Changements d’usage des terres dans les agro-systèmes d’Afrique sub-saharienne.Propriétés des sols et dynamique des matières organiques. Dominique Masse To cite this version: Dominique Masse. Changements d’usage des terres dans les agro-systèmes d’Afrique sub- saharienne.Propriétés des sols et dynamique des matières organiques.. Sciences de la Terre. Institut National Polytechnique de Toulouse - INPT, 2007. ￿tel-00190946￿ HAL Id: tel-00190946 https://theses.hal.science/tel-00190946 Submitted on 23 Nov 2007 HAL is a multi-disciplinary open access L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est archive for the deposit and dissemination of sci- destinée au dépôt et à la diffusion de documents entific research documents, whether they are pub- scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, lished or not. The documents may come from émanant des établissements d’enseignement et de teaching and research institutions in France or recherche français ou étrangers, des laboratoires abroad, or from public or private research centers. publics ou privés. Institut National Polytechnique de Toulouse Ecole Nationale Supérieure Agronomique de Toulouse Mémoire pour l’obtention du diplôme d’ Habilitation à Diriger des Recherches Changements d’usage des terres dans les agro-systèmes d’Afrique sub-saharienne. Propriétés des sols et dynamique des matières organiques. Dominique MASSE Docteur-Ingénieur Ingénieur de Recherche à l’Institut de Recherche pour le Développement Soutenu le 15 Octobre 2007 devant le jury : Francis ANDREUX, Professeur Université de Bourgogne, rapporteur Jean-Luc CHOTTE, Directeur de Recherche IRD, examinateur Maritxu GUIRESSE, Maître de Conférence ENSA de Toulouse, examinatrice Sabine HOUOT, Directrice de Recherche INRA, rapporteur Benoît JAILLARD, Directeur de Recherche INRA, rapporteur Jean-Claude REVEL, Professeur ENSA de Toulouse, président du jury 2 Avant propos En 1992, après mes premiers pas trois ans auparavant sur les terres africaines au Nord Cameroun, je soutenais une thèse de docteur-ingénieur à l’ENSAT, et j’intégrais l’ORSTOM sous la direction de Roger Pontanier, parti trop vite et de Christian Floret pour travailler sur les sols et leur utilisation dans les savanes d’Afrique de l’Ouest. Durant 9 ans au Sénégal, dans le cadre du programme régional de recherche sur les jachères en Afrique de l’Ouest, j’ai pu ainsi continuer à parcourir ces terres des zones soudano-sahéliennes du Sénégal et du Mali. Les jachères dans les agrosystèmes étaient notre objet de recherche mais constituaient notre point d’entrée pour des études plus globales sur la gestion des écosystèmes naturels et cultivés dans les savanes Ouest- Africaine. Mes activités auprès de C Floret, écologue et coordonnateur régional du projet Jachère, m’ont ainsi amené à de nombreuses disciplines allant de la pédologie, à l’hydrologie, l’écologie, l’agronomie voire aux sciences humaines, enrichissant ainsi mes connaissances auprès de nombreux collègues du Sud et du Nord. C’est à l’issue de ce programme, qu’ont débuté les nouvelles unités de recherche dans le cadre réformé de l’ORSTOM qui changeait de nom pour s’appelait alors l’Institut de Recherche pour le Développement (IRD) ; nouvelle dénomination et nouvelle orientation dont l’esprit de recherche scientifique en coopération auprès des chercheurs du Sud était néanmoins conforme à ce que R Pontanier m’avait enseigné depuis mon entrée dans l’institut. L’année 2001 correspond à mon entrée dans une nouvelle unité de recherche et une nouvelle affectation. Ayant commencé à collaborer avec Jean Luc Chotte à Dakar j’ai adhéré à son projet de nouvelle unité de recherche intitulée IBIS « Interactions biologiques dans les sols des écosystèmes tropicaux », et ai été affecté au Burkina Faso pour contribuer au développement d’un chantier de recherche de l’UR les systèmes de culture de substitution à la pratique de la jachère. Les matières organiques des sols sont alors devenus mon principal mot-clé de mes activités de recherche. Je n’oublie pas durant cette période mes fructueuses collaborations avec mes collègues chercheurs à Ouagadougou ; Victor Hien, toujours à l’écoute et prompt à collaborer, Ablassé Bilgo dont l’enthousiasme ne semble jamais s’arrêter, Robin Duponnois toujours à la recherche de l’excellence et fourmillant d’idées et dont j’ai beaucoup appris, tout comme avec Michel Lepage qui je l’espère déploiera encore pour quelques années toute ses connaissances de l’écologie des savanes, Edmond Hien, passionné par les sols et qui est ma référence