Étiquette : compaction des sols

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L’augmentation historique du poids des machines agricoles a accru le stress hydrique des sols et a nui à leur fonctionnement.

La charge sur les roues des tracteurs est passée d’environ 1,5 Mg en 1960 à 4 Mg en 2000, soit une augmentation annuelle d’environ 0,06 Mg/an, 

ou une tonne supplémentaire tous les 17 ans ( 

Thomas Keller a b c,Maria Sandin à,Tino Colombi à, 

Rainer Horn d , 

Points forts

  • •L’augmentation du poids des véhicules agricoles a entraîné une augmentation du niveau de compaction des sols .
  • •L’augmentation du niveau de compaction des sols coïncide avec une stagnation des rendements agricoles.
  • •Nous supposons que l’augmentation du niveau de compaction a accru la fréquence des inondations.
  • •Les coûts de compactage ont été estimés à plusieurs centaines de millions d’euros par an pour la Suède.

Le compactage des sols causé par la circulation des véhicules affecte négativement les fonctions essentielles du sol et les services écosystémiques qu’il fournit. Bien que le compactage soit un problème bien connu, il reste difficile de quantifier ses coûts économiques et écologiques. La mécanisation agricole a entraîné une augmentation constante du poids des engins agricoles. Il est raisonnable de supposer que cela a exacerbé le compactage des sols, mais les connaissances quantitatives sur l’évolution des niveaux de compactage dans les sols arables sont limitées. Pour quantifier ces tendances, nous utilisons des données historiques sur le poids des moissonneuses-batteuses et des tracteurs afin de simuler comment cette augmentation de poids a modifié les contraintes et la densité apparente des sols arables, et de prédire les impacts sur la résistance mécanique à la croissance racinaire et sur les propriétés hydrauliques du sol. Nos simulations montrent une nette augmentation des contraintes dans le sol avec l’accroissement de la densité apparente et de la résistance à la pénétration mécanique, ainsi qu’une diminution de la conductivité hydraulique, en accord avec les données disponibles. Nous montrons que l’augmentation de la résistance mécanique a entraîné une diminution du taux d’élongation racinaire et, par conséquent, un allongement du temps nécessaire aux racines pour atteindre une certaine profondeur. L’évolution historique du niveau de compactage et les limitations qui en découlent sur le taux d’élongation racinaire coïncident avec la stagnation des rendements céréaliers observée dans les années 1990 dans de nombreux pays. Nos calculs montrent que l’augmentation historique du niveau de compactage a considérablement réduit la conductivité hydraulique à saturation et la capacité de rétention d’eau des sous-sols. Nous pensons que ce phénomène a contribué à l’accroissement de la fréquence et de la gravité des inondations ces dernières décennies en Europe. Prenons l’exemple de la Suède : nous estimons les coûts annuels dus au compactage, liés aux pertes de productivité agricole et aux dégâts causés par les inondations, à plusieurs centaines de millions d’euros par an 

. Compte tenu de la poursuite de la hausse du poids moyen des machines agricoles et de l’augmentation prévue des phénomènes météorologiques extrêmes, les coûts du compactage des sols sont susceptibles de s’aggraver. Cette étude souligne que nous avons probablement dépassé les limites de charge acceptables et que les futures exploitations agricoles devront tenir compte des limites mécaniques intrinsèques des sols.

1. Introduction​

Le compactage des sols causé par la circulation automobile affecte négativement des fonctions essentielles du sol, notamment l’écoulement de l’eau et l’aération, le cycle des nutriments, la production agricole et forestière , ainsi que les habitats des organismes du sol. Ce compactage peut engendrer une cascade de rétroactions physiques en augmentant le ruissellement et le risque d’ érosion hydrique et éolienne ( Horn et al., 1995 ). Nous nous concentrons ici sur les impacts de la circulation agricole ; toutefois, le compactage des sols est également préoccupant dans le contexte des opérations d’exploitation forestière, des déplacements récréatifs et des opérations militaires sur les terres naturelles, car il peut compromettre les services écosystémiques pendant une période prolongée après les dommages. Bien que le compactage soit un problème bien connu et malgré de nombreuses études sur ses impacts sur les propriétés et les fonctions du sol, il demeure difficile de quantifier ses coûts économiques et écologiques.Il ne fait guère de doute que le compactage des sols cause des dommages économiques et écologiques à la société ( 

Graves et al., 2015 ), pourtant, des estimations fiables et concrètes de son coût restent difficiles à obtenir. Il y a près de 30 ans, une évaluation semi-quantitative mondiale de la dégradation des sols estimait qu’environ 33 millions d’hectares étaient touchés par le compactage en Europe ( Oldeman et al., 1991 ), soit près d’un tiers des terres arables européennes. Depuis, le poids des machines agricoles n’a cessé d’augmenter. Par exemple, la charge par roue des moissonneuses-batteuses a progressé d’environ 65 % entre 1989 et 2009 ( Schjønning et al., 2015 ). De ce fait, les contraintes mécaniques exercées par les machines actuelles peuvent dépasser la résistance de nombreux sols arables ( 

Horn et Fleige, 2003 ; 

Zink et al., 2010 ; 

Schjønning et al., 2015 ). Il est raisonnable de supposer que l’augmentation de la charge des machines agricoles a exacerbé l’étendue et la gravité du compactage des sols, mais les connaissances quantitatives sur l’évolution des niveaux de compactage dans les sols arables sont limitées.Pour quantifier ces tendances, nous utilisons des données sur l’évolution historique du poids des machines agricoles afin de :

  • •illustrer comment cela a modifié les contraintes du sol et la densité apparente des sols arables,
  • •évaluer l’impact sur la résistance mécanique du sol pour la croissance des racines et les propriétés hydrauliques du sol ,
  • •discuter des conséquences pour la productivité des cultures et la fréquence des inondations, et
  • •estimer les coûts de compactage associés aux pertes de productivité des cultures et aux dommages causés par les inondations.

Nous abordons les pertes de productivité des cultures et les dommages causés par les inondations car ils représentent les principaux coûts de la compaction des sols, respectivement sur site et hors site ( 

Graves et al., 2015 ). Cet article se concentre sur le sous-sol car la compaction de ce dernier est reconnue comme persistante ( Håkansson et Reeder, 1994 ; 

Peng et Horn, 2008 ; 

Berisso et al., 2012 ). De plus, le sous-sol est important pour le fonctionnement de l’écosystème du sol , notamment pour la productivité des cultures ( Kautz et al., 2013 ; 

Lynch et Wojciechowski, 2015 ). Les principaux objectifs de cette étude étaient donc : i) d’utiliser les données historiques de poids des machines agricoles pour simuler les niveaux historiques de contrainte et de compaction des sols, ii) de quantifier les effets de la compaction des sols sur l’impédance mécanique pour les racines et la réponse hydrologique du sol, et iii) d’estimer les coûts de la compaction dus aux pertes de productivité agricole et aux dommages causés par les inondations en Suède, à titre d’exemple.

