CHAP I. DIAGNOSTIC DE LA FERTILITE ET FERTILISATION DES SOLS DANS LES SYSTEMES DE CULTURE A BASE DE MAÏS

Pour sa croissance et développement le maïs a besoin en plus de l’eau, des éléments nutritifs qu’il trouve sous forme minérale et organique que doivent fournir le sol, l’air et l’énergie solaire. Mais tous les sols n’ont pas le même pouvoir de pourvoir à la culture tous les éléments nécessaire à leur croissance.
I.1. Description de la plante
Le maïs (Zea mays L.) appartient à la famille des Poaceae tout comme le mil, le sorgho et la canne à sucre. Il constitue la seule espèce cultivée du genre Zea (FAO, 1993). On connaît cependant plusieurs variétés de maïs qui se distinguent les unes des autres par certaines caractéristiques notamment la précocité, la couleur du grain, la texture du grain, etc. (FAO, 1993).
Le maïs serait originaire de l'Amérique Centrale notamment du Mexique d'où il s'est propagé vers le Nord jusqu'au Canada et vers le Sud jusqu'en Argentine. Dans les langues indiennes d'Amérique, maïs signifie littéralement « ce qui maintient en vie » ; en effet le maïs occupe une bonne part des rations alimentaires de nos populations. Après le blé et le riz, c'est la céréale la plus répandue dans le monde (FAO, 1993).
I.2. Importance de la plante
Le maïs est la première céréale produite au monde grâce à son adaptabilité dans divers milliers, sa reponse aux intrants et son importance dans l’alimentation humaine et animale (Bassaler, 2000). Dans plusieurs pays, il constitue l’aliment de base de nombreuses populations. Jadis troisième culture vivrière après le manioc et le plantain, le maïs occupe actuellement la deuxième place parmi les cultures vivrières après le manioc en République Démocratique du Congo (RDC) (SENASEM, 2012). Il occupe 67% de la surface des céréales et 18% des superficies consacrées aux cultures vivrières. Dans le milieu traditionnel du Sud-Kivu, le maïs occupe plus de 85% des terres cultivables. Néanmoins, la production locale reste faible et insuffisante pour répondre à la demande alimentaire de la population en croissance. D’où le pays en général doit recourir aux importations. Malheureusement, avec un rendement moyen de 1,13 t/ha dans la province du Sud Kivu, le maïs produit localement est loin de satisfaire la demande locale, ni nationale (IPAPEL, 2011).
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I.3. Besoins en nutriments du maïs
Il y a beaucoup de différents nutriments dans le sol, et ayant tous leur propre fonction spécifique pour la plante. Dans cette section, nous allons discuter sur les principaux nutriments et leurs fonctions. En dehors de carbone, d'hydrogène et d'oxygène, les plantes ont besoin de nutriments qui peuvent être subdivisés en deux groupes (Janssen, 2000):
 Macro-nutriments: azote (N), le phosphore (P), le potassium (K), le soufre (S), de calcium (Ca) et magnésium (Mg);
 Micro-nutriments (oligo-éléments): le fer (Fe), le manganèse (Mn), le zinc (Zn), le cuivre (Cu), bore (B), le molybdène (Mo) et de chlore (Cl).
Les nutriments nécessaires en quantités plus importantes comprennent l'azote, le phosphore et le potassium, et sont dénommés les éléments nutritifs primaires. Ils sont suivis par les autres macro-nutriments, le soufre, le calcium et le magnésium (éléments nutritifs secondaires). Alors que les micro-nutriments sont nécessaires en petites quantités, leur présence dans le sol est importante. Dans cette étude, nous n’examinerons que les trois éléments nutritifs primaires, qui sont discutés plus en détail ci-dessous.
a) Azote
La principale source d'azote dans les sols non fertilisés est la matière organique du sol, où il est présent sous la forme de N organique. La matière organique est décomposée par des bactéries et des champignons, qui transfèrent l’azote organique en ammoniac et éventuellement en nitrate qui peut être absorbée par les racines des plantes. Dans cette forme, il est très mobile et dans la saison des pluies il est facilement lessivé. Certaines plantes, en particulier les légumineuses, ont une relation symbiotique avec certaines bactéries qui entrent dans leurs racines pour former des nodules et fixer l'azote de l'atmosphère. Cette propriété est souvent utiliser pour améliorer la fertilité des sols.
L'azote sert à la formation de la chlorophylle, à la production photosynthétique des hydrates de carbone et à la synthèse des protéines en se combinant au métabolisme des hydrates de carbone pour donner des acides aminés dont la polymérisation donne des protéines (FAO, 1980) ; moteur de la croissance végétale et aliment de base de la plante, il est déterminant pour l'obtention de bons rendements.
Le maïs préfère la forme nitrique. Cette forme est dissoute dans la solution du sol et est très mobile. Les risques de pertes étant grands, il faut alors l'apporter aux dates les plus rapprochées de la période d'utilisation (montaison et floraison). Durant la période d'initiation
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florale, toute faim d'azote peut se traduire par une réduction sensible du nombre de rangées de grains dans l'épi, conduisant ainsi à un faible rendement
Selon Rouanet (1991), les besoins du maïs en azote sont assez élevés. Les exportations d'azote par les parties aériennes de la plante s'élèvent à 105 kg pour une production de grains de 5 t ha-1 (les 2/3 sont exportés par les graines). Pour Steiner (1996), ces exportations des grains sont plus élevées et tournent autour de 100 kg pour la même quantité de grains produits.
