Rédigé par Mukherjee, A. *1, Bier, R.2, Omondi, E.1, Kan, J.2, Daniels, M.2
Introduction
En 2011, l'agriculture biologique était pratiquée dans 162 pays à travers le monde en utilisant seulement 0.86%, soit 37.2 millions d'hectares de terres agricoles (FiBL 2016). Chaque décision agricole a le potentiel d'influencer la qualité du sol et les pratiques d'agriculture biologique ne font pas exception. Par exemple, les sols gérés organiquement ont généralement une matière organique du sol (MOS), un pH, du carbone organique du sol (COS) et de l'azote du sol (SON), des macro et micro nutriments plus élevés, une activité biologique et une compaction et une densité apparente plus faibles (BD ) par rapport aux sols gérés de manière conventionnelle (Sheoran et al.2019; Lori et al.2017; Das et al.2017; Reganold, Elliott et Unger 1987). Un certain nombre d'études antérieures ont indiqué que l'agriculture biologique peut améliorer les paramètres physico-chimiques du sol dans le cadre d'expériences à court et à long terme, et dans de vastes zones géographiques. Certaines études ont également indiqué que la gestion biologique pourrait avoir un meilleur rendement des cultures dans des conditions climatiques difficiles telles que la sécheresse ou les zones appauvries en nutriments par rapport à l'agriculture conventionnelle, principalement en raison d'une amélioration significative de l'état du sol (Pimentel et al., 2005). De plus, l'agriculture biologique peut également influencer les impacts environnementaux de l'agriculture par rapport à l'agriculture conventionnelle traditionnelle (Tuomisto et al.2012a; Puech et al.2014; Lee et al.2015). Par exemple, une méta-analyse récente utilisant 107 études et 360 observations publiées de 1977 à 2012 suggère qu'une amélioration significative de l'efficacité énergétique et une réduction des émissions de gaz à effet de serre (GES) étaient associées à l'agriculture biologique par rapport à l'agriculture conventionnelle (Lee, Choe et Park 2015). . Une autre méta-analyse menée à partir de 71 études européennes montre que les fermes biologiques avaient une SOM plus élevée et des pertes de nutriments plus faibles par lessivage (azote) et émissions gazeuses (protoxyde d'azote et ammoniac) par unité de champ et des besoins énergétiques inférieurs. Cependant, cette analyse révèle également que les systèmes organiques avaient un potentiel d'utilisation des terres, d'eutrophisation et d'acidification plus élevé que les systèmes conventionnels (Tuomisto et al. 2012b).
Détail du projet
Le bassin versant du fleuve Delaware (DRW) (environ 13,500 mi2) fournit de l'eau potable propre à environ 5% de la population américaine et est une importante zone récréative et industrielle pour les résidents de New York (NY), du New Jersey (NJ), de Pennsylvanie (PA) et du Delaware (DE) avec un rapport économique annuel valeur de 25 milliards de dollars. Rodale Institute et le Stroud Water Research Center ont lancé un projet de recherche, d'éducation et de sensibilisation à long terme, appelé Watershed Impact Trial (WIT), sur une période de 6 ans, à partir de 2018, visant à éliminer les obstacles à l'adoption de pratiques agricoles de conservation de l'eau. Ce projet produira un changement de paradigme dans la façon dont les 15 millions de personnes qui dépendent du DRW perçoivent l'eau et l'agriculture, et comment les agriculteurs gèrent leurs terres pour renforcer la résilience et réduire les impacts négatifs sur les écosystèmes. L'eau propre est liée à un sol sain parce que les sols agissent comme des systèmes de filtration naturels pour éliminer les contaminants avant que l'eau n'atteigne les cours d'eau ou les aquifères. Les sols sains sont directement liés aux aliments qu'ils produisent et le choix des consommateurs a un impact à la fois sur le sol et l'eau. Ce projet est financé par la William Penn Foundation dans le cadre de leur engagement continu à améliorer la qualité du DRW.
