Fonctionnement de peuplements en semis direct associant du blé tendre d'hiver à différentes plantes de couverture en climat tempéré

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Présentée pour l'obtention du titre de DOCTEUR DE L'INSTITUT NATIONAL AGRONOMIQUE PARIS­GRIGNON par
Matthieu CAROF
Ingénieur de l'Institut National Agronomique Paris­Grignon
Fonctionnement de peuplements en semis direct associant du blé tendre d'hiver (Triticum aestivum L.) à différentes plantes de couverture en climat tempéré
Soutenue publiquement le 17 octobre 2006 devant le jury composé de : Denis ANGERS Alain CAPILLON Harry OZIER-LAFONTAINE Guy RICHARD Jean ROGER-ESTRADE Stéphane de TOURDONNET Chercheur Agriculture Agroalimentaire (Canada) Professeur ENSA Montpellier Directeur de recherche INRA Antilles-Guyane Directeur de recherche INRA Orléans Professeur INA Paris­Grignon Maître de conférences INA Paris­Grignon Rapporteur Rapporteur Examinateur Examinateur Directeur de thèse Encadrant

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Institut National Agronomique Paris Grignon UMR Agronomie INRA/INA P G Ecole doctorale ABIES THESE Présentée pour l’obtention du titre de DOCTEUR DE L INSTITUT NATIO NAL AGRONOMIQUE PARIS GRIGNON par Matthieu CAROF Ingénieur de l’Institut National Agronomique Paris–Grignon Fonctionnement de peuplements en semis direct associant du blØ tendre d hiver ( Triticum aestivum L.) diffØrentes plante s de couverture en climat tempØrØ Soutenue publiquement le 17 octobre 2006 devant le jury composØ de : Denis ANGERS Chercheur Agriculture Agroalimentaire (Canada) Rapporteur Alain CAPILLON Professeur ENSA Montpellier Harry OZIER-LAFONTAINE Directeur de recherche INRA Antilles-Guyane Examinateur Directeur de recherche INRA Orléans ExamGuy RICHARD Jean ROGER-ESTRADE Professeur INA Paris–Grignon Directeur de thèse StØphane de TOURDONNET Maître de conférences INA Paris–Grignon Encadrant 2 « Je ne sais pourquoi je trouve du charme à regarder un champ inculte. Cela représente le possible. » Victor Hugo. Philosophie prose. « …ce que vous dites là est parfaitement vrai, et parfaitement faux, comme tout au monde. » Alfred de Musset. Lorenzaccio. 3 4 AVANT-PROPOS Ce travail est signØ de mon nom mais il est le fruit de diverses collaborations. En premier lieu, j ai beaucoup de plaisir remercier mes encadrants, Jean Roger-Estrade et StØphane de Tourdonnet, qui m ont accompagnØ pendant trois an s avec leur confiance, leur complØmentaritØ, leur disponibilitØ, leur enthousiasme et leurs idØes pour que cette thŁse puisse Œtre menØe bien. Exigeant mais toujours chaleureux, chacun m a en tra nØ plus loin dans la rØflexion et dans la rigueur ; avec humour et patience, ils ont su amoindrir certains de mes nombreux dØfauts et renforcer certaines de mes rares qualitØs. Ce travail est marquØ de leur empreinte : j en retire un profond respect et une grande fiertØ. Thierry DorØ a toute ma considØration et mon admiration. Directeur de l unitØ oø cette thŁse s est dØroulØe, je le remercie d abord pour son accueil ; il m a ensuite toujours soutenu, orientØ et aidØ lorsque j ai fait appel lui. Ses pertinents conseils dans la relecture de ce document m ont assistØ pour construire une argumentation la plus rigoureuse possible. Claire Chenu, Isabelle Cousin, Christian Feller et Vincent Hallaire ont acceptØ d Œtre les membres de mon comitØ de pilotage. Par leurs critiques et nos discussions, ils ont largement participØ aux rØflexions autour de mes travaux ; je leur en suis trŁs reconnaissant. Deux personnes ont eu un r le clØ dans la concrØtisation de ce travail. Yves Coquet m a patiemment expliquØ le principe de l infiltromØtrie, ce qui fut dØterminant. Avec une grande pØdagogie, Louis-Marie Bresson m a transmis ses connaissances sur les me sures de porositØ de blocs de terre imprØgnØe de rØsine. Pour ces mesures, je n oublie pas la forte implication de Vincent Hallaire sous le costume de responsable de l atelier de lames minces de l UMR SAS INRA/AgroCampus Rennes ; je lui adresse encore mes plus sincŁres remerciements. J ai aussi beaucoup apprØciØ les Øchanges scie ntifiques avec Marie-Odile Bancal, Pablo Cruz, Jacques Gasquez, Fran ois Lecompte et HervØ Sinoquet. Les donnØes expØrimentales acquises pour la rØalisation de cette thŁse sont l aboutissement du travail de plusieurs personnes. Avant tout, je souhaite exprimer toute ma gratitude Dominique Le Floch pour son soutien, sa motivation, ses connaissances techniques et son humeur bretonne ; il fut un maillon essentiel au dØroulement de cette thŁse. J exprime toute ma sympathie aux autres membres de l Øquipe technique qui sont intervenus dans ce projet, particuliŁrement Mathieu Bazot et Richard Gosse sans omettre Christine Souin