Les symptômes de carence en N sont les suivants : plantes malingres et rabougries ; feuilles réduites et vert-pâle ou jaunâtres : les vieilles feuilles sont les premières à subir ce symptôme. Si la carence se prolonge et s'avère particulièrement grave, elle peut entraîner la mort de ces feuilles. La chlorose se manifeste chez les feuilles les plus âgées et elle commence par les pointes et elle est suivie de nécrose ; dessèchement et mort prématurée des feuilles plus basses ; rendements faibles dus à l'appauvrissement des épis en grain. Par contre, une trop forte dose d`azote entraîne des retards de maturation, une végétation trop luxuriante par rapport à la production de graine et le phénomène de verse chez les céréales.
Les concentrations en azote varient entre 4,8 et 11,4 g/Kg dans la paille et 6,7 et 26,7 g/Kg dans les grains (van Duivenbooden, 1992 ; Fofana et al, 2003).
b) Phosphore (P)
Il est présent dans le sol sous trois façons: une forme labile, une forme stable et réserves minérales.
Le phosphore est habituellement présent dans le sol sous forme de phosphate, et seulement partiellement soluble et pas très mobile. Phosphate se lie facilement avec divers composants du sol, résultant en fer et en les phosphates d'aluminium dans les sols acides et les phosphates de calcium dans les sols alcalins. Lorsqu'il est lié à ces moyens, le phosphore devient moins soluble qui signifie qu'il est moins facilement libéré à devenir disponible pour les plantes. Phosphore dans cette forme liée est appelée phosphore dans la forme stable. Cela signifie que dans la plupart des sols seule une petite partie du phosphore qui est dans le substrat sous une forme labile qui peut être facilement absorbé par les plantes.
La dernière source, le phosphore provenant des minéraux du sol, devient disponible via intempéries.
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Le phosphore joue un rôle moteur dans le phénomène de la photosynthèse par le transfert d'énergie à l'intérieur des tissus cellulaires. Il prend également une part importante dans le métabolisme des substances azotées dans la plante. Elément de qualité, il est considéré comme un facteur de croissance qui favorise particulièrement le développement racinaire (élément important de la nutrition des plantes) ainsi qu’à la fixation des fruits et des graines (Sautier et al., 1989). Le phosphore sert également à la composition des chromosomes ARN et ADN.
Les exigences du maïs en phosphore sont moins importantes que celles en azote ; les exportations de P par les parties aériennes de la plante ont été estimées par Rouanet (1991) à 50 kg pour une production de grains de 5 t/ha (les 3/5 dues aux graines ; (Steiner 1996) évalue les exportations des grains seuls à 75 Kg.
Les concentrations en phosphore varient entre 0,2 et 1,4 g/Kg dans la paille et 1,6 et 8,1 g/Kg dans les grains (van Duivenbooden, 1992 ; Fofana et al, 2003).
c) Potassium
Potassium dans le sol est généralement sous une forme qui peut être facilement absorbé par la plante. Une propriété importante de sol qui influence la disponibilité de potassium à la plante est le complexe d'adsorption du sol mesurée par la CEC.
Il est considéré comme un élément d'équilibre, de santé et de qualité. Le potassium intervient dans la synthèse des protéines, des hydrates de carbone et de la chlorophylle, dans le transfert et dans la conservation des hydrates de carbone et comme régulateur dans l'assimilation chlorophyllienne. Le potassium améliore le régime hydrique de la plante et accroît sa tolérance à la sécheresse, au gel et à la salinité. Il lui donne plus de rigidité pour lutter contre la verse et accroît la résistance de la plante aux maladies cryptogamiques (Sautier et al., 1989). C’est un élément qui influe sur l'absorption d'autres éléments et affecte la respiration et la transpiration de la plante.
Les besoins du maïs en potassium sont aussi élevés mais plus modérés que ceux en azote ; les exportations de K par les parties aériennes de la plante ont été évaluées par Rouanet (1991) à 75 Kg pour une production de grains de 5t.ha-1. Par contre Steiner (1996) estime que les quantités de potassium prises par les grains avoisinent les 125 Kg/ ha.
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Les concentrations en potassium varient entre 7,8 et 21,6 g kg-1 dans la paille et 3,1 et 11,3 g/Kg dans les grains (van Duivenbooden, 1996 ; Fofana et al., 2003).
I.4. Fertilisation du maïs et taux de recouvrement des engrais
a). Fertilisation
Le maïs, comme toutes les plantes, exige pour sa croissance, des éléments minéraux qu’il puise dans le sol. Les besoins du maïs pour la production de 50 quintaux de maïs grains à l’hectare sont approximativement les suivants : 105 Kg pour l’azote, 50 Kg pour le P2O5, 75Kg pour le K2O, 10 Kg pour le CaO Kg, 10 Kg pour le MgO, 5 Kg pour le S (Rouanet, 1984). Quant aux besoins en oligo-éléments, ils sont estimés à 75 g/ha pour le B, 90 g/ha pour le Cu, 600 g/ha pour le Zn, et 1800 g/ha pour le Mn. Chacun de ces éléments a son rôle pour la culture et un apport optimum de ceux-ci contribue à atteindre le meilleur rendement (Oost, 2012).