2. Niveaux de compaction du sol : évolution historique

Dans cette section, nous utilisons des données sur l’évolution historique du poids des véhicules agricoles et des pratiques agromécaniques pour estimer l’impact de ces évolutions sur les contraintes du sol, les profils de densité apparente, la résistance mécanique du sol et les taux d’élongation racinaire, et pour formuler des conclusions générales sur les modifications des propriétés hydrauliques du sol . Nous prenons en compte les taux d’élongation racinaire car les pertes de productivité induites par le compactage résultent principalement d’un développement racinaire entravé ( Bengough et al., 2011 ;

 Valentine et al., 2012 ). Les effets du compactage sur les propriétés de transport du sol sont bien documentés (par exemple,

 Horn et al., 1995 ;

 Keller et al., 2017 ) ; nous nous concentrons ici sur la conductivité hydraulique à saturation et la capacité de stockage d’eau car elles sont essentielles à la répartition de l’eau entre infiltration et ruissellement, et donc au déclenchement du ruissellement de surface , des inondations et de l’érosion du sol ( Rogger et al., 2017 ;

 Alaoui et al., 2018 ). Nous réalisons des simulations numériques à des fins d’illustration, afin d’identifier systématiquement les liens entre les niveaux de compactage et les fonctions du sol, et de susciter un débat sur les coûts du compactage. Nous utilisons des mesures de contrainte du sol, de densité apparente et de résistance à la pénétration du sol pour valider nos simulations.

2.1 . Charges par roue des véhicules agricoles

Nous avons utilisé deux ensembles de données pour analyser l’évolution du poids des véhicules : l’un pour les moissonneuses-batteuses et l’autre pour les tracteurs. Pratiquement toutes les terres arables d’Europe comprennent des céréales dans la rotation des cultures et sont donc fréquentées par des moissonneuses-batteuses. Schjønning et al. (2015) ont présenté des données sur les charges par roue pour des moissonneuses-batteuses typiques au Danemark, entre 1958 et 2009. Durant cette période, la charge sur l’essieu avant a augmenté linéairement, passant d’environ 1,5 Mg à près de 9 Mg, ce qui correspond à une augmentation annuelle d’environ 0,14 Mg/an, 

soit une tonne supplémentaire tous les sept ans ( 

Fig. 1a ).

Fig. 1

De plus, nous avons recueilli des données sur le poids des tracteurs. À titre d’exemple, nous avons utilisé des tracteurs fabriqués par John Deere (Deere & Company, Moine, Illinois, États-Unis). John Deere est l’un des plus anciens constructeurs de tracteurs encore en activité aujourd’hui, le premier tracteur produit en série ayant été commercialisé en 1923 (le John Deere modèle D). Les données techniques des tracteurs ont été obtenues à partir de fiches techniques disponibles en ligne ( 

http://deere.com , 

http://tractordata.com , 

http://de.wikibooks.org/wiki/Traktorenlexikon ). Bien que ces données concernent des tracteurs relativement imposants, elles constituent une bonne approximation de l’évolution historique du poids des tracteurs. La charge par roue a été calculée à partir du poids des tracteurs. Par souci de simplification, nous avons supposé une répartition du poids entre les essieux avant et arrière de 40 % et 60 % ( 

Pichlmaier et Honzek, 2011 ). La charge sur les roues des tracteurs est passée d’environ 1,5 Mg en 1960 à 4 Mg en 2000, soit une augmentation annuelle d’environ 0,06 Mg/an, 

ou une tonne supplémentaire tous les 17 ans ( 

Fig. 1b ). Les charges dynamiques sur les roues lors des travaux agricoles (par exemple, le labour) sont supérieures aux charges statiques. La ligne pointillée de la 

Fig. 1b indique la charge sur la roue arrière de la roue de labour lors d’un labour conventionnel. Pour ce faire, nous avons augmenté la charge sur la roue de 25 %, conformément à la méthode 

de Brunotte et al. (2012) . Ce surpoids est dû à la force de traction de la charrue et à la redistribution du poids de l’essieu avant vers l’essieu arrière sous l’effet de cette force. Les 25 % supplémentaires utilisés ici constituent une estimation prudente : les augmentations de la charge sur la roue arrière lors du labour conventionnel données par les directives du Verein Deutscher Ingenieure ( 

VDI, 2007 ) sont considérablement plus élevées (jusqu’à 45 %), ce qui entraînerait des charges sur les roues plus élevées (et par conséquent des contraintes sur le sol plus élevées).Bien que l’augmentation de la charge par roue doive à terme se stabiliser, la tendance actuelle à la hausse se maintient ( 

Fig. 1 ). Les pneumatiques modernes sont plus volumineux que les anciens, mais comme l’ont montré 

Schjønning et al. (2015) , l’évolution des surfaces de contact pneu-sol ne suit pas celle des charges par roue ; autrement dit, l’augmentation de la surface de contact pneu-sol est plus lente que celle de la charge par roue, ce qui entraîne une augmentation nette des contraintes sur le sol. Les pressions de gonflage des pneumatiques ont augmenté avec la charge par roue ( 

Schjønning et al., 2015 ). De plus, la construction du pneumatique (par exemple, pneumatique diagonal ou radial) a un effet limité sur les contraintes sur le sol. Une étude récente ( 

ten Damme et al., 2019 ) n’a montré aucune différence de contrainte sur le sol entre un pneumatique diagonal (« ancien ») et un pneumatique radial testés à dimensions, pression de gonflage et charge par roue constantes. Les véhicules choisis ici (moissonneuse-batteuse, tracteur) sont représentatifs de la plupart des exploitations agricoles de grandes cultures en Europe et en Amérique du Nord, et probablement ailleurs (par exemple en Australie). Nous notons que des véhicules plus lourds sont utilisés par exemple pour la récolte des pommes de terre ou des betteraves sucrières , avec des charges sur roues actuelles >10 Mg ( Schjønning et al., 2015 ).

2.2 . Contraintes mécaniques du sol

Nous avons utilisé les données présentées dans 

la figure 1 pour simuler la distribution des contraintes verticales et de la contrainte normale moyenne dans un profil de sol à l’aide de 

SoilFlex ( 

Keller et al., 2007 ). Nous avons utilisé des dimensions de pneumatiques courantes et des pressions de gonflage typiques, et considéré une augmentation de la largeur et du volume du pneumatique avec l’augmentation de la charge sur la roue (figure S1 des données supplémentaires). Les variations de largeur et de pression de gonflage du pneumatique en fonction de l’augmentation historique de la charge sur la roue utilisée ici sont similaires à celles rapportées par 

Schjønning et al. (2015) . Par commodité, nous avons supposé une aire de contact elliptique et une distribution en loi de puissance pour la contrainte de contact verticale ( 

Johnson et Burt, 1990 ), la contrainte maximale se situant au centre de contact et étant égale à 1,5 fois la pression de gonflage du pneumatique pour tous les pneumatiques ( 

Keller, 2005 ). Toutes les simulations ont été réalisées avec une valeur de trois pour le facteur de concentration ( 

Fröhlich, 1934 ) ( 

Keller et al., 2014 ). Une telle valeur serait généralement associée à un sol résistant ( 

Söhne, 1953 ). Les mesures de contrainte du sol sous différentes charges de roues, correspondant à différentes années de mise en service des engins, concordent bien avec nos simulations (figure S1 des données supplémentaires). Une forte augmentation de la contrainte normale moyenne a été observée au cours du siècle dernier (figure S1 des données supplémentaires). Un facteur de concentration plus élevé, comme celui généralement utilisé pour les sols plus tendres ( 

Hartge et Horn, 2016 ), aurait entraîné une augmentation encore plus marquée des niveaux de contrainte du sous-sol .

