Revue AE&S vol.6, n°1, 5

Regards agronomiques sur les relations entre agriculture et ressources naturelles

Contribution de l'agriculture à la raréfaction des ressources naturelles, évolution de l'activité agricole pour réduire cet impact, et solutions agronomique pour faire face à cette raréfaction

 

 

Une approche agronomique territoriale pour lutter contre le ruissellement et l’érosion des sols en Alsace

 

 

Paul van Dijk1, Christine Rosenfelder1, Olivier Scheurer2, Annie Duparque3, Philippe Martin4, Joëlle Sauter1

1 Association pour la Relance Agronomique en Alsace (ARAA)

2 Institut polytechnique LaSalle Beauvais

3 Agrotransfert-Ressources et territoires

4 AgroParisTech - UMR SADAPT

   


Résumé

Environ un tiers de la surface agricole utile en Alsace est concerné par une sensibilité moyenne à très élevée à l’érosion, et le problème semble s’aggraver. Une analyse des évolutions des facteurs déterminants de l’érosion montre (a) une forte augmentation de la part des terres arables exposée aux forces érosives sous l’effet de la spécialisation des productions végétales (maïs en particulier) et de la diminution de l’élevage, (b) une augmentation probable de l’érosivité des précipitations due au changement climatique et (c) une érodibilité des sols en augmentation en lien avec une décroissance du taux de matière organique des sols agricoles dans certains secteurs sous l’effet des changements des systèmes de culture.

Les systèmes de culture ont donc une forte influence sur la sensibilité à l’érosion d’une parcelle. Une méthode permettant d’identifier les systèmes de culture à sensibilité élevée à l’érosion sur un territoire et de mobiliser la modification des systèmes de culture comme levier d’action dans la lutte contre l’érosion a été mise en place. Un travail de co-conception exploratoire montre des résultats encourageants qui permettent d’aboutir à des solutions adaptées, acceptables et efficaces.

 

Mots clefs : érosion des sols, coulées d’eaux boueuses, système de culture, érodibilité, carbone organique, indicateur


Abstract

Reducing runoff and soil erosion in the Alsace using a territorial agronomic approach

 

About one third of the agricultural land in the Alsace has a moderate to strong erosion sensitivity and this situation continues to degrade. The evolution of erosion controlling factors in the Alsace shows (a) an increase of the surface of rainfall exposed arable land during spring storms due to crop specialization (maize in particular) and decreasing livestock, (b) a probable increase of rainfall erosivity due to climate change, and (c) an increase in soil erodibility due to decreasing soil organic carbon content (the average content has decreased by 0.15 % in ten years).

Cropping systems can thus be a major control on soil erosion. Therefore, a method was developed which allows for the identification of erosion sensitive cropping systems in an area. The method provides the possibility to assess the impact of modified cropping systems on erosion sensitivity through indicators on soil surface exposition and soil erodibility. A pilot study using co-conception in order to define erosion reducing cropping systems has yielded encouraging results and has led to the definition of appropriate, acceptable and effective solutions.


Introduction

 

L’érosion hydrique [1] des sols, à l’origine des coulées d’eaux boueuses (CEB), survient en Alsace notamment à l’occasion des orages de printemps et de début d’été, lorsque la couverture végétale des sols est faible (figure 1), dans les secteurs agricoles des collines limoneuses et dans une moindre mesure dans le piémont viticole (Auzet et al., 2005 ; Van Dijk et al., 2005). Les sols limoneux à faible teneur en matière organique sont les plus concernés par le ruissellement et l’érosion : en effet, en raison de la faible stabilité structurale, la surface de ces sols se ferme sous l’impact des précipitations battantes et devient ruisselante (Auzet, 1987 ; Boiffin et al., 1988 ; Le Bissonnais et Gascuel-Odoux, 1998). Le cumul des écoulements chargés de matières en suspension détachées par les fortes pluies et par le ruissellement progresse vers l’aval et provoque des inondations boueuses qui occasionnent des dégâts matériels parfois importants, et qui peuvent dans certains cas nuire à la sécurité des personnes. De plus, ces processus dégradent progressivement les sols (pertes de matières organiques et perte de fertilité), la qualité des eaux (transports des sédiments, de polluants) et celle des écosystèmes aquatiques (colmatage des fonds de rivière notamment des frayères). Le ruissellement et l’érosion des sols sont donc des processus à multiples enjeux, qui risquent de s’accentuer avec le changement climatique : les épisodes de précipitations extrêmes deviendront très probablement plus intenses et fréquents sur les continents des moyennes latitudes d’ici la fin de ce siècle, en lien avec l’augmentation de la température moyenne en surface (GIEC, 2013).

 

Figure 1. Événement d’érosion le 14 mai 2009 à Breuschwickersheim (Bas-Rhin). Photo : A. Schaub (ARAA).

 

Il existe un consensus sur l’urgence d’agir pour limiter l’érosion des sols et les coulées d’eaux boueuses. Une cartographie des zones à risque d’érosion et de coulées d’eaux boueuses a été réalisée par l’Association pour la Relance Agronomique en Alsace (ARAA) en 2007, permettant de cibler les zones d’action (Van Dijk et al., 2009 ; DREAL Alsace, 2014). Dans ces zones, des programmes de mesures sont mis en place notamment grâce aux actions des Conseils Départementaux et grâce à l’animation des conseillers de la Chambre d’agriculture d’Alsace (CAA).

Les techniques mises en œuvre ont souvent une fonction d’interception des flux : des bassins de rétention et des digues à l’aval du bassin versant, et des éléments paysagers linéaires comme des fascines, des haies et des bandes enherbées plus en amont. Des observations de terrain dans la région et des études de modélisation ont montré les limites des aménagements d’hydraulique ‘douce’, notamment par rapport à la pérennité de l’efficacité dans le temps en l’absence de mesures préventives limitant les émissions (Pacevicus, 2008 ; Dumas, 2009).

