sols minéraux (loam limoneux, argile) peut contribuer efficacement à la réduction de leur compacité sans aucune amélioration significative dans leur structure. Toutefois, Rivernshield et Bassuk (2007) ont augmenté la macroporosité de certains sols minéraux (loam sableux et loam argileux) à la suite d’apports d’amendements organiques. En effet, une augmentation de la teneur en M O d’un sol peut avoir une influence positive sur sa résistance à la déformation et par conséquent, sa compacité à des teneurs en eau relativement élevées (Soane, 1990).
1.3. Drainage des sols organiques
Le drainage a pour but d’éliminer l’eau en excès dans le sol et de rendre le milieu favorable à la mise en culture. Cependant, la mise en valeur agricole des sols drainés à partir des tourbières accélère le processus de transformation de la MO qui pourrait entrainer une détérioration de la nature organique des sols dans le temps. Dès le début du drainage, il s’établit des conditions favorables à la réalisation
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de certains phénomènes induits naturellement (ex. décomposition microbienne de la MO) et d’autres induits par les activités humaines (ex. compaction des sols). Les processus de transformation se font graduellement et sont à la base de modifications de certaines propriétés biologiques, chimiques et physiques des sols (Anshari et al., 2010).
Certaines propriétés physiques déterminent le type d’écoulement qui se produit dans le sol et influencent directement le type drainage qui s’y fait. Parmi celles-ci, on distingue : la porosité du sol, la distribution de la taille des pores (micropores, mésopores et macropores) et la conductivité hydraulique. La dernière propriété reste à ce jour l’une des propriétés les plus importantes à étudier pour comprendre le comportement hydrologique d’un profil de sol et pour être en mesure d’établir la meilleure stratégie d’utilisation du sol (ex. irrigation, drainage). Cependant, les modifications de cette propriété physique du sol peuvent contribuer également à diminuer l’efficacité des systèmes de drainage dans le temps. Elles peuvent également favoriser dans certains cas la formation de nappes perchées en surface à la suite de la densification et de la stratification du sol (Lafond et al., 2014). En effet, l’altération de certaines propriétés du sol pourrait perturber le processus de drainage du sol, prolongeant ainsi le délai de ressuyage de surface.
Dépendamment de la saison de l’année et des conditions météorologiques, le type de drainage des sols organiques peut avoir une influence sur leur capacité portante (Dexter et Watts, 1992). Cette capacité portante caractérise la résistance du sol au phénomène de tassement (en fonction de la cohésion entre les particules de sol) sous l’effet de l’application d’une surcharge à la surface (ex. poids des machineries utilisées pour réaliser certaines opérations agricoles). La teneur en matière organique peut contribuer également à renforcer la résistance du sol (Zhang et al., 1997). Généralement, dans la période de fonte de neige et pluvieuse au printemps et à l’été, la résistance des sols organiques en surface est relativement faible puisque le sol reçoit beaucoup d’eau. En effet, plus la teneur en eau du sol est élevée et plus le niveau de l’eau dans la nappe phréatique tend à se rapprocher de la surface du sol (ex. profil de sol saturé), plus la capacité portante du sol organique pourrait être faible. Il a été démontré que pour un sol organique, on peut atteindre une capacité portante suffisante (supérieure ou égale à 6 kg.cm-2) en drainant le sol jusqu’à une teneur en eau volumique de 65 % (Schothorst, 1982).
Ainsi, la capacité portante du sol peut être améliorée en diminuant le potentiel matriciel ou la teneur en eau du sol par le drainage. En conséquence, plus un système de drainage est efficace, plus rapide il pourrait évacuer l’eau en excès dans le sol. Dans une telle situation, la capacité portante du sol serait établie de nouveau plus rapidement après une pluie ou à la fonte des neiges au printemps. Cela
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permettrait également de raccourcir la durée d’attente avant d’entrer au champ pour la réalisation des premières opérations agricoles au printemps.
La problématique de drainage des sols organiques cultivés de la Montérégie est jusqu’à présent peu étudiée. Elle s’explique particulièrement par la formation de nappes perchées de façon prolongée au printemps avec la fonte des neiges, retardant le début de la période d’entrée au champ, et après une grosse pluie à l’été et à l’automne. Cette situation est susceptible d’occasionner des pertes de rendements énormes pour le secteur de la production maraîchère. L’une des hypothèses plausibles émises grâce aux observations faites par des chercheurs de l’Université Laval, est qu’à partir de 30 centimètres le profil de sol se compacte, rendant ainsi plus difficile le drainage. Ce phénomène observé serait le résultat du processus de décomposition microbienne de la matière organique en surface suivie du déplacement de particules fines résultantes vers le bas remplissant les macropores du sol. Elle serait également le résultat des passages répétés et incontrôlés de machineries lourdes pour la réalisation de certaines opérations agricoles dans les conditions défavorables.
La problématique de drainage des sols organiques a été étudiée sous d’autres angles ailleurs au Canada. Elle a été étudiée en rapport avec les propriétés de rétention et de transport d’eau dans le sol (Silins, 1998) et le transport de fertilisants dans l’eau de drainage en cultures intensives (Miller, 1979). Aux USA elle a été étudiée en lien avec le transport des éléments nutritifs majeurs (N, P) dans l’eau de drainage des sols dans les Everglades, qui aurait occasionné l’eutrophisation de certains cours d’eau (Heathwaite, 1990 ; Martin et al., 1997). D’autres chercheurs ont étudié parallèlement l’influence du drainage sur l’évolution des sols organiques cultivés en rapport au phénomène d’affaissement, au phénomène de rejet de gaz à effets de serre dans l’atmosphère (Ewing et Vepraskas, 2006 ; Drexler et al., 2009). Le processus de drainage pourrait faire des sols organiques des sources importantes d’émission de gaz à effet de serre dans l’atmosphère.
L’une des techniques pour améliorer le drainage des sols organiques cultivés avec couches compactes en profondeur est de créer une structure continue au moyen de tranchées drainantes faites de matériels de surface. Le matériel de surface a été reconnu comme un matériel relativement bien structuré et ayant une bonne perméabilité (Hallema et al., 2015). L’écoulement de l’eau vers les drains dans un milieu poreux identique et homogène en tout point serait relativement uniforme et plus rapide que dans le cas contraire. Cependant, compte tenu de l’évolution du sol, les effets d’une telle installation pourraient s’étendre sur une période relativement courte.