Ce travail de collaboration dans le cadre de WIT se concentre sur la manière dont l'amélioration de la santé des sols peut influencer la quantité et la qualité de l'eau douce dans la DRW dans le cadre de pratiques de gestion biologique, de conservation et conventionnelle. Des sols sains et leurs écosystèmes associés favorisent l'infiltration de l'eau et le stockage de l'eau de pluie et aident à minimiser les contaminants (sédiments, nutriments et pesticides) dans les aquifères souterrains et les cours d'eau de surface qui soutiennent les humains et la faune dans la DRW. Depuis près de 40 ans, Farming Systems Trial (FST) Rodale Institute a comparé deux systèmes biologiques (légumineuses et fumier) et un système agricole conventionnel avec et sans travail du sol (sans labour introduit en 2008). Les données sur les paramètres de santé des sols, les rendements des cultures, les bénéfices, l'apport énergétique et la séquestration du carbone ont révélé que l'agriculture biologique a des bénéfices plus élevés, des apports énergétiques plus faibles, une meilleure santé des sols et moins d'émissions de carbone (Pimental et al., 2005). Rodale Institute et les scientifiques du Stroud Water Research Center ont comparé quatre systèmes biologiques et conventionnels étudiés de FST à la Stroud Preserve à West Chester, en Pennsylvanie, qui comparent les gestions conventionnelles labourées, de conservation sans labour, biologiques et biologiques sans labour sous des systèmes de maïs / soja. Ainsi, des parcelles de recherche ont été établies à Stroud Preserve pour correspondre à quatre traitements FST testant les impacts de différentes stratégies de production de céréales sur la santé des sols et la qualité de l'eau. La principale différence entre deux emplacements étudiés est une pente de 0 à 3% au FST par rapport à une pente allant jusqu'à 15% aux parcelles de la réserve de Stroud (la Figure 1). Les paramètres agronomiques, de la santé des sols et de la qualité de l'eau sont évalués pendant les six années de l'étude pour tenir pleinement compte des fluctuations climatiques annuelles et des changements mesurés dans le sol.
Méthodologie
Des échantillons de sol ont été collectés par la méthode de carottage profond du sol à l'aide de la sonde Giddings à des profondeurs de 0 à 10, 10 à 20, 20 à 30, 30 à 60 et 60 à 100 cm en janvier 2019. Cinq échantillons de sol aléatoires ont été prélevés sur chaque parcelle, quatre échantillons ont été coupés et homogénéisés selon la profondeur pour représenter un seul système / traitement, et une carotte de sol pleine longueur a été mise de côté pour la mesure de la densité apparente. Ces échantillons homogénéisés ou mixtes représentatifs ont été envoyés aux laboratoires d'analyse du sol de la Pennsylvania State University (PSU) et de l'Université Cornell pour un certain nombre d'analyses chimiques et biologiques du sol, y compris SOM, SOC, N du sol, pH, macro- et micronutriments, permanganate oxydable C, respiration du sol, protéines du sol et potentiel minéralisable N.
Les paramètres physiques du sol étudiés comprennent la densité apparente, la stabilité des agrégats du sol, la résistance à la pénétration sous forme de compactage du sol et l'infiltration du sol. Le compactage du sol a été déterminé à l'aide d'un pénétromètre (Figure 3A) dans la zone racinaire en utilisant 300 livres par pouce carré (psi) comme seuil de résistance à la pénétration du sol, car la plupart des racines des cultures ne peuvent pas facilement pénétrer dans le sol au-dessus des lectures du pénétromètre de 300 psi. L'infiltration de l'eau du sol a été déterminée à l'aide d'un procédé d'infiltromètre à double anneau (Figure 3B). Ces deux tests de terrain sur le terrain ont été effectués au printemps et à l'été 2019.
L'eau interstitielle du sol a été échantillonnée à partir du passif installé (à 100 cm) de profondeur (Figure 4A) et des lysimètres actifs (ou, des lysimètres à ventouse ou des échantillonneurs d'eau installés à des profondeurs de 15, 30 et 45 cm) (Figure 4B). Les échantillons de lixiviat de l'eau interstitielle du sol sont collectés à partir de lysimètres profonds deux à trois fois par an, tandis que les échantillons d'eau interstitielle du sol à l'aide de lysimètres à ventouse sont collectés deux fois par an après un événement de fortes pluies. Alors que les lysimètres passifs collectent des échantillons d'eau interstitielle qui ont été stockés dans un grand récipient pendant 3-4 mois avant la collecte, les lysimètres actifs sont conçus pour collecter des échantillons d'eau interstitielle du sol à un moment précis de l'année. Ainsi, les échantillons d'eau interstitielle collectés à partir de lysimètres passifs sont représentatifs de la biologie et de la chimie cumulatives de l'eau, tandis que les échantillons d'eau collectés par les lysimètres actifs reflètent la qualité de l'eau interstitielle récemment percolée après une forte pluie.
