Facundo Lussich, Jashanjeet Kaur Dhaliwal, Wesley Wright, Dévaloriser Saha

Première publication:19 juin 2024

https://doi.org/10.1002/ael2.20135

Attribué au rédacteur adjoint Merrin Macrae.

Un équilibre air-eau sain dans le sol est essentiel à la croissance des cultures. Les pratiques agricoles de conservation améliorent les propriétés physiques du sol pour influencer la disponibilité de l’oxygène dans le sol. Nous avons évalué l’impact de 42 années de culture de couverture (CC) de vesce velue (HV) et de culture sans labour (NT) sur la dynamique de l’oxygène du sol au cours d’une saison de culture du coton connaissant de multiples épisodes de pluies intensives dans un sol limoneux. Les traitements HV et NT ont montré une disponibilité en oxygène du sol plus élevée pendant la saison de croissance ( p  < 0,05) et ont connu trois à quatre fois moins d’heures de limitation en oxygène (c.-à-d. concentration en oxygène <10 %) par rapport à l’absence de culture de couverture (NC) et au travail du sol conventionnel ( CT). Après de fortes pluies, le traitement NT-HV a présenté la plus grande disponibilité d’oxygène dans le sol, suivi des traitements NT-NC, CT-HV et CT-NC ( p  < 0,05). Alors que les traitements CC et/ou NT ont rapidement retrouvé l’état d’oxygène du sol dans les 24 heures suivant des pluies saturantes, CT-NC a souffert d’une aération du sol sous-optimale jusqu’au troisième jour après l’arrêt des pluies. La combinaison des pratiques CC avec NT a amélioré la disponibilité en oxygène du sol et sa résilience aux précipitations extrêmes.

Idées fondamentales

• Les cultures de couverture à long terme et les pratiques sans labour ont amélioré la disponibilité de l’oxygène dans le sol à la suite d’épisodes de précipitations extrêmes.
• Les cultures de couverture et les pratiques sans labour ont réduit de trois à quatre fois la durée de l’anoxie ressentie par les cultures de coton pendant la saison de croissance.
• La mise en œuvre combinée de cultures de couverture et de culture sans travail du sol a présenté l’impact le plus significatif dans l’atténuation du stress immédiat en oxygène du sol après de fortes pluies.

Résumé graphique

Les pratiques de culture sans travail du sol et de culture de couverture sur 42 ans ont influencé les propriétés physiques et hydrauliques du sol, ce qui a amélioré la disponibilité en oxygène du sol et sa résilience aux précipitations extrêmes.

Abréviations

CCculture de couvertureCTtravail du sol conventionnelHTvesce velueNCpas de culture de couvertureNTsans labour

1. INTRODUCTION

L’adoption de cultures de couverture à long terme et de pratiques sans labour (NT) a démontré une amélioration constante de l’accumulation de carbone organique dans le sol dans divers systèmes agricoles aux États-Unis (Blanco-Canqui et al., 2011 ; Grandy et al., 2006 ). ; Paustian et al., 2000 ; Poeplau & Don, 2015 ), conduisant à une amélioration de la qualité et de la productivité des sols. En plus d’augmenter l’apport de carbone, les cultures de couverture (CC) atténuent le compactage du sol et améliorent les propriétés structurelles et hydrauliques du sol (Blanco-Canqui et al., 2015 ). De même, les pratiques de NT minimisent la perturbation du sol et protègent le carbone organique du sol de la décomposition microbienne, améliorant ainsi la santé physique du sol grâce à une meilleure agrégation et stabilité des agrégats, améliorant ainsi également les propriétés hydrologiques du sol (Six et al., 2000 ).