Les besoins de la plante en ces éléments ne sont pas constants tout au long de la culture : faibles au début, ils croissent rapidement pour atteindre le maximum avant la floraison et décroitre ensuite, sauf pour le phosphore dont l’absorption est relativement étalée dans le temps (Rouanet, 1984). D’où la nécessité d’une fertilisation raisonnée consistant à apporter les quantités que le sol est incapable de fournir à la plante et au moment où la culture en a besoin. Ceci étant très important pour les éléments très mobiles tels que l’azote.
Généralement, les besoins en éléments majeurs sont couverts par des apports d’engrais minéraux et ceux en oligo-éléments par les apports organiques qui intervient aussi dans l’amélioration ou le maintien des qualités physiques et biologiques du sol (Rouanet, 1984).
Le maïs répond bien à l'application de matière organique, qui améliore les conditions physiques et biologiques du sol, sa capacité de rétention d'eau et qui couvre les besoins en oligo-éléments. Il est aussi exigeant en éléments minéraux qu’il puise dans le sol. Ainsi, il réagit bien à l’azote, le phosphore et le potassium et le rentabilise surtout quand il s’agit des variétés améliorées (Nyabyenda, 2005).
La fumure minérale permet un début rapide de la croissance végétative et approvisionne la plante en éléments nutritifs pendant la période active de croissance. Dans une période de 30 à 40 jours antérieurs à la pollinisation, la plante de maïs absorbe 75% de tous les éléments essentiels. La quantité d’engrais à appliquer dépend de la teneur en azote (N), en phosphore (P) et en potassium (K) du sol, du taux d’humidité et de la période de maturation des cultivars (Ristanovic, 2001).
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b) Taux de recouvrement apparent des engrais azotés, phosphatés et potassiques
Le taux de recouvrement mesure le rapport entre la quantité d'éléments nutritifs prélevés par la culture et celle apportée par les éléments fertilisants. Il détermine la fraction de la quantité totale des engrais apportés réellement absorbée par les cultures. Les taux de recouvrement des engrais varient en fonction des sols et des modes de gestion de ces sols.
Une revue de littérature sur l'utilisation des engrais a permis d'évaluer le taux de recouvrement de l'azote à 0,35 et celui du phosphore à 0,15 (Breman et Sissoko, 1998 ; cité par Maba, 2007). Par expérience, le taux de recouvrement du potassium est identique à celui de l'azote. Les essais de l'IFDC réalisés dans les régions tropicales, principalement au Kenya, Rwanda et Burundi, eux, situent les taux de recouvrement de N et K à 50% et celui de P à 10% (van Reuler et Prins, 2013).
c) Lois de réponse de rendement agricole et facteurs limitant
Dans cette section, nous allons maintenant examiner combien et dans quelle proportion la plante a besoin de ces nutriments et comment l’alimentation en nutriment influence les rendements.
Deux lois agronomiques importantes nous disent quelques choses sur la nature de ces relations: La loi de Liebig du minimum et la loi de Liebscher de l'optimum. Bien qu'ils soient appelés comme «lois», ils ne peuvent pas être considérés comme des lois physiques strictes; en outre, ils sont plus ou moins contradictoires (Anonyme, 2015b).
La Loi du minimum, ou loi des facteurs limitant, est l'un des principes les plus importants de l'agronomie pratique.
Elle fut énoncée en 1828 par Carl Sprengel puis adaptée et popularisée par Liebig vers 1850. C’est l'un des fondements de l'agriculture intensive depuis la moitié du XIXe siècle. A cette époque, suite à une utilisation intense, de nombreux sols d'Europe centrale étaient carencés en éléments nutritifs. Les recours à la fertilisation minérale permirent d'augmenter sensiblement les rendements. Actuellement des rendements cinq à six fois supérieurs sont courants.
Sous sa forme initiale, dans sa théorie de l'alimentation minérale des plantes, elle énonce que le rendement d'une culture est limité par celui des éléments fertilisants qui le premier vient à
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manquer (soit N, ou P, K, Mg, etc.) et qu'il convient de compenser le manque par un apport, sous forme d'engrais minéral, complétant le ou les éléments en quantité insuffisante.
Cette loi est couramment illustrée par un tonneau ou un baquet en bois où chaque planche correspond à un élément indispensable : azote, acide phosphorique, potasse, oligo-éléments, lumière, chaleur etc. Certaines planches sont plus courtes que les autres, le contenu fuit par la plus courte. A l'identique, la plante ne parvient pas à se développer de manière optimale, tant que certains nutriments sont insuffisants. Par ailleurs, il est inutile d'augmenter l'apport des autres éléments fertilisants, au risque de pollution et de gaspillage.
