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Ecological Solutions Roundtable
AGRO-BIO -310 - 08
Les nitrates peuvent être polluants lorsqu'ils atteignent les nappes d'eaux souterraines et les cours d'eau. Des teneurs en nitrates supérieures à 10 ppm dans l'eau potable sont considérées comme nuisibles pour la santé humaine. D'autre part, les nitrates qui se retrouvent dans les cours d'eau provoquent, avec les phosphates, le phénomène d'eutrophisation qui provoque la mort des cours d'eau.
L'agriculture est responsable en majeure partie de la pollution par les nitrates en milieu rural agricole. Certaines pratiques comme la surfertilisation des champs et les écoulements en provenance des tas de fumiers sont faciles à identifier comme des sources de nitrates importantes. Cependant, d'autres pratiques ne peuvent pas être aussi nettement catégorisées. C'est le cas de la culture des légumineuses. Se pourrait-il que la culture de la luzerne et du soya crée des problèmes de pollution par les nitrates aussi importants que ceux provenant de l'utilisation de fertilisants azotés de synthèse? Ou, au contraire, est-ce que ces plantes fixatrices d'azote sont des atouts dans la lutte à la pollution par les nitrates? Cette question est particulièrement cruciale en agriculture biologique, car cette dernière compte beaucoup sur les légumineuses pour combler une partie des besoins azotés des cultures. Voyons ce qu'en dis la littérature scientifique.
Le lessivage des nitrates dans les couches profondes du sol et vers les cours d'eau dépend entre autres des précipitations et de la texture du sol. Plus le sol est léger et les précipitations intenses, plus le lessivage risque d'être important. D'autres facteurs importants sont la couverture du sol et la durée de croissance de la culture. Nombre d'études ont démontré qu'un sol à nu (jachère) contribue le plus à la pollution par les nitrates, suivi des cultures sarclées et fertilisées intensivement comme le maïs.
Pour plus d'information générale sur le lessivage des nitrates, consultez l'excellente revue de littérature de Rémi Asselin, ingénieur et agronome au bureau du MAPAQ de Nicolet.
Les légumineuses en croissance ne sont généralement pas des sources importantes de nitrates dans les eaux de drainage. Au contraire, ce sont des plantes qui, bien qu'elles fixent l'azote de l'air, permettent de réduire la quantité de nitrates lessivés dans le profil car elles utilisent très bien les nitrates résiduels. Lorsqu'elles croissent dans un milieu riche en azote, elles fixent simplement moins d'azote de l'air (voir Annexe 1).
Les légumineuses fourragères, et les prairies en général, ont une saison de croissance très longue, ce qui explique qu'elles laissent peu de nitrates s'échapper. La luzerne en particulier, de par son système racinaire profond, est à même de récupérer des nitrates dans les couches profondes du sol.
La quantité de nitrates dans l'eau de drainage pendant une culture de luzerne est généralement très faible. En Ontario, des valeurs de 6 à 8 ppm ont été mesurées dans les eaux de drainage (Bolton et al., 1970; Phillips et al., 1982). Une étude particulièrement complète du cycle de l'azote et du carbone réalisée en Suède a démontré que, dans le cas de la luzerne, les pertes par lessivage était d'aussi peu que 1 kg d'azote à l'hectare par année (voir figure 1), soit encore moins que pour un champ d'orge non-fertilisé (Bergström, 1987). Il est d'ailleurs étonnant dans le cas de la luzerne que si peu d'azote s'échappe du système malgré la grande quantité d'azote qui transite par les plantes (>500 kg/ha). Dans une expérience réalisée au Michigan où jusqu'à 672 kg d'azote à l'hectare ont été appliqués à de la luzerne, seulement 41 kg/ha ont été perdus pendant l'hiver (Schertz et Miller, 1972), ce qui démontre bien le pouvoir de rétention des nitrates de la luzerne.
Figure 1 - Répartition annuelle de l'azote dans un écosystème luzernière
Source: Long et Hall (1987)
Étant donné ce grand pouvoir d'utilisation des nitrates, la luzerne est utilisée avec succès aux USA pour prévenir la pollution par les nitrates sur les sites abandonnés de parcs d'engraissement. Schuman et Elliott (1978) ont comparé l'utilisation de la luzerne et du maïs à cette fin. Alors que dans un sol excessivement riche en azote le maïs verse, épie mal et contient des doses excessives de nitrates dans ses tissus (ce qui le rend impropre à la consommation par les animaux), la luzerne absorbe plus de nitrates, produit plus de matière végétale et son contenu en nitrates reste acceptable. L'étude en question démontre que la culture de la luzerne permet de prélever de grandes quantités d'azote et de prévenir l'accumulation de nitrates dans le profil en puisant les nitrates (et l'eau) jusqu'à 3.6 m de profondeur en deuxième année de croissance.
