L'évolution du sol
sous canne à sucre irriguée,
à Kenana au Soudan
M. BROUWERS, S. MARLET Cirad-amis, avenue Agropolis, 34 398 M ontpellier Cedex 5, France marinus.brouwers@cirad.fr
A .A . O SM AN Department of Sugarcane research, Kenana Site, KSS, PO Box 2632, Soudan
Introduction
Au Soudan, cinq complexes sucriers (A s a la y e , S ennar, G u i n e id , N e w H aifa , Kenana) e x p lo ite n t près de 70 0 0 0 ha d o n t la m o it ié p o u r la Kenana Sugar C om p a n y Ltd entrée en p ro du ction au début des années 1980. L'eau d'irriga tion est pompée dans le Nil blanc. Elle est distribuée g r a v i t a i r e m e n t d a n s des ra ie s longues de 700 m à plus de 2 km. Le rendement moyen de Kenana est de 70 t/ha. Ces p e rfo rm a n c e s restent éloignées du potentiel de la canne à sucre irriguée et un diagnostic a été mis en œuvre afin d'apprécier, d'une part les performances de l'irrigation (LID O N et al., 1999) et d'a utre part l'é volu tion de la fertilité des sols.
Les caractéristiques
du sol
Au Soudan, les vertiso ls o c c u p e n t plusieurs m illio n s d'hectares (BLO- KHUIS, 1993) et sont très répandus dans le « Central Clay Plain », vaste plaine s'étalant au sud du confluent du Nil blanc et du Nil bleu (à 16° de l a titu d e n o rd et 3 2 ° de lo n g it u d e est). Ils constituent une grande partie des surfaces irriguées (1,9 m illio n d'hectares) à partir de barrages et par pompage dans le Nil et ses affluents, entre les isohyètes 100 et 600 mm. Les sols sont presque exclusivement des vertisols grumusoliques profonds de 2 m ou plus, développés le plus souvent sur un vaste glacis d'érosion
plé istocène à pente com prise entre 0,1 et 0 ,7 % . Ils re p o s e n t sur des schistes et calcaires infracam briens du s o c le (B R O U W E R S , 1 99 6). Ils c o n t i e n n e n t en m o y e n n e 65 % d 'a rg ile à forte capacité d'échange (110 m eq/100 g d'argile), ce qui leur c o n fè r e une c a p a c it é d 'é c h a n g e c a tion iq ue e x cep tion ne lle m e nt éle vée, supérieure à 70 m e q /1 00 g de sol. Ils sont riches en c a lca ire , 2 à 8 % dans la te rre fin e , en plus de n o d u le s q u i c o n s t i t u e n t a v e c quelques éléments de quartz la frac tion grossière du sol (2 à 4 %).
L'évolution des
propriétés des sols
La c h im ie des sols est analysée sur des sites sous canne irriguée depuis quinze ans et sur des sols consacrés aux cultures pluviales, localisés dans le com plexe (ou en bordure). Le sor gho de type dura est la culture p lu viale par excellence pour un régime p l u v i o m é t r i q u e de 4 0 0 m m de moyenne.La qualité des eaux
d'irrig a tio n
A v e c une c o n d u c t iv it é é le c tr iq u e (CE) d ' e n v i r o n 0 ,2 d S /m et un
S o diu m A b s o rp tio n Ratio (SAR) de
1,5, l'e a u est d 'e x c e lle n te q u a lité selon la classification de Riverside. Toutefois, son a lc a lin ité résiduelle est nettement positive (tableau 1) et pourrait conduire à une dégradation
composition chimique des sols
"s-Tableau 1. Qualité de l'eau d'irrigation (moyenne des prélèvements entre le 31 janvier 1997 et le 22 mai 1997).
Teneurs en éléments minéraux
Ca Mg K Na Cl S04 N 0 3 H C 0 3
0,54 0,58 0,24 0,92 0,17 0,07 0,01 2,02
Autres données
pH Conductivité SAR Salinity Class Alcalinité
électrique résiduelle
(mS/cm) (USSL, 1951)
7,39 0,21 1,52 Cl SI +0,90
SAR : Sodium Absorption Ratio
progressive des propriétés p h y s ic o chim iques des sols par alcalinisation et sodisation (voir encadré).