Figure 1 : Illustration de la loi du minimum
Au fil des années, il s'est avéré que la Loi du minimum ne s'appliquait pas à toutes les situations. Ainsi, elle fut complétée en 1895 par la Loi de l'optimum de Georg Liebscher : Les plantes utilisent l'élément de croissance présent en quantité minimale pour leur développement d'une façon d'autant plus efficace que les autres éléments de croissance sont présents dans des proportions optimales.
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En 1909, Eilhard Alfred Mitscherlich publia sa contribution intitulée La Loi du minimum et la Loi de la diminution des rendements des sols. Selon ces principes, chaque facteur de croissance peut avec son intensité propre (facteur d'efficacité) contribuer à augmenter le rendement. Toutefois, compte tenu du fait qu'on s'approche de la limite du rendement maximal, le gain supplémentaire de rendement est, par comparaison, nettement plus réduit.
I.5. Diagnostic de la fertilité des champs
a) Définition de la fertilité du sol
La fertilité du sol a été définie et redéfinie par de nombreux auteurs.
Néanmoins, elle est habituellement vue en tant qu'équivalent de la capacité du sol à fournir des nutriments aux plantes. En un sens plus étroit, la fertilité du sol traite seulement des aspects nutritifs du sol, et plus souvent seulement des macroéléments, habituellement l'azote et le phosphore et parfois le potassium.
b) Méthodes utilisées dans le diagnostic de la fertilité des sols
Plusieurs méthodes existent pour diagnostiquer la fertilité des sols parmi lesquelles les approches classiques (analyses chimiques des sols, analyses visuelles, les parcelles diagnostiques, cartographie), et les outils d'aide à la décision (modèles). Dans cette section, seule la modélisation a été retenue.
b.1. Méthodes de modélisation
b.1.1. Définition
Un modèle, dans le domaine agricole, est un outil qui intègre les connaissances acquises sur les systèmes agricoles. Il permet de décrire et de comprendre un système donné. C'est selon (Dzotsi, 2002) une représentation statique ou dynamique, subjective, simplifiée et sélective de la réalité faisant intervenir des formules mathématiques pour définir les relations entre certains éléments. Le modèle ne peut donc avoir la prétention de représenter parfaitement la réalité puisqu'il n'est issu que de la connaissance que son concepteur possède de cette réalité et du but que celui-ci poursuit
Ils peuvent permettre aussi de fournir rapidement des solutions de rechange faites sur mesure pour la gestion des cultures et du sol dans un environnement particulier, ils sont très
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appropriés pour être employés dans le développement et la diffusion participatives des options de GIFS (Struif-Bontkes et Wopereis, 2003).
Plusieurs modèles d'utilité agricole sont connus mais il est possible de les regrouper selon plusieurs critères. Le plus simple des critères permet de distinguer deux grandes catégories : les modèles dynamiques et les modèles statiques.
Les modèles dynamiques simulent la dynamique de croissance, de développement, le rendement des cultures voire les différents stress environnementaux ayant agi sur ces cultures. Nous pouvons citer le DSSAT (Decision Support System for Agrotechnology Transfer), APSIM (Agricultural Production Systems Simulator), EPIC-Phase (Erosion/Productivity Impact Calculator), COTONS, etc.
Les modèles statiques définissent l'état d'un système réel à un moment donné, indépendamment des variations qui peuvent intervenir dans ce système en fonction du temps. Ils ne tiennent pas compte de l'influence des facteurs environnementaux (mauvaises herbes, insectes et autres) sur les rendements de la culture. Nous pouvons citer à part le modèle QUEFTS, Nu MaSS (Nutrient Management Support System), NUTMON (Monitoring nutrient flows and economic performance in tropical farming systems), etc.
Dans ce travail seul le modèle QUEFTS sera développé.
b.1.2. L'utilité des modèles agricoles
L'utilité des modèles peut être envisagée sous différents aspects : comme outils de recherche, d'aide à la décision ou d'enseignement.
b.1.2.1 Les modèles comme outils de recherche
Les modèles permettent d'identifier les lacunes dans nos connaissances; les fausses hypothèses et de fournir de nouveaux aperçus. Ils permettent aussi de générer et tester des hypothèses et aider à concevoir les expérimentations, ... (Ezui, 2001). Ainsi, les modèles sont utilisés dans la recherche fondamentale où ils aident à faire des prévisions de récolte, des analyses de risques (effets des dates de semis), à mettre au point des priorités pour la recherche appliquées, à réduire les coûts de la recherche empirique et même à mener des expériences théoriques au cas où les expériences pratiques ne sont pas faisables.
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Les modèles comme SIG (Système d'Information Géographique) peuvent aussi être utilisés comme outils d'exploration pour trouver les sites idéaux pour certains types de recherche après avoir précisé les critères de sélection. Par exemple comme critères, nous pouvons demander au modèle de nous trouver les zones ayant une pluviométrie comprise entre 900 et 1100 mm/an dont les sols sont ferrugineux avec une profondeur supérieure à 40 cm et où la densité de population est inférieure à 10 habitants au km2. Ceci requiert, cependant l'établissement d'une base de données fiable.