D’autres mesures s’appliquent au niveau des parcelles agricoles et agissent à la source (réduction du ruissellement et de l’émission des particules de terre) et/ou sur le transfert des flux. Les mesures les plus employées sont les assolements concertés et les techniques culturales sans labour (TCSL). Ces dernières ont fait preuve d’une bonne efficacité pour réduire le ruissellement et l’érosion dans le contexte pédoclimatique alsacien (Van Dijk et al., 2007 ; Ali, 2008 ; Armand et al., 2009) mais peinent encore à se généraliser dans les secteurs à risque.

Jusqu’à présent, ces différentes mesures préventives sont raisonnées à l’échelle de la culture (par exemple : culture d’hiver vs culture de printemps) ou par rapport au type de travail primaire du sol (labour vs TCSL). Pour réduire efficacement l’érosion et les coulées d’eaux boueuses, il est nécessaire de disposer d’un cadre méthodologique qui intègre l’ensemble des choix et des possibilités d’action des agriculteurs d’un territoire pouvant influencer la sensibilité à l’érosion du sol : la rotation, la gestion des résidus de culture, les apports en produits résiduaires organiques (PRO), le travail du sol et la gestion de l’interculture.

Cet article dresse un état des lieux des problèmes liés à l’érosion des sols en Alsace, y compris en termes d’évolution, et propose une nouvelle approche d’analyse de la sensibilité potentielle à l’érosion des systèmes de culture présents sur un territoire. La finalité est de pouvoir proposer au conseil agricole un nouveau levier d’action de lutte contre l’érosion à la source : l’adaptation des systèmes de culture.

 

Ampleur et évolution des problèmes liés à l’érosion des sols en Alsace

 

Deux sources permettent de caractériser l’ampleur de la problématique liée à l’érosion en Alsace : la cartographie de la sensibilité à l’érosion et du risque potentiel de coulées d’eaux boueuses effectuée par l’ARAA, et les Arrêtés de catastrophes naturelles (CatNat) en lien avec les coulées de boues.

 

Cartographie de la sensibilité à l’érosion et du risque de coulées d’eau boueuses

Afin de cibler les actions de prévention de ces risques liés à l’érosion des sols, la DREAL Alsace et les deux Conseils Départementaux ont mandaté l’ARAA en 2007 pour réaliser une cartographie du risque potentiel de coulées d’eaux boueuses en Alsace, qui a été effectuée en deux étapes. La première étape résidait dans la cartographie de la sensibilité potentielle à l’érosion des terres (figure 2 ; Van Dijk et al., 2009) selon la méthode MESALES (Modèle d'Evaluation Spatiale de l'ALéa Erosion des Sols : Le Bissonnais et al., 1998 ; Cerdan et al., 2006). MESALES permet d’identifier les zones potentielles d’émission de sédiments via un arbre de décision qui combine plusieurs caractéristiques du sol, du terrain (type d’occupation du sol, pente) et du climat (intensité et hauteur des précipitations). A l’échelle de la région Alsace, la méthode MESALES montre que les surfaces de sensibilité à l’érosion élevée à très élevée représentent 36 600 ha et celles de sensibilité moyenne 66 800 ha. Au total 103 400 ha, soit 30 % de la SAU alsacienne, présentent une sensibilité à l’érosion significative.

Les coulées d’eaux boueuses peuvent être visibles en aval alors que les émissions peuvent être élevées plutôt en amont (détachement et transport de particules depuis les parcelles agricoles). C’est pourquoi la deuxième étape prend en compte les liens spatiaux entre les zones d’émission et le milieu récepteur (habitations, voiries, etc.). Un indicateur (ICEB) agrégeant la sensibilité à l’érosion des bassins versants connectés aux zones urbaines a été développé dans le but d’identifier les communes concernées par un risque potentiel de coulées d’eaux boueuses (Van Dijk et al., 2009 ; DREAL Alsace, 2014). La cartographie de ce risque montre un risque élevé pour 75 communes du Bas-Rhin (14 %) et 80 communes du Haut-Rhin (21 %). Ces communes ne sont pas toujours celles qui sont concernées par une sensibilité à l’érosion forte sur leur propre territoire communal (Van Dijk et al., 2009) ; de ce fait, elles ne sont pas en mesure de maîtriser le problème par elles-mêmes et la gestion du risque doit se faire à l’échelle intercommunale, ou mieux encore au niveau du bassin versant. La reconnaissance de l’enjeu « préservation du capital sol » par tous les acteurs est importante dans ce contexte, car elle permet de mobiliser également les communes qui ne sont pas concernées par les coulées d’eaux boueuses. De plus, l’action à la source est la seule qui permette de cibler l’ensemble des enjeux, c’est-à-dire à la fois de maintenir la productivité agricole, de préserver les milieux aquatiques et de réduire les impacts de l’érosion sur les zones urbaines.

Les cartographies mettent en évidence les principaux secteurs concernés par ces problèmes, à savoir le Sundgau, certaines parties du piémont, le Kochersberg et l’Arrière-Kochersberg, les collines de Brumath et de la vallée de la Zorn, et l’Outre-Forêt. A part le piémont, ces secteurs sont caractérisés par des collines couvertes de sols limoneux et une agriculture orientée vers une dominance de grandes cultures et notamment du maïs grain.

Les différentes cartes issues de ces études sont consultables librement sur le site de la DREAL Alsace et servent de documents de diagnostic éventuel pour la gestion de l’urbanisation, mais également pour la définition d’actions dans le cadre des PAPI (Programmes d’Action de Prévention des Inondations). La Chambre d’agriculture d’Alsace (CAA) utilise ces cartes comme premier élément de diagnostic lors d’actions de conseil dans des bassins versants touchés par des coulées d’eaux boueuses. Depuis le début des années 2000 les mesures de lutte qui impliquent les agriculteurs sont notamment les assolements concertés, souvent mis en place sous l’animation de la CAA pour augmenter la part des cultures d’hiver, et le travail du sol sans retournement (TCSL). Une approche intégrée à l’échelle du système de culture associant la rotation, le travail du sol, mais aussi la gestion de l’interculture, les résidus de culture et les apports en produits résiduaires organiques, manque encore à ce jour.

Figure 2. Sensibilité à l’érosion en Alsace selon la méthode MESALES (Le Bissonnais et al., 1998). Source : ARAA, Van Dijk et al. (2009).