Schjönning et al. (2012) , s’appuyant sur les mesures de

 Keller et al. (2012) , ont proposé une contrainte verticale de 50 kPa à 0,5 m de profondeur comme limite approximative au-delà de laquelle une déformation plastique est à prévoir dans le sous-sol lors du labour de terres arables dans des conditions d’humidité proches de la capacité au champ. La limite de contrainte exacte entre déformation élastique et plastique dépend des impacts pédologiques, géologiques et anthropiques subis par les horizons du sol par le passé et qui les affectent actuellement ( Hartge et Horn, 2016 ). Des limites comprises entre 25 et 50 kPa à 0,5 m de profondeur ont également été suggérées par

 Rusanov (1994) . Nos simulations indiquent que la profondeur à laquelle une contrainte verticale de 50 kPa s’étend a augmenté, passant d’environ 0,25 m en 1940 à environ 0,75 m en 2010, comme illustré sur

 la figure 2a . Par conséquent, le compactage causé par les véhicules agricoles actuels devrait pénétrer profondément dans le sous-sol.

Fig. 2

La figure 2b présente les contraintes exercées sur le sous-sol sous la roue arrière d’un tracteur lors du labour conventionnel à la charrue à versoir. Des contraintes élevées sont imposées au sous-sol car les roues de labour circulent dans le sillon et donc directement sur le sous-sol (voir également Keller et al., 2002 ). Il est intéressant de noter que la contrainte dans le sous-sol causée par une charge de roue de 4 Mg (correspondant à une charge typique de roue de tracteur vers 1990 ;

 figure 1b ) en surface (par exemple, en labour sur champs) est similaire à celle causée par une charge de roue de 2 Mg (correspondant à une charge typique de roue de tracteur des années 1960 ;

 figure 1b ) en profondeur dans le sillon lors du labour conventionnel, comme illustré sur

 la figure 2b .

Dans ce qui suit, nos simulations reposent sur l’exemple du labour conventionnel (dans le sillon) car la plupart des terres arables en Europe sont cultivées selon ce système . 74 % des terres arables en Europe (UE-27) sont labourées de manière conventionnelle, tandis que seulement 4 % sont cultivées sans labour et les 22 % restants sont gérés selon une forme de travail réduit du sol (Eurostat ; https://ec.europa.eu/eurostat/web/agriculture ).

2.3 . Évolution de la densité apparente du sol

Nous avons utilisé les profils de contrainte du sol simulés (section précédente) pour calculer les variations de densité apparente du sol dues à l’augmentation historique du poids des véhicules. Des études ont suggéré que la densité apparente des sols arables a augmenté en raison de l’intensification de la mécanisation agricole ( Ehlers et al., 2002 ). Nous avons considéré ici les données de 

Håkansson et Medvedev (1995) , qui ont présenté le profil de densité apparente d’un sol non cultivé en comparaison avec celui d’une parcelle cultivée voisine. Nous avons utilisé la distribution en profondeur de la densité apparente du sol non cultivé comme condition initiale (c’est-à-dire avant la mécanisation de l’agriculture) pour la parcelle cultivée. Nous avons ensuite calculé l’indice de compression, 

λ , et le volume spécifique sur la ligne de compression vierge à une contrainte de 1 kPa, 

N , en fonction de la densité apparente pour la condition initiale, en utilisant les relations données dans 

Keller et Arvidsson (2007) . Par souci de simplification, nous avons négligé le rebond du sol (c’est-à-dire en supposant un indice de recompression nul). Nous avons ensuite utilisé 

λ et 

N pour calculer l’évolution historique de la densité apparente du sol non travaillé vers un sol arable, pour les charges de roues indiquées dans la section 

2.1 ( 

Fig. 1b ), en utilisant la contrainte du sol simulée comme décrit dans la section 

2.2 et présentée dans 

la Fig. 2b . Les résultats, présentés dans 

la Fig. 3a , montrent une bonne concordance entre les mesures et les simulations. L’augmentation de la densité apparente à environ 0,2 m de profondeur dans le sol arable correspond à la profondeur moyenne de la semelle de labour . La densité apparente dans le sous-sol supérieur (de 0,3 m à environ 0,5 m de profondeur) est passée d’environ 1,1–1,2 Mg m⁻³ dans le sol non travaillé à 1,3–1,4 Mg m⁻³ 

dans le champ arable, en raison du passage des roues lors du labour. 

La Fig. 3a révèle le compactage du champ arable jusqu’à près d’un mètre de profondeur. Nos simulations montrent que le compactage du sous-sol peut être causé par deux facteurs : les charges élevées des roues des outils agricoles et les effets du labour conventionnel qui nécessitent de conduire le tracteur dans le sillon de labour, c’est-à-dire d’appliquer une contrainte directement sur le sous-sol exposé.

Fig. 3

2.4 . Résistance à la pénétration et taux d’élongation racinaire

Nous avons utilisé les profils de densité apparente (section précédente) pour estimer l’évolution de la résistance à la pénétration du sol et du taux d’élongation racinaire suite à l’augmentation du poids des véhicules. L’élongation racinaire est largement contrôlée par la résistance mécanique du sol ( 

Materechera et al., 1992 ; 

Bengough et al., 2006 ). Cette résistance est généralement exprimée en termes de résistance à la pénétration, et les mesures de résistance à la pénétration au cône permettent de quantifier l’énergie mécanique de la bioturbation par les racines ( Ruiz et al., 2015 ). Pour une texture de sol donnée, la résistance à la pénétration dépend de la densité apparente du sol et de son état d’hydratation ou de son potentiel matriciel ( Busscher, 1990 ; 

Vaz et al., 2011 ). Nous avons estimé la résistance à la pénétration, 

Q , à l’aide de l’ équation 

de Busscher (1990) :

(1)où 

ρ représente la masse volumique apparente, 

ψ le potentiel matriciel, et 

a , 

b et 

c des coefficients. La masse volumique apparente a été calculée comme décrit dans la section 

2.3 et présentée dans 

la figure 3a. Les coefficients ont été adaptés de 

Vaz et al. (2011) à partir de leurs valeurs pour un sol limono-argileux sableux . Bien que Vaz et al. (2011) aient travaillé sur différents types de sols, l’utilisation de leurs coefficients dans l’équation 

(1) permet d’obtenir des prédictions réalistes de la résistance au pénétromètre pour les gammes de masses volumiques apparentes (environ 1,0–1,4 Mg m⁻³ ) et de potentiels matriciels (−5 à −30 kPa) utilisées ici, comme illustré également dans la figure S2 des données supplémentaires. Ensuite, nous avons estimé le taux d’élongation racinaire, 

E <sub>r</sub> , selon la formule de Veen et Boone (1990), cités dans 

Bengough et al. (2011 ).