Certains modèles peuvent également détecter des anomalies dans les données recueillies, par exemple quand des rendements élevés sont obtenus sans engrais sur des sols pauvres (Struif-Bontkes et Wopereis, 2003).
b.1.2.2 Les modèles comme outils d'aide à la décision
Selon Matthews et al. (2000), beaucoup de modèles utilisés dans la recherche sont promus pour leur aptitude à faciliter les prises de décision : exemples du choix des pratiques de gestion optimale des terres, aider les paysans à déterminer le niveau optimal de semis, les doses d'engrais et les protections sanitaires. Ils peuvent intervenir, d'après Penning de Vries (1990), dans trois types de décisions définies à l'échelle temporelle : les décisions opérationnelles (prises au cours d'une saison de culture), des décisions tactiques (prises une fois par saison) et les décisions stratégiques (prenant effet sur plusieurs saisons).
Les modèles peuvent également aider :
ï‚· A réduire les pertes d'élément nutritifs par une meilleure évaluation des flux de nutriments (cas de NUTMON) ;
ï‚· A une meilleure utilisation des ressources disponibles en identifiant par exemple les sources de matières organiques qui peuvent être facilement compostées ou directement appliquées comme mulch et source d'approvisionnement en nutriments ;
ï‚· A accroître une utilisation plus efficace des fertilisants. Les modèles comme DSSAT peuvent permettre d'identifier les périodes idéales pour les apports de fumure en fonction de la variété cultivée et de la date de semis ;
ï‚· A faire des analyses de risques et de bénéfices qui sont très importants pour l'agriculteur. Le modèle DSSAT permet par exemple de prendre une décision sur les
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variétés qui peuvent être semées par le paysan lorsque celui-ci a pris du retard sur le début de la saison agricole.
ï‚· etc.
Cependant, en raison de leurs limites (voir plus loin), les outils d'aide à la décision doivent être employés avec précaution et il est important de garder en l'esprit que les outils d'aide à la décision ne peuvent suppléer l'activité de prise de décision ; ils constituent juste une aide pour orienter la prise de décision.
b.1.2.3 Les modèles comme outils d'enseignement
L'utilisation des modèles est de grande importance aussi bien pour l'étudiant que pour l'enseignant ; nous ne citerons ici que quelques exemples de l'utilité des modèles. Les modèles de simulations peuvent être utilisés pour étudier le cycle de développement d'une plante (trop long à suivre pour la durée d'un cours) ou pour contrôler l'effet des facteurs environnementaux climats, ravageurs, maladies, etc. (exemple de modèles : COTONS, DSSAT,).
L'utilisation des modèles n'est cependant pas sans risques. Les modèles présentent certaines limites auxquelles les scientifiques doivent remédier (Penning de Vries et Rabbinge 1995) : degré de précision des résultats inconnus, contrôle de qualité insuffisant par manque de critères devant justifier cette qualité et une trop grande simplification des phénomènes réels. A ces limites, nous pouvons également ajouter, la rareté des données d'entrée des modèles, en particulier dans nos pays, la difficulté ou l'absence de collecte de données pour l'évaluation des modèles, le manque d'outils informatiques adéquats, le nombre insuffisant de scientifiques formés en la matière, etc. Aussi un modèle est-il souvent développé par rapport à des conditions environnementales spécifiques d'une zone et sa simplification signifie que ces conditions, qui sont difficilement trouvées dans la réalité, soient remplies avant que ces résultats ne puissent être fiables. Nous pouvons enfin citer comme limites le manque de fiabilité de certaines données (résultats d'essais, analyses chimiques de sol, analyses végétales, etc.) et la pertinence de la structure du modèle (le modèle QUEFTS par exemple ne tient pas compte de la pluviométrie, de la densité de semis, de la variété, de l'influence des mauvaises herbes) (Struif-Bontkes et Wopereis, 2003).
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b.1.3. Modèle QUEFTS
Le modèle a été développé à l’université de Wageningen. C’est un modèle statique simple qui tourne sous MS-DOS. Il permet de calculer le rendement d’une culture sur la base de plusieurs paramètres qui sont en général disponibles. Le modèle a été testé au Surinam pour le maïs et dans deux régions agro-écologiques au Kenya. Cependant, il est possible de l’utiliser pour d’autres cultures dans d’autres régions agro-écologiques en adaptant les paramètres.
En plus, le modèle permet d’exécuter une analyse économique simple sur la rentabilité de l’utilisation de l’engrais. Une des caractéristiques intéressantes de ce modèle est la détermination du rapport optimal entre les fertilisations N, P et K.
C’est un modèle qui permet de déterminer indépendamment du temps, les relations entre certaines caractéristiques du sol, l'application d'engrais et les rendements de cultures.
Pour ainsi prédire le rendement d'une culture, le maïs par exemple, le modèle évalue la capacité d'approvisionnement en N, P, et K du sol et estime l'exportation de ces éléments par la culture. C'est l'un des modèles qui prennent en compte l'effet des deux ou trois éléments N, P, et K simultanément dans la prévision de rendement. Par contre, il ne donne pas d'informations sur les pratiques culturales ou les itinéraires techniques : date de semis, date d'apport d'engrais, nombre d'apports etc. (Ezui, 2001).