actuellement en pédologie africaine. C’est au contact de biologistes et microbiologistes du sol qu’est venue l’idée de développer une modélisation originale des processus microbiens de la minéralisation des matières organiques. Appliquer les systèmes multi-agents à des microbes dans le sol ne fut pas sans difficultés et reste un défi à relever. En 2006, après avoir passé près de 15 ans en Afrique de l’Ouest, je m’ouvre à de nouveaux horizons, Madagascar et ses Hautes Terres, qui furent mes premières images des sols tropicaux avec l’enseignement et l’expérience du Professeur Bourgeat qui m’avait encadré à l’ENSAT. Toujours autour des matières organiques, mes travaux s’intéressent plus particulièrement à l’agriculture péri-urbaine qui est un moteur du développement agricole dans les 3 pays en voie de développement, et à la valorisation agricole des déchets urbains ou industriels. Ce thème que j’ai commencé à aborder au Burkina Faso m’a ouvert à de nouvelles collaborations fructueuses. A Antananarivo, je tiens à associer à ce travail Alain Albrecht, que je remercie pour la relecture et ses conseils prodigués pour ce mémoire, ainsi qu’à Lydie Lardy, et la Professeur Lilia Rabeharisoa qui nous accueille chaleureusement au laboratoire des RadioIsotopes de l’Université d’Antananarivo. Dans mes remerciements, je n’oublie pas tous mes collègues de l’unité de recherche « Séquestration du Carbone et Biofonctionnement des sols » installés dans les différentes implantations de l’UR SeqBio. Je terminerai comme je l’avais fait dans l’avant-propos de ma thèse de docteur-ingénieur par une pensée à mes parents, incontestablement mes premiers professeurs d’agriculture. Je dédie également ce travail à ma « grande » famille, comme on le dit si bien en Afrique, et, en premier lieu à mon épouse, Claudine, et mes trois filles, Floriane, Elsa et Gaïa, aux quelles j’impose des absences et de nombreux voyages. Ce travail leur est entièrement dédié. 4 Résumé Les systèmes de production agricole des régions sub-sahariennes subissent depuis quelques décennies de nombreuses transformations sous la contrainte de changements socio- économiques (croissance de la population, globalisation des échanges, exode rural, etc…) ou environnementaux (sécheresse persistante, modifications des climats). Ces changements ont un impact sur les propriétés des sols, plus particulièrement sur le fonctionnement biologique et la dynamique des matières organiques. Il est nécessaire de prendre en compte la gestion des ressources organiques de l’échelle de l’agrégat de sol à celle de l’agrosystème pour définir les voies d’amélioration de la production agricole. Dans le futur, il est proposé d’étudier les relations entre l’organisation spatiale des déterminants de la minéralisation des matières organiques dans les sols tropicaux et la production primaire. Dans ces sols où les ressources organique et minérale sont naturellement faibles, il est ainsi proposé de tester l'hypothèse selon laquelle les pratiques agricoles doivent maintenir ou générer une organisation spatiale appropriée des propriétés édaphiques pour améliorer les services écosystèmiques rendus par les sols cultivés. Abstract During the last decades, social, economical or environmental changes have modified land use systems. Consequently, soil processes such as the dynamic of soil organic matter have been altered. Therefore the sustainability of West African farming systems relies very much on the management of organic resources. Moreover, it is so crucial importance to investigate the dynamics of these organic resources at different scales from the aggregates to the farming systems. After having explored this scientific field, the development of my research will focus on the importance of the primary production on the spatial organisation of the main determinants responsible for SOM dynamic (e.g. soil biota, organic substrates). The hypothesis that it low input farming systems relies on the spatial organisation of soil properties have to be tested. 5 6 Sommaire AVANT PROPOS ............................................................................................................................................... 3 RESUME ............................................................................................................................................................ 5 ABSTRACT ......................................................................................................................................................... 