L'évolution des propriétés
chimiques des sols
En l'a bse nce d 'ir r ig a tio n , le faciès ch im iqu e de la solution du sol appa r a î t p r i n c i p a l e m e n t s u lf a t é et sodique. L'alcalinité est modérée et le pH reste le plus souvent inférieur à 8,5 (fig u re 1b). La s a lin ité et la
Evolution des sols sous irrigation :
description des processus chimiques
La salinisation111 des sols est la conséquence directe d'un lessivage insuffisant des sels apportés par l'irrigation. Ces dysfonctionnements hydrologiques peu vent aussi bien être liés à des apports d'eau insuffisants ou à la présence d'une nappe proche de la surface et condui sent à une concentration progressive de la solution du sol.
Lors de la concentration des eaux, des minéraux sont susceptibles de précipiter ce qui modifie la composition des solu tions. Les précipités les plus communs sont : la calcite, la silice amorphe, le gypse et les minéraux argileux contri buant principalement au contrôle du magnésium (HARDIE et EUGSTER, 1970). Lorsque la calcite et la sépiolite précipitent, ils contribuent au contrôle de l'alcalinité et des molarités en cal cium et magnésium qui ne peuvent aug menter simultanément.
Salinisation
Si la somme des équivalents de calcium et magnésium est supérieure à l'alcalini té dans la solution de départ, l'alcalinité
(1). Le processus de salinisation résulte de l'augmentation de la concentration des solutés en s o lu tio n sous l'in f lu e n c e de l ' é v a p o t r a n s p i r a t i o n et d 'u n le s s iv a g e in s u ffis a n t. La s a lin it é se m a n ife s te p a r l'apparition de salants blancs. A partir d'une v a le u r seuil de la c o n d u c tiv ité é le c triq u e d'extraits de pâte saturée de l'o rd re de 2 à 4 d S / m , des p ro b lè m e s de sécheresse p h ysio lo giq u e vo ire de toxicité en certains éléments sont susceptibles d'apparaître.
décroît et les molarités en calcium et magnésium augmentent à un rythme inférieur à celui du facteur de concen tration. Ce processus de salinisation(1) c o n d u it à une a ugm entation de la conductivité électrique de la solution du sol et à l'apparition de phénomènes de sécheresse physiologique voire de toxi cité.
Alcalinisation
Dans une situation inverse, l'alcalinité augmente et les molarités en calcium et en magnésium diminuent. Ce processus d'alcalinisation(1) conduit à une aug mentation de l'alcalinité et du pH. Des valeurs élevées de pH s'accompagnent de l'apparition de carences, notamment en phosphore et en zinc. Elles favorisent
les pertes d'azote ammoniacal.
Ce concept d'alcalinité résiduelle (VAN BEEK et VAN BREEMEN, 1 973 ; AL DROUBI et a/., 1976 ; MARLET et a i, 1998) permet de prévoir l'évolution de la composition chimique d'une solution lorsqu'elle se concentre ; elle est calcu lée en soustrayant à l'alcalinité les équi valents de cations et en additionnant les
Le processus d ' a l c a l i n i s a t i o n résulte de l'augmentation de l'alcalinité en relation avec la q u a lité des eaux d 'ir r ig a t io n (alc a lin ité résiduelle positive) lors de la concentration. L'alcalinité se manifeste par l'augmentation du pH et l'apparition temporaire de salants noirs. Des v a le u rs élevées du pH in situ s'accompagnent de l'apparition de carences induites, en phosphore et zinc notamment. Elles favorisent les pertes d'azote ammoniacal. Le processus de s o d i s a t i o n résu lte de
équivalents d'anions qui sont impliqués dans les précipitations. Appliqué habi tuellement à la précipitation de calcite et de sépiolite, ce concept est équivalent à celui de Residual Sodium Carbonates.
Sodisation
Le contrôle des molarités en calcium et magnésium favorise leur désorption et l'adsorption de sodium sur le complexe d'échange. Ce processus de sodisation111 est plus rapide en milieu alcalin alors que le calcium et le magnésium ont un comportement minoritaire. Lorsque la concentration de la solution du sol est inférieure à un seuil critique de flocula tion, les argiles se dispersent, les agré gats deviennent instables et les proprié tés physiques sont susceptibles de se dégrader.