L’amélioration des propriétés hydrologiques du sol influence positivement le drainage du sol et la rétention d’humidité afin de maintenir un équilibre air-eau sain, favorable à la croissance des racines et à une performance optimale des cultures (Abid et Lal, 2009 ). Les conditions oxiques dans la rhizosphère sont cruciales pour une respiration saine des racines afin de faciliter une absorption efficace de l’eau et des nutriments, essentielle pour obtenir des rendements plus élevés. Une mauvaise santé physique du sol due au compactage et à une mauvaise agrégation a un impact sur les conditions hydrologiques (Nouri et al., 2019 ) qui peuvent restreindre la disponibilité de l’oxygène à la suite d’événements de précipitations et limiter les performances des plantes (Huang et al., 2022 ; Walne & Reddy, 2021 ; Zhang et al., 2021 ). De plus, l’aération du sol et la disponibilité de l’oxygène contrôlent les processus biotiques du sol (par exemple, nitrification et dénitrification) et abiotiques (par exemple, processus redox, Fe et Mn) (Sexstone et al., 1985 ; Turner & Patrick, 1968 ). Ces processus régulent les pertes de nutriments dans les systèmes agricoles, telles que les émissions de gaz à effet de serre et le lessivage des nitrates, influençant ainsi l’impact environnemental global des pratiques de santé des sols.

La variabilité météorologique croissante entraîne de fréquents événements extrêmes (Seneviratne et al., 2021 ), notamment des précipitations intenses qui provoquent un engorgement. Des études ont signalé les effets néfastes de l’appauvrissement en oxygène du sol pendant les périodes d’engorgement courtes et prolongées sur la croissance des plantes (Arduini et al., 2016 ; Malik et al., 2002 ; Zhang et al., 2023 ). Un niveau d’oxygène dans le sol inférieur à 10 % affecte la croissance des cultures (Geigenberger, 2003 ; Najeeb et al., 2015 ), les réductions élémentaires (Turner & Patrick, 1968 ) et la biologie du sol (Pett-Ridge & Firestone, 2005 ). Cependant, les données à haute résolution sur l’oxygène du sol sont souvent indisponibles, ce qui entrave notre compréhension de la manière dont les pratiques en matière de santé des sols contribuent à l’aération des sols. La résilience de l’aération du sol aux changements environnementaux soudains est cruciale pour maintenir la productivité des cultures et la qualité de l’environnement. En tirant parti d’une expérience à long terme sur le coton utilisant NT et CC pendant 42 ans, nous avons surveillé en permanence la dynamique de l’oxygène du sol en surface pendant la saison de croissance. Nous avons émis l’hypothèse que la disponibilité en oxygène du sol et sa résilience après des précipitations extrêmes s’amélioreraient considérablement avec les pratiques CC et NT par rapport au travail du sol conventionnel (CT) et aux pratiques sans culture de couverture.

2. MATÉRIELS ET MÉTHODES

Cette étude a été menée dans le cadre d’une expérience continue à long terme sur le coton établie en 1981 à l’Université du Tennessee à Jackson, Tennessee (35°37′22″ N, 88°50′47″ O), dans un site avec un loam limoneux de Lexington. sol (fin-limoneux, mixte, thermique, Ultic Hapludalfs). La culture du coton est suivie soit d’un CC hivernal, soit d’une jachère. L’expérience est disposée en blocs complets randomisés avec un plan de parcelles divisées avec quatre répétitions et un total de 128 unités expérimentales (12 m × 8 m). Des détails supplémentaires sur la conception expérimentale et la gestion peuvent être trouvés dans Nouri et al. ( 2020 ). Pour tester notre hypothèse, 12 parcelles ont été utilisées dans cette étude, dont deux niveaux de CC (pas de culture de couverture [NC] et vesce velue [HV]) et deux niveaux de labour (NT et CT) randomisés en trois blocs. Cet arrangement a donné lieu à quatre traitements : NT + NC, NT + HV, CT + NC et CT + HV. Tous les traitements ont reçu 67 kg N ha ⁻¹ sous forme d’urée.

Idées fondamentales

• Les cultures de couverture à long terme et les pratiques sans labour ont amélioré la disponibilité de l’oxygène dans le sol à la suite d’épisodes de précipitations extrêmes.
• Les cultures de couverture et les pratiques sans labour ont réduit de trois à quatre fois la durée de l’anoxie ressentie par les cultures de coton pendant la saison de croissance.
• La mise en œuvre combinée de cultures de couverture et de culture sans travail du sol a présenté l’impact le plus significatif dans l’atténuation du stress immédiat en oxygène du sol après de fortes pluies.

