Préparation et analyse physico-chimique du sol et des intrants

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Biochar et qualité du sol

L’utilisation du biochar comme amendement du sol par les civilisations anciennes du bassin amazonien date d’il y a 2000 ans (O’Neill et al., 2009). La terre noire connue aussi sous les noms « Terra mulata » ou « Terra Preta » est restée fertile malgré plusieurs siècles d’exposition aux fortes pluies et au lessivage (Hunt et al., 2010). Par sa porosité, le biochar agit directement sur la capacité de rétention en eau et en nutriments du sol (Brodowski et al., 2006 ; Badji, 2011 ; Lehman et al., 2011). Le biochar jouerait un rôle « restructurant » comme un catalyseur. Les travaux de Steiner et al. (2007) indiquent que le biochar, lorsqu’associé à des matières organiques, peut contribuer à la restauration de nombreux types de sols tropicaux, même très acides et très altérés. Cette amélioration concerne les caractéristiques physique, chimique et biologique du sol en favorisant l’augmentation du pH (Lehmann et al., 2003). Le biochar peut contenir des concentrations variées de cendres alcalines qui pourraient être facilement libérées dans le sol et atténuer son acidité (Raison, 1979 ; Brenann et al., 2004). Les résultats varient suivant le taux de matière organique qui intervient dans la stabilité et la fertilité des sols (Tiessen et al., 1994). L’augmentation de la porosité du sol après addition de biochar favorise aussi l’oxygénation du sol (Yanai et al., 2007) et la prolifération de microorganismes aérobies. Il semble toutefois que l’activité microbienne est plus importante au niveau de la « charosphère » qu’à la surface du biochar même (Quilliam et al., 2013). Par ailleurs, l’interaction entre le biochar, l’argile et la matière organique du sol peut favoriser la formation progressive de micro-agrégats (Brodowski et al., 2006 ; Cheng et al., 2006 ; Liang et al., 2006) qui pourront influer plus tard sur la porosité du sol.

Biochar et changement climatique

Le biochar présente un intérêt grâce au taux élevé de carbone qu’il contient. Son utilisation comme amendement au sol permet la fixation durable du carbone atmosphérique. Il est estimé une réduction de 10% de l’émission globale de CO2 dans l’atmosphère via cette méthode (Woolf et al., 2010). L’addition du biochar avec modération au sol réduit l’émission de l’oxyde nitreux (N2O) jusqu’à 80% et élimine l’émission de méthane. Par conséquent, le biochar réduit la concentration de gaz à effet de serre dans l’atmosphère et contribue dans la lutte contre le changement climatique (Lehmann, 2007). Cependant, ces effets ne sont pas systématiques et semblent dépendre étroitement du type de sol (Badji, 2011).

Composition et qualité du compost

Malgré une certaine teneur en éléments nutritifs pour les végétaux, les concentrations de ces éléments dans le compost sont variables et ne sont pas aussi élevées que dans les engrais. En effet, la composition finale du compost dépend de plusieurs paramètres dont les déchets organiques utilisés, la conduite du processus de compostage et la maturité du compost. En général, le compost contient de l’azote, du phosphore, de la potasse, de la magnésie et de la chaux avec un pH basique proche de 8. Le compost contient aussi des métaux sous forme de traces mais il existe également un risque de contamination par des substances organiques persistantes telles que les polychlorobiphényles (PCB) ou hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP).
La qualité du compost dépend de plusieurs paramètres dont (i) la concentration en métaux lourds, (ii) la composition physique et le taux de corps étrangers (cailloux, caoutchouc, cuir, métaux, plastique, verre, …), (iii) la présence de bactéries pathogènes et phytopathogènes.
(iv) la présence d’éléments potentiellement toxiques comme le PCB, le HAP, des composés organohalogènes adsorbables (AOX) ou des résidus de pesticides/herbicides et (v) la maturité et la performance en culture (Briton, 2000). A titre d’exemple, les standards de l’éco-label européen (OJ, 1998) pour le compost exigent un taux de matière organique > 20%, une humidité < 75%, un niveau indétectable pour le germe de la salmonelle, l’absence de corps étrangers tranchants et de graines de plantes envahissantes. Le compost doit être mature au moment de son utilisation car autrement, il peut avoir des effets phytotoxiques en limitant la disponibilité de l’azote et/ou de l’O2, en attirant des vecteurs de maladies comme les mouches ou en dégageant des odeurs nauséabondes. Selon la règlementation canadienne (Conseil canadien des ministres de l’environnement, 2005), il y a deux catégories de composts bien distinctes :
– Le compost de catégorie A dont l’utilisation pourrait être large comme les terrains agricoles, les jardins privés et l’industrie horticole ; ce compost doit respecter les taux minimaux autorisés pour les métaux lourds et les débris de corps étrangers.
– Le compost de catégorie B dont l’utilisation est restreinte à cause de la présence de taux élevés d’éléments traces et de corps étrangers.