qui m a aidØ et encouragØ pendant toute la durØe de la thŁse. Je remercie aussi Patrick Saulas et Gilles Grandeau qui ont assurØ durant trois ans la difficile conduite technique du dispositif expØrimental de Grignon, support de ce travail. Je n oublie pas l aide technique re ue d uni tØs extØrieures. Cette thŁse doit beaucoup Christophe Labat qui a su m expliquer, avec toute sa gentillesse, le fonctionnement des infiltromŁtres disque ; il n a jamais fait dØfa ut mes nombreuses sollicitations. De son c tØ, 5 Yannick BØnard n a pas comptØ son temps pour part iciper mon travail. Sans son intervention, les mesures de porositØ sur les blocs de terre imprØgnØe de rØsine seraient encore un doux rŒve dans mon cerveau de doctorant. Je remercie Daniel Boitez et HervØ Gaillard pour la rØalisation de certaines mesures sur les Øchantillons de sol. J adresse aussi mes remerciements Florence Lafouge pour les quelques milliers de dosage d az ote total qu elle a effectuØs et Olivier Maury pour son aide dans l utilisation du logiciel ImageJ. Merci aux autres collŁgues et doctorants de l UMR Agronomie INRA/INA P G. Je tiens remercier spØcifiquement Marie-HØlŁne Jeuffroy qui est intervenue quelques reprises pour me conseiller et guider certaines de mes dØcisions. Jean-Fran ois Fourbet et David Makowski m ont ØclairØ de leurs connaissances en statistique ; je les en remercie. Merci Alain B ne, fournisseur officiel de l unitØ en articles scientifiques ! Me rci aussi Joºlle Brun pour toutes les dØmarches administratives. StØphanie Pineau, dont l un des rles dans l unitØ est le suivi des doctorants, a toute mon amitiØ : au-del de son efficacitØ, sa gentillesse et sa bonne humeur ont ØtØ plus d une fois un rempart contre le dØsappointement. Pour les raisons qu elle sait, son courage aujourd hui est pour moi une source d admiration et une le on de vie. Je souhaite remercier mes collŁgues et amis, CØdric Naud et CØline Pelosi, pour leur soutien constant et leur sympathie. Merci CØdric pour ses explications sur les Øcart-types ; merci CØline pour ses cours sur les vers de terre qui intØressent tant de personnes travers le monde ! Je me souviens avec plaisir des foisonnantes discussions ØchangØes avec LorŁne Prost. J ai aussi beaucoup apprØciØ de partager un bureau avec AurØlie Vocanson puis Walid Sadok. Denis Angers et Alain Capillon ont acceptØ d Œtre les rapporteurs de ce document ; Harry Ozier-Lafontaine, Guy Richard, Jean Roger-Estrade et StØphane de Tourdonnet ont bien voulu faire partie du jury. J en suis honorØ et je les remercie de l intØrŒt qu ils ont portØ mon travail et du temps qu ils y ont consacrØ. Merci ma famille de son soutie n et de ses encouragements, surtout pendant les pØriodes les plus difficiles de cette thŁse. Je tiens remercier en particulier mon pŁre, Sylvain Carof, pour sa relecture consciencieuse de ce document malgrØ son emploi du temps trŁs chargØ. Merci aussi mon oncle, Alain Sibiril, pour ses corrections sur le rØsumØ en anglais de ce travail. Je profite de cette thŁse pour remercier ceux qui, dans mon parcours professionnel et acadØmique, m ont conduit jusqu ici : Jean-Marc Guiavarc h, Sylvain Carof et Yannick Lautrou. 6 ô Table des matières TABLE DES MATIERES INTRODUCTION GENERALE....................................................................... 9 CHAPITRE I ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE ET PROBLEMATIQUE............15 1. Effets du semis direct sur les composantes du milieu cultivé ........................................................... 15 1.1. Effets du semis direct sur la composante biologique ...............................................16 1.2. Effets dusur la composante chimique..................................................17 1.3. Effets dusur la composante physique..................................................18 2. Associer une plante de couverture à une culture de vente................................................................. 22 2.1. Interactions entre espèces.......................................................................................23 2.2. Productivité des cultures associées.........................................................................24 3. Combiner le semis direct et l’association de cultures........................................................................25 4. Problématique de la thèse.................................................................................................................. 30 CHAPITRE II EFFETS DE DIFFERENTES PLANTES DE COUVERTURE SUR LE RENDEMENT DU BLE ET SUR SES COMPOSANTES......................35 1. Introduction ....................................................................................................................................... 