Des capteurs d’oxygène dans le sol (série SO-110, Apogee Instruments ; sans condensation) ont été installés à une profondeur de 10 cm entre deux rangées de cultures au centre de chaque parcelle au printemps 2023. Ces capteurs étaient équipés d’un capteur de température à thermistance pour la température. correction et une tête de diffusion pour maintenir une ouverture claire du capteur. Des enregistreurs de données CR1000X (Campbell Scientific, Inc.) ont été utilisés pour lire les mesures d’oxygène et de température toutes les 30 s et enregistrer la moyenne toutes les 30 minutes. Les capteurs ont pu s’équilibrer pendant plusieurs semaines après l’installation avant que la collecte de données ne commence peu après la plantation du coton. Les données sur l’oxygène du sol ont été collectées du 22 mai au 20 octobre. Avant l’installation, les capteurs d’oxygène ont été testés individuellement dans un environnement de chambre à gaz contrôlé et corrigés pour minimiser la variabilité entre les capteurs.

L’impact du CC, des pratiques de travail du sol et leur interaction sur la concentration moyenne en oxygène du sol et les heures cumulées d’oxygène du sol <10 % pendant la saison de culture du coton ont été analysés à l’aide d’un modèle mixte linéaire généralisé avec le package lme4 du logiciel statistique R (version 4.3.0). ). Le modèle d’analyse de variance (ANOVA) incluait les facteurs de travail du sol et de CC comme effets fixes et le bloc comme effet aléatoire. La dynamique moyenne de l’oxygène du sol en réponse à trois événements de précipitations estivales importantes a été analysée à l’aide d’un modèle linéaire, suivi d’une ANOVA unidirectionnelle. Sauf indication contraire, les moyennes ont été comparées à l’aide du test honnête de différence significative de Tukey à p ≤ 0,05. Les données ont été transformées à l’aide de transformations arcsinus ou log, selon le cas, pour répondre aux hypothèses de normalité et d’homoscédasticité.

3. RÉSULTATS ET DISCUSSION

Les cultures de couverture ont influencé de manière significative la dynamique de l’oxygène du sol, avec une période environ 4 fois plus courte pendant laquelle l’oxygène du sol a chuté de <10 % au cours de la saison de croissance et ont constamment maintenu une disponibilité moyenne en oxygène du sol plus élevée que les traitements NC (Tableau  1 ). De même, les traitements NT ont montré une teneur en oxygène du sol plus élevée en juillet ( p ≤ 0,05) et en août ( p ≤ 0,10) par rapport aux traitements CT. De plus, les traitements NT ont subi près de 3 fois moins d’heures de stress en oxygène tout au long de la saison de croissance par rapport au traitement CT ( p ≤ 0,10). Un meilleur équilibre air-eau du sol pour maintenir un environnement de sol oxygéné sous culture de couverture et NT est lié à de meilleures propriétés physiques du sol ayant un impact sur l’infiltration et la transmission de l’eau (Blanco-Canqui et al., 2011 ; Horn & Smucker, 2005 ; Nouri et al., 2019 ). Il a été rapporté qu’une plus grande stabilité des agrégats sous NT et HV (Laudicina et al., 2017 ; Martínez et al., 2008 ) augmentait l’infiltration et la transmission de l’eau (Franzluebbers, 2002 ; Nouri et al., 2019 ) en raison d’une accumulation plus élevée de carbone organique à la surface du sol. sous ces pratiques (Blanco-Canqui et al., 2011 ; Patra et al., 2022 ). Dans une étude précédente sur ce site expérimental, Nouri et al. ( 2019 ) ont signalé une infiltration cumulée et une transmissivité respectivement 96 % et 157 % plus élevées dans les parcelles avec HV que dans les parcelles NC. De même, les traitements NT ont montré respectivement une infiltration et une transmissivité 104 % et 222 % plus élevées que les traitements CT. Il est intéressant de noter que le CC a montré un effet plus prononcé que le NT dans notre étude sur le maintien de la disponibilité de l’oxygène du sol (Tableau  1 ), probablement en raison de la plus grande influence du CC sur l’amélioration du carbone organique du sol à l’échelle du profil par rapport au NT, qui a principalement amélioré le carbone organique du sol dans la fine couche arable (Patra et al., 2022 ). L’apport de résidus de CC est particulièrement important pour la santé des sols dans les cultures à faibles résidus comme le coton dans le sud chaud et humide des États-Unis, favorisant la décomposition du carbone organique du sol (Franzluebbers, 2010 ; Mullen et al., 1998 ). De plus, les racines CC peuvent augmenter les pores biologiques qui jouent un rôle important dans l’amélioration des propriétés hydrauliques du sol, de la diffusivité des gaz et de l’état d’aération en influençant l’architecture des macro et micropores (Dhaliwal et al., 2024 ; Lu et al., 2020 ; Lucas et al. ., 2022 ; Strudley et al., 2008 ).TABLEAU 1. Concentration moyenne en oxygène du sol et heures cumulées sous oxygène du sol <10 % tout au long de la saison de croissance, juillet et août (1-15), en réponse à un labour à long terme et à une culture de couverture.