Dans les sols salés ou alcalins, ces équi libres géochim iques sont fortem ent influencés par le pH, lui-même sous la dépendance de la pression partielle en C 0 2. Ainsi certaines pratiques culturales et l'activité biologique des sols peuvent elles aussi jouer un rôle déterminant dans l'évolution des propriétés des sols.
l'augmentation de la proportion de sodium sur le complexe d'échange. A partir d'une valeur seuil de 5 à 15 %, les agrégats deviennent instables et les p ro p rié té s p hysiques sont susceptibles de se dégrader : augmentation de la c o m p a c ité et de la d e n sité a p p a re n te , diminution de la porosité et de la perméabilité à l'eau et à l'air. La capacité de lessivage des sols est limitée et l'a p p a ritio n de conditions réductrices est facilitée. Elles peuvent favoriser les pertes d'azote par dénitrification.
irrigation sur vertisols au Soudan
sodicité des sois s'accroissent sensi blement en profondeur (figures 1a et 1d), ce q u i m e t en é v id e n c e une salure, sans d oute d 'o rig in e g é o lo gique.
Sous irrigation, on a pu observer une é v o lu t io n s e n s ib le des p ro p rié té s chim iques des sols :
- une d im in u tio n significative de la c o n d u c tiv ité é le c triq u e (figure 1a), des concentrations en sodium (figure 1 d) et sulfate (figure 1 f), et du sodium échangeable (figure 1g) ;
- une a ug m e nta tio n de l'a lc a lin ité (figure 1e) et du pH (figure 1 b) ; - une augm entation du magnésium échangeable (figure 1 h).
La d im in u tio n de la salinité et de la s o d ic ité des sols m et en é v id e n c e une l i x i v i a t i o n im p o r ta n t e . C ette o bservation est cohérente avec les résultats de L ID O N et al. (1999) qui é valuent la fraction drainée à e n v i ro n 8 % d e la d o s e d 'a r r o s a g e . M a lg r é u n e te x tu r e a rg ile u s e , le p o t e n t i e l d ' i n f i l t r a t i o n des s o ls apparaît élevé en raison de la pré s e n c e d ' i m p o r t a n t e s fe n t e s de retrait. De plus, l'in filtra tio n semble efficace en qui concerne l'e ntraîne m e n t des sels m a lg ré l'e x is t e n c e vraisem blable d 'écoulem ents préfé rentiels.
L 'a u g m e n ta tio n de l 'a lc a l in i t é est liée à la qualité des eaux d'irrigation don t l'a lc a lin ité résiduelle est forte m ent p ositive. Cette a ug m e nta tio n reste cependant m odérée en raison de l'in te n s ité de la lix iv ia tio n mais aussi de l'im portant p ouvoir tampon du sol lié à sa c a p a c ité d 'é c h a n g e (MARLET et al., 1998).
L 'a u g m e n t a t i o n de la t e n e u r en m a g n é s iu m é c h a n g e a b le r é v è le généralement une augmentation de la pression p artielle en C 0 2 (M A R LET, 1996). A Kenana, cette é v o lu tion est favorisée par l'abondance de c e t é lé m e n t d an s les s o ls ( B L O - KHUIS, 1993), par l'im p o rta n c e du système racinaire actif toute l'année (respiration), ainsi que par la forte irrig a tio n (BROUWERS, 1994) qui fr e in e les é c h a n g e s g a z e u x e n tre le sol et l'a tm o s p h è r e . En m ilie u a lc a lin , ce tte a u g m e n ta tio n de la pression partielle en C 0 2 provoque
une d im in u tio n du pH in situ et un a c c ro is s e m e n t de la s o lu b ilité des m in é ra u x , n o ta m m e n t les silicates magnésiens.
Evolution des indicateurs
de la fertilité minérale
L 'a u g m e n t a t i o n de la t e n e u r en m atière o rg an iq ue (figures 1i et 1j) c o nd uit à un accroissement du stock d 'a z o te o rg a n iq u e d is p o n ib le dans les sols. D ans le m êm e te m p s , la teneur en azote minéral mesurée sur les extraits de la solution du sol d im i nue significativement sous l'in flu e n ce co njuguée du drainage et d 'u n e c o n s o m m a tio n par les cultures. Ce résultat c o n tr e d it la gén éralisatio n tr o p s o u v e n t f a it e q u 'e n c u lt u r e intensifiée le taux en m atière orga nique chute sous l'effet de la répéti tio n des in te rv e n tio n s aratoires. Si c e tte a s s e r tio n est c e r t a i n e m e n t valable p our des cultures annuelles produisant peu de biomasse ou pour des sols initialem ent bien pourvus en matière organique, nous observons le phénomène inverse en culture irri guée de canne à sucre en m ilieu sub aride.