37 2. Materials and Methods ...................................................................................................................... 39 2.1. Site description......................................................................................................39 2.2. Experimental design ..............................................................................................39 2.3. Management practices............................................................................................39 2.4. Data collection and calculation ..............................................................................41 2.5. Statistical analysis .................................................................................................41 3. Results and Discussion...................................................................................................................... 43 3.1. Wheat grain yield ..................................................................................................43 3.2. Yield components ..................................................................................................45 4. Conclusion......................................................................................................................................... 49 CHAPITRE III COMPETITION OU FACILITATION POUR L AZOTE ET LA LUMIERE ENTRE LE BLE ET LES PLANTES DE COUVERTURE................51 1. Introduction ....................................................................................................................................... 53 2. Materials and Methods ...................................................................................................................... 54 2.1. Site description......................................................................................................54 2.2. Experimental design and management practices......................................................54 2.3. Data collection and calculation ..............................................................................54 3. Results and Discussion...................................................................................................................... 59 3.1. Changes in AWR over time according to treatment ..................................................59 3.2. Canopy structure: height and LAI of intercropped species .......................................59 3.3. PAR interception and partitioning between intercropped species.............................63 7 Table des matières 3.4. Above-ground biomass and NNI: indicators of competition or facilitation for light and N...............................................................................................................................65 4. Conclusion......................................................................................................................................... 69 5. Résultat complémentaire : la teneur en azote total des résidus de culture ........................................ 69 CHAPITRE IV STRUCTURE ET PROPRIETES HYDRIQUES D UN SOL EN SEMIS DIRECT AVEC DIFFERENTES PLANTES DE COUVERTURE...........73 1. Introduction ....................................................................................................................................... 75 2. Materials and Methods ...................................................................................................................... 77 2.1. Site description......................................................................................................77 2.2. Experimental design ..............................................................................................77 2.3. Measurements and calculation of K ........................................................................77 2.4. Calculation of mean effective pore size radius........................................................78 2.5. Image analysis of pore space..................................................................................78 2.6. Statistical analysis .................................................................................................79 3. Results ............................................................................................................................................... 81 3.1. Hydraulic conductivity...........................................................................................81 3.2. Functional porosity................................................................................................83 3.3. Pore space description ...........................................................................................83 4. Discussion ......................................................................................................................................... 