• Remarque : les valeurs en gras indiquent des effets significatifs du traitement ( p ≤ 0,05).
• Abréviations : ANOVA, analyse de variance ; CC, culture de couverture ; CT, travail du sol conventionnel ; HV, vesce velue ; NC, pas de culture de couverture ; NT, pas de labour.

La dynamique temporelle de l’oxygène du sol a montré différentes tendances selon les traitements CC et de labour suite aux événements de précipitations tout au long de la saison de culture du coton (Figure  1A ), qui a connu une précipitation totale de 1 244 mm en 2023. Le HV sous traitement NT a montré le moindre déclin et la récupération la plus rapide du sol. l’oxygène, qui variait entre 12 % et 19,8 % (moyenne 18,1 %), suite aux précipitations survenues pendant la saison de croissance. En revanche, les niveaux d’oxygène du sol pour le traitement NC sous CT variaient entre 7,5 % et 19,8 % (moyenne 16,4 %), ont fortement diminué et ont mis le plus de temps à se rétablir. La formation d’un plateau de charrue concentré horizontalement sous la couche labourée sous CT à long terme a déjà été signalée sur le site d’étude (Nouri et al., 2019 ), ce qui a peut-être limité la percolation en eau profonde pour réduire la disponibilité de l’oxygène du sol. Des effets intermédiaires ont été observés dans les traitements CC sous traitements CT et NC sous pratiques NT, plus prononcés suite à des événements de précipitations extrêmes, en particulier en juillet (reçu 215 mm, Figure  1B ) et en août (reçu 172 mm ; Figure  1C ).

Pour mieux quantifier les effets du CC et du travail du sol sur la résilience du sol à maintenir la disponibilité de l’oxygène du sol, la figure  2 résume la vitesse moyenne à laquelle la concentration en oxygène du sol a été rétablie après trois épisodes de pluie importants, chacun recevant ≥67 mm de pluie dans les 48 heures. En général, l’oxygène du sol s’est progressivement amélioré avec le temps depuis la fin des pluies, mais à des rythmes différents selon les traitements. Alors que le traitement CT-NC a montré une réponse plus lente pour retrouver l’état d’aération du sol, d’autres traitements avec CC (c’est-à-dire CT-HV) et/ou NT (c’est-à-dire NT-HV et NT-NC) ont présenté une réponse non linéaire dans la reprise de l’oxygénation du sol. environnement. Immédiatement après les pluies, le traitement NT-HV présentait la teneur en oxygène du sol la plus élevée, suivi par NT-NC, CT-HV et la plus faible teneur en oxygène dans le sol. Vingt-quatre heures après la précipitation, la teneur en oxygène du sol n’a montré aucune différence entre les traitements avec CC et/ou NT, à l’exception du CT-NC, qui est resté sous stress en oxygène jusqu’au troisième jour après l’arrêt des précipitations. Une conductivité hydraulique saturée et une transmissivité plus élevées dans le NT que dans le CT, en particulier sous la couverture protectrice des résidus HV (Nouri et al., 2019 ), pourraient avoir créé une meilleure connectivité des pores pour une diffusion rapide de l’oxygène dans le sol peu de temps après l’arrêt des pluies (Gangwar et al., 2006 ).