 

Analyse des données Catastrophes Naturelles : ampleur et évolution du risque de coulées d’eaux boueuses

La deuxième source d’information permettant de décrire l’ampleur de la problématique en Alsace est la base de données sur les Catastrophes Naturelles ou « CatNat » (Auzet et al., 2005). La base de données Gaspar (http://macommune.prim.net/gaspar/index.php) contient ces données CatNat par commune et par an à partir de 1985 et permet de visualiser l’évolution du risque de catastrophes naturelles, mais elle ne distingue pas les inondations des coulées d’eaux boueuses. Un traitement basé sur l’indicateur ICEB mentionné ci-dessus a été effectué pour séparer au mieux ces deux types d’événements. Cette analyse montre que 112 sur 527 communes du Bas-Rhin et 92 sur 377 communes du Haut-Rhin ont subi des coulées d’eaux boueuses sur la période 1985-2014. Ces chiffres sont approximatifs car il n’existe pas de certitude absolue sur l’origine exacte de la catastrophe naturelle.

Les données montrent qu’il y a des coulées d’eaux boueuses quasiment tous les ans dans les deux départements (8 ans sur 10 en moyenne). L’ampleur en nombre de communes concernées semble en augmentation dans le Bas-Rhin (figure 3). Pour le Haut-Rhin, la tendance est moins claire, mais elle ne signifie en aucun cas que le problème est maitrisé.

Un autre aspect est la période des coulées d’eaux boueuses dans l’année (figure 4). Dans le Bas-Rhin elles surviennent très majoritairement pendant les mois de mai et juin, tandis que dans le Haut-Rhin un certain nombre est aussi enregistré plus tard dans l’été, notamment en août. Au fil des années, les coulées d’eaux boueuses arrivent de plus en plus tôt dans l’année dans le Bas-Rhin, et sont devenues les plus fréquentes au mois de mai, suivi du mois en juin.

Figure 3. Nombre de dossiers CatNat reconnus en lien probable avec des coulées d’eaux boueuses par tranche de 10 ans sur la période 1985 à 2014. Source des données : BD Gaspar.

Figure 4. Le nombre de dossier CatNat reconnus en lien probable avec les CEB par mois pour les deux départements alsaciens par tranche de 10 ans sur la période 1985 à 2014. Source des données : BD Gaspar.

 

Les facteurs explicatifs : une coïncidence des évolutions

 

Les problèmes d’érosion et des coulées d’eaux boueuses sont donc conséquents et leur évolution est préoccupante. Ces tendances peuvent s’expliquer par une combinaison de facteurs évolutifs liés au climat, à l’agriculture, à la structure paysagère, et à l’urbanisation. Le tableau 1 résume, sans prétendre être exhaustif, les principales évolutions sur le territoire alsacien qui influencent l’érosion et les coulées d’eaux boueuses. Certains processus impactent plutôt les émissions, c'est-à-dire la production du ruissellement et la mobilisation des sédiments par érosion dans les parcelles agricoles, qui dépendent principalement de l’érosivité du climat, de la couverture protectrice du sol et de l’érodibilité [2] du sol ; d’autres facteurs affectent davantage les transferts de flux vers l’aval qui dépendent plutôt de la structure paysagère (par ex. le parcellaire, les éléments paysagers comme les haies et les talus, les infrastructures des chemins et des routes, le réseau hydrographique des fossés et des cours d’eau) qui peuvent freiner ou accélérer les transferts et ainsi intercepter plus ou moins de flux sur le chemin de transfert. Les processus et leurs évolutions sont discutés par la suite en suivant la structure du tableau 1.

Tableau 1. Évolutions liées au climat, à la structure paysagère, l’agriculture et à l’urbanisation en Alsace après 1960 et leurs principaux effets sur les déterminants de l’érosion et des coulées d’eaux boueuses.

 

Évolutions influençant le transfert des flux par ruissellement vers l’aval

Le remembrement est un processus qui en Alsace aussi a fortement changé la structure paysagère : depuis les années 1950, plus de 90 % de la SAU alsacienne a fait l’objet d’un remembrement (Peignot et al., 1999). Ceci a conduit à une augmentation de la surface moyenne des parcelles agricoles, à la perte d’une mosaïque des milieux et à la suppression d’éléments paysagers tels que des haies (Froehlicher et al., 2016), des chemins et des talus, ainsi qu’au recalibrage et/ou rectification des cours d’eau. Ces modifications paysagères ont pour conséquence de faciliter le transfert de flux par ruissellement vers l’aval. L’urbanisation a contribué à augmenter la vulnérabilité des zones réceptrices des coulées d’eaux boueuses. En Alsace, les surfaces artificialisées ont augmenté de 1047 ha/an pendant la période 1984-2000 (Région Alsace, 2009). Cette tendance s’est poursuivie aussi après 2000 (CIGAL, 2013). Les villages se sont souvent étendus en suivant les fonds de vallons, en supprimant les zones "tampons" que constituaient les vergers et prairies traditionnellement localisées autour des villages (Heitz, 2009 ; Heitz et al., 2009). Ces évolutions, facilitant les transferts des flux et augmentant la vulnérabilité des zones urbaines, ont contribué à l’augmentation du risque de coulées d’eaux boueuses en Alsace.

 

Évolutions influençant les émissions des sédiments dans les parcelles agricoles

Érosivité des précipitations

La pluviométrie annuelle et la température (moyenne annuelle) ont augmenté les 40 dernières années pour la station d’Entzheim (tableau 2). L’intensité des précipitations d’été d’origine convective, souvent de type orageux, est corrélée à la température moyenne de l’air à proximité de la surface du sol (Klein Tank et Können, 1993). Ceci est lié au fait que l’air chaud augmente l’évapotranspiration et peut contenir plus de vapeur d’eau ; le refroidissement par convection peut ainsi générer des précipitations plus intenses. L’augmentation de la température mène alors à une augmentation sensible de l’érosivité [3] des précipitations (Asselman, 2000 ; Van Dijk, 2001).