Le modèle QUEFTS a été mis au point à la suite d'expérimentation portant sur la culture de maïs, menés de 1971 à 1983 sur divers sites au Kenya (Afrique Orientale) et au Suriname (Cote-Nord de l'Amérique du Sud). La version originale de QUEFTS est donc calibrée pour le maïs ; il est donc possible de l'adapter à des cultures autres que le maïs et à autres types de sols (Janssen et al., 1990) et de le traduire en version Excel 2000 (Struif-Bontkes et al., 2002. La version actuelle (version 1.1) du QUEFTS, permet l'entrée des données éventuellement de nouveaux paramètres.
Par l'aptitude du modèle QUEFTS à réévaluer la fertilité du sol, il est souvent utilisé dans les recommandations des doses d'engrais à appliquer. Ce fut le cas de Vietnam dans les rizières irriguées de la rivière de Delta (Tran Thuc, 2003). Il a été aussi calibré pour les mêmes raisons pour le blé par IARI au New Delhi (Agrawal, 2000).
QUEFTS peut être utilisées pour calculer la combinaison optimale d'engrais à partir :
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- D’une vue physiologique de la récolte: la restauration d'un déséquilibre des éléments nutritifs dans le sol ;
- D’une vue environnementale: réduire les pertes d'éléments nutritifs ;
- D’un point de vue économique: ce que l'application d'engrais donne le rendement net le plus élevé.
b.1.3.1. Potentialités de QUEFTS
QUEFTS est un outil d'évaluation de la fertilité des sols qui, selon Ezui (2001), a plusieurs utilités :
 estimation de l'approvisionnement potentiel du sol en azote, phosphore et potassium (N, P et K) sur la base des données relatives à la composition chimique de ce sol ;
 estimation de l'exportation actuelle de l'azote, du phosphore et du potassium par la culture ;
 estimation du rendement de la culture à l'aide des rapports rendement/exportation
 quantification de la contribution de la fertilisation (engrais) à l'approvisionnement en azote, phosphore et potassium, à leur exportation et à l'accroissement relatif du rendement,
 l'optimisation des doses d'engrais azotés, phosphatés et potassiques à apporter. Ceci peut se faire de deux manières :
Optimisation nutritionnelle : les doses de N, P et K les plus équilibrées sont calculées en tenant compte de l'actuel approvisionnement en N, P et K dans le sol et de l'argent disponible pour les dépenses des engrais à l'hectare. Cette procédure augmente l'efficacité de l'exportation puisque exportation et rendements sont directement liés dans le modèle ;
Optimisation économique : cette procédure vise à déterminer les doses d'engrais azotées, phosphatées et potassiques les plus profitables. Le même budget est dépensé mais de préférence, ce sont les engrais moins chers qui sont les plus utilisés. L'équilibre des nutriments (N, P et K) est modifié par rapport au cas précédent, mais le profit augmente normalement. C'est une optimisation qui correspond seulement à des aspects de coût des engrais et de la valeur du rendement.
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Les rapports rendement/absorption font partie des paramètres du modèle QUEFTS. C'est la valeur de la production pour 1 kg d'élément absorbé. Sa valeur varie selon que la quantité de l'élément absorbé est concentrée (valeur faible), ou diluée dans la culture (valeur élevée).
Le principe de détermination (prédiction) du rendement concerne surtout les cinq grands premiers points.
b.1.3.2. Utilisation de QUEFTS
Pour l’utiliser il faut posséder un ordinateur avec un programme Windows compatible avec la version originale ou modifiée du logiciel (de préférence Windows seven).
La modélisation avec QUEFTS sur un site donnée est fait en passant par quatre étapes afin qu’il puisse prédire des résultats conformes à ceux des expériences réalisées en milieu réel. Ces quatre étapes sont précédés par une étape appelée calibrage, qui est l'ensemble des processus permettant de rendre un modèle capable de mieux imiter la réalité du milieu réel (Sinclair et Seligman, 2000).
Signalons également que le résultat pour chacune des quatre étapes du fonctionnement de QUEFTS constitue une condition nécessaire pour la réalisation de la prochaine étape.
QUEFTS évalue la fertilité d’un sol en utilisant les données relatives à ce sol, mais aussi les données des nutriments N, P et K absorbés par la culture à ce sol.
b.1.3.2.1. Principe de prédiction de rendement d’une culture par QUEFTS à partir de données chimiques relatives au sol et engrais de l’essai.
QUEFTS prédit le rendement d’une culture en passant par quatre étapes, qui sont précédées par le calibrage.
Dans la première étape, le modèle détermine la quantité de chacun des nutriments N,P et K qui est disponible pour la plante sur la base des propriétés chimiques du sol non fertilisé et fertilisé. En second lieu, l’absorption des nutriments par les plantes en fonction de la quantité d'éléments nutritifs disponibles pour la plante est établie. Troisièmement, les fourchettes de rendement sont calculées pour chaque substance nutritive, en fonction de l’absorption de chaque nutriment. Enfin, ces fourchettes de rendement sont réduites à un rendement final estimé. Les équations qui décrivent ces quatre étapes sont présentées dans le tableau 6.