(2)où 

E <sub>r</sub> est exprimé en mm j<sup> 

-1</sup> , et 

ψ et 

Q en MPa. Comme le montre l’équation empirique 

(2) , 

E <sub>r</sub> dépend à la fois de la résistance mécanique et du stress hydrique ( 

Bengough et al., 2011 ). Seules quelques données permettent une description quantitative de 

E <sub>r</sub> en fonction de 

ψ et 

Q , et l’équation 

(2) a été établie à partir de données sur les taux d’élongation racinaire du maïs ( 

Bengough et al., 2011 ). On suppose que les relations pour les autres céréales sont similaires. Les taux d’élongation racinaire en fonction de la profondeur sont présentés sur 

la figure 3b . Enfin, à partir de 

E <sub>r</sub> (en mm j<sup> 

-1</sup> ) en fonction de la profondeur par intervalles de 0,05 m ( 

Fig. 3b ), nous avons calculé le temps nécessaire à une racine pour atteindre une profondeur de 0,5 m, 

t<sub> r </sub>, présenté pour des conditions humides ( 

ψ = -5 kPa) et plus sèches ( 

ψ = -30 kPa) sur 

la Fig. 4. En conditions humides, 

t<sub> r</sub> est peu affecté par les différents niveaux de compaction ( 

Fig. 4 ). Ceci s’explique par le fait que la résistance à la pénétration n’augmente que faiblement avec la densité apparente du sol humide ( 

Vaz et al., 2011 ). L’aération, qui pourrait être limitée dans les sols compactés en conditions humides et réduire la vitesse d’élongation racinaire ( Stępniewski et al., 1994 ), n’a pas été prise en compte ici. 

La figure 4 montre que 

t r dans des conditions plus sèches (−30 kPa) a augmenté en fonction du temps en raison de l’augmentation des niveaux de compactage ( 

Fig. 3 ), et que l’augmentation est particulièrement drastique pour les 20 à 30 dernières années.

Fig. 4

2.5 . Conductivité hydraulique saturée et capacité de stockage d’eau

Nous avons estimé la conductivité hydraulique à saturation , K <sub>s</sub> , à partir des profils de densité apparente simulés représentant l’évolution historique des niveaux de compaction du sol ( 

Fig. 3a ). Nous avons d’abord utilisé la fonction de pédotransfert de 

Wösten et al. (1999) , basée sur un jeu de données européen et intégrant la densité apparente comme variable explicative. Nous avons ensuite calculé la valeur moyenne de 

K <sub>s</sub> pour le sous-sol (entre 0,25 et 0,7 m de profondeur) et représenté graphiquement son évolution historique ( Fig. 5a ). La figure 5 suggère que la valeur moyenne de 

K <sub> 

s </sub> d’un sol arable est aujourd’hui environ 40 % inférieure à celle d’ un sol non cultivé (représenté par l’année 1900 sur la figure 5a ) et qu’elle a diminué de façon quasi linéaire au cours des 70 dernières années. Une diminution relative similaire de K<sub> s </sub> a été obtenue avec la fonction de pédotransfert de Jabro (1992) . De nombreuses fonctions de pédotransfert existent ; cependant, beaucoup de celles utilisées pour K <sub>s </sub> se basent uniquement sur la texture du sol et n’intègrent pas la densité apparente (ni aucun autre paramètre lié à la compacité) comme paramètre d’entrée nécessaire à l’étude des effets du compactage (voir par exemple Wagner et al., 2001 ; Sobieraj et al., 2001 ). Les estimations utilisant des fonctions de pédotransfert fondées sur le concept de porosité effective seraient plus adaptées à l’étude des impacts de la structure du sol et de sa dégradation, notamment le compactage ( Messing, 1989 ; Rawls et al., 1998 ) ; toutefois, ces approches nécessitent des informations sur la distribution de la taille des pores, qui n’étaient pas disponibles dans notre cas.

Fig. 5

La différence de conductivité hydraulique ( K 

<sub> s</sub> ) entre le sol « non perturbé » et le sol arable, estimée ici à partir des fonctions de pédotransfert ( 

Fig. 5a ), est similaire à celle observée 

entre les prairies et les sols arables par Horn et al. (2019) . Cependant, de nombreuses études utilisant des essais de roulage font état de diminutions beaucoup plus importantes de la conductivité hydraulique du sous-sol ( K <sub>s</sub>) dues au compactage ( Lebert, 1989 ; Semmel , 1993 ; Wiermann, 1998 ; Kühner, 1997 ; Nissen , 1999 ; Arvidsson, 2001 ; Peth , 2004 ; Fazekas , 2005 ; Zink, 2009 ; Keller et al., 2017 ), ce qui suggère que l’impact du compactage du sol sur la conductivité hydraulique est plus important que celui estimé par les fonctions de pédotransfert. Nous avons donc synthétisé des données bibliographiques issues d’expériences de labour où des variations de densité apparente et de conductivité hydraulique ( K<sub>s </sub>) ont été rapportées (Tableau S1 des données supplémentaires), et tracé le rapport K <sub>s </sub> avant labour sur K<sub> s </sub> après labour en fonction du rapport densité apparente avant labour sur densité apparente après labour (Figure S3 des données supplémentaires). Malgré une variabilité considérable des données, la diminution de K <sub> s</sub> relative avec l’augmentation de la densité apparente relative a pu être décrite par une loi de puissance hautement significative ( R²  = 0,38 ; p  < 0,001 ; Figure S3 des données supplémentaires). Nous avons ensuite appliqué cette fonction à nos profils de densité apparente simulés (présentés Figure 3a ). L’évolution de K <sub>s</sub> entre le sol non cultivé (représenté ici par l’année 1900) et aujourd’hui est illustrée par des losanges rouges sur la Figure 5a , indiquant une diminution de K<sub> s</sub> d’un ordre de grandeur dans les sous-sols arables jusqu’à nos jours.

L’augmentation historique de la densité apparente illustrée par la 

figure 3a correspond à une diminution substantielle de la porosité du sous-sol entre son état initial et celui de l’année 2010. Ceci se traduit par une perte de capacité de stockage d’eau du sous-sol. 

La figure 5b montre l’évolution de cette perte (entre 0,25 et 1,0 m de profondeur) en millimètres d’eau par mètre carré, ce qui peut être interprété comme une perte de capacité de stockage pour les précipitations de l’ordre du millimètre. 

Hartge et Horn (2016) ont rapporté une différence de près de 260 mm de capacité de stockage d’eau dans les Luvisols dérivés du lœss en Basse-Saxe, entre les terres arables et les forêts naturelles (pour une masse de sol identique).Bien que l’évolution historique de 

K<sub> s</sub> et de la capacité de stockage d’eau du sol présentée ici repose sur des estimations, il est intuitif qu’une augmentation de la densité apparente s’accompagne d’une diminution de K<sub> s</sub> et d’une réduction de la capacité de stockage d’eau du sol, ce qui a des conséquences sur l’infiltration de l’eau et la génération de ruissellement de surface, pouvant aggraver les inondations ( 

Alaoui et al., 2018 ). Les liens possibles entre l’augmentation du degré de compaction du sol et les inondations sont abordés dans la section 

3 .

