Table de matières
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Le zaï est une technique traditionnelle, dont la forme particulière de culture permet de concentrer l'eau en poquet et la fumure dans des micro-bassins où les graines seront semées (CIRAD, 2O11). Pendant la saison sèche les trous (30-40cm de diamètre, 10-15cm de profondeur) sont creusés en quinconce tous les 80cm, la terre retirée est déposée en croissant en aval des trous, la rugosité de la surface est ainsi améliorée : le ruissellement, la vitesse du vent et donc l'érosion sont donc limités (Roose et al., 1995 ; FAO, 2001).
Préparer la terre si tôt permet le piégeage de sables, limons et matières organiques transportés par le vent dans les poquets. La surface de sol qui n'est pas travaillée autour des trous sert d'impluvium, et permet donc d'augmenter la quantité d'eau retenue dans les poquets (Baboule et al., 1992).
Les avantages du zaï concernent principalement la capture des eaux de ruissellement, la préservation des semences et de la fumure organique, la concentration de la fertilité et des eaux disponibles au début de la saison des pluies (plantation précoce) et en fin de saison un bon remplissage des grains (Roose et al., 1993). Le zaï entraine l’augmentation des activités biologiques du sol: croissance rapide des plantules qui profitent de la minéralisation du fumier apporté en fin de saison sèche (Roose, 1990). Cette technique permet d’augmenter les surfaces cultivées et les rendements des céréales, sauf lors des années exceptionnellement sèches, ou les années où les pluies sont bien réparties. Elle permet aux cultures et principalement les céréales de bien s’adapter pendant les périodes de leurs cycles où elles sont sensibles au stress hydrique (tallage, épiaison, floraison, remplissage des grains). Elle peut donc réduire l'impact négatif des aléas climatiques sur la culture et sécuriser la production (Roose, 1995).
Cependant, la pratique du Zaï connaît aussi des limites. Elle peut réduire l'impact d'une sécheresse de 2 à 3 semaines si le sol peut stocker suffisamment d'eau (ce qui n'est pas le cas des sols trop superficiels ou trop caillouteux), mais le Zaï ne peut fonctionner de façon satisfaisante s'il ne pleut pas assez (minimum 400 mm avec une capacité de stockage du sol de 50 mm). De même, s'il pleut trop, la culture va souffrir d'engorgement au fond des cuvettes et les nutriments vont être lixiviés (observé au Cameroun) (Roose et al., 1993). La zone optimale d'application du Zaï semble être limitée à la zone soudano-sahélienne (entre 400 et 800 mm) mais cela devrait encore être précisé en fonction des plantes et des sols. Même dans la zone soudano-sahélienne, l'extension du Zaï est limitée par la disponibilité en main d'œuvre et en fumier. Le Zaï exige 300 heures de travail très dur à la pioche traditionnelle (manche court et angle trop fermé entre le fer et le manche), soit environ 3 mois pour aménager un hectare (à raison de 4 heures pendant 25 jours par mois) (Roose, 1990 ; Anschütz et al., 2004). Effectuée manuellement, cette technique est donc à recommander sur de petites surfaces telles que la culture paysanne dans la plaine de la Ruzizi où les paysans exploitent en moyenne 0,8ha par ménage agricole.
Les billons sont de petites diguettes en terre construites le long des courbes de niveau de la pente. L’eau qui s’accumule au-dessus des billons peut ainsi s’infiltrer dans le sol. Au lieu de billons, on peut construire de petits ados en terre.
Cette méthode de rétention de l’humidité du sol est utilisée sur des pentes dont l’inclinaison va jusqu’à 7%. La structure des sols doit être relativement stable, sinon les billons risquent d’être sapés et détruits par le ruissellement. Le billonnage nécessite plus de travail et d’investissement financier que la culture en bandes (Anschütz et al., 2004)
Ce sont de petits ados de terre derrière lesquels est creusé un sillon qui collecte le ruissellement provenant d’une bande non cultivée située entre les billons avec une construction de cloisonnements dans le sillon à intervalles réguliers pour empêcher le ruissellement le long des sillons (Van den Ban, 1994).