5 SOMMAIRE ....................................................................................................................................................... 7 1 INTRODUCTION ..................................................................................................................................... 9 2 LES SYSTEMES DE PRODUCTION A ROTATION CULTURE-JACHERE. MATIERE ORGANIQUE ET BIOFONCTIONNEMENT DES SOLS ........................................................................ 15 2.1 MATIERE ORGANIQUE ET BIOFONCTIONNEMENT DES SOLS AU COURS DU TEMPS DE JACHERE. ................ 15 2.1.1 La matière organique des sols dans les systèmes de production à rotation culture-jachère. .......................................... 15 2.1.2 Les flux de carbone dans les terroirs agricoles ......................................................................................................... 17 2.1.3 Le fonctionnement biologique dans les sols des systèmes à rotation culture-jachère. ................................................... 21 2.2 AMELIORATION DES JACHERES DE COURTE DUREE ........................................................................................... 27 2.3 LA GESTION DE LA FERTILITE DES SOLS DANS LES SAVANES D’AFRIQUE DE L’OUEST : EVOLUTION ET ALTERNATIVE A LA ROTATION CULTURE-JACHERE........................................................................................................... 30 2.3.1 Synthèses des résultats ........................................................................................................................................... 30 2.3.2 Les améliorations ou les alternatives possibles ........................................................................................................ 31 3 INTRANTS ORGANIQUES DANS LES AGROSYSTEMES ............................................................... 35 3.1 DES PRATIQUES DE RECYCLAGE DE RESIDUS ORGANIQUES DANS DES AGRO-SYSTEMES SAHELIENS ......... 35 3.1.1 Des pratiques de conservation des eaux et des sols associés à l’apport de fertilisants organiques ................................. 35 3.1.2 Evolution du carbone organique des sols après un parcage d’animaux domestiques .................................................. 37 3.1.3 Qualité des sols sous apports de déchets urbains solides en zone péri-urbaine ............................................................ 39 3.2 LA DECOMPOSITION DES MATIERES ORGANIQUES DANS LES SOLS .................................................................. 41 3.2.1 Qualité des matières organiques et leur minéralisation dans les sols ......................................................................... 42 3.2.2 Spatialisation des processus microbiens de la décomposition des MO : simulation informatique des processus microbiens de la minéralisation des matières organiques des sols ................................................................................................................. 47 4 PERSPECTIVES DE RECHERCHE. .................................................................................................... 55 4.1 CONTEXTE ET OBJECTIF DES TRAVAUX DE RECHERCHE POURSUIVIS .............................................................. 55 4.2 LA VARIABILITE SPATIALE DES DETERMINANTS DU BIOFONCTIONNEMENT DES SOLS TROPICAUX : QUELQUES ELEMENTS BIBLIOGRAPHIQUES. ...................................................................................................................... 57 4.3 LE PROJET DE RECHERCHE : HYPOTHESE DE TRAVAIL ....................................................................................... 59 4.4 LES TRAVAUX DE RECHERCHE PROPOSES ............................................................................................................. 61 4.4.1 Les pratiques agricoles d’apports organiques dans les systèmes de production agricole ................................................ 61 4.4.2 Organisation spatiale des ressources organiques et productivité: simulation informatique individus centrée. ................. 63 5 CURRICULUM VITAE ........................................................................................................................... 67 6 PUBLICATIONS, TRAVAUX ENCADRES ET CO-ENCADRES, ANIMATION DE PROJETS. ... 69 6.1 PUBLICATIONS .......................................................................................................................................................... 69 6.1.1 Publications dans des revues scientifiques à comité de lecture ................................................................................... 