Ces résultats ont des implications significatives pour la gestion des systèmes de culture face à la variabilité météorologique croissante associée aux précipitations extrêmes liées au changement climatique (Karl et al., 2009 ; Ukkola et al., 2020 ). Les cultures de couverture combinées NT et HV ont amélioré l’aération du sol et réduit le stress en oxygène, ce qui a peut-être contribué à des rendements plus élevés et plus stables sous ces traitements, comme le montre une analyse précédente utilisant la même expérience à long terme (Nouri et al., 2020, 2021 ). De plus, l’amélioration de la disponibilité en oxygène du sol pourrait réduire les pertes de nutriments, notamment les émissions d’oxyde nitreux et de méthane (Owens et al., 2017 ; Preza-Fontes et al., 2023 ; Rohe et al., 2021 ; Silver et al., 1999 ; Song et al. al., 2022 ), améliorant ainsi la durabilité des pratiques de production. Alors que les superficies sous NT augmentent régulièrement aux États-Unis (NASS, 2022 ), l’adoption du CC est beaucoup plus lente. Dans la production de coton, une culture à faibles résidus, l’adoption des NT est derrière le maïs, le soja et le blé (Claassen et al., 2018 ). Notre étude a montré l’impact positif de l’adoption d’au moins une pratique de conservation, NT ou culture de couverture, sur la fonctionnalité du sol en facilitant les conditions favorisant la croissance des plantes (c’est-à-dire, réduction du stress en oxygène des racines) protégées contre les conditions météorologiques extrêmes.

4. CONCLUSIONS

Bien que d’autres études portant sur divers types de sols, le climat et la gestion des systèmes de culture soient nécessaires pour établir un lien solide entre la santé du sol et son rôle dans la promotion de la croissance des cultures, notre étude démontre un contexte santé-fonctionnalité du sol en termes de maintien d’un environnement sain et résilient. niveau d’oxygène du sol, essentiel à la croissance sans entrave des racines. L’adoption combinée à long terme des cultures de couverture NT et HV a considérablement amélioré la disponibilité en oxygène du sol et sa résilience afin de minimiser la durée du stress en oxygène du sol après des précipitations saturantes par rapport à la gestion CT et NC. De plus, l’adoption d’au moins une de ces pratiques en matière de santé des sols (NT et cultures de couverture) pourrait conduire à une récupération plus rapide des niveaux d’oxygène du sol après des précipitations extrêmes que de n’en adopter aucune, comme dans le cas de la gestion CT-NC.

CONTRIBUTIONS D’AUTEUR

Facundo Lussich : Conceptualisation; conservation des données ; analyse formelle; enquête; méthodologie; logiciel; validation; visualisation; rédaction – ébauche originale. Jashanjeet Kaur Dhaliwal : Méthodologie ; rédaction – révision et édition. Wesley Wright : Conservation des données ; méthodologie; surveillance; rédaction – révision et édition. Dégrader Saha : Conceptualisation ; méthodologie; gestion de projet ; ressources; surveillance; rédaction – révision et édition.

REMERCIEMENTS

Nous remercions le soutien sur le terrain de David R. Smith et le financement de l’USDA NIFA (Prix n° 2021-67019-34247).

DÉCLARATION DE CONFLIT D’INTÉRÊTS

Les auteurs ne déclarent aucun conflit d’intérêts.

https://acsess.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ael2.20135