Au-delà de l’augmentation des hauteurs annuelles de précipitations, la distribution des précipitations dans l’année a tendance à se déplacer, avec plus de précipitations en fin de printemps et en début d’été (figure 5) ; ceci augmente le risque d’érosion du fait de la dominance des cultures de printemps peu couvrantes pendant ces mois. Cette évolution des précipitations peut expliquer en partie l’augmentation du nombre des coulées d’eaux boueuses au cours des mois de mai et juin dans le Bas-Rhin.

 

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Période

1951-1980

1961-1990

1971-2000

1981-2010

T (°C), moyenne annuelle

10,0

10,1

10,5

11,0

P (mm), moyenne des sommes annuelles

585

611

631

665

 Tableau 2. Normales climatiques (températures T et précipitations P) de la station Météo-France d’Entzheim (Bas-Rhin, Alsace). Source : Météo-France

 

Figure 5. Valeurs mensuelles des coefficients d’Angot (rapport entre la pluviométrie du mois et la pluviométrie annuelle rapportée au mois) pour trois normales pluviométriques de la station Météo-France d’Entzheim. Source des données : Météo-France.

 

L’exposition de la surface du sol aux forces érosives

Certaines évolutions de l’agriculture en Alsace impactent le risque d’érosion par le biais de leur effet sur les périodes d’exposition de la surface aux forces érosives des précipitations et du ruissellement (figure 6, source : Agreste, Recensements agricoles de 1970, 1979, 1988, 2000 et 2010). Si la surface agricole utile (SAU) alsacienne est restée relativement stable depuis 1970 autour de 336000 ha, la part de terres arables a fortement augmenté, passant de 54 % de la SAU à 71 % en 2010, au détriment des surfaces toujours en herbe (STH) qui sont passées de 40 à 23 %. Entre 1980 et 2000, dans les terres labourables, les surfaces fourragères et les céréales d’hiver à paille ont fortement diminué et laissé la place au maïs grain semé généralement vers la mi-avril et peu couvrant jusqu’à mi-juin. Ces surfaces sont alors exposées aux forces érosives des orages de printemps et de début d’été. A partir de 2000, le maïs grain occupe environ 56 % des terres labourables contre moins de 10 % en 1970. Cette spécialisation de la production céréalière et la diminution des surfaces en herbe et fourragères ont conduit à une forte augmentation de l’exposition de la surface des sols à une érosivité pluviométrique en hausse.

Figure 6. Quelques évolutions des surfaces agricoles en Alsace dans la période de 1970 à 2010 en lien direct avec l’exposition de la surface du sol aux forces érosives. Source des données : Agreste, Recensements agricoles de 1970, 1979, 1988, 2000 et 2010.

 

L’érodibilité des sols exposés aux forces érosives et le rôle du carbone organique du sol

Non seulement la part de la SAU non protégée par des couverts végétaux a augmenté, mais il existe également des indications sur le fait que les sols exposés, et notamment ceux des collines limoneuses concernés par l’aléa érosif, sont devenus moins résistants aux forces érosives. Ceci est principalement dû aux évolutions de l’état humique de ces sols. Un paramètre central dans ce contexte est la teneur en carbone organique du sol qui joue un rôle essentiel sur la structure du sol et sa stabilité (Chenu et al., 2011), la rétention en eau, la fertilité du sol et l’activité biologique qu’il incite. A ce jour, il existe peu de données permettant de mettre en évidence des évolutions des teneurs en carbone organique des sols alsaciens, à l’exception de la Base de Données des Analyses de Terre (BDAT ; Saby et al., 2014 ; Swiderski et al., 2012 ; Lemercier et al., 2006). La BDAT regroupe les résultats d’analyses d’horizons de surface des sols de parcelles agricoles effectuées à la demande des agriculteurs sur l’ensemble du territoire national depuis 1990. Elle consiste majoritairement en des données issues des terres arables, mais contient également des résultats d’échantillons issus de prairies, vergers et vignes. Une extraction des informations de la BDAT est affichée dans la figure 7. On observe, après une augmentation de la teneur en carbone organique des sols dans les années 90, sa diminution dans la période 2000-2010. La diminution est plus forte pour les moyennes (0,15 %) que pour les médianes (0,07 % environ). Les tendances sont quasiment identiques pour les deux départements mais il y a une différence systématique au niveau des teneurs, qui sont plus élevées d’environ 0,1 % dans le Bas-Rhin. Une analyse de la BDAT du territoire alsacien à résolution spatiale plus élevée est fournie par Swiderski et al. (2012) : ils ont constaté que sur 28 % des cantons alsaciens, les teneurs en carbone organique ont évolué de façon significative, baissant dans 2/3 de ces cantons sur la période de 1995-99 à 2005-09. Les cantons montrant des tendances à la baisse se trouvent notamment dans les secteurs à sensibilité élevée à l’érosion du Bas-Rhin, comme par exemple les cantons de Brumath, de Truchtersheim et de Saverne. Malgré le fait que les évolutions constatées semblent faibles, cette tendance est plutôt préoccupante.

L’évolution des stocks et teneurs en carbone organiques du sol constitue la réponse à un système agropédoclimatique complexe en évolution perpétuelle. Pour un sol donné, le changement climatique et l’évolution du système de culture modifient l’état humique des sols à moyen et long terme. En Alsace, l’évolution de l’état humique des sols est impacté par :

a)    les effets du changement climatique qui mène à une accélération de la minéralisation des matières organiques due aux températures plus élevées ;

b)    la diminution progressive de l’élevage dans la région (ce qui explique la diminution des surfaces fourragères signalée précédemment), et notamment l’élevage bovin, qui est passé de plus de 290000 têtes en 1979 à environ 165000 en 2010, soit une diminution de 44 % (Agreste, Recensements Agricoles). Cette forte diminution réduit les apports des déjections animales, traditionnellement sous forme de fumier, sur les parcelles agricoles. Contrairement au lisier, qui a peu d’impact sur le statut organique du sol, le fumier et le compost de fumier favorisent une bonne stabilité structurale essentielle pour lutter contre l’érosion. Aujourd’hui, les installations de jeunes polyculteurs-éleveurs alsaciens se font majoritairement dans des systèmes tout lisier, principalement pour des raisons de main d’œuvre. Ces deux effets (moins de déjections animales et une part plus importante de lisier dans les épandages), fragilisent l’état humique des sols alsaciens ;

c)     l’augmentation des surfaces en maïs grain, avec un effet favorable sur l’état humique des sols : les résidus de culture de maïs grain sont systématiquement restitués au sol, contrairement aux céréales à paille dont les résidus sont le plus souvent récoltés, notamment par les polyculteurs-éleveurs mais aussi par les céréaliers (Rosenfelder, 2014). Ceci contrebalance une partie de l’effet de moindres apports en déjections animales, notamment sur les parcelles de céréaliers. Les dernières années, les résidus de maïs grain commencent à être utilisés pour alimenter les méthaniseurs pour la production de biogaz. Une généralisation de cette tendance peut présenter une menace pour la stabilité structurale et l’érodibilité des parcelles agricoles qui ne reçoivent pas de produits résiduaires organiques par ailleurs.