Compost et qualité du sol

L’application de compost a des conséquences positives sur la qualité physique du sol. En effet, il en modifie la structure en l’aérant et en facilitant la circulation de l’eau. En outre, le compost enrichit le sol en microorganismes et contribue à son réchauffement par sa couleur sombre (Farcy, 2007). Cependant, l’application répétitive de composts en grande quantité sans surveillance pourrait entraîner des effets adverses sur la santé humaine et sur l’environnement à cause de l’accumulation possible d’éléments toxiques (Conseil canadien des ministres de l’environnement, 2005).

Valorisations non-agronomiques du compost

Les valorisations non-agronomiques du compost sont nombreuses : (i) une valorisation énergétique en récupérant la chaleur dégagée au cours du compostage pour chauffer de l’eau ou les serres pendant l’hiver, (ii) une valorisation en alimentation animale en l’utilisant comme complément de l’herbe pour les ruminants ou en substitution des fractions cellulosiques dans l’alimentation des porcs, (iii) une valorisation environnementale comme filtre actif pour les odeurs dans une station d’épuration ou une utilisation dans la restauration de sites dégradés (http10). Cependant le développement de ces valorisations non agronomiques est assez limité soit en raison de leur faible succès (cas des valorisations énergétiques où les contraintes d’application importantes les limitent au domaine agricole), soit à cause des faibles quantités absorbées ou de leur caractère très ponctuel (réhabilitation de sols, etc.). Le débouché le plus important en quantité demeure la valorisation agronomique par laquelle la matière organique du compost va pouvoir être restituée au sol (http10).

Préparation et analyse physico-chimique du sol et des intrants

Le champ d’expérimentation est un terrain aménagé en jardin potager qui a été subdivisé en 30parcelles élémentaires, de dimension 2.5x3m. Le sol est de type ferralitique variant de jaune à rouge, relativement homogène à cause des travaux de terrassement lors de la mise en place du jardin. Le « topsoil » a été dégagé complètement lors du terrassement et le terrain correspond au sol se trouvant à environ un mètre de profondeur.
Le biochar a été préparé à partir de rebuts des meules de charbon situées aux alentours du jardin et abandonnées par les propriétaires depuis plus de 6 mois. Le charbon provenant de cette contrée est fabriqué à partir de tiges et branches prélevés sur des taillis d’Eucalyptus robusta. Des morceaux de charbon de taille non commerciale (≤ 2cm) laissés à l’air libre ont été récupérés, pilés au mortier puis tamisés (maille de 2mm) pour obtenir une poudre fine (Planche 1).
Planche 1: Préparation de biochar d’eucalyptus. (A) Ramassage au niveau de meules artisanales de charbon abandonnées, (B) Broyage du biochar au pilon, (C) Tamisage pour obtenir une poudre fine, (D) Biochar obtenu après tamisage.
Le compost et le vermicompost ont été fournis par la société LooWatt (Antsalovana – Antananarivo). Brièvement, du digestat issu de traitement de la boue d’épuration puis pasteurisé, a été mélangé avec de la paille de riz dans une proportion 2/1 (p/p). L’ensemble a été retourné tous les 7 jours pendant un mois au bout duquel le compost est obtenu. Pour le vermicompost, du ver Eisenia foetida S. adulte appelé « Menabota » a été rajouté au compost dans une proportion 1/10 (v/v). L’ensemble est laissé à l’ombre pendant deux mois supplémentaires.