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a). Le calibrage
Dans cette étape, l’ajustement des données du milieu expérimental se fait à deux niveaux dans le modèle, constituant ainsi les données d’entrées dans QUEFTS. Il s’agit de :
 L’ajustement des données de l’analyse des sols fertilisé et non fertilisé du milieu expérimental pour les éléments nutritifs étudiés, notamment le pH, C-org, P-Olsen, K échangeable, et parfois N organique et P total. Cet ajustement consistait à enregistrer les valeurs de ces paramètres dans le modèle. Ces valeurs donnent les fournitures potentielles de N, P et K du sol et engrais.
 L’ajustement de rendement ciblé. Ce rendement doit être inférieur ou égal à 80% du rendement potentiel de la variété en étude. Pour notre variété Ecavel, le rendement ciblé était de 5 t/ha, et était directement enregistré dans QUEFTS après l’encodage des paramètres liés au sol.
b). Détermination de la fourniture potentielle de NPK dans le modèle
La quantité maximale que peut être pris à partir du sol par la plante est déterminée en fonction de la potentialité réelle du sol fertilisé et non fertilisé, qui est calculée sur base de certaines propriétés chimiques du sol, pour les trois macronutriments: azote, phosphore et potassium.
Ceci est désigné sous le nom de fourniture potentielle de ces nutriments, représenté dans le modèle par SN, SP, SK, où S = Alimentation.
Pour les trois macroéléments NPK, l’approvisionnement potentiel se fait dans le modèle de la manière suivant :
 Pour l’azote
Si la valeur de C-organique qui est connue, l’approvisionnement potentiel de l’azote va être déduit de l’équation suivante : ( ) et si la valeur de l’azote totale qui est connue, l’équation à utiliser sera ( ) Où SN désigne la fourniture potentielle de l’azote.
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Dans les deux équations ci-haut, l'acidité du sol (pH) est une propriété du sol qui influence beaucoup l'absorption de tous les nutriments par la plante. En plus, l’azote devient disponible pour la plante par la minéralisation de l'azote organique dans la matière organique. Le taux de cette minéralisation est positivement influencé par le pH. Cela signifie qu’à un pH supérieur plus N organique devient disponible pour la plante (Euroconsult, 1989).
La matière organique est la plus importante source d'azote dans les sols. Dans la matière organique du sol, la quantité de N organique dans le sol est supposée être proportionnelle à la quantité de C organique. Par conséquent, dans les équations ci-dessus, soit C organique ou N organique est utilisé comme variable explicative de l’azote.
 Pour le phosphore
La fourniture de phosphore (SP) dans le modèle peut être calculée au moyen des relations suivantes :
SP = 0.014* (1-0.5 * (pH-6)2 * P total + 0.5* P Olsen, ou soit
SP = 0.35*(1-0.5 * (pH-6)2 * C-org. + 0.5 * P Olsen
Le phosphore est moins facilement disponible pour la plante. Lorsque le sol a un pH faible, les ions de fer et d'aluminium sont plus libres disponible dans le sol. Ces ions se lient facilement avec du phosphore, ce qui rend moins le phosphore disponible pour la plante.
Il existe différentes méthodes qui se distinguent par différents extraction utilisés. Dans QUEFTS deux méthodes d'extraction de P sont utilisées, la méthode de P-Olsen et la méthode de la P-totale. Le P est fourni à la culture par un groupe labile et une piscine stable. Le P disponible à partir de la piscine labile peut être mesurée par P-Olsen. Le phosphore présent dans la piscine stable peut être mesuré par P total (Smaling, 1993).
 Pour le Potassium
L'alimentation potentielle en potassium (SK) est expliquée par la quantité de potassium échangeable, Carbone organique et le pH.
SK ( )
L'effet du carbone organique et du pH sur SK mérite quelques explications.
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Lorsque la teneur en K échangeable du sol est déterminée par analyse chimique du sol, une élimination complète des cations du sol est réalisée (Euroconsult, 1989). Ça signifie que non seulement les cations librement disponibles dans l'humidité du sol sont mesurées, mais également les cations adsorbés par l'argile et l'humus. Tous les cations mesurés ne sont pas à la disposition de la plante, parce que les cations positifs sont attirés par les charges négatives de l'argile et l'humus. Comme expliqué précédemment, la capacité du sol à retenir les ions chargés positivement est appelé CEC du sol. Un CEC effectif plus élevé signifie une plus faible disponibilité de K échangeable à la plante. C organique, en tant que mesure de la teneur en matière organique, est l'un des principaux déterminants de la CEC de sol (Euroconsult, 1989), ce qui justifie sa présence dans les équations. Un pH plus élevé signifie un effectif plus élevé CEC. Pour cette raison, la fourniture de K dépend du pH et négativement C organique.
d) Détermination de l’absorption de chaque nutriment
Quand la provision potentielle d'un élément nutritif est basse comparé aux deux autres éléments nutritifs, la croissance pour l'élément nutritif particulier sera limitée, et sa concentration interne dans la plante sera basse, en atteignant finalement une étape de dilution maximale. A cette étape, l’efficacité d’utilisation des nutriments, c’est-à-dire le rendement économique à produire par unité d’élément nutritif dans la matière sèche sera alors maximal. Les valeurs maximum d’’efficacité d’utilisation des nutriments pour le maïs sont 70, 600 et 120 Kg de grain par kg de N, P et K (Janssen, 1990).