Hormis ces évolutions qui influencent la stabilité structurale du sol via la teneur en carbone organique, des effets mécaniques liés au travail du sol sont également à prendre en compte. L’utilisation de machines agricoles plus lourdes peut induire des problèmes de compaction, notamment sur des sols à faible stabilité structurale, et ainsi réduire l’infiltrabilité des sols. Un autre exemple est l’utilisation plus fréquente d’outils animés pour le travail du sol superficiel (préparation de lits de semis) qui ont tendance à trop affiner les agrégats du sol et à accélérer la formation des croûtes de battance.

L’utilisation des intrants ainsi que la généralisation du labour peuvent impacter l’activité biologique du sol et augmenter son érodibilité. Aucun indicateur ou donnée n’est disponible avec un historique suffisant permettant de démontrer des évolutions sur le territoire alsacien, ni par rapport à l’intensification des pratiques agricoles, ni par rapport à l’activité biologique des sols alsaciens.

 

Figure 7. Evolution des teneurs en carbone organique (en pour mille) par période de 5 ans (chaque point est basé sur environ 4000 à 6000 valeurs). Source des données : BDAT.

 

Évaluer la sensibilité à l’érosion des systèmes de culture d’un territoire

 

Dans le prolongement du constat sur l’ampleur de la problématique de l’érosion des sols, de ses tendances et facteurs explicatifs, on peut poser le postulat que les systèmes de culture peuvent constituer un levier d’action important pour gérer deux facteurs clefs du risque érosif : l’exposition de la surface du sol aux forces érosives et l’érodibilité des sols. Dans le cadre du projet ABC’Terre (financement ADEME, lauréat de l’AAP REACCTIF et coordonné par Agro-Transfert Ressources et Territoires) une méthodologie a été développée, afin d’identifier les systèmes de culture à risque érosif élevé d’un territoire au travers d’indicateurs et de concevoir des systèmes de culture alternatifs en prenant en compte les contraintes (relatives aux assolements, à la valorisation des résidus de culture et aux apports en PRO) liées aux types d’exploitations. Dans le projet, l’outil SIMEOS-AMG, conçu pour simuler les stocks et les teneurs en carbone organique du sol en fonction du système de culture, joue un rôle central. SIMEOS-AMG (SIMuler l’évolution de l’Etat Organique des Sols) a été développé par Agro-Transfert-RT à partir du modèle de calcul de bilan humique AMG de l’INRA de Laon (Andriulo et al., 1999 ; Duparque et al., 2011).

 

Identification des systèmes de culture à sensibilité élevée à l’érosion

Le diagnostic de la situation actuelle, illustré ci-dessous avec l’exemple d’application sur le territoire « Zorn-Kochersberg » dans le Bas-Rhin, se fait en trois temps (figure 8).

 

Figure 8. Schéma de la méthodologie mis en place pour l’évaluation de la sensibilité à l’érosion des systèmes de culture sur un territoire.

 

1.     Reconstitution des combinaisons « rotation de cultures x type de sol x type EA » : RPG-explorer

L’outil RPG Explorer (Levavasseur et al., 2015) permet d’obtenir des assolements de rotation par type de sol et par type d’exploitation agricole sur un territoire. Il utilise en entrée un couple de deux années successives de données du Registre Parcellaire Graphique (RPG) et de données du Référentiel Régional Pédologique (RRP).

L’outil procède d’abord à la filiation des îlots de culture entre années et à la reconnaissance des séquences de culture. Sur la base de règles agronomiques définies au préalable pour le secteur en question, RPG-explorer maximise la fonction de la valeur agronomique des couples précédent/suivant en prenant en compte la fréquence de retour maximale des cultures dans la rotation. Pour cela, l’outil utilise la méthode CROPROTA de Schönhart et al. (2011). Les assolements de rotations en sortie sont croisés avec les unités cartographiques des sols (UCS) du RRP et avec la typologie des exploitations agricoles. La typologie des exploitations agricoles (EA) a été élaborée en se basant sur les données RPG de 2009 : une analyse K-means (nuées dynamiques) a permis de regrouper les exploitations agricoles aux assolements similaires. Sur la base d’une cartographie de ces groupes et de l’assolement ‘central’ (barycentre) de chaque groupe, un type a été attribué à chaque groupe. Le résultat de cette typologie a été validé par un croisement de ces types avec la typologie créée par la DRAAF-Alsace et la CAA en 2013 (CAA, 2013).

On obtient à ce stade les rotations présentes sur le territoire et leur part surfacique dans chaque UCS par types d’exploitations agricoles. Une deuxième fonction d’optimisation permet d’associer ces rotations aux types de sols (UTS) dont on connait la surface mais pas la localisation dans les UCS. Cette phase d’optimisation prend en compte les contraintes culturales liées aux caractéristiques du sol telles que la teneur en éléments grossiers, la teneur en argile, l’hydromorphie et la réserve utile. Le résultat final est la part surfacique de toutes les combinaisons « rotation de cultures x type de sol x type EA » du territoire étudié (figure 8). Sur le territoire du secteur Zorn-Kochersberg il s’agit de 7720 combinaisons.