2.6 . Portée et limites de l’approche par simulation et besoins futurs en matière de recherche

Nous présentons un cadre mathématique permettant de prédire l’impact du trafic des véhicules agricoles sur l’état mécanique et hydrologique du sol (densité apparente, résistance mécanique, conductivité hydraulique) et sur le taux d’élongation racinaire. Ce dernier influence l’accessibilité aux ressources et, par conséquent, les rendements des cultures, tandis que les propriétés hydrauliques du sol contrôlent la répartition des flux entre infiltration et ruissellement de surface, et donc la fréquence et la gravité des inondations. Ce cadre a permis une évaluation quantitative des conséquences de l’augmentation historique du poids des véhicules agricoles sur l’accroissement des contraintes mécaniques du sol, lesquelles affectent son état mécanique et hydrologique, ainsi que le fonctionnement et la productivité des plantes. Nous avons identifié des liens entre les niveaux de mécanisation et de compaction, et les fonctions du sol, ce qui, nous l’espérons, alimentera le débat sur les coûts de la compaction. Nous avons constaté un manque de données et de relations quantitatives tout au long de la chaîne d’effets, des contraintes mécaniques du sol aux taux d’élongation racinaire et aux propriétés hydrauliques, et identifions donc plusieurs besoins de recherche, présentés ci-après.

La capacité à prédire les contraintes mécaniques du sol à partir des caractéristiques des véhicules est raisonnable malgré les incertitudes liées à l’influence de la structure et de la consistance du sol sur le mode de propagation des contraintes (Keller et al., 2013). Les propriétés mécaniques du sol nécessaires à la prédiction des variations de densité apparente en fonction des contraintes ne sont pas facilement accessibles. Il existe peu de fonctions de pédotransfert pour représenter les propriétés de compression du sol, et celles-ci sont généralement élaborées à partir d’un nombre limité d’échantillons (pour une vue d’ensemble, voir Keller et al., 2007 ). Dans cette étude, nous avons utilisé une équation qui prédit les propriétés de compression (coordonnées de la ligne de compression vierge, y compris sa pente représentant l’indice de compression) à partir de la densité apparente du sol, basée sur des données provenant de 69 couches de sol individuelles ( 

Keller et Arvidsson, 2007 ). Bien que ces relations soient robustes, il est nécessaire de constituer des bases de données sur les propriétés mécaniques du sol à l’échelle internationale afin de développer des fonctions de pédotransfert plus générales. Plusieurs modèles ont été développés pour décrire la variation de la résistance à la pénétration du sol en fonction de la densité apparente et du potentiel matriciel (par exemple, l’équation 

(1) ; voir 

Vaz et al., 2011 pour une synthèse ). Les valeurs numériques des coefficients de ces modèles (par exemple, l’équation 

(1) ) sont disponibles dans la littérature, issues de nombreuses études. Cependant, ces études portaient sur un nombre limité de sols ou n’examinaient pas systématiquement les effets de la densité apparente (par exemple, 

Silva et Kay, 1997 ; 

To et Kay, 2005 ; 

Vaz et al., 2011 ). Dans cette étude, nous avons utilisé un ensemble de valeurs de coefficients issues de 

Vaz et al. (2011) qui ont permis d’obtenir des valeurs réalistes de la résistance à la pénétration dans la gamme de potentiel matriciel considérée. À l’instar des propriétés de compression du sol, nous constatons la nécessité de disposer de fonctions de pédotransfert basées sur de vastes ensembles de données pour paramétrer les modèles de résistance à la pénétration du sol, tels que l’équation 

(1) . Enfin, les données quantitatives sur les relations entre les taux d’élongation racinaire, la résistance à la pénétration du sol et le potentiel matriciel (équation (1)) restent peu nombreuses. 

(2) constitue un exemple rare (voir également 

Bengough et al., 2011 ). Nous avons appliqué l’équation 

(2) pour illustrer comment l’augmentation historique de la résistance mécanique du sol influence les taux de croissance racinaire , les valeurs absolues de E <sub> r</sub> étant ici moins importantes. Des données relatives à différentes cultures et à différents types de sols permettraient une paramétrisation de l’équation 

(2) spécifique à chaque culture et à chaque type de sol.Ces informations seraient utiles non seulement pour le cadre présenté ici, mais aussi pour une meilleure modélisation de la croissance des cultures soumises à différents stress environnementaux ( 

Vereecken et al., 2016 ). Contrairement aux propriétés mécaniques du sol, il existe de nombreuses fonctions de pédotransfert pour les propriétés hydrauliques du sol, basées sur de vastes ensembles de données internationaux (comme celles de 

Wösten et al. (1999) utilisées ici). On sait que le compactage a des effets importants sur la macroporosité et, par conséquent, sur la conductivité hydraulique à saturation, même pour des augmentations modérées de la densité apparente (par exemple, 

Horn et al., 1995 ; voir également le tableau S1 et la figure S3 des données supplémentaires), ce qui n’est pas correctement pris en compte par les fonctions de pédotransfert existantes. Les connaissances quantitatives sur les effets du compactage sur les propriétés hydrauliques du sol restent limitées, mais voir 

Assouline (2006a , 

b ). En résumé, une base de données améliorée permettrait une meilleure paramétrisation de la chaîne d’effets allant du stress du sol aux taux d’élongation des racines et aux propriétés hydrauliques du sol, respectivement, et donc une évaluation plus précise (par exemple spécifique au sol et au site) des impacts du compactage du sol sur les attributs des cultures et le fonctionnement hydrologique du sol au-delà des simulations à des fins illustratives telles que présentées ici.

3. Estimation des coûts annuels de compactage des sols

Le compactage des sols engendre des coûts considérables pour les exploitants agricoles et la société ( 

Graves et al., 2015 ). Pourtant, les données quantitatives sur les coûts du compactage des sols à l’échelle nationale et continentale restent limitées ( 

Alaoui et al., 2018 ; 

Brus et van den Akker, 2018 ). Plusieurs raisons peuvent expliquer ce manque de données. Premièrement, l’étendue et la gravité du compactage des sols à l’échelle nationale sont mal connues. La plupart des recherches sur le compactage des sols se concentrent sur des échelles allant du pore du sol au profil pédologique et à la parcelle expérimentale, tandis que les échelles plus larges sont rarement abordées. On estime que le compactage affecte entre 25 et 45 % (estimation centrale : 35 %) des terres agricoles ( 

Oldeman et al., 1991 ; 

Graves et al., 2015 ; 

Schjönning et al., 2015 ; 

Brus et van den Akker, 2018 ). Deuxièmement, une part importante du coût de la dégradation des sols est liée à des impacts hors site ( Graves et al., 2015 ), ce qui rend difficile l’identification de la source de ces coûts. Par exemple, le compactage des sols peut accroître la fréquence et la gravité des inondations ( 

Alaoui et al., 2018 ), déclencher l’érosion des sols ( 

Horn et al., 1995 , 

2017 ), dégrader la qualité de l’eau par l’augmentation du lessivage des nutriments et des pesticides ( 

Lipiec et Stępniewski, 1995 ; 