86 5. Résultat complémentaire : la rétention de l’eau ................................................................................ 88 DISCUSSION GENERALE ET PERSPECTIVES ............................................91 REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES ........................................................101 ANNEXES..................................................................................................115 8 Introduction générale Introduction gØnØrale Pour nourrir une population mondiale en constante augmentation, il faut accro tre sans cesse la production agricole. Cet objectif peut Œtre atteint par l augmentation des surfaces en production et/ou par l augmentation de la productivitØ des systŁmes de culture. Cette derniŁre solution a ØtØ mise en uvre en Europe de maniŁre spectaculai re, tout spØcialement aprŁs la seconde guerre mondiale. Cependant, cette intensification des systŁmes de culture europØens s est accompagnØe d un certain nombre d effets nØfastes sur l envi ronnement qui ont conduit une forte remise en cause du modŁle agricole occidental (Boiffin et al., 2001). Il faut donc proposer de nouveaux systŁmes de culture pour rØpondre ces attentes, souvent contradictoires, sur la productivitØ agricole, le respect de l environnement et la rentabilitØ Øconomique. Dans ce contexte, un des r les de la recherche agronomique est de four nir des bases scientifiques pour concevoir ces systŁmes de culture. C’est dans ce cadre que se situe ce travail de thèse sur les systèmes de culture en semis direct sous couvert végétal (SCV). Les premiers SCV sont amØricains. Aux Etats-Unis, les annØes 1930 sont marquØes par une crise Øconomique et agricole majeure. Dans les Grandes Plaines, une mauvaise gestion agricole du sol, i.e. un travail du sol profond et rØpØtØ, concomitante des Øpisodes de sØcheresse entra ne des pertes de terres cultivØes par Ørosion Øolienne, le Dust Bowl. DŁs 1935, les pouvoirs publics prennent conscience de certains effets nØfastes du labour et dØclarent que l Ørosion est une menace nationale (Masutti, 2004). Le gouvernement Øtablit alors le Soil Conservation Act, instaure 1le Soil Conservation Service au sein de l United States Department of Agriculture (USDA) et met en place des mesures de conservation du sol (Masutti, 2004). Parmi les solutions proposØes Ømerge une technique culturale qui consiste travailler le sol superficiellement pour y maintenir des rØsidus de rØcolte pendant la pØriode d interculture. Les fondements de l agriculture de conservation sont Øtablis : un travail minimal du sol et sa couverture permanente par un paillis vØgØtal (Derpsch, 2001). Dans les annØes 1960, la diffusion de l herbicide total Paraquat et la construction de semoirs adaptØs accØlŁrent l e ssor de l agriculture de conservation (Capillon & SØguy, 2002). En 2000, plus de 35 % de la sole nationale est cultivØe selon les principes de cette agriculture (Magleby, 2002). L expØrience nord-amØricaine s Øtend hors des fr ontiŁres du pays. La technique ØlaborØe aux Etats-Unis se rØpand au Canada et surtout au BrØsil qui conna t la fin des annØes 1960 d importants problŁmes d Ørosion hydrique (Bernoux et al., 2006). Comme les conditions pØdoclimatiques du BrØsil diffŁrent fortement de celles des Etats-Unis, la recherche agronomique est sollicitØe pour adapter la technique amØricaine au contexte brØsilien et pour Ølaborer de nouvelles modalitØs de culture (Capillon & SØguy, 2002). 1 Depuis 1994, le Soil Conservation Service est devenu le Natural Resources Conservation Service. 9 Introduction générale Travail du sol (avant semis de la culture de vente) Travail ‡ zLabour Semis directsuperficiel Profondeur de travail Retournement du sol Oui Non Non Aucune (pailles exportées, etc.) Les rØsidus de culture assurent la Résidus de culture couverture du sol(pailles, etc.) La culture intermØdiaire est dØtruite Culture intermédiaire avant le semis de la culture de vente Pendant son cycle, la culture de vente Plante de couverture non détruite est associØe la plante de couverture(implique une association de cultures) ‡Les opérations de travail du sol qui retournent le sol empêchent leur couplage avec une couverture du sol par une plante jamais détruite. zLe travail du sol en semis direct se réduit à celui réalisé par les éléments semeurs. Figure Intro–1 : Description des principales pratiques culturales de gestion du sol avant le semis de la culture commerciale et pendant la pØriode d intercul ture : place des SCV parmi ces techniques (d’aprŁs Lahmar et al., 2006). 10 Couverture du sol (pØriode d’interculture) SCV