Resultats
Cet article Web présente les résultats préliminaires de la recherche sur la santé du sol et la qualité de l'eau du sol, et les échantillons d'eau prélevés à l'emplacement du FST uniquement car les données de la réserve Stroud sont prématurées pour produire des différences significatives dans des pratiques de gestion contrastées en raison de l'établissement très récent de la recherche. parcelles (établies en 2018). En raison des conditions météorologiques très humides lors de l'échantillonnage du sol lors de la période d'échantillonnage de référence initiale 2018/2019 (janvier 2019), les caractéristiques du sol supérieur (0-20 cm) n'étaient pas des représentants typiques des systèmes FST comme documenté dans le passé (voir la section « Tradition à long terme au FST »), ainsi seuls quelques paramètres de sol les plus importants de l'échantillonnage de sol de référence de 2019 sont présentés ici.
Une longue tradition au FST
Les données à long terme sur la SOM, le COS, l'azote du sol et le pH (réaction du sol) de la surface du sol (0-20 cm) indiquent que depuis le début (1981) de l'étude au FST, bien que la SOM ait augmenté sous le régime organique ( les légumineuses et le fumier) et le système conventionnel, mais le niveau de SOM a augmenté de 17% au fil du temps dans le système biologique par rapport au système conventionnel (Figure 5). La pratique de rotation sans labour (NT) a été introduite dans les parcelles labourées à long terme au FST en 2008, cependant, sauf dans de rares cas, le travail du sol n'a pas montré de différences significatives dans les systèmes de gestion biologique et conventionnel parmi les paramètres de santé du sol testés. Ainsi, bien que le semis sans labour ait été établi en 2008, les données des parcelles labourées et non labourées ont été moyennées pour obtenir une analyse représentative par système uniquement (la Figure 5).
Une analyse des données sur la santé des sols des 10 dernières années provenant du FST indique également que le COS et l'azote du sol ont augmenté de manière significative avec les systèmes de compost et de légumineuses par rapport au système conventionnel, tandis que le pH du sol était significativement plus élevé sous les systèmes conventionnels et de compost par rapport à système de légumineuses (la Figure 6). Cependant, les trois systèmes avaient un pH du sol compris entre 6 et 7, ce qui n'est pas gravement dommageable pour la disponibilité des éléments nutritifs des plantes. L'augmentation significative du COS et de l'azote du sol dans les systèmes de légumineuses et de compost suggère qu'un apport plus élevé de compost organique et de biomasse de légumineuses sur la couche arable à long terme est bénéfique pour retenir la SOM, et peut-être séquestrer le COS, et l'azote du sol sous systèmes organiques. Ces données à long terme sur la santé des sols dans divers systèmes au FST indiquent que la production de cultures dans des systèmes biologiques peut améliorer la santé des sols au fil du temps, et ainsi devenir la base du lancement de l'étude proposée en 2018 au FST et à Stroud Preserve pour tester si la santé des sols, et la qualité de l'eau s'améliore grâce à diverses pratiques agricoles dans les systèmes de culture de céréales biologiques et conventionnels en Pennsylvanie.
Paramètres de base de la santé des sols dans les systèmes biologiques et conventionnels au FST
Les résultats préliminaires de la santé du sol à l'emplacement du FST montrent que la SOM, le COS et l'azote du sol (la Figure 7), n'étaient pas significativement différentes entre les pratiques agricoles, en particulier sur la surface du sol supérieure (jusqu'à 30 cm) (les données de 30 à 60 cm et de 60 à 90 cm ne sont pas présentées), ce qui contraste avec les résultats traditionnels de la FST sur ces paramètres du sol (Chiffres 5 et 6). Cette incohérence peut être attribuée à un état très humide du sol lors de l'échantillonnage en janvier 2019 qui peut avoir eu une incidence sur certains paramètres de santé du sol, en particulier au niveau de la couche arable. Cependant, d'autres mesures sur le terrain qui ont eu lieu à la fin du printemps ou à l'été 2019, lorsque la situation humide des champs s'est améliorée, montrent une amélioration de la santé des sols. Par exemple, en moyenne, le compactage du sol a été significativement diminué de 17% (la Figure 8), et l'infiltration du sol a été considérablement multipliée par 3.4 (la Figure 9) sous bio à long terme par rapport aux pratiques de gestion conventionnelles chez FST. Cette diminution significative du compactage du sol et l'augmentation de l'infiltration de l'eau du sol dans les systèmes organiques à FST indiquent la profonde influence d'une MOS élevée dans des parcelles gérées de manière biologique (la Figure 5), et éventuellement des activités plus élevées des vers de terre et des macropores résultants. De plus, une infiltration plus élevée de l'eau du sol peut minimiser la saturation de l'eau et les conditions de ruissellement de surface qui mènent à l'érosion du sol.