Jarvis, 2007 ) et accroître les émissions de gaz à effet de serre ( 

Lipiec et Stępniewski, 1995 ; 

Horn et al., 1995 ; 

Ball, 2013 ). Troisièmement, certains coûts, notamment ceux hors site, peuvent être difficiles à évaluer ( 

Robinson et al., 2012 ; 

Graves et al., 2015 ).L’étude de 

Graves et al. (2015) constitue un rare exemple d’estimation des coûts annuels totaux de la dégradation des sols, y compris le compactage. Ils ont estimé le coût annuel total du compactage des sols en Angleterre et au Pays de Galles à 470 millions de livres sterling par an, soit 540 millions d’euros par an 

( taux de change de janvier 2019). Les auteurs ont estimé qu’une superficie de 3,85 millions d’hectares est affectée par le compactage, ce qui représente environ 40 % des terres agricoles totales (9,6 millions d’hectares pour l’Angleterre et le Pays de Galles), comprenant des terres arables intensives et extensives, des prairies améliorées et non améliorées, ainsi que des cultures horticoles . Ainsi, le coût du compactage des sols s’élève à environ 140,2 € par hectare et 

par an pour la superficie affectée, et à environ 56,4 € par hectare 

et 

par an 

pour la superficie agricole totale. Bien que les conditions varient en Europe, ces chiffres peuvent être représentatifs d’autres pays européens. Par exemple, appliquer le même chiffre (56,4 € par hectare de la superficie totale des terres agricoles) à la Suède (environ 3,03 Mha de terres agricoles ; Conseil suédois de l’ agriculture , http://jordbruksverket.se/swedishboardofagriculture ) donnerait 171 M€ an 

−1 .

Graves et al. (2015) ont attribué environ 40 % des coûts aux dépenses sur site, tandis que près de 60 % étaient liés aux dépenses hors site. Parmi les dépenses sur site, environ 80 % étaient dues aux pertes de productivité des cultures, environ 12 % aux pertes d’engrais et les 8 % restants à une consommation accrue de diesel. Les dépenses hors site les plus importantes étaient les dégâts causés par les inondations (63 %), suivies des coûts liés aux gaz à effet de serre dus à l’augmentation des émissions du sol, aux pertes d’engrais et à la consommation accrue de diesel (35 %), tandis que les coûts liés à la dégradation de la qualité de l’eau étaient relativement mineurs (2 %).

3.1 . Perte de productivité agronomique due au compactage du sol

Le compactage du sol affecte la croissance des plantes de diverses manières ( 

Colombi et Keller, 2019 ). Il accroît la résistance mécanique à la croissance racinaire, ce qui diminue la vitesse d’élongation des racines ( 

Fig. 3b et Fig. S2 des données supplémentaires). Ceci limite la profondeur d’enracinement et l’accessibilité aux ressources, notamment à l’eau du sous-sol ( 

Colombi et al., 2018 ). De plus, le compactage limite l’accessibilité aux nutriments absorbés à la surface des particules. L’accessibilité des nutriments dépend de l’agrégation du sol : elle est meilleure lorsque la proportion de grumeaux et de blocs subangulaires est élevée, tandis que dans les horizons de sol à structure lamellaire, seulement 10 à 20 % environ des sites d’échange potentiels (pour l’adsorption des nutriments) sont accessibles ( 

Horn et al., 2018 ). Il convient de noter la différence entre accessibilité (les racines n’atteignent pas les ressources) et disponibilité (manque de ressources). Généralement, cette différence est d’autant plus marquée que le sol est compacté. Ainsi, le compactage constitue souvent un problème d’accessibilité aux ressources (voir également 

Colombi et Keller, 2019 ). De plus, il réduit la capacité de transport des gaz du sol ( 

Horn et al., 1995 ; 

Simojoki et al., 2008 ; 

Uteau et al., 2013 ; 

Haas et al., 2016 ), ce qui peut entraîner une mauvaise aération du sol et des concentrations d’O₂ extrêmement faibles 

dans l’air du sol, notamment lors des périodes de forte demande en O₂ 

et en conditions de sol humide ( 

Stępniewski et al., 1994 ; Horn et Smucker, 2005). Le compactage réduit également l’infiltration de l’eau et peut diminuer la quantité d’ eau disponible pour les plantes ; par conséquent, les plantes cultivées dans des sols compactés peuvent souffrir de stress hydrique ( Horn et al., 1995 ). L’impact le plus limitant parmi ceux mentionnés dépend évidemment des caractéristiques du sol et des conditions météorologiques. Cependant, l’accessibilité limitée aux ressources causée par l’expansion entravée du système racinaire en raison de la résistance mécanique accrue du sol est considérée comme la principale raison de la faible productivité des cultures sur les sols compactés ( Bengough et al., 2011 ; 

Valentine et al., 2012 ).La plupart des informations sur la baisse de productivité des cultures due au compactage proviennent d’expérimentations en plein champ. La 

figure 6a illustre l’évolution typique du rendement en fonction du temps après un épisode de compactage . La baisse de rendement est importante immédiatement après le compactage, mais les rendements se rétablissent relativement vite. Après quelques années, il ne subsiste généralement qu’une faible réduction de rendement, de l’ordre de quelques pourcents. Cependant, cette réduction est quasi permanente ( 

figure 6a ) et est attribuée au compactage du sous-sol ( 

Håkansson et Reeder, 1994 ). Par exemple, les données issues d’une série d’expérimentations en plein champ de longue durée menées en Europe du Nord et en Amérique du Nord, avec un épisode de compactage unique dû à une charge de roue de 5 Mg, indiquent une perte de rendement quasi permanente de 2,5 % ( 

Håkansson et Reeder, 1994 ). À partir de ces données, 

Håkansson et al. (1987) ont établi une relation empirique permettant d’estimer la perte de rendement en fonction du nombre de passages de véhicules et de la teneur en argile du sol. L’équation concorde bien avec les données de rendement des cultures représentant la phase initiale de récupération post-compactage de l’expérimentation à long terme « Observatoire de la structure du sol (OSS) » décrite par 

Keller et al. (2017), comme indiqué sur 

la figure 6a . 

Voorhees (2000) a rapporté une baisse permanente de rendement de 6 % suite à un compactage unique impliquant une charge de roue de 9 Mg. Cependant, toutes ces expérimentations comparent un sol compacté expérimentalement à un sol n’ayant subi aucun compactage expérimental (supplémentaire), et sous-estiment donc probablement les pertes réelles de productivité dues au compactage. Les parcelles non compactées ne représentent pas un sol non compacté (comme par exemple le sol de prairie de la figure 3a ), mais peuvent être considérées comme « normalement compactées » pour leur emplacement au moment de l’expérience. Par conséquent, la pénalité de productivité mesurée indique la perte de productivité due au compactage expérimental supplémentaire (par rapport à un sol normalement compacté), mais ne représente pas l’écart de productivité entre un sol compacté et un sol non compacté. De plus, les pertes de rendement mentionnées ci-dessus résultent d’un compactage ponctuel, alors que des compactages répétés (liés aux opérations agricoles annuelles) constituent un scénario plus réaliste en pratique. 