Analyse du sol

Les analyses d’échantillons de sol, de biochar et de composts ont été effectuées au service pédologique du FOFIFA (Tsimbazaza, Antananarivo). Des échantillons de sol ont été prélevés sur 4 parties du terrain selon la méthode d’échantillonnage agronomique. Pour chaque partie, les échantillons prélevés en zigzag sur différents points du terrain ont été mélangés de manière homogène, mis dans un sac en plastique avant d’être transportés et analysés au laboratoire. Les paramètres physico-chimiques suivants ont été mesurés pour les échantillons de sols : le pH, la teneur en C, N et P, les bases échangeables (Ca, Mg, K, Na), la granulométrie, la capacité d’échange cationique (CEC), la densité, la perméabilité et la conductivité. Pour les sols, les résultats obtenus sont interprétés à partir de la norme d’interprétation de Riquier (1956).
 Texture:
La texture du sol a été déterminée à partir de l’analyse granulométrique de l’échantillon. Il s’agit de classer les éléments minéraux du sol en fonction de leur grosseur et à déterminer le pourcentage en sable, limon et argile à l’aide d’un densimètre Bouyoucos.
 Teneur en matière organique (MO):
Le rapport de la teneur en matière organique avec la teneur en carbone est à peu près constant et égal à 1.72 selon Dabin (1967). La teneur en matière organique totale a été déterminée à partir de l’analyse du carbone organique présent dans l’échantillon par la méthode par voie humide (Walkley et Black, 1934). Le principe général consiste à doser les carbones organiques oxydés à partir d’un mélange de bichromate de potassium et d’acide sulfurique.
 Azote total:
La détermination de la teneur en azote a été effectuée suivant la méthode de Kjeldahl (Demolon et Leroux, 1952 ; McGill et Figueiredo, 1993). Elle comporte une étape de minéralisation, de distillation et de titration. La minéralisation a été réalisée en portant l’échantillon de sol à ébullition avec un excès d’acide sulfurique concentré, en présence d’un mélange de catalyseurs (K2SO4 et CuSO4). La distillation permet de convertir le sel d’ammonium (NH4+) en ammoniac (NH3). Ce processus de distillation se fait en présence de soude et par chauffage à la vapeur d’eau. La titration de l’ammoniac recueilli par l’acide borique permet de calculer la quantité d’azote présent dans l’échantillon.
Phosphore assimilable:
L’analyse du phosphore assimilable a été effectuée suivant la méthode de Bray II (Bray et Kurtz, 1945). Le principe consiste à extraire le phosphore assimilable du sol en utilisant la solution Bray II. La quantité de phosphore extraite a été évaluée par une mesure colorimétrique, basée sur la réaction avec le molybdate d’ammonium. L’absorbance de la solution, directement proportionnelle au taux de phosphore dans le sol, est mesurée à l’aide d’un spectrophotomètre UV/Vis à la longueur d’onde de 660nm.
Capacité d’échange cationique (CEC) et bases échangeables (Ca, Mg, K, Na):
La capacité d’échange cationique correspond à la quantité totale de cations que le sol peut fixer. En raison de la présence d’éléments colloïdaux, argile, humus et complexe argilo-humique, le sol se comporte comme un échangeur d’ions. Ces éléments constitutifs du sol sont électronégatifs et susceptibles de fixer des cations ou des bases échangeables comme le calcium, le magnésium, le potassium et le sodium. L’analyse a été effectuée en utilisant la méthode à l’acétate d’ammonium (Dabin, 1967). Le principe consiste à saturer le sol avec l’acétate d’ammonium pour libérer les cations fixés par les complexes du sol. Les bases échangeables ont été déterminées par la lecture du filtrat à l’aide d’un spectrophotomètre d’absorption atomique avec une lampe spécifique. Puis, l’excès d’acétate soluble est éliminé par un lavage à l’alcool. Enfin, les ions NH4+ fixés par le sol sont déplacés par une solution de KCl ; c’est pourquoi la CEC est déterminée à partir du dosage de ces ions NH4+ fixés par le complexe.