Pour les légumineuses annuelles (soya, lupin, pois, fèves), les pertes de nitrates pendant la croissance sont aussi très faibles. Cependant, comme elles sont présentes moins longtemps au champ, les risques de lessivage sont plus grands au printemps et en automne que pour les légumineuses fourragères. Selon Varvel et Peterson (1992), le soya est une culture qui permet de prévenir le lessivage des nitrates parce qu'il éponge très bien les nitrates résiduels.
Les légumineuses ne sont pas les meilleurs types d'engrais verts pour prévenir les pertes de nitrates en fin de saison. Dans le sud des USA, où on utilise des engrais verts pendant tout l'hiver, le seigle s'est avéré un meilleur utilisateur des nitrates résiduels que les trèfles (Groffman et al., 1987). En Europe, le seigle a aussi donné des résultats supérieurs aux crucifères et aux légumineuses pour la prévention du lessivage des nitrates pendant l'hiver (Muller et al., 1987).
C'est à l'enfouissement des résidus que les légumineuses peuvent le plus contribuer à la pollution par les nitrates. L'intensité de cet enrichissement en nitrates dépend avant tout de la culture, du type de sol et du climat.
Il existe peu d'études sur le lessivage des nitrates suite à l'enfouissement d'une prairie de légumineuses réalisées dans des conditions climatiques semblables aux nôtres. En Suède, dans une région où le climat se compare à celui de la région de Québec, une plus grande quantité de nitrates (environ 50 kg/ha) était lessivée lorsqu'une prairie mixte étaient enfouie en août plutôt qu'en novembre (Gustafson, 1987). Le lessivage de cette courte jachère était même plus important que dans le cas d'une culture de céréales.
En Angleterre, dans un climat hivernal plus doux et plus humide que le nôtre donc, les pertes provenant de l'enfouissement d'une prairie de luzerne sur une ferme biologique sur sol très poreux se situaient à 220 kg/ha entre septembre et mars (Stopes, 1987), bien qu'une culture de blé d'hiver ait suivi l'enfouissement. La culture du seigle et de l'épeautre est d'ailleurs encouragée préférablement à celle du blé pendant l'hiver en Allemagne car ces deux plantes utilisent mieux les nitrates résiduels que le blé. Une autre étude anglaise (Stopes et Phillips, 1994) a démontré que l'enfouissement printannier d'une prairie mixte résultait en des pertes moyennes de nitrates de 12 kg/ha comparé à 20 kg/ha pour l'enfouissement automnal.
Dans une rotation prairie-pois-blé-blé avec peu d'apport d'azote sous forme d'engrais, une étude néo-zélandaise (Adams et Pattinson, 1985) a démontré que la plus grande source de nitrates perdus par lessivage durant la rotation était l'enfouissement d'une prairie de trèfle blanc. La perte était maximale durant l'automne de l'année suivant l'enfouissement et correspondait à 90 kg/ha d'azote, ce qui est quand même assez important.
En Saskatchewan, une expérience de rotation d'une durée de 34 ans a démontré que, même dans un climat sec comme celui des Prairies, le lessivage des nitrates est possible. La jachère contribuait le plus à l'enrichissement en nitrates en profondeur parce qu'aucune plante n'était présente pour utiliser les nitrates autant résiduels que ceux minéralisés de la matière organique (Campbell et al., 1994). Le scénario qui provoquait le plus de lessivage en profondeur était la jachère suivie de 3 ans de foin luzerne-brome. La conclusion la plus importante de cette étude est que les engrais verts de légumineuses et la culture de luzerne peuvent conduire à plus de lessivage s'il ne se trouve pas de plantes pour utiliser l'azote par après.
Une étude américaine réalisée au Mississippi (Smith et Vargo, 1987) a conclu que le potentiel de lessivage de l'azote provenant de résidus de légumineuses fourragères était quand même inférieur à celui de fertilisants azotés.