C’est l’une des anciennes techniques de gestion d’eau et de sol en milieu paysan africain soumis aux différents aléas climatiques et aux sécheresses prononcées, elle augmente la surface d’infiltration du sol, diminue le ruissellement quasi totalement pour les sols et elle permet une augmentation notable de la disponibilité en eau de 45% au maximum (Olufunke et al., 2004 ; Dijksterhuis, 1996).
Le billonnage présente des avantages pour la gestion de l'infiltration mais aussi pour l'établissement de la culture à cause du faible compactage du sol dans le billon (Makindu, 2011). Les études effectuées au Burkina Faso par Rodriguez (1986) et par Bagula et al. (2013) ont montré que le billonnage cloisonné permet d’améliorer de façon significative l’infiltration et finalement le rendement des cultures (de 500 à 1000 kg/ha/an pour la céréale).
D’autres essais effectués au simulateur de pluie, dans la région du lac Bam par Collinet et al. (1979) ont montré que le billonnage cloisonné sur des pentes de moins de 1% permet d’infiltrer une hauteur de pluie de 60 mm par heure et de stocker dans le sol plus de 100 mm, c'est-à-dire trois fois autant que si le sol n’avait été travaillé.
Dijksterhuis a montré en 1996 que l'utilisation des billons cloisonnés doit être liée à l’utilisation des engrais.
Le principal inconvénient de cette technique est la faible densité du billon qui peut entraîner un séchage plus rapide du sol autour de la semence et donc augmenter les risques d'échecs pour les cultures en conditions sèches (Makindu, 2011). Le billonnage comme le buttage est une pratique dangereuse car si théoriquement, elle augmente la surface d’infiltration du sol (donc en principe diminue le ruissellement), elle augmente aussi la pente moyenne du terrain, diminue la cohésion du sol et concentre les eaux de ruissellements sur une ligne. Finalement, elle augmente l’érosion qui croit de façon exponentielle avec la pente du terrain (Roose, 1973, 1977).
Il serait facile de réduire les pertes en terre et en eau de culture sur le billon en le cloisonnant et en le paillant (Olufunke et al ., 2004).
Consiste à étaler des résidus de récolte sur les parcelles sensibles à l’érosion. La paille en absorbant l’énergie cinétique des gouttes de pluie, contribue à protéger la surface recouverte contre l’agressivité des précipitations en limitant plus spécialement les effets du splash (Boufaroua et al., 1998).
Cette couche défend le sol contre l'érosion due à l'impact des gouttes de pluie et empêche l'encroûtement. Le mulching réduit l'évaporation en entravant la montée de l'humidité du sol. De plus, il garde la température du sol à un rang constant, ce qui favorise une meilleure survie des micro-organismes pendant la période de sécheresse. Finalement, il freine la croissance des mauvaises herbes. Les cultures à racines superficielles tirent particulièrement profit du mulching car leurs racines se trouvent dans la couche partiellement décomposée située entre le sol et la paille (Elis, 1998).
Les cordons pierreux sont formés de deux à trois niveaux de pierres solidaires, de 10 à 50 cm de hauteur, disposés en courbes de niveau tous les 10 à 50 m. Ils peuvent être consolidés par des herbes ou des haies vives. Ils permettent l’étalement des eaux de ruissellement et la sédimentation (5 à 15 cm de sable, limon et matière organique) (Diallo et al., 2008).
Le cordon pierreux a un effet positif sur les débits de pointe, l’étalement des écoulements et les risques d’érosion (Roose, 1994). Son influence sur le ruissellement global reste mitigée. Cependant, contrairement aux zones de forte pluviosité, il n’est pas exclu que cette influence soit significative dans les situations les plus arides de la zone soudano-sahélienne par exemple (faible total annuel de pluie, nombre de pluies limité, humidité du sol fréquemment bas) : le dispositif semble diviser le ruissellement moyen par 4 et l’érosion par 25 au Niger (Delwaulle, cité par Heusch, 1991).
À Kaniko (Sud du Mali), le cordon pierreux et la demi-lune ont permis la recolonisation totale du sol nu par une végétation herbacée, au bout de deux ans (Van der Pool et al, 1991).