2.     Affectation de pratiques culturales à ces combinaisons pour obtenir des assolements de systèmes de culture.

Le passage vers les combinaisons « systèmes de culture x type de sols x type EA » demande d’associer des pratiques agricoles aux rotations. Pour cela, nous avons utilisé la base de données Agri-Mieux de l’ARAA qui permet de caractériser par type d’EA et par culture la gestion des résidus, le travail du sol, les apports en PRO (nature, dose et fréquence des apports), la gestion de l’interculture et les rendements. Les tableaux 3 et 4 présentent des exemples des résultats obtenus pour le secteur Zorn-Kochersberg.

Hormis pour le blé d’hiver, les polyculteurs-éleveurs apportent plus souvent de la matière organique que les céréaliers (tableau 3), et ce sont a priori des matières plus stables (fumier plutôt que lisier ou boues de stations d’épuration). L’analyse de la base de données a montré que les doses par apport sont fonction du type de PRO mais pas du type d’exploitation (Rosenfelder, 2014). La gestion des résidus de cultures dans le secteur « Zorn-Kochersberg » est assez similaire pour les céréaliers et les polyculteurs-éleveurs (tableau 4) : les céréaliers récoltent aussi souvent les pailles, qui sont régulièrement échangées contre du fumier ou du lisier des éleveurs. Ceci explique les apports de déjections animales par les céréaliers (tableau 3). La base de données Agri-Mieux permet également de différencier les rendements de certaines cultures (maïs, blé et betteraves) par type de sol. Ces rendements interviennent dans le bilan humique du sol du modèle SIMEOS-AMG via la quantité de résidus de culture restitués au sol.

Les résultats des analyses de la BD-Agri-Mieux sont ensuite associés aux combinaisons « rotation de cultures x type de sol x type EA » du territoire étudié grâce à de nombreuses règles plus ou moins complexes d’affectation des pratiques (Mata et al., 2014 ; Rosenfelder, 2014). Cette affectation se fait le plus souvent sur la base de la présence d’une culture dans la rotation et l’appartenance à un type d’exploitation, et parfois suivant le type de sol. On obtient ainsi une description de l’ensemble de systèmes de culture présents sur le territoire avec toutes les informations nécessaires pour faire tourner le modèle SIMEOS-AMG (voir l’étape suivante).

 

Type PRO

Céréaliers

Polyculteurs-Eleveurs

Maïs grain

Fumier bovin litière

 

0,2

Fumier bovin paille

0,07

0,43

Lisier bovin

 

0,25

Boues Step

0,3

 

Lisier porc

0,32

 

Maïs ensilage

Fumier bovin litière

 

0,36

Fumier bovin paille

 

0,35

Lisier bovin

 

0,35

Blé d’hiver

Fumier bovin paille

0,39

 

Lisier bovin

 

0,28

Lisier porc

0,1

 

Betterave sucrière

Fumier bovin litière

 

0,39

Fumier bovin paille

 

0,5

Boues Step

 

 

Lisier porc

0,24

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Tableau 3 : Fréquence annuelle des apports de produits résiduaires organiques (PRO) en fonction de la culture et du type d’exploitation agricole pour le secteur « Zorn-Kochersberg ». Source : BD-Agri-Mieux (ARAA). Exemple : 0.25 apports/an = 1 apport tous les 4 ans.

 

Culture principale

Restitution des résidus

(part restituée)

Culture intermédiaire (après la culture principale) *

Rendement moyen culture principale **

Céréaliers

Polyculteurs-Eleveurs

Maïs grain

1

1

non

105 q/ha

Maïs ensilage

-

0

non

18 T MS/ha

Blé d’hiver

0,1

0

oui

75 q/ha

Escourgeon – Orge d’hiver

0,2

0,05

oui

64 q/ha

Betterave sucrière

1

1

non

88 T/ha

Colza d’hiver

1

1

oui

36 q/ha

Luzerne

-

0

non

8,5 T MS/ha

* Selon la réglementation en zone vulnérable.

** Valeurs indicatives et moyennes : les rendements retenus et utilisés par la suite varient selon les types de sol.

Tableau 4. Pratiques de restitution des résidus de culture, présence des cultures intermédiaires et rendements des cultures en fonction de la culture et du type d’EA pour le secteur « Zorn-Kochersberg ». Source : BD-Agri-Mieux (ARAA).

 

3.     Évaluation de la sensibilité à l’érosion des SdC à l’aide de deux indicateurs (exposition et érodibilité)

Les systèmes de culture peuvent impacter la sensibilité à l’érosion de deux façons principales : à travers l’érodibilité via l’état humique du sol, et à travers la couverture de la surface du sol par la culture et les résidus de culture, cette couverture déterminant l’exposition de la surface du sol aux forces érosives. Un indicateur a été mis en place pour chacun de ces deux facteurs.

Pour rendre compte du risque érosif lié à l’exposition de la surface sur l’ensemble d’une rotation, il est nécessaire de croiser simultanément la dynamique de la couverture végétale (culture et résidus) avec celle de l’érosivité des précipitations. C’est une démarche similaire à celle du facteur C (culture) de l’équation générale des pertes en terre (USLE = Universal Soil Loss Equation ; Wischmeier et Smith, 1978). Ainsi, l’indicateur d’exposition (Iexpo) est composé d’une part d’un indice d’érosivité des précipitations (ierosivité) et d’autre part d’un indice prenant en compte l’effet de la couverture végétale sur la protection de la surface contre l’érosion (icv). Ces deux derniers indices sont croisés au pas de temps décadaire sur l’ensemble de la rotation. Les couvertures sont corrigées en cas de présence de résidus de culture à la surface dans le cas des TCSL (Rosenfelder, 2014).

Pour un régime pluviométrique donné, cette méthode fournit dans un premier temps des valeurs de Iexpo par culture (figure 9) qui sont ensuite agrégées au niveau de la rotation puis normalisées sur une échelle de 0 à 1. La valeur 1 correspond à la monoculture de la culture ayant la valeur Iexpo la plus élevée ; pour le secteur Zorn-Kochersberg il s’agit de la monoculture de maïs. Du fait de cette normalisation, la méthode permet de trier des systèmes de culture par rapport à l’exposition de la surface pour un secteur donné, mais pas de comparer les valeurs absolues entre secteurs analysés séparément. Le tableau 5 montre quelques exemples des valeurs de Iexpo pour quelques rotations types du secteur d’étude.

