Effet à long terme des engrais organiques sur le rendement et la fertilisation azotée des cultures

Alexandra Maltas, Hansrudolf Oberholzer, Raphaël Charles, Vincent Bovet et Sokrat Sinaj - Station de recherche Agroscope Changins-Wädenswil ACW, 1260 Nyon ; Station de recherche Reckenholz-Tänikon ART, 8046 Zurich - in Recherche Agronomique Suisse 3 (3) : 156–163, 2012 -

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Les conséquences de l’utilisation de différents formes d’engrais organiques (engrais-vert de moutarde, pailles de céréales, 35 et 70 t ha-1 de fumier tous les 3 ans et 60 m3 ha-1 de lisier tous les 3 ans) sont testées à Changins depuis 1976. Cette étude analyse leurs effets à long terme (34 ans) sur le rendement des cultures, le besoin en engrais azoté et le stock d’azote (N) minéral dans le sol. Lorsque le N est non limitant, les engrais organiques ont des effets contrastés sur le rendement en grains des cultures. L’année de l’apport organique et les années suivantes, le fumier et le lisier accroissent le rendement des cultures comparativement au témoin sans engrais organique alors que l’insertion d’engrais-vert et la restitution systématique des pailles de céréales le diminue. Cependant, en moyenne sur les 34 années d’essai, ces effets restent faibles. Par contre, lorsque l’azote est limitant, les engrais organiques ont tous un arrière-effet positif sur le rendement des cultures. L’effet direct (l’année de l’apport) des engrais organiques peut-être positif ou négatif. L’engrais vert non fertilisé accroit les besoins en engrais azoté l’année de sa destruction mais les réduit l’année suivante. Lorsqu’il est fertilisé avec 60 kg de N ha-1, il diminue les besoins aussi bien l’année de sa destruction que l’année suivante. La valeur fertilisante des pailles de céréales est négligeable. Le fumier et le lisier réduisent les besoins en engrais N de manière significative les trois années qui suivent l’apport. Lorsque la valeur fertilisante des engrais de ferme n’est pas prise en compte, le stock d’azote minéral présent à la récolte est plus élevé dans les procédés avec engrais de ferme que dans le témoin sans engrais organique.

Introduction

Quatre techniques de conservation de la fertilité des sols sont testées depuis 1976 à Changins : la restitution systématique des pailles de céréales, l’insertion d’engrais verts durant l’interculture et l’apport régulier d’engrais de ferme, fumier ou lisier. Ces quatre techniques reposent sur l’apport régulier « d’engrais organiques ». En effet, les pailles de céréales, les engrais verts et les engrais de ferme apportent des éléments nutritifs sous forme organique, assimilable après minéralisation, mais aussi sous forme minérale, directement assimilable par les cultures. Ils présentent en ce sens un rôle amendant et fertilisant. Maltas et al. (2011) ont analysé les effets de ces engrais sur les propriétés organiques, chimiques et biologiques du sol. La présente étude complète ce travail, en évaluant leurs effets sur le rendement des cultures et le stock d’azote (N) minéral dans le sol et en quantifiant la valeur fertilisante en N de ces engrais.

Matériel et méthodes

Descriptif de l’essai

L’essai, présenté en détail dans Maltas et al. (2012), a débuté en 1976 à Changins (VD, 430 m). Le dispositif expérimental est un split-plot avec quatre répétitions. Six procédés permettent de tester la nature et la dose des engrais organiques : Emin (témoin recevant uniquement des apports minéraux), EV (insertion d’engrais vert de moutarde tous les deux ans), Pailles (restitutions des pailles de céréales), Fu35 (35 t ha-1 de fumier de bovins tous les 3 ans), Fu70 (70 t ha-1 de fumier de bovins tous les 3 ans) et Li60 (60 m3 ha-1 de lisier de bovins dilué tous les ans de 1975 – 1993 et tous les trois ans après 1993). Les sous-procédés, A, B, C et D reçoivent des doses croissantes d’azote minéral (Maltas et al. 2012). Le sous-procédé A ne reçoit pas de N minéral alors que le sous-procédé D est sur-fertilisé en N (105 – 200 kg N ha-1 selon les cultures).