L'accroissement du taux en K échan g e a ble est s p e c ta c u la ir e dans les premiers 50 cm (figure 11). Il atteint dans le prem ier niveau en m oyenne 1,1 m eq/100 g de sol, soit bien au- delà du seuil de référence générale m e n t a dm is de 0 ,2 0 m eq p o u r un so l h a u t e m e n t p r o d u c t i f . O r , à Kenana co m m e ailleurs au Soudan, on n 'a p p o r te pas d 'e n g ra is p o ta s sique. L'accroissement du taux en K du c o m p le x e d 'é c h a n g e ne p e u t d on c p ro v e n ir que de l'eau du N il b lanc et de la dissolution de m in é raux en re la tio n avec une a c tiv ité b i o l o g i q u e p lu s in te n s e dans les sols cultivés.
En revanche, on observe une d im i n u tio n s ig n ific a tiv e du p ho s p h o re a s s i m i l a b l e ( f i g u r e 1 k) m a lg r é l'a p p o rt d 'u n e dose de 55 kg/ha de P2O s sous form e de superphospha te triple à la plantation et tous les 4 ou 5 ans sur des parcelles à n o m breuses rep ou sses. La te n e u r est e x t r ê m e m e n t b asse e t p o u r r a i t
c o n d u i r e à u n e d é f i c i e n c e d an s l'a lim e n ta tio n phosphatée de la c u l ture.
Maintien
de la fertilité du sol
excepté pour
le phosphore
Q u in z e ans de c u ltu re irrig u é e de canne à Kenana n 'o n t pas altéré les q u a lité s c h im iq u e s des v e rtis o ls . C'est plutôt l'inverse qui s'est produit avec la d im in u tio n de la salinité et de la sodicité et l'a m é lio ra tio n des in d ic a te u r s de f e r t i l i t é a z o té e et potassique. Seule la fe rtilité p h o s phatée des sols est p ré o c c u p a n te . O n n o te aussi un a c c r o is s e m e n t important du stock de matière orga nique.
Le ris q u e d 'a lc a l in i s a t i o n s e m b le pour le m om ent écarté en raison du p ou voir tampon considérable de ces vertisols et d'u n « lessivage » par les arrosages. L'existence de ce draina ge est une observation originale sur des sols h a b itu e lle m e n t considérés com m e imperméables. Il faudra pré v e n ir to u t risque de d é g ra da tion à long terme. Ce phénom ène n'ayant pas été observé dans le Gezira, péri mètre créé à la fin des années 20, il est peu pro ba ble q u 'il apparaisse à Kenana où la nappe phréatique est localisée en profondeur dans le sub stratum rocheux.
Il faut enfin souligner que la présen ce d 'u ne alcalinité résiduelle positi ve dans l'eau d'irrigation ne cond uit pas systématiquement à la dégrada tion du sol. Cette conclusion est aus si valable pour le c o m p le xe sucrier de Richard-Toll au Sénégal. Dans ce com plexe, créé dans les années 70 sur les a llu v io n s du fle uv e Sénégal (sols h y d r o m o r p h e s ou h a lo m o r - phes), l'irrigation couplée à un drai nage profond a transformé les sols de qualité m édiocre en vertisols haute m e n t p r o d u c t i f s (B R O U W E R S , 1995).
composition chimique des sols
F ig ú re la Conductivité électrique (|iS/cm ) Figure l b pH (-)
F ig ú re le Calcium (cm ol/kg) Figure l d Sodium (cmol/kg)
F ig ú re le Alcalinité carbonatée (cm ol/kg) Figure l f Sulfate (cm ol/kg)
irrigation sur vertisols au
Soudan
Figure 1. Evolution des propriétés chimiques des sols irrigués cultivés. Comparaison avec des témoins adjacents non irrigués (sols vierges) : propriétés chimiques (pH, conductivité électrique) et composition d'un extrait de 1:2,5 de la solution du sol ; composition chimique du complexe d'échange (sodium, potassium, magnésium) par la méthode au cobaltihexamine ; teneurs en carbone, azote et phosphore assimilable par la méthode Olsen.