La figure 6b illustre la réponse simulée du rendement avec un compactage supposé tous les quatre ans (par exemple, causé par des conditions de sol défavorables lors du labour à la charrue à versoir, de la récolte ou d’autres opérations agricoles impliquant de lourdes charges sur les roues). Un tel scénario se traduit par une tendance générale à la baisse des rendements. Des essais avec des tracteurs à portique et des outils à câble ont révélé des différences de rendement allant jusqu’à 16 % entre les sols travaillés et les sols non travaillés ( 

Chamen, 2011 ; 

Chamen et al., 2015).) et 27 % ( 

Håkansson et al., 1985 ). Les systèmes à portique et à câbles, ainsi que l’agriculture à circulation contrôlée, reflètent mieux l’effet réel du compactage. Cependant, ces systèmes partent généralement d’un sol normalement compacté. L’évolution de la structure du sol étant un processus lent (par exemple, 

Horn, 2004 ), des expériences à long terme (décennales) seraient nécessaires, même dans ces systèmes, pour observer tous les effets. 

Schjønning et al. (2015) ont mentionné des facteurs supplémentaires (par exemple, un mauvais drainage induit par le compactage, affectant les jours cultivables et les conditions d’implantation des cultures) susceptibles de conduire à une sous-estimation des pertes de productivité dans les essais au champ par rapport aux parcelles agricoles. 

Hanse et al. En 2011, une étude a révélé une différence de 20 % de rendement en sucre entre les meilleurs et les moins bons producteurs de betteraves sucrières aux Pays-Bas. Cette différence a été attribuée à des variations de conductivité hydraulique à saturation de la couche sous-jacente la plus dense, même si d’autres facteurs que le compactage du sol (comme la date de semis et la profondeur de travail du sol) ont également contribué à ces écarts de rendement. Des résultats similaires ont été obtenus lors d’une étude suédoise ( Blomquist et al., 2003 ). Il est clair que la sensibilité au compactage varie selon les cultures (par exemple, 

Håkansson, 2005 ). En résumé, estimer l’impact du compactage du sol sur la productivité des cultures est complexe, car il n’existe généralement pas de situation de référence avec un sol non compacté. Par conséquent, les pertes de productivité induites par le compactage observées lors d’expérimentations au champ sous-estiment probablement les pertes réelles.

Fig. 6

Graves et al. (2015) ont supposé que le compactage entraîne des pertes de rendement de 4 à 5 % sur les terres arables et légèrement inférieures sur les prairies. Il en résulte un coût par hectare des pertes de rendement induites par le compactage d’environ 48,2 € ha⁻¹an⁻¹

pourlasurface affectée et d’environ 19,4 € ha⁻¹an⁻¹pour,dont la superficie agricole totale est d’environ 3,03 millions d’hectares, les pertes de rendement dues au compactage s’élèveraient à environ 59 millions d’euros an⁻¹.Eriksson et al. (1974) ont estimé la perte de rendement annuelle due aux effets à long terme du compactage du sol (c’est-à-dire du sous-sol) à 80 millions de SEK an⁻¹enSuède, en supposant une pénalité de rendement de 8 % sur les sols argileux et de 4 % sur les sols limoneux . Compte tenu de l’inflation et des différences de prix à la production entre 1974 et aujourd’hui (figure S4 des données supplémentaires), la perte de rendement estimée par Eriksson et al. (1974) correspond à environ 20 M€ an⁻¹.Aujourd’hui, la valeur de la production annuelle de grandes cultures (hors pâturages et cultures spécifiques comme les petits fruits et les légumes, qui occupent ensemble 650 000 ha) en Suède est d’environ 2 078 M€ (valeur moyenne pour les années 2015-2017 ; Office suédois de l’agriculture, http://jordbruksverket.se/swedishboardofagriculture ). En supposant une perte de rendement moyenne de 4,5 % ( Graves et al., 2015 ) et que 35 % des terres arables soient affectées par le compactage ( Oldeman et al., 1991 ; Graves et al., 2015 ; Schjønning et al., 2015 ; Brus et van den Akker, 2018 ), les pertes de rendement pour les cultures arables s’élèvent à 33 M€ an⁻¹.Eriksson et al. (1974) ont estimé les pertes de rendement dues au compactage à 8 % pour les sols contenant plus de 40 % d’argile et à 4 % pour les sols contenant entre 15 et 25 % d’argile, considérant les pertes de rendement pour les sols plus légers comme négligeables. Par souci de simplification, nous avons retenu une perte de rendement de 6 % pour les sols contenant entre 25 et 40 % d’argile. Compte tenu de la répartition respective des classes texturales des terres arables en Suède (>40 % d’argile : 15,4 % de toutes les terres arables ; 25–40 % d’argile : 21,1 % de toutes les terres arables ; 15–25 % d’argile : 20,1 % de toutes les terres arables ; Djodjic, 2015 ), la perte de rendement induite par le compactage, calculée à partir des rendements et des prix actuels, s’élève à 68 M€ an⁻¹,soit près de trois fois les coûts estimés par Eriksson et al. (1974) il y a 45 ans. Toutefois, compte tenu de l’augmentation des niveaux de compactage depuis les années 1970 ( Fig. 1 , Fig. 2 , Fig. 3 , Fig. 4), ce chiffre est encore plus élevé.

On s’attendrait donc à une réduction de rendement plus importante que les 4 à 8 % utilisés par 

Eriksson et al. (1974) , et par conséquent à des coûts encore plus élevés que 68 M€ an⁻¹ 

. Malheureusement, aucune donnée n’est disponible concernant la réduction réelle du rendement (c’est-à-dire par rapport à un sol non compacté, à l’échelle nationale) due au compactage. À titre d’exercice, on peut supposer, à partir des essais réalisés avec des portiques et des outils à câble, une pénalité de rendement moyenne de 20 % pour les traitements avec des engins à roues ( 

Håkansson et al., 1985 ; 

Chamen, 2011 ; 

Chamen et al., 2015 ). En supposant à nouveau que 35 % des terres soient affectées par le compactage ( 

Oldeman et al., 1991 ; 

Graves et al., 2015 ; 

Schjønning et al., 2015 ; 

Brus et van den Akker, 2018 ), on obtient des coûts de 145 M€ an⁻¹ 

. Eriksson 

et al. (1974) ont considéré des coûts annuels supplémentaires liés au compactage de la couche arable et aux dommages directs aux cultures (principalement en prairies temporaires) causés par le trafic agricole, d’un ordre de grandeur comparable aux coûts annuels dus au compactage à long terme du sous-sol. Cela impliquerait que les chiffres estimés dans ce paragraphe devraient être multipliés par deux pour obtenir le coût total des pertes de productivité dues au trafic agricole. En résumé ( tableau 1 ), les pertes de productivité dues au tassement des sols sont probablement de l’ordre de plusieurs dizaines 

de millions 

d’ euros par an 

en Suède, ce qui représente une part importante du revenu total du secteur agricole suédois. Cependant, ces estimations restent incertaines car ni la réduction de la productivité ni la superficie tassée ne sont précisément connues.