En 2003 et 2004, les modalités du procédé Emin (aucun engrais organique apporté) sont appliquées sur les six procédés, afin d’étudier l’arrière-effet des procédés et des sous-procédés. Le sous-procédé A ne reçoit toujours pas d’azote et les sous-procédés B, C et D reçoivent tous trois la même dose d’azote (30 kg N ha-1 en 2003 et 40 kg N ha-1 en 2004). En 2003, la culture est un colza et en 2004 un blé d’automne.

Les rotations font alterner cultures de printemps et cultures d’automne et permettent ainsi l’insertion d’un engrais vert une année sur deux. D’une durée de 5 à 6 ans, elles comprennent 60 à 70 % de céréales, du colza et du maïs. Les pailles de maïs et de colza sont broyées puis enfouies dans le sol sur l’ensemble des traitements. Les pailles de céréales sont exportées après la récolte sauf dans le procédé « Pailles » où ces dernières sont restituées au sol. La fumure phospho-potassique (sous forme de superphosphate et de sel de potasse) est optimale sur l’ensemble des procédés selon les données de bases pour la fumure des grandes cultures (Ryser et al. 1987). Elle tient compte de la valeur fertilisante des restitutions de pailles et des arrières-effets du fumier et du lisier (Ryser et al. 1987).

Mesures et analyses statistiques

Les rendements en grains sont mesurés tous les ans à la récolte sur l’ensemble des traitements. Les rendements obtenus en absence de limitation en N sont qualifiés de rendements potentiels. Pour une année et un procédé donné, ils correspondent à la moyenne des rendements des sous-procédés qui ne différent pas significativement du sous-procédé présentant le rendement maximal (généralement le sous-procédé D).

La valeur fertilisante des engrais organiques est calculée, chaque année, en comparant l’augmentation de rendement due aux engrais organiques à l’augmentation de rendement due à la fertilisation azotée selon l’équation suivante :
Valeur fertilisante = (Rdt iA- Rdt EminA) * dose EminB/ (Rdt EminB -Rdt EminA)
Avec Rdt iA, Rdt EminA et Rdt EminB : rendement en grains respectivement du procédé i sous-procédé A, du procédé Emin sous-procédé A et du procédé Emin sous-procédé B, exprimés en dt ha-1 ; dose Emin B : dose d’engrais azoté apportée dans le procédé Emin sous-procédé B exprimée en kg N ha-1. Nous supposons ainsi que la réponse des cultures à la dose de N est linéaire. Les cultures sont vraisemblablement suffisamment carencées en N dans les sous-procédés A et B pour justifier cette hypothèse.

La teneur en N de la plante (grains et pailles) est mesurée en 2003 et 2004 dans les sous procédés A afin de calculer le N absorbé par la culture.

Les stocks d’azote minéral dans le sous-procédé C sont mesurés en 2009, juste avant le semis, le 26 mars et un mois après récolte, le 24 août (Stations de recherche ART& ACW 2011). Les horizons 0 – 30 ; 30 – 60 et 60 – 90 cm sont prélevés à l’aide d’une tarière. Chaque prélèvement est constitué d’un composite de 8 à 10 carottes. Quatre répétitions sont effectuées.

Les analyses de variance sont réalisées en utilisant le logiciel XLSTAT 2010, Copyright Addinsoft 1995 – 2009, le test de Fisher est appliqué pour comparer les moyennes des procédés et sous procédés.

Résultats et discussion

Rendement potentiel des cultures

Lorsque l’azote est non limitant, les rendements observés sur maïs, blé, orge, colza et avoine (tabl. 1) sont proches de ceux mentionnés dans les « Données de base pour la fumure », respectivement 81, 51, 47, 33 et 47 dt sec ha-1 (Sinaj et al. 2009).

L’effet des procédés sur le rendement potentiel est constant quelle que soit la culture puisque l’interaction entre procédé et culture n’est pas significative (P > 0,05).

En moyenne sur 34 ans d’essai, l’effet des engrais organiques, bien que significatif, reste faible (-4,7 à +2,2 % par rapport à Emin ; tabl. 1).