Le sol est un lieu de transit dans le cycle de l’eau. Ce passage est plus ou moins bref suivant les propriétés naturelles du sol (structure et texture). L’eau qui circule entre les particules est chargée en ions, c’est le vecteur aussi bien des éléments nutritifs que des polluants (Perrey et al., 1995). Selon Hillel (1974), l’eau provenant des précipitations est incorporée au sol dans les interstices entre les particules, elle est ainsi présente sous différentes formes : l’eau de gravité, l’eau capillaire et l’eau hygroscopique.
L’humidité d’un sol c’est le rapport entre le poids d’eau que contient un sol au poids sec et s’exprime en %. L’humidité dans le sol reflète la quantité d'eau présente dans les deux premiers mètres du sol. Elle détermine de façon essentielle la variation des caractéristiques de différents matériaux du sol (Poirée et al., 1973).
Le taux d’humidité d’un sol en particulier permet de déterminer les caractéristiques de diffusion ou de stockage de l’eau dans ce sol. Ces caractéristiques concernent aussi bien les intrants solides que liquides qui vont pénétrer dans le sol.
L'humidité du sol est une mesure importante pour la détermination du potentiel de production d'une culture dans les milieux souvent menacés de la sécheresse, elle permet d'améliorer la production agricole et de faire des prévisions quant au volume et à la qualité des récoltes (Array, 2008).
La mesure de l’humidité du sol (teneur en eau) se réalise par plusieurs méthodes (par peser, par centrifugation, Les méthodes chimiques, La résistivité électrique, La conductivité thermique, La sonde à neutrons, La mesure gammamétrique ...). La manière la plus utilisé et la moins couteuse est celle par pesé qui se réalise par la différence de poids avant et après le passage dans une étuve à 105 °C, et ce pendant 24 heures (Laroche, 1997).
H= (Poids total - Poids solide) / (Poids solide) *100 avec H : humidité
Près de la surface, la teneur en eau est faible car les espaces vides contiennent de l'eau et de l'air; l'eau est soumise aux forces de gravité et de capillarité et à partir d'une certaine profondeur la teneur en eau n'augmente plus: le sol est saturé, tous les pores sont remplis d'eau.
La texture du sol a une influence directe sur les taux d'humidité à la capacité au champ et au point de flétrissement et par conséquent sur la Réserve Utile du sol (RU) :
- les sols sableux présentent de faibles capacités de rétention en eau, ce qui implique de plus faibles RU.
- les sols à forte proportion de particules fines (limons et argiles) emmagasinent davantage d'eau ; en contrepartie, une grande partie de ces réserves en eau restent indisponibles pour les plantes (Buckman et al ., 1965).
La capacité de rétention (field capacity = capacité au champ) est la quantité maximale d’eau que le sol peut contenir dans les conditions où son drainage se trouve assuré librement. Elle correspond aussi à l’eau non mobilisable par la seule force de gravité (Beauchamp, 2006). Elle correspond à l’eau retenue par le sol après une période de pluie et un ressuyage de deux ou trois jours (Duchaufour, 1995). Dans ce cas, l’air peut circuler, favorisant le développement des végétaux. Cette notion est très importante car elle sert à l’estimation des réserves en eau.
La détermination au laboratoire de la capacité de rétention d’un sol se heurte a certaines difficultés ; la structure du sol est généralement détruite au cours de l’expérimentation ; les normes de succion auxquelles doit être soumis l’échantillon sont connues mais restent empiriques (Faure, 1978). Pour ces raisons, de nombreux chercheurs ont proposé des techniques simples permettant d’effectuer in situ en un même endroit, des mesures fréquentes, très rapides et précises de la capacité au champ, (Fédoroff, 1965 ; Dancette, 1970; Dancette et al.,1974 ; Marcesse et al., 1974 ; Vachaud et al., 1978 ; Puard et al., 1980).
Les forces de capillarité entre les grains et la tension superficielle du film d'eau autour des gains déterminent un potentiel de matrice qui tend à retenir l'eau et qui peut être mesurée à l'aide d'un tensiomètre (Beauchamp, 2006).
Le potentiel matriciel caractérise l'état énergétique de l'eau dans un sol. Il existe une relation forte entre le potentiel de pression et l'humidité (quantité d'eau) : plus un sol sera sec, plus son potentiel sera bas (succion fort). Le potentiel matriciel du sol augmente quand la teneur en eau diminue.