Francis et al. (1994) ont démontré que les risques de lessivage des nitrates en provenance des résidus de légumineuses annuelles étaient en général plus grands que pour les non-légumineuses pendant la saison morte en Nouvelle-Zélande. Toutefois, les résidus plus fibreux du lupins étaient minéralisés moins rapidement et les chances de pertes par lessivage étaient plus faibles que pour les autres légumineuses annuelles. Ces chercheurs suggèrent l'utilisation d'un engrais vert après la récolte d'une légumineuses annuelles pour limiter les pertes par lessivage, ce qui est difficilement faisable dans nos conditions climatiques.
Dans un sol sableux, irrigué ou qui reçoit beaucoup de précipitations, les nitrates provenant de la décomposition des résidus de soya sont facilement lessivés. Bundy et al. (1993) ont démontré que dans ces sols, on ne devrait pas considérer de contribution en azote provenant d'un précédent de soya pour la culture qui suit.
Les pertes par lessivage en provenance des résidus de légumineuses annuelles sont quand même moins grandes que pour les engrais azotés (Varco et al., 1987).
Voici quelques suggestions pour réduire les risques de lessivage suite à l'enfouissement d'une légumineuse fourragère ou annuelle.
Il importe d'adopter une rotation qui tienne compte des exigences des plantes en azote. L'enfouissement d'une légumineuse comme la luzerne est moins risqué du point de vue des nitrates si une culture exigeante et de longue croissance comme le maïs suit plutôt qu'une céréale à paille et que la fertilisation est ajustée en conséquence. Il faut donc tenir compte de l'apport d'azote équivalent (voir Annexe 2) suite à la culture d'une légumineuse, tel que suggéré dans les nouvelles grilles de fertilisation du CPVQ. En tout cas, il faut éviter une fertilisation excessive. Toute application plus élevée que ce qui permet le rendement maximum est considérée comme excessive.
L'implantation de légumineuses avec plante-abri peut aider à diminuer les pertes de nitrates qui surviennent normalement après une culture de céréales. Cependant, si la culture de céréales est faite sans grainage fourrager, un engrais vert (moutarde ou radis) devrait être implanté ou une culture d'hiver (blé, épeautre, seigle).
En sol léger, pour une ferme d'élevage, on préférera la culture du lupin à celle du soya parce que ses résidus se décomposent moins vite.
Du point de vue des pertes de nitrates, il est mieux de labourer une prairie de légumineuses le plus tard possible en automne ou au printemps suivant, si le sol le permet. Cependant, d'un point de vue agronomique, on veut idéalement l'enfouir de façon à ce qu'il y ait peu de pertes mais que l'azote soit disponible pour la culture suivante. Donc, plus le sol est lourd et le climat sec, plus on peut se permettre d'enfouir tôt. Ainsi, dans un sol argileux, l'enfouissement pourrait se faire en fin d'été (août-septembre) tandis que dans un sol sableux il serait fait en octobre ou au printemps.
Si la prairie est enfouie tôt, par exemple en août, il est préférable de ne pas laisser le sol à nu jusqu'au printemps suivant. Il faut alors faire suivre l'enfouissement hâtif d'une luzernière d'un engrais vert (crucifères, seigle) particulièrement en sol léger.
Une autre technique pour limiter les pertes de nitrates consistent à enfouir la plante à un stade plus fibreux. On peut avoir une proportion d'autres plantes avec la légumineuse qui augmente le rapport C/N avant enfouissement ou laisser la dernière coupe venir à maturité avant enfouissement.
Dans le cas des légumineuses annuelles, on peut utiliser une technique d'incorporation qui limite la décomposition rapide des résidus. Le labour favorise une décomposition des résidus de légumineuses plus rapide que le semis direct ou que le travail réduit du sol. L'azote des résidus est donc disponible plus rapidement ou perdu plus rapidement selon le cas avec le labour qu'avec ces autres techniques.
Pendant leur croissance et tant qu'elle ne sont pas détruites, les légumineuses en général sont d'excellentes plantes pour prévenir le lessivage des nitrates. Les risques de lessivage surviennent au moment de l'incorporation des résidus (racines et tiges). Les risques sont alors plus ou moins élevé selon le type de sol, le climat et le type de résidus. Les risques de lessivage des nitrates sont quand même moins élevés pour les résidus de légumineuses que pour les engrais azotés de synthèse.
Le bilan net de l'azote pour les légumineuses annuelles (soya, lupin, pois, févérole, fèves, etc.) est toujours négatif. En effet la quantité d'azote exportée par le grain est, dans les climats tempérés à tous le moins, toujours supérieure à ce que la plante peut fixer d'azote atmosphérique. Par contre, la quantité d'azote en provenance du sol est toujours moindre pour les légumineuses que pour les non-légumineuses (céréales, crucifères).