Le procédé EV obtient un rendement potentiel significativement plus faible que celui du témoin Emin (-3,6 % ; tabl. 1). Duval (1996) a également observé que les engrais verts de crucifères, et plus particulièrement ceux de moutarde, peuvent avoir un effet nuisible sur la culture qui suit en raison de la présence de composés phytotoxiques dans leurs résidus. Dans cet essai, l’effet supposé allélopathique de la moutarde est observé aussi bien sur les cultures qui suivent l’engrais vert (maïs et orge) que sur les cultures suivantes (blé et colza ; tabl. 1). Seule l’avoine ne semble pas affectée. Le rendement du procédé Pailles est inférieur de 4,7 % à celui du témoin Emin (tabl. 1.). La restitution des pailles de céréales dans une rotation largement céréalière a probablement favorisé les maladies des céréales (Charles et al. 2011).

L’effet moyen des engrais de ferme (Fu35, Fu70 et Li60) sur la période 1976 – 2010 est très faible (+0,4 à +2,2 % par rapport à Emin ; tabl. 1) et n’est pas significatif. Toutefois, ces procédés présentent tous des rendements potentiels supérieurs à celui du témoin Emin. Ce résultat est cohérent avec un autre essai longue durée mené à Changins, qui a mis en évidence une augmentation des rendements potentiels, en moyenne sur 12 années d’essai, de 2 à 13 % avec engrais de ferme (Maltas et al. 2012). Cette augmentation peut être imputée à un effet « matière organique » qui améliore les propriétés physiques, hydriques et biologiques du sol (Lal 2009) et/ou à une augmentation de la disponibilité en nutriments (Zhang et al. 2009). En effet, les sols des procédés avec engrais de ferme présentent des teneurs en matière organique (MO) supérieures à celles du témoin mais aussi des teneurs en zinc et fer extractibles à l’acétate ammonium EDTA plus importantes (Maltas et al. 2011). Le zinc et le fer sont des micronutriments favorables à la croissance des cultures à faible concentration mais qui peuvent devenir toxiques au-delà d’un certain seuil (Marschner 1995).

Compte tenu de la forte variabilité interannuelle du rendement potentiel relatif, il est difficile de mettre en évidence une évolution significative des effets procédés (fig. 1). L’effet des procédés EV et Pailles n’évolue pas avec le temps, tandis que celui des engrais de ferme croît significativement. Cependant, ces effets restent faibles même après 34 années d’application (+4, +9 et +6 % respectivement dans Fu35, Fu70 et Li60 ; fig. 1).

Valeur fertilisante des engrais organiques

Suivie de 1976 à 2010, la valeur fertilisante des cinq types d’engrais organiques (EV, Pailles, Fu35, Fu70 et Li60) montre des différences importantes (fig. 2). Compte tenu du mode de calcul de cette dernière, les valeurs présentées incluent l’effet direct dû à l’apport de N rapidement disponible et l’effet indirect dû à la minéralisation de la MO stockée dans le sol.

La valeur fertilisante des engrais organiques à long terme n’augmente pas au cours du temps (fig. 2), malgré l’enrichissement progressif du sol en MO dans les procédés avec engrais organiques (Maltas et al. 2011). Les valeurs fertilisantes varient, par contre, en fonction du nombre d’années écoulées depuis le dernier apport organique. Entre 1994 et 2010, la valeur fertilisante de l’engrais vert est en moyenne de -27 kg N ha-1 l’année de sa destruction et de +7 kg N ha-1 l’année suivante (fig. 2). L’engrais vert absorbe de l’azote et réduit ainsi l’offre en N pour la culture suivante par rapport au témoin Emin. Une partie de cet azote est ensuite remis à disposition l’année suivante, lors de la minéralisation des résidus d’engrais vert. Avant 1993, cet effet négatif de l’engrais vert sur l’offre en N l’année de sa destruction n’est pas observé (fig. 2). Sa valeur fertilisante est de +20 kg N ha-1 l’année de sa destruction et +17 kg N ha-1 l’année suivante (fig. 2a). Les 60 kg N ha-1 appliqués sur les engrais verts avant 1993 ont vraisemblablement permis de compenser le N absorbé par l’engrais vert et même d’augmenter l’offre en N pour les cultures suivantes. Lorsque la moutarde est fertilisée, sa valeur fertilisante sur les deux années après sa destruction s’élève à 37 kg N ha-1, alors qu’elle est de -20 kg N ha-1 lorsqu’elle n’est pas fertilisée. La différence de 57 Kg N ha-1 correspond assez bien aux 60 kg N ha-1 épandus sur la moutarde, preuve que cet azote est peu sorti du système sol-plante. Par contre, l’azote disponible dans le sol peut être moins absorbé et potentiellement perdu par lixiviation.