Tableau 1. Coûts estimés associés à la perte de productivité des cultures arables due au compactage du sous-sol en Suède (avec une superficie totale de terres agricoles de 3 Mha et une valeur moyenne des cultures arables de 2078 M€ an −1 ).

HypothèsesPertes de productivité * )Fraction du revenu agricole total ** )
Cellule vide(M€ an −1 )(%)
Coûts de l’hectare de 19,4 € par ha de terres agricoles et par an ( Graves et al., 2015 )597.4
Perte de rendement moyenne de 4,5 % ( Graves et al., 2015 ) et 35 % de superficie affectée par le compactage ( Oldeman et al., 1991 ; Graves et al., 2015 ; Schjønning et al., 2015 ; Brus et van den Akker, 2018 )334.1
Perte de rendement de 4 à 8 % selon la texture du sol ( Eriksson et al., 1974 ) et la répartition des classes texturales pour les terres arables en Suède ( Djodjic, 2015 ).688.5
Les données de rendement issues d’expériences avec des outils à portique et à câble montrent une pénalité de rendement de 20 % pour le sol travaillé sur roues ( Håkansson et al., 1985 ; Chamen, 2011 ; Chamen et al., 2015 ) et une surface affectée par le compactage de 35 % ( Oldeman et al., 1991 ; Graves et al., 2015 ; Schjønning et al., 2015 ; Brus et van den Akker, 2018 ).14518.1
Signifier769,5
Médian637.9

*Il convient de noter 

qu’Eriksson et al. (1974) ont estimé les coûts liés au compactage de la couche arable et aux dommages directs aux cultures causés par le passage des engins agricoles à un ordre de grandeur comparable à celui des coûts liés au compactage du sous-sol présentés ici. Par conséquent, les coûts totaux résultant du compactage seraient le double des valeurs indiquées dans ce tableau.**Le revenu total du secteur agricole en Suède est de 799 M€ (moyenne de 2015-2017 ; source : Office suédois de l’agriculture, 

http://jordbruksverket.se/swedishboardofagriculture ).

3.2 . Coïncidence entre l’augmentation du niveau de compaction et la stagnation des rendements agricoles

De nombreux pays européens signalent une stagnation des rendements des principales cultures (par exemple, le blé, 

Triticum aestivum L.) au cours des trois dernières décennies ( 

Ray et al., 2012 ; 

Wiesmeier et al., 2015 ; 

White et al., 2015 ), malgré une augmentation documentée du rendement potentiel grâce aux progrès de la sélection variétale ( 

Foulkes et al., 2007 ; 

Reynolds et al., 2012 ; 

White et al., 2015 ). L’évolution historique du rendement du blé est illustrée pour la Scandinavie à 

la figure 7 (FAO, 

http://faostat3.fao.org ). Ces tendances, comme celles de 

la figure 7, peuvent être modélisées par une fonction linéaire avec un plateau supérieur ( 

Michel et Makowski, 2013 ), permettant ainsi de déterminer l’année de rupture (c’est-à-dire l’année où les rendements commencent à se stabiliser). Des tendances similaires à celles illustrées dans 

la figure 7 sont observées pour d’autres céréales (par exemple, l’orge, 

Hordeum vulgare L.) et dans la quasi-totalité des pays d’Europe centrale et septentrionale. La stagnation des rendements a généralement débuté dans les années 1990 ( 

Wiesmeier et al., 2015 ). Chez le maïs ( 

Zea mays L.), cette stagnation aurait été légèrement plus tardive. Le phénomène de stagnation des rendements est désormais bien documenté (par exemple, 

Ray et al., 2012 ), mais les causes de ce plafonnement restent encore mal comprises. Cette stagnation a été attribuée à des changements socio-économiques, aux politiques agricoles, à la diminution de l’utilisation d’engrais , à l’extensification agricole, au déclin des légumineuses dans les rotations culturales, à l’atteinte du potentiel de rendement et au changement climatique (pour une synthèse, voir Wiesmeier et al., 2015 , et les références qui y sont citées).

Fig. 7

L’augmentation du niveau de compactage des sols agricoles ( 

figures 2 et 3 ), vraisemblablement due à l’accroissement du poids des machines ( 

figure 1 ), et ses effets sur le développement des cultures ( 

figure 4 ) et la productivité, suggèrent que le compactage du sol contribue à la stagnation des rendements. Bien que notre étude doive être considérée comme un exemple conceptuel et illustratif, il est intéressant de noter que la forte augmentation de 

t<sub> r</sub> dans les années 1990 ( 

figure 4 ) coïncide avec le début de la stabilisation des rendements ( 

figure 7 ). De plus, le début de cette stagnation coïncide assez bien avec le dépassement d’une contrainte de sol de 50 kPa à 0,5 m de profondeur ( 

figure 2a ). Il convient de souligner que l’impact de l’augmentation linéaire de la charge des roues des machines sur les fonctions du sol (telles que la productivité) n’est pas linéaire, en raison des relations non linéaires entre la contrainte du sol, la densité apparente, la résistance à la pénétration et le taux d’élongation racinaire.Nos calculs des taux d’élongation racinaire, effectués à l’aide de l’équation 

(2), ne tenaient pas compte de l’évolution variétale au fil du temps. Nous avons réanalysé les taux d’élongation racinaire de 14 cultivars de blé d’hiver suisses , couvrant la période 1910-2010, mesurés par Colombi et al. (2017) . Nous avons constaté que les taux d’élongation racinaire diminuaient avec l’année de mise sur le marché, c’est-à-dire que les taux d’élongation racinaire des nouveaux cultivars étaient inférieurs à ceux des anciens (figure S5 des données supplémentaires). Ceci implique que l’effet du compactage du sol sur les taux d’élongation racinaire et le taux d’élongation racinaire ( 

t<sub> r</sub>) est plus important que ne le suggèrent les 

figures 3b et 

4. L’amélioration des cultures a principalement visé à optimiser les plantes pour des conditions optimales (forte intensité d’intrants), mais les cultures n’ont pas été optimisées pour les sols pauvres ( 

Bishopp et Lynch, 2015 ). 

White et al. (2015) ont constaté que la densité de longueur racinaire du blé d’hiver moderne était insuffisante pour une absorption complète de l’eau au-delà de 0,32 m de profondeur. Des résultats similaires ont été obtenus pour les cultivars de colza . Ceci accentue l’impact négatif de l’augmentation de la résistance mécanique du sol due au compactage sur la croissance racinaire et l’accès aux ressources, et peut entraîner une forte baisse de la productivité des cultures. La hausse des températures et l’augmentation de la fréquence et de la gravité des sécheresses, telles que projetées pour le climat futur en Europe ( GIEC, 2013 ), aggraveront encore l’impact du compactage, car l’augmentation de la résistance à la pénétration et la diminution associée du taux d’élongation racinaire sont plus importantes en conditions sèches ( 

Fig. 4 ). Il est donc nécessaire d’adapter la gestion des sols et les cultures au changement climatique, notamment par le développement de nouveaux cultivars adaptés à ces conditions (qui n’existent pas actuellement). L’identification des caractéristiques racinaires qui régissent l’élongation des racines offre la possibilité de sélectionner des cultivars présentant une meilleure capacité d’exploration du sol par les