Quand un échantillon est initialement saturé par un fluide mouillant (eau), le processus par lequel le fluide saturant (eau) est déplacé doucement par le fluide entrant (air) est appelé drainage et la courbe h = f(0) qui donne la succion en relation avec la teneur en eau et est appelée la courbe de drainage ou courbe de rétention de l'humidité du sol ou encore courbe caractéristique de l'humidité du sol (Childs, 1940). Les effets de l’absorption de l'eau à la surface des particules solides du milieu poreux ainsi que la géométrie des porcs sont trop complexes pour permettre une modélisation simple de la relation fonctionnelle entre la succion matricielle et l'humidité à partir des caractéristiques fondamentales du sol. Seuls des modèles plus ou moins empiriques existent pour la décrire dans des échelles de succions limitées (Babacar, 2000). Le plus souvent on utilise le modèle à membrane à plaque céramique de 5, 10 et 20 bars (Mambani, 1983a, b, c).
La détermination des caractéristiques d’humidité (courbe pF) est essentielle lors de la recherche de la quantité d’eau disponible dans le sol pour les plantes et arbres, le point de fleurissement, la capacité au champ et le point de saturation du sol (Mambani, 1983a, b, c ; Anonyme, 2001).
Le point de flétrissement est la valeur minimum de l’eau liée, non absorbable par les plantes (Duchaufour, 1995) (eau retenue par la particule de sol, non soumise aux forces de gravité). La pression se rapporte à 16 bars ou à un pF de 4,2. La décroissance du taux d’humidité dans le sol entraîne une rétention de l’eau de plus en plus forte, la force de rétention du sol s’accroît et le végétal dépérit ou meurt dans le cas où la contrainte se prolonge. Ce point varie suivant le type de sol et le type de culture.
Le point de saturation c’set le teneur en eau à la saturation du sol en condition de champ. En réalité, le sol n’atteint jamais une saturation complète car une certaine quantité d’air y reste toujours emprisonnée (Duchaufour, 1995).
Le bilan hydrique correspond à la différence entre les entrées et les pertes d’eau observées dans une tranche de profil pendant un laps de temps déterminé, Il représente, au cours de la période considérée, la réserve d’eau dans la tranche du profil concernée.
Le bilan hydrique est donné par l’équation qui peut être :
On entend par l’infiltration la partie de l’eau des précipitations qui est absorbée par le sol et dirigée vers les couches inférieures. Selon, qu’il est sec ou humide, le sol ne réagit pas de la même façon aux précipitations (Melalih, 2012) ;
L’infiltration est fonction de plusieurs facteurs : l’épaisseur de la couche saturée du sol, l’humidité du sol, l’effet splash des gouttes, le mouvement des particules fines, l’influence des facteurs anthropiques, les états de surface, le gel, la qualité de l’air dans le sol...Elle constitue une grandeur mesurable sur le sol en place par plusieurs méthodes : infiltromètre à double anneau, infiltromètre à tension, méthode de sillon, méthode au simulateur de pluie…
La réserve utile (RU) en eau d'un sol, exprimée en millimètre d'eau, correspond à la quantité d’eau que le sol peut absorber et restituer à la plante (Stroosnijder, 2009). La RU est encore la quantité d’eau comprise entre l’humidité à la capacité au champ et l’humidité au point de flétrissement.
L’humidité à la capacité au champ est le taux d'humidité d’un sol ressuyé dans des conditions où le drainage est assuré librement tandis que l’humidité au point de flétrissement correspond au taux d'humidité d'un sol pour lequel l’eau est retenue avec une intensité supérieure aux forces de succion des racines. La tension superficielle est supérieure à la succion exercée par les racines. Pour la plupart des cultures, le point de flétrissement est atteint lorsque le sol exerce sur l’eau des tensions de l’ordre de 15 à 16 bars (Laroche, 1997).