 

Figure 9. L’indicateur d’exposition (Iexpo) pour quelques cultures en fonction de la date de semis pour les conditions climatiques du secteur Zorn-Kochersberg dans le Bas-Rhin.

 

Rotation

Iexpo (culture), moyenne

Iexpo (rotation)

Mgr (mono)

5.72

1.00

Mgr_Mgr_Mgr_Blé

4.35

0.76

Mgr_Mgr_Blé_Bett

3.56

0.62

Légende : Mgr = maïs grain, Blé = blé d’hiver, Bett = betteraves sucrières.

Tableau 5. Quelques exemples de l'indicateur d'exposition à l'échelle de la rotation pour les conditions climatiques du secteur Zorn-Kochersberg dans le Bas-Rhin.

 

Pour le choix d’un indicateur d’érodibilité (Ierod), six méthodes ont été testées. Le K-factor selon l’équation de Torri et al. (1997 et 2002) a été retenu parce qu’il présente une sensibilité à la texture du sol et à la teneur en matière organique (MO) qui correspond à l’expertise de terrain, et que l’équation est mathématiquement cohérente. La figure 10 montre que les effets des teneurs en MO sur l’érodibilité sont particulièrement importants sur des sols à textures limoneuses (LA et L). L’érodibilité est considérée élevée pour les valeurs de K>0,03 (Vopravil et al., 2007). Les sols agricoles en Alsace concernés par les problèmes d’érosion sont majoritairement de texture limono-argileuse (LA) avec une fourchette de teneurs en matière organique allant de 1,5 à 3 %, c’est-à-dire dans la partie des courbes où ce facteur varie le plus vite en relation avec la variation de matière organique. Des faibles augmentations des teneurs en matière organique peuvent donc induire des diminutions significatives de l’érodibilité.

Figure 10. Indicateur d'érodibilité en fonction du pourcentage de matière organique pour quelques classes texturales (classification du GEPPA). Modifiée d’après Rosenfelder (2014).

 

L’évolution de la teneur en carbone organique de l’horizon de surface est simulée avec le modèle SIMEOS-AMG pour tous les systèmes de culture présents sur le territoire. SIMEOS-AMG calcule les entrées et les pertes annuelles de carbone du sol en se basant sur les données du système de culture ainsi que sur les caractéristiques du sol, de la parcelle et du climat local. On obtient en sortie des courbes d’évolution des stocks et des teneurs en carbone organique du sol d’une parcelle. La teneur en carbone organique à l’équilibre (obtenue en général après plus de 50 ans) est utilisée pour calculer l’érosivité des sols à l’aide de l’indicateur Ierod . Ce choix, critiquable par ailleurs, permet la meilleure différenciation entre les systèmes de culture à évaluer.

La figure 11 montre le résultat final des calculs des deux indicateurs pour le secteur Zorn-Kochersberg et permet de positionner les 7720 combinaisons simulées selon leur sensibilité à l’érosion. Il y a une bonne dispersion des points sur l’ensemble de l’espace Ierod*Iexpo, ce qui montre que la méthode permet une très bonne différenciation des situations présentes sur le territoire sur la base de ces deux critères. Les systèmes de culture sont classés selon leur sensibilité à l’érosion de la façon suivante : Ierod*Iexpo < 0.015 (sensibilité faible), 0.015 à 0.022 (sensibilité modérée) et > 0.022 (sensibilité élevée). Le seuil de 0.022 pourrait par exemple correspondre à une rotation avec du maïs 3 années sur 4 et une érodibilité Ierod > 0.030.

Les sols à texture argileuse ont souvent des valeurs de Iexpo relativement faibles car ils sont plus souvent associés à des prairies, des cultures fourragères et/ou des cultures d’hiver (figure 11). Les sols limoneux se trouvent majoritairement dans les classes de sensibilité modérée et élevée, ce qui confirme leur fragilité et leur utilisation en grande culture dominée par les cultures de printemps. La figure 12 montre une représentation cartographique des résultats. Au total, 37 % de la SAU du secteur est classé en sensibilité élevée à l’érosion.

 

Figure 11. La sensibilité à l’érosion de tous les systèmes de culture du secteur Zorn-Kochersberg selon les deux indicateurs Iexpo et Ierod.

Figure 12. Cartographie de la sensibilité à l’érosion des systèmes de culture dans le secteur Zorn-Kochersberg. UCS = Unité Cartographique des Sols.

 

Co-conception de systèmes de culture alternatifs pour limiter la sensibilité à l’érosion

La méthode permet d’identifier les systèmes de culture de sensibilité à l’érosion élevée, puis de les modifier pour ramener cette sensibilité à un niveau acceptable. Un travail exploratoire d’adaptation des systèmes de culture a été entamé en collaboration avec les conseillers agricoles du secteur pour pouvoir arriver à des solutions pertinentes et à un bon niveau d’acceptabilité sur le terrain.

En premier lieu, un catalogue de mesures anti-érosion à l’échelle de la parcelle a été établi en s’inspirant des mesures proposées dans la rubrique « limiter érosion » du site Agro-PEPS (RMT Systèmes de culture innovants (2013). Toutes les mesures du catalogue ont été notées par le groupe de travail sur quatre critères : pertinence de la mesure, faisabilité (uniquement au niveau technique), acceptabilité sur le terrain pressentie et effets collatéraux entrainés par la mesure (gestion des adventices, …). Ce catalogue permet de fournir les éléments permettant de construire les systèmes de culture alternatifs (Rosenfelder, 2014).

En second lieu, deux systèmes de culture à sensibilité élevée ont été sélectionnés, correspondants aux exploitations sans élevage (tableau 6 ; les types d’exploitation CM et CI). Les systèmes de culture avec élevage du secteur étudié ont généralement des sensibilités à l’érosion plus faibles. Cependant, pour explorer aussi une situation avec élevage, un troisième système de culture à sensibilité modérée à l’érosion a été ajouté correspondant aux polyculteurs-éleveurs (type CE). Pour chacun des trois systèmes de culture sélectionnés, le groupe de travail a voulu proposer une solution pour les agriculteurs souhaitant rester en système de labour, par le biais d’une modification de la rotation (tableau 6) et des pratiques associées, ainsi qu’une autre pour ceux souhaitant passer en TCSL. Dans ce dernier cas, pour pouvoir identifier la sensibilité des indicateurs aux techniques sans labour, la rotation n’est pas modifiée, et la charrue (travail à 30 cm de profondeur) est remplacée par un outil à dents travaillant jusqu’à 15 cm de profondeur.