La valeur fertilisante des pailles de céréales est très faible (fig. 2b). Elle est en moyenne de -3 kg N ha-1 l’année d’incorporation des pailles et de +3 kg N ha-1 l’année suivante. Les pailles de céréales possèdent un ratio C/N élevé, ce qui provoque une immobilisation de N par la biomasse microbienne l’année de l’incorporation. L’année suivante, une partie de cet azote est remis à disposition lors de la décomposition de la biomasse microbienne. Sinaj et al. (2009) préconisent ainsi en Suisse un renforcement de la fertilisation N de 10 à 20 kg N ha-1 selon la culture suivante lorsque des pailles de céréales sont incorporées.

La valeur fertilisante des engrais de ferme est positive et diminue avec le nombre d’années écoulées depuis le dernier apport organique. L’année de l’apport, un et deux ans après l’apport, les valeurs fertilisantes sont respectivement de +31, +15 et +10 kg N ha-1 sous Fu35 (fig. 2c) ; +58, +28 et +21 kg N ha-1 sous Fu70 (fig. 1c) et +38, +18 et +10 kg N ha-1 sous Li60 (fig. 2d). Les valeurs fertilisantes exprimées en pourcentage du N total apporté par l’engrais organique donnent une indication sur la proportion du N total assimilé par les cultures. Ainsi, avec le fumier (moyenne de Fu35 et Fu70), la proportion de N total assimilé par les cultures est de 16 % l’année d’application, 8 % un an après l’apport et 5 % deux ans après l’apport. Avec le lisier, ces valeurs atteignent respectivement 37 %, 18 % et 10 %. La MO contenue dans le lisier est généralement moins stable que celle du fumier (Lecomte 1980) et se dégrade donc plus rapidement (Su et al. 2006). Ceci explique les valeurs plus élevées du lisier. Dans les données de base pour la fertilisation des grandes cultures (DBF-GC), les valeurs fertilisantes proposées pour le fumier en stabulation libre sont du même ordre de grandeur que celles de cet essai (20 % du N total l’année d’application et 10 % l’année suivante ; Sinaj et al. 2009). Le lisier de cet essai s’est dégradé un peu plus lentement que ceux proposés dans les DBF-GC (45 % du N total l’année d’application et 5 % l’année suivante (Sinaj et al. 2009). Les lisiers de cet essai semblent plus réfractaires à la dégradation. La qualité de leur matière organique demanderait donc à être analysée. Actuellement, la valeur fertilisante des engrais de ferme deux ans après l’apport n’est pas comptabilisée dans les normes de fumure azotée (Sinaj et al. 2009). Ces résultats et ceux de Maltas et al. (2011b) montrent que deux ans après l’apport, la valeur fertilisante du fumier comme du lisier est encore importante et devrait être comptabilisée.

Arrière-effet

En 2003 et 2004, aucun procédé n’a reçu d’apport organique, ce qui permet d’évaluer les arrière-effets des procédés. Ces effets sont analysés sur des cultures supposées carencées en azote : sur le sous-procédé A sans azote et sur la moyenne des sous-procédés B, C et D qui reçoivent chacun 30 kg N ha-1 en 2003 et 40 kg N ha-1 en 2004 (tabl. 2). Lorsque les cultures sont carencées en N, les procédés recevant régulièrement des engrais organiques présentent tous des rendements supérieurs à celui du témoin Emin (tabl. 2). L’arrièreeffet est plus marqué sur le sous-procédé A sans azote (tabl. 2) que sur les sous-procédés B, C et D qui reçoivent 30 à 40 kg N ha-1. Ainsi, plus les cultures sont carencées en N, plus l’effet résiduel des procédés est important. Cet effet résiduel est donc vraisemblablement dû à une meilleure offre en N dans les sols recevant régulièrement des engrais organiques. Ceci est cohérent avec les résultats précédents qui ont montré des valeurs fertilisantes positives, pour tous les engrais organiques, l’année suivant l’apport. L’augmentation de l’offre en N proviendrait principalement d’une plus forte minéralisation dans ces sols mieux pourvus en MO (Maltas et al. 2011).