La réserve utile (R.U.) dépend de la texture, de la structure du sol et de la profondeur d’enracinement du végétal. Elle se différencie de la CSE, en prenant en compte les remontées capillaires. Cette réserve n’est pas fixe, elle évolue au cours du temps en fonction des arrivées (précipitations), des besoins de la plante, et de l’évaporation. Cette dernière varie par les caractères physiques propres au sol (exposition, inclinaison, place sur la pente du versant, couverture,..). Ce volume d’eau est la tranche d’eau se situant entre la capacité au champ et le point de flétrissement, elle représente la moitié de la capacité de stockage en l’eau.
Des formules permettent de calculer la RU :
La réserve facilement utilisable (RFU) en eau d'un sol, exprimée en millimètre d'eau, correspond à la fraction supérieure de la réserve utile (RU) pour laquelle la plante n'est pas amenée à réguler son évapotranspiration par les stomates (Vilain, 1989).
La RFU est difficile à évaluer du fait qu'elle varie entre 30 et 60 % de la RU selon le type de sol rencontré.
La capacité de stockage en eau (SC) d’un sol est le volume maximal d’eau qu’il retient contre les seules forces de gravité, c’est-à-dire après ressuyage spontané (Baize et al., 1995). Elle représente un réservoir et non pas une réserve. Elle est exprimée par une hauteur d’eau. Cette notion exclue d’une part les remontées capillaires qui pourraient se produire à partir de nappes ou des horizons profonds et d’autre part l’action des végétaux (Laroche, 1997).
Elle est calculée à partir de la formule établie par le GEPPA 1981 (Groupe d’Étude des Problèmes de Pédologie Appliquée, 1981) :
W=h*p* θ*100 avec h : profondeur du sol, p : densité apparente, θ : humidité équivalente en % et W : la capacité de stockage
Deux scénarios de fertilisation potassique ont été comparés (0 kg de K2O et 240 kg de K2O), ils ont permis de constater que la capacité de stockage d’eau du sol augmente de 9 % dans le scénario avec fertilisants. Dans le cas d’une profondeur du sol de 30 cm, un stockage supplémentaire d’eau de 90.000 l ha-1 ou de 9 mm de précipitations a été atteint.
Ainsi le potassium favorise la retenue de l’eau dans le sol grâce aux sels de potassium libérés. La formation d’un pont entre les particules du sol diminue les grands pores et permet donc de stocker une quantité plus importante d’eau (Schmalfuß, 1949).
Cette réserve constitue l’ensemble de l’eau présent dans le sol, constituée aussi bien de l’eau libre que de l’eau liée. Ce calcul est limité par convention à une profondeur de sol de 1,50 mètre (Baize et al., 1995).
La rétention dépend essentiellement de plusieurs facteurs, deux sont prépondérants, la porosité et la profondeur du sol (Teissier et al., 1996) :
Un sol sableux a une porosité très forte mais sa capacité de stockage en eau est très faible par l’arrangement inadéquat des grains de sables. Les argiles par leur propriété sont, capables de retenir un volume d’eau plus important, il varie suivant la nature des argiles présentes (Chrétien, 1986).
Les études des bilans hydriques montrent que malgré une grande variabilité des résultats, les consommations en eau sont légèrement plus fortes en présence d'un labour, du fait d'un plus grand développement végétatif (Chopart et al., 1985; Chopart, 1994). Une des conséquences directes de cette plus grande consommation, liée à une meilleure interception racinaire de l'eau, est une réduction des flux de drainage. L'efficience de l'eau consommée est légèrement améliorée, au moins lorsque l'on considère la production de matière sèche totale pendant la première moitié du cycle (Chopart et al., 1979; Chopart, 1994 ; Laroche, 1997). Toutefois, sur le maïs, cette efficience de l'eau consommée diminue en cas de fort stress hydrique, avec également une réduction de l'effet du travail du sol sur cette variable (Chopart, 1994).
La fertilité des sols n’est pas un phénomène statique. Au contraire, elle est en perpétuel changement et sa direction (accumulation ou appauvrissement en éléments nutritifs) est déterminée par l’action conjuguée des processus physiques, chimiques, biologiques et anthropogéniques (Smaling et al., 1996). La gestion de l'approvisionnement en éléments nutritifs est une stratégie visant à améliorer l'efficience d’utilisation de l’eau (For example Og Ogola et al., (2002) reported that the WUE of maize was increased by application of nitrogen and Gao et al 2002).