69 6.1.2 Livres ou chapitres de livre .................................................................................................................................... 71 6.1.3 Publications dans des actes de séminaire à comité de lecture ..................................................................................... 71 6.1.4 Mémoires, Thèse, Rapports ................................................................................................................................... 72 6.1.5 Divers communications, posters, conférence, cours. .................................................................................................. 72 6.2 TRAVAUX ENCADRES ET CO-ENCADRES ............................................................................................................... 74 6.2.1 Thèses .................................................................................................................................................................. 74 6.2.2 DEA, DESS, Ingénieur, Licence ........................................................................................................................ 75 6.3 ANIMATION ET GESTION DE PROJET ..................................................................................................................... 76 7 REFERENCES CITEES ......................................................................................................................... 77 7 8 1 Introduction L’agriculture des pays en voie de développement est primordiale à bien des égards. Elle est la principale activité des habitants de ces pays. L’Afrique Sub-saharienne regroupait en 2000, 626 millions d'habitants dont 61 pour cent (soit 384 millions) travaillent dans l'agriculture (statistiques de la FAO ; http://faostat.fao.org/). Cette agriculture est en grande partie une agriculture de subsistance. Mais s’y associe une agriculture de production de biens exportables sources de revenus extérieurs pour les états et les populations ; par exemple le coton au Burkina Faso ou au Mali, l’arachide au Sénégal. L’Afrique Sub-Saharienne est confrontée à une croissance démographique importante avec des prévisions de doublement de la population d’ici 2050. Cette croissance sera essentiellement urbaine et s’accompagnera de besoins en nourriture croissants. Enfin, dans ces pays en voie de développement, les activités agricoles demeurent le principal moyen à court et moyen terme de diminution de la pauvreté que ce soit en milieu rural ou en milieu urbain (Dixon et al., 2001). L’agriculture est l'ensemble des travaux transformant le milieu naturel pour la production de végétaux et d'animaux utiles à l'Homme. L’objectif est pour le paysan d’optimiser l’exploitation du milieu naturel. La notion de durabilité, qui s’est imposée plus récemment dans les recherches agronomiques, introduit la notion de préservation des capacités de production du milieu naturel. L’agronomie doit donc s’intéresser à toutes les échelles du milieu naturel : de l’agrégat de sol et des microorganismes associés et leur génome, à la dimension du paysage dans lequel s’insère les agrosystèmes en passant par la parcelle agricole et les plantes cultivées. Naturellement, l’homme, et au-delà les communautés humaines jouent un rôle primordial dans le développement des relations entre ces différents niveaux d’observations. Plus récemment, est apparue une fonction supplémentaire attribuée à l’agriculture. Les systèmes agricoles, intervenant sur le milieu naturel, se doivent de le préserver voire de d’améliorer sa qualité. La préservation de la biodiversité et la mitigation des gaz à effet de serre sont maintenant des dimensions prises en compte dans les politiques de développement économique et agricole. Ceci devient d’ailleurs la préoccupation majeure des acteurs de la recherche-développement dans les pays du Nord. L’agriculture sub-saharienne est en pleine évolution. Les systèmes de production dits traditionnels sont modifiés sous la contrainte de changements socio-économiques (croissance de la population, globalisation des échanges, exode rural, etc…) ou environnementaux (sécheresse persistante, modifications des climats). Suivre ces évolutions permet non seulement d’acquérir des connaissances sur les processus biologiques et physico-chimiques qui déterminent le fonctionnement dans toutes leurs dimensions des systèmes agro-écologiques, mais également de répondre à la demande d’innovations pour assurer durablement les fonctions de production et de régulation de l’environnement dévolues à l’agriculture. 9