 

 

Tableau 6. Les systèmes de culture sélectionnés pour une adaptation « anti-érosion » et la rotation modifiée, issue de la co-conception.

 

Enfin, pour chaque scénario, SIMEOS-AMG a été utilisé pour déterminer les teneurs en carbone organique sur la profondeur travaillée, puis les indicateurs Iexpo et Ierod ont été calculés pour évaluer leur performance « anti-érosion ». Chaque système alternatif a également été soumis à une évaluation multicritères avec le calculateur Stephy (Attoumani-Ronceux, 2011) pour s’assurer de la leur pertinence globale, notamment par rapport à l’utilisation des produits phytosanitaires (IFT) et aux impacts économiques (charges opérationnelles, de mécanisation et de main d’œuvre, marge directe) et sociaux (nombre de passages, temps de travail). Les résultats de cette analyse sont décrits dans Rosenfelder (2014).

Même si le travail de conception des systèmes de culture alternatifs est encore à développer, des résultats intéressants ont déjà été obtenus (figure 13). Les différentes modifications des systèmes de culture réduisent la sensibilité à l’érosion de 17 à 70 % par rapport à la situation initiale. Il s’avère que les solutions en TCSL sont plus performantes que les solutions en labour car elles réduisent à la fois fortement l’érodibilité et l’exposition du sol aux forces érosives, tandis que celles en labour ne diminue peu ou pas l’érodibilité. En système de labour des céréaliers, la restitution des résidus est essentielle pour maintenir un état humique du sol satisfaisant, et l’apport des produits résiduaires stables (des produits compostés par exemple) est préconisé. Les parcelles des exploitations d’élevage sont en général moins érodibles, à l’exception des systèmes d’élevage fortement orientés vers le maïs ensilage avec une exportation systématique des résidus de culture et des retours des matières organiques peu stables sur ces parcelles en forme de lisier.

 

 

Figure 13. Les valeurs de Iexpo et Ierod des systèmes de culture modifiés, exprimées en fraction des valeurs initiales des trois systèmes de culture originales non-modifiés.

 

Conclusion et perspectives

 

La modification des systèmes de culture peut être une mesure de lutte efficace contre l’érosion des sols. Le raisonnement intégré à l’échelle du système de culture, prenant en compte à la fois la rotation, la gestion des résidus de culture, la gestion de l’interculture, les apports en produits résiduaires organiques et les modes de travail du sol, est prometteur pour une lutte contre l’érosion à la source. Ce raisonnement permet de définir des stratégies adaptées pour chaque agriculteur, qu’il soit en système de labour ou de TCSL, et il évite de négliger ou d’oublier des aspects entrant en jeu.

Les indicateurs Iexpo (pour évaluer l’exposition de la surface aux forces érosives en fonction de la rotation et des résidus de culture en surface) et Ierod (pour évaluer l’érodibilité du sol en fonction de la texture du sol et de la teneur en matière organique dans l’horizon travaillé influencé par le système de culture) permettent de différencier les systèmes de culture présents sur le secteur Zorn-Kochersberg. L’érodibilité du sol montre une forte sensibilité aux pratiques agricoles, et notamment à la gestion des résidus de culture et aux apports des produits résiduaires organiques.

En lien avec ce dernier constat, des évolutions récentes sur le territoire étudié, à savoir l’utilisation croissante des résidus de culture pour l’alimentation de méthaniseurs, l’épandage des digestats issus de la méthanisation et le développement des élevages tout lisier au détriment des systèmes à base de fumier, méritent toute l’attention de la recherche en agronomie pour en vérifier les effets sur l’érodibilité des sols.

Dans les années à venir, il s’agira d’augmenter la cohérence de ces démarches à l’échelle des systèmes de culture et de les installer de façon généralisée et durable dans les zones à risque. C’est un chantier important et indispensable, notamment avec le risque accru de fortes pluies qui semble s’annoncer avec le changement climatique. Des éléments scientifiques et des outils de conception et d’évaluation a priori sont désormais disponibles et sont à développer davantage.

 

Remerciements

Les auteurs remercient l’ADEME pour son soutien financier au projet ABC’Terre (Lauréat de l’appel à projets REACCTIF : REcherche sur l'Atténuation du Changement ClimaTique par l'agrIculture et la Forêt) initié par le RMT Sols & Territoires. Les relectrices Blandine Lemercier, Véronique Souchère et Sarah Feuillette sont remerciées pour leurs contributions à l’amélioration de l’article. Rémi Koller ainsi que l’ensemble du comité de pilotage du projet sont remerciés pour leurs nombreuses contributions et suggestions tout au long du projet ABC’Terre. Claire Chenu (AgroParisTech) est remerciée pour l’aide au choix de l’indicateur d’érodibilité du sol et son apport d’expert. François Alves, Claire Cugnière, Blandine Fritsch, Pierre Geist, Hélène Lebas, Rémy Michael (conseillers de la Chambre d’agriculture d’Alsace), Camille Fonteny, Oliver Rapp, Anne Schaub (ARAA) et Aimé Blatz (INRA Colmar) sont remerciés pour leur participation à la co-conception et à l’évaluation multicritères des systèmes de culture.


Notes

[1] Erosion hydrique : processus de détachement, de transport et de dépôt des particules de la surface du sol sous l’action de l’eau, c’est-à-dire des précipitations et du ruissellement.

 

[2] L’érodibilité est définie ici comme la facilité d’un sol à être érodé. La notion de l’érodibilité intègre l’ensemble des facteurs qui déterminent l’aptitude d’un sol à générer du ruissellement ainsi que sa résistance à l’arrachement et au transport des particules (Wischmeier et Smith, 1978 ; Römkens et al., 1996).

 

[3] https://www.cairn.info/resume.php?ID_ARTICLE=VSE_200_0142

 


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