Le maïs (Zea mays), est une plante herbacée tropicale annuelle de la famille des Poacées (graminées), largement cultivée comme céréale pour ses grains riches en amidon, mais aussi comme plante fourragère (Anonyme, 2006). C’est une culture originaire du Mexique, et est principalement cultivé dans les régions chaudes tempérées et humides sous tropitropiques (Jensen, 1973).
Le maïs (est une plante herbacée annuelle monoïque dicline de taille variable (de 40 cm jusqu’à 6 m, généralement entre un et trois mètres pour les variétés couramment cultivées).
Le système racinaire comprend un très grand nombre de racines adventives qui naissent sur les nœuds situés à la base de la tige. Ces racines forment un système fasciculé qui peut atteindre une profondeur supérieure à un mètre[]. Le système racinaire du maïs est caractérisé par des racines traçantes (dites racines de surface), qui prélèvent l’eau et les nutriments nécessaires à la plante dans les couches les plus superficielles du sol[]. Ce déséquilibre dans l’exploitation des ressources du sol fait que la plante est très exigeant en eau, ce qui peut poser problème en cas de faible disponibilité de celle-ci.
La culture du maïs, qui exige beaucoup d'eau, est hasardeuse dans les régions chaudes sujettes à la sécheresse. Les plants sont ici desséchés, faute d'eau (Anonyme, 2002).
Les feuilles, typiques des graminées, mais de grande taille (jusqu’à 10 cm de large et un mètre de long. La tige unique et de gros diamètre est pleine, lignifiée et formée de plusieurs entrenœuds d’une vingtaine de centimètres séparés par autant de nœuds.
La floraison mâle a lieu en moyenne 70 jours après le semis et précède de 5 à 8 jours la floraison femelle : on dit qu’il y a protandrie (ce qui limite l'autofécondation). Les fleurs femelles sont groupées en épis ; L’axe de l’épi, appelé rafle, porte 10 à 20 rangées de fleurs femelles. Une seule fleur par épillet est fertile. Entre l’apparition des soies et la maturation des grains, s’écoulent en moyenne deux à trois mois en fonction des variétés (Anonyme, 2002).
It is a C Le maïs une plante à C44, plant, which confers potentiallce qui lui confère une utilisation potentiellement plus efficace des émissions de CO22, solar radiation, water and N, Le rayonnement solaire, l'eau et le N in photosynthdans la photosynthèse que les plantes à C33crops.. Water use efficiency (WUE) of maize is approximately double that of L'efficacité d'utilisation de l'eau (EUE) de maïs est d'environ le double de celui desC3crops grown at the same sites. plantes à C3. Its transpiration ratio (molecules of water lost per molecule of CO
Maize has different responses to water deficit according to development stages (Cakir 2004). Le maïs a des réponses différentes au déficit hydrique selon les stades de développement (Cakir, 2004). Droughtstress is particularly damaging to grain yield if it occurs early in the growing season (when plant staLe stress est particulièrement dommageable pour le rendement en grain si elle survient au début de la saison de croissance à la floraison et au cours du mi à la fin de remplissage du grain (Heisey et al., 1999).At the Au sseedling stage, water stress is likely to damage secondary root devessstade de plantule, le stress hydrique est susceptible de nuire au développement des racines secondaires.During stem elongation Au cours de l'allongement des tiges(after floral initiation) leaves and stems grow rapidly, requiring adequate supplies of water to sustain (après l'initiation florale), feuilles et les tiges se développent rapidement, ce qui nécessite un approvisionnement suffisant en eau pour maintenir rapid organ development, water stressed plants being shorter and with reduced individual and cumulrapide le développement des organes, les plantes stressées sont plus courtes et individuellement la surface foliaire est réduite (Muchow, 1989). The most critical period for water stress in maize is ten to fourteen days La période la plus critique de stress hydrique chez le maïs est de dix à quatorze joursbefore and after flowering, with grain yield reduced two to three times more when water deficit coincides avant et après la floraison, le rendement en graines est réduit deux à trois fois quand le déficit en eau coïncidewith flowering compared with other growing stages (Grant et al. 1989). avec la floraison par rapport aux autres stades de croissance (Grant et al., 1989). During this period, ear growth is
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