Par exemple, l'exportation d'azote dans les grains de soya est d'environ 160 kg/ha (rendement moyen de 2,5 tonnes/ha x 64 kg d'azote/tonne). La littérature scientifique rapporte des quantités variables pour ce qui est de la fixation d'azote. La fixation d'azote par le soya varie entre 50 et 85% de ses besoins. Dans un sol riche en matière organique et en nitrates, il aura plutôt tendance à fixer 50% et dans un sol pauvre en matière organique et en nitrates, 85%. Dans notre climat, la fixation dépasse rarement 100 kg/ha. De facon plus réaliste, on peut compter 80 kg/ha. Si la fertilisation azotée est trop abondante ou qu'il y a beaucoup d'azote résiduelle dans le sol, la quantité fixée sera beaucoup moindre, les nodules se développeront peu. La différence entre l'exportation d'azote et la fixation (160-80=80 kg N/ha) doit venir du sol, soit de la minéralisation de l'humus (80 à 140 kg/ha par année au Québec), soit de la fertilisation.
Le soya utilise environ 50% de l'azote apportée sous forme d'ammonitrate avec application à la volée en pré-semis, peu importe le taux d'application (Varvel et Peterson, 1992). Le rendement du soya est le même peu importe l'apport d'azote selon Johnson et al. (1975). Ceux-ci ont utilisé jusqu'à 448 kg/ha d'azote sous forme de nitrate de calcium! La fixation n'est pas inférieure à 10% même avec une très grande quantité d'engrais.
Le danger avec la culture répétée du soya est que cette plante laisse peu de résidus qui forment peu d'humus. L'humus produit par ces résidus ne remplacent pas l'humus détruit. Le sol s'appauvrit en matière organique. Si on veut combler le déficit d'azote par des engrais, on nuit à la fixation.
Le tableau suivant indique que les fèves sont les légumineuses annuelles qui retournent le plus de ce qu'elles ont pris au sol.
| Tableau 1 - Répartition de l'azote en provenance du sol pour des légumineuses annuelles cultivées en Nouvelle-Zélande (kg/ha) | |||
| N sol | N du sol-grain | N du sol-résidus | |
| Lentilles Lupins Fèves Pois |
107 181 125 96 |
74 109 50 64 |
33 72 75 3 |
| Francis et al. (1994) | |||
Lorsqu'une culture de maïs suit de la luzerne, les rendements du maïs sont plus élevés qu'en monoculture de maïs. Cet effet vient en partie seulement de l'azote apporté par la légumineuse. L'amélioration de la structure du sol avec tout ce que cela implique (meilleure rétention d'eau, meilleure aération) est un autre facteur important. Il peut aussi y avoir des substances qui favorise la croissance et moins de maladies. C'est pourquoi on donne un équivalent engrais azoté suite à la culture d'une légumineuse.
Typiquement, on considère que 50% de l'azote contenu dans les résidus des légumineuses sont disponibles pour la culture suivante. En réalité, l'azote de ces résidus qui se retrouvera dans la culture suivante ne représente souvent que 25% de celle des résidus, l'autre 25% équivalent venant de l'amélioration de la structure et de la vie du sol.
Les essais réalisés avec isotopes indiquent qu'une partie plus faible de l'azote que prévue est effectivement utilisée par les cultures suivantes. Ladd et Amato (1986) ont estimé que la contribution réelle d'une culture de légumineuses (C/N: 11-15) à deux cultures de blé subséquentes en Australie était de 2% des besoins de la culture pour chaque 10 kg de matières végétales, et 1% pour la deuxième dans un loam sableux. Ainsi, un rendement de légumineuse d'une tonne de matière sèche contenant 250 kg d'azote contribuerait 50% des besoins de la première récolte et 25% de la deuxième.
Pour déterminer la contribution équivalente en azote des résidus de légumineuses, les chercheurs estiment les rendements de parcelles en monoculture où différentes doses d'engrais azotés sont appliqués et les comparent à ceux obtenus suite à une légumineuse. En Ontario, Bolton et al. (1976) ont estimé de cette façon à 110 kg/ha la contribution équivalente de deux ans de luzerne sur une culture de maïs. En pratique, on peut utiliser les nouvelles grilles de fertilisation du CPVQ qui donnent, en page 12, des valeurs de contribution en azote suite à la culture de diverses légumineuses.
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