Paramètres de base de la qualité de l'eau dans les systèmes organiques et conventionnels au FST
Divers paramètres de qualité de l'eau ont été mesurés à partir de lysimètres passifs et à ventouse (échantillonneurs d'eau) installés à différentes profondeurs à l'emplacement du FST comme décrit dans la section «Méthodes» (les données biologiques ne sont pas rapportées ici). Les données du lysimètre passif ne sont pas rapportées ici en raison de la nature cumulative de la dynamique des nutriments qui peut ne pas refléter directement la qualité de l'eau «en temps réel» dans divers systèmes.
Des échantillons d'eau prélevés sur des lysimètres actifs (à ventouse) ont indiqué que le chlorure, le nitrite-N et le nitrate-N étaient percolés à des concentrations plus élevées dans des systèmes conventionnels qu'organiques, tandis que le schéma inverse se produisait avec le C organique dissous (COD) et le sulfate (données non illustré) concentrations (la Figure 10). Alors que les concentrations de chlorure, nitrite-N et nitrate-N lessivées étaient significativement plus élevées dans les systèmes conventionnels que dans les systèmes organiques, le volume d'eau lessivée est nécessaire pour comprendre la quantité totale de chaque produit chimique percolant à partir d'une zone donnée. En revanche, les concentrations de COD étaient inférieures dans les parcelles conventionnelles par rapport aux parcelles organiques. Ceci est probablement le résultat d'une augmentation de la MOS dans les sols organiques. Ainsi, collectivement, ces résultats suggèrent que les systèmes conventionnels lixivient des concentrations significativement plus faibles de COD et des concentrations plus élevées de nitrite-N, nitrate-N et N total (données des lysimètres passifs non illustrés) par rapport aux systèmes organiques étudiés, reflétant probablement des différences dans la quantité et le type d'apport d'engrais et de rétention dans les sols ainsi que les différences de volume et de temps de rétention de l'eau interstitielle du sol.
Résumé
Ce rapport fournit les premiers résultats de l'étude collaborative (WIT) commencée en 2018 en utilisant un emplacement étudié à long terme (FST) et un emplacement récemment établi (Stroud Preserve) afin d'obtenir des informations sur la santé des sols et la qualité de l'eau qui en résulte sous divers pratiques de gestion agronomique pour la production de cultures en lignes. Les premiers résultats suggèrent que le compactage et l'infiltration du sol ont été considérablement améliorés par des pratiques de gestion biologique à long terme en conséquence directe d'une SOM significativement plus élevée sous organique par rapport au système conventionnel. La tendance à l'amélioration continue de la santé des sols dans les parcelles gérées organiquement à long terme au FST n'a été que partiellement observée en raison de conditions très saturées ou humides lors de l'échantillonnage initial du sol de référence en janvier 2019 qui a affecté les propriétés physicochimiques du sol au niveau de la couche arable. En guise de remède, des sols de 0-10, 10-20 et 20-30 cm ont été rééchantillonnés en octobre et novembre 2019 à partir des deux emplacements étudiés, et tous ces tests de sol ont été répétés pour faire une comparaison avec les données initiales.
L'eau interstitielle du sol peut percoler à travers un profil de sol plus profond avant d'atteindre l'eau souterraine, et donc une filtration encore plus par le profil du sol est attendue. Des concentrations de nitrite-N, de nitrate-N et de N total significativement plus élevées (données non présentées) dans les échantillons d'eau interstitielle du sol sous système conventionnel par rapport au système organique ont été observées, et ces systèmes continueront d'être évalués au cours de différentes parties de la saison de croissance et avec respect aux volumes totaux lessivés pour comprendre la perte totale de ces composés sous la zone d'enracinement. Les données à long terme provenant d'échantillons d'eau collectés sur tous ces groupes chimiques à plusieurs points d'échantillonnage au cours de ce projet donneront une image solide de la biogéochimie globale des nutriments étudiés.
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Glossaire:
DOC: Carbone Organique Dissous
FST: Essai des systèmes agricoles à Rodale Institute
N: azote
SOC: carbone organique du sol
SOM: Matière organique du sol
WIT: Essai d'impact sur les bassins versants
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Ce matériel est basé sur des travaux soutenus par la William Penn Foundation sous le Grant Award Number 188-17. Les opinions exprimées dans cette publication sont celles des auteurs et ne reflètent pas nécessairement les vues de la William Penn Foundation. Les auteurs tiennent également à remercier tous les techniciens de recherche et les stagiaires des deux Rodale Instituteet le Stroud Water Research Center pour son assistance dans diverses activités dans les domaines et les laboratoires.