Quand la provision d'un élément nutritif est grande et donc sa croissance n'est pas limitée par la compréhension de cet élément nutritif, la plante va absorber plus jusqu'à un niveau d’accumulation maximale de cet élément, en coïncidant avec les valeurs d’efficacité d’utilisation des nutriments de 30, 200 et 30 kg de grain par kg de N, P et K (Janssen, 1990).
Sur le plan théorique, lorsque nous tirons la relation entre l'offre potentielle et l’absorption réelle, nous supposons une courbe concave. Quand un élément nutritif est plus absolument limitant, une partie décroissante des nutriments est repris par la plante. L’absorption totale augmente jusqu'à ce que le nutriment soit au maximum accumulé. A ce moment l’alimentation supplémentaire ne sera plus être absorbée par la plante.
La spécification du modèle implique que, même lorsque la fourniture d'un élément nutritif est absolument limité, ce qui signifie que l'on dilue au maximum dans la plante, la fixation (et par
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conséquent le rendement) dépend de l'apport des autres nutriments. Offre supplémentaire des autres nutriments n’augmente pas l'absorption de l'élément nutritif limitant, et donc de rendement.
Notons que, si la provision d'un élément nutritif est rehaussée, il peut influencer positivement la compréhension d'autres éléments nutritifs (Janssen, 1990). Dans QUEFTS, ces interactions sont reflétées par la compréhension réelle propre à chaque nutritif (UN, UP, UK) qui est calculée comme une fonction de la provision potentielle de cet élément nutritif tout en tenant compte de la provision potentielle des deux autres éléments nutritifs. Le modèle estime que si l’apport d’un élément est inférieur, son absorption sera linéaire (voir point A de la deuxième étape du tableau 5) ; et si son apport est optimal, la relation entre apport et absorption sera une parabole (voir point B) ; et si son apport est supérieur, son absorption ne doit pas améliorer nécessairement (voir point C).
Les équations mathématiques appliquées pour le calcul des absorptions de chaque nutriment sont présentées dans la section méthode de ce présent travail.
d). Détermination des fourchettes de rendement pour chaque substance nutritive, en fonction de l’absorption de chaque nutriment déterminée à l’étape c.
Pour chaque nutriment, les rendements supérieurs et inférieurs sont calculés sur la base de la véritable absorption de chaque nutriment déterminée à l’étape précédente. Le rendement de borne supérieure correspond au rendement réalisable quand, par exemple N est dilué au maximum dans la plante, et est noté (YND). Le rendement de borne inférieure se réfère au rendement N maximum accumulé (YNA), le rendement qui peut être obtenue lorsque N est accumulé au maximum dans la plante. Le rendement réel sera quelque part entre ces deux rendements.
Les équations mathématiques appliquées pour le calcul des fourchettes de rendement pour chaque nutriment sont présentées dans la section méthode de ce présent travail.
e). Prédiction de rendement final.
Le rendement en grain final est obtenu en faisant la moyenne des six rendements observés à l’étape précédente ci-haut. Le rendement de l’estimation final peut parfois tomber en dessous de la ligne de l'accumulation maximale pour l'un des nutriments. Ceci indique que l'absorption de ce nutriment estimée à l'étape c est trop élevée.
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Figure 2: Structure de base du modèle QUEFTS
b.1.3.2.2. Principe de prédiction de rendement d’une culture par QUEFTS à partir de données des absorptions des nutriments dans les feuilles.
La fertilité initiale du sol peut-être déterminée à partir de l'absorption de N, P et K dans les feuilles du maïs sur les parcelles sans engrais et dans l’essai soustractif. Elle traduit la capacité du sol à fournir le N, le P et le K au maïs pour produire ses feuilles et grains.
A travers les essais soustractifs, sur une parcelle qui par exemple n'a pas été fertilisée en N mais a reçu une dose adéquate de P et K de manière à s'assurer que ces éléments ne limitent pas la croissance (rendement), le rendement obtenu reflète la fertilité initiale du sol en N.
Ensemble de paramètres déterminant la disponibilité des nutriments
Disponibilité des nutriments dans le sol
Taux maximum de récupération d’engrais
Engrais NPK
C-organique
P- assimilable
K- échangeable
pH eau
N-total (facultatif)
P-total (Facultatif)
Disponibilité des nutriments provenant de l’engrais
Fourniture potentielle totale
Absorption par la culture
Rendement de la culture
Rendement potentiel
Ensemble de paramètres déterminant les relations entre les nutriments absorbés et le rendement
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Pour arriver à prédire le rendement à partir des absorptions des nutriments déterminées sur les plantes de l’essai, QUEFTS utilise comme données d’entrées (calibrage) les quantités totales de NPK absorbées par la plante (en Kg/ha). Après cet ajustement, les autres étapes dans la prédiction de rendement par QUEFTS se poursuivent avec la même logique comme vu à partir des données chimiques de sol.
La détermination des éléments limitant pour le sol de Karhale via le modèle QUEFTS, nécessite l’installation d’un essai en milieu réel. Cet essais ainsi que la connaissance du milieu d'essai requièrent une méthodologie de travail et l'utilisation de certains matériels qui seront présentés dans le deuxième chapitre de ce travail.