Analyse du biochar et des composts

Dans le cas du biochar, les taux d’humidité et de matière organique font partie des paramètres considérés. Pour les composts, la teneur en P2O5 a été examinée. Lors de la détermination des cations Ca, Mg, K et Na, la méthode d’analyse a été la même que celle du sol, mais l’extraction a été effectuée avec de l’acide chlorhydrique concentré et de l’acide nitrique sur la poudre de charbon ou de composts calcinées au four à moufle à 500°C pendant 5h.
Dans le biochar d’eucalyptus, la fraction de carbone organique (Corg) qui reste stable dans le sol pendant au moins 100 ans (BC+100) est estimée à 50% pour un rapport H/Corg (rapport C hydrogéné/C organique représentant la minéralisation du C dans le biochar) estimée entre 0.4 et 0.7 lors d’une pyrolyse à 350°C (Camps-Arbestain et al., 2015). Ce qui donne une valeur de BC+100 stocké (sBC+100) de 219.6g.kg-1 (sBC+100 = Corg x BC+100, il traduit le potentiel de stockage à long terme du carbone dans le sol pour un biochar spécifique). Cette valeur sBC+100 correspond à un biochar de classe 1 (très mauvaise qualité) selon la classification de l’IBI (International Biochar Initiative, http11). Ceci est principalement dû au faible taux de Corg (4.4%) du biochar collecté dont la méthode de détermination est différente de celle utilisée par les standards internationaux (Tableau 2). Hormis le taux d’azote de 0.58%, les taux de P, Ca, Mg, K et Na sont aussi très faibles par rapport aux valeurs rapportées dans la littérature pour le biochar d’eucalyptus.

Dispositif expérimental et mise en culture

Le champ de culture a été subdivisé en 30 parcelles élémentaires de 2.5 x 3m, correspondant aux 6 traitements suivants : Témoin, Sol+Biochar, Sol+Compost, Sol+Vermicompost, Sol+Biochar+Compost, Sol+Biochar+Vermicompost. Chaque traitement comporte aussi 5 parcelles correspondant chacune à une répétition. Premièrement, les parcelles ont été labourées à une profondeur de 20cm. Ensuite, le sol a été entassé sous forme de billon après homogénéisation (Planche 2). La préparation du substrat a été basée sur un apport d’azote de 125 kg/ha proche des quantités utilisées en culture maraîchère. En tenant compte de la teneur en azote du compost qui est 2.4g d’N par 100g de compost frais (Tableau 3), la quantité nécessaire est alors de 520.8g.m-2 de compost (48% d’humidité). Or, il faut tenir compte de la teneur en eau du compost au moment de son application qui était complètement saturé en eau. La concentration finale de compost à apporter est alors de 1085.06g.m-2 ou 10.85t.ha-1. La quantité de compost nécessaire par parcelle élémentaire est alors de 8.1kg. Nous avons procédé de la même façon pour déterminer la quantité de vermicompost par parcelle qui est de 15.6kg.
En ce qui concerne le biochar, la quantité utilisée varie de 0.5 à 135t.ha-1 dans la littérature (Glaser et al., 2002). Nous avons choisi un taux intermédiaire de 20t.ha-1. Après avoir pesé ces intrants, le compost et le charbon ont été mélangés au préalable avant d’ajouter le mélange obtenu au sol de manière homogène. Avant la mise en culture, chaque parcelle est nivelée pour faciliter l’installation des tuyaux du système goutte-à-goutte.

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Table des matières

GLOSSAIRE
INTRODUCTION
I. GENERALITES
I.1. Le biochar
I.1.1. Procédé de fabrication
I.1.2. Caractéristiques physico-chimiques
I.1.3. Biochar et qualité du sol
I.1.4. Biochar et changement climatique
I.2. Le compost
I.2.1. Fabrication du compost
I.2.2. Composition et qualité du compost
I.2.3. Compost et qualité du sol
I.2.4. Valorisations non-agronomiques du compost
II. MATERIELS ET METHODES
II.1. Site d’expérimentation
II.2. Matériel végétal
II.3. Préparation et analyse physico-chimique du sol et des intrants
II.3.1. Analyse du sol
II.3.2. Analyse du biochar et des composts
II.4. Dispositif expérimental et mise en culture
III. ANALYSES STATISTIQUES
IV. RESULTATS
IV.1. Pomme de terre
IV.1.1. Taux de mortalité
IV.1.2. Hauteur et envergure
IV.1.3. Calibre, nombre et poids des tubercules
IV.2. Haricot
IV.2.1. Taux de mortalité
IV.2.2. Hauteur et nombre de feuilles
IV.2.3. Nombre de gousses et poids de graines par plant
IV.3. “Petsay”
IV.3.1. Taux de mortalité
IV.3.2. Croissance en hauteur
IV.3.3. Circonférence à mi-hauteur et hauteur des plants à la récolte
IV.3.4. Nombre de siliques et poids de graines par plant
V. DISCUSSIONS
CONCLUSION ET PERSPECTIVES
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES

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