Pour en savoir plus
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Résumé...Abstract...Resumen
M. BROUWERS, A.A. OSMAN, S. MARLET — L'évolution du sol sous canne à sucre irriguée à Kenana, Soudan.
Le p é rim è tre s u crier de K e n a n a au S o ud an occupe 35 0 0 0 ha de vertisols, irrigués à la raie avec les eaux du Nil blanc. L'arrosage intensif pratiqué en culture de canne a conduit à des changements dans les caractéristiques chimiques des sols. Par rapport à des terres voisines non cultivées ou bien consacrées à des cultures pluviales, il a été constaté dans les champs en m onoculture depuis quinze ans une baisse de la salinité, no tam m ent entre 50 cm et 1,5 m de profondeur, due principalement à une dim inution des tau x de chlorure, sodium et sulfate. A l'inverse, le taux en potassium échangeable et la teneur en m a tiè re orga niqu e a u g m e n te n t dans les prem iers 50 cm du sol. Alors que l'évolution de la teneur en matière orga niqu e s'expliq ue par la duré e du cycle v é g é ta tif (1 2 mois pour la canne, 3 mois pour un sorgho), celle du t a u x de p o ta s s iu m é c h a n g e a b le est à r e li e r à un enrichissement du sol par l'eau d'irrigation, source de potasse. Les diverses an alyses pra tiq u é e s à Kenana permettent aussi de discuter l'emploi en irrigation d'une eau ayant une alcalinité résiduelle calcite positive, qui n'am ène pas ici d'alcalinisation du sol car la nappe est très profonde.
Mots clés : S oudan, S accharum , vertisols, irrig a tio n , salinité, matière organique, évolution des sols.
M. BROUWERS, A.A. OSMAN, S. MARLET — Changes in the soil under an irrigated sugarcane crop in Kenana, Sudan
The sugarcane zone of Kenana, Sudan, covers 35 0 0 0 ha of vertisols, row irrigated using water from the White Nile. The intensive watering practised in sugarcane crops leads to changes in the chemical characteristics of the soils. Compared to neighbouring uncultivated areas or fields of ra in fe d crops, th e s a lin ity o f plots th a t h a v e had a monoculture for 15 years has been seen to fall, notably at a depth of between 0 .5 0 and 1.50 m, primarily due to a d ro p in c h lo rid e , s o d iu m a n d s u lp h a te c o n te n ts . Conversely, exchangeable potassium and organic matter contents have been seen to increase in the top 0 .5 0 m of soil. Whereas the change in organic matter content can be put down to the length of the crop cycle (1 2 months for s u g a r c a n e , 3 m o n th s f o r s o r g h u m ), t h a t in th e e xchangeable potassium content is attributable to soil enrichment by irrigation water, a source of potassium. The various analyses m ade at Kenana are also used as the basis for a discussion of the merits of using irrigation water with a positive residual calcite alkalinity, which does not result in alcalinization under these conditions, as the water table Is very deep down.
K e yw ords: S udan, Sacch aru m , vertiso ls, irrig a tio n , salinity, organic matter, soil changes
M. BROUWERS, A.A. OSMAN, S. MARLET— Evolución del suelo con cultivo de regadío de caña en Kenana, Sudán
El área azucarera de Kenana en Sudán se extiende por 35 0 0 0 ha de vertisoles, regados en surco con el agua del Nilo blanco. El riego intensivo en el cultivo de la caña ha producido cambios en las características químicas de los suelos. Con respecto a las tierras vecinas no cultivadas o dedicadas a cultivos de secano, se observó un descenso de la salinidad en los campos de monocultivo, especialmente e n t r e 5 0 cm y 1 , 5 m de p r o f u n d id a d , d e b id o principalmente a una disminución de las tasas de cloruro, sodio y s u lf a t o . Al c o n tr a rio , lo ta s a de p o tasio in te r c a m b ia b le y el c ontenido en m a te r ia orgá nic a aumentan en los primeros 50 cm del suelo. Mientras que la evolución del contenido en materia orgánica se explica por la duración del ciclo vegetativo (1 2 meses en la caña, 3 m eses en el s o rg o ), la de la ta s a de p o tasio intercambiable hay que vincularla a un enriquecimiento del suelo por el agua de riego, fue nte de potasa. Los distintos análisis realizados en Kenana permiten también discutir el uso para riego de un agua con una alcalinidad residual positiva, que no acarrea aquí la a lc a liza c ió n del suelo al estar la capa muy profunda.
Palabras clave: Sudán, Saccharum , vertisoles, riego, salinidad, materia orgánica, evolución de los suelos.