L’arrière-effet des sous-procédés (B, C et D) est analysé sur la moyenne des procédés (tabl. 3) en 2003 et en 2004. Les rendements ne diffèrent pas significativement entre sous-procédés. Cependant, ils tendent à croître avec la fertilisation azotée passée (tabl. 3). L’effet positif de la dose d’engrais azoté sur la teneur en MO du sol (Maltas et al. 2011) explique vraisemblablement ce résultat.

Stocks d’azote minéral

Les stocks d’azote minéral dans les 90 premiers cm de sol (N-min) ont été mesurés en 2009, avant le semis et après la récolte de l’avoine de printemps (tabl. 4). Les pailles de la culture précédente (colza) ont été enfouies dans tous les procédés ; un engrais vert de moutarde est inséré avant la culture d’avoine dans le procédé EV ; et aucun engrais de ferme (fumier ou lisier) n’est épandu. Des engrais de ferme ont par contre été apportés en 2008 sur Fu35, Fu70 et Li60. Les N-min ont été mesurés dans les sous-procédés C qui reçoivent tous 90 kg N ha-1. Avant semis et après récolte, les N-min du procédé Pailles diffèrent peu de ceux du procédé Emin (tabl. 4), ce qui est cohérent avec la faible valeur fertilisante des pailles de céréales observée l’année suivant leur incorporation (fig. 2a).

Le procédé EV affecte négativement le N-min avant semis (tabl. 4). La moutarde non fertilisée absorbe donc bien de l’azote qui n’est plus disponible pour la culture suivante.

Les N-min avant semis les plus élevés sont observés dans les procédés avec engrais de ferme (Fu35, Fu70 et Li60 ; tabl. 4). Vraisemblablement, la forte minéralisation de la MO du sol (Maltas et al. 2012) combinée à la minéralisation de la MO fraîche apportée l’année précédente serait à l’origine de ces valeurs. Cependant, la forte minéralisation dans ces procédés occasionne également des N-min après récolte supérieurs. Le risque de lixiviation du N après récolte est donc accru dans les procédés avec fumier et lisier lorsque leurs arrière-effets ne sont pas pris en compte dans le calcul de la fertilisation N.

Conclusions

- Lorsque la fertilisation azotée est non limitante, les engrais organiques ont des effets contrastés sur le rendement en grains des cultures. L’année de l’apport et les années suivantes, l’apport d’engrais de ferme, fumier ou lisier, accroît le rendement (+0,4 à +2,2 % en moyenne), tandis que l’insertion d’engrais verts à base de moutarde et la restitution systématique des pailles de céréales le diminue (-3,6 et -4,7 % respectivement).
- Lorsque les cultures sont carencées en N, les engrais organiques ont tous un arrière-effet positif sur le rendement des cultures. Ceci serait dû à une meilleure offre en azote dans ces sols plus riches en MO.
- L’engrais vert de moutarde non fertilisé en N accroît les besoins en engrais N de l’année de sa destruction (de 27 kg N ha-1) et les réduit l’année suivante (de 7 kg N ha-1). Lorsque l’engrais vert reçoit 60 kg de N ha-1, les besoins des cultures suivantes diminuent l’année de sa destruction et l’année suivante (respectivement de 20 et 17 kg N ha-1).
- La valeur fertilisante des pailles de céréales est négligeable l’année de leur incorporation (-3 kg N ha-1) comme l’année suivante (+3 kg N ha-1).
- Le fumier et le lisier présentent des valeurs fertilisantes positives et non négligeables les trois années suivant l’apport. L’azote apporté par le fumier représente 16 % du N total apporté l’année de l’apport, 8 % un an plus tard et 5 % deux ans après. Pour le lisier, ces valeurs atteignent 37, 18 et 10 %. La non prise en compte de ces valeurs fertilisantes dans le calcul de la fertilisation azotée accroît les stocks d’azote minéral du sol à la récolte et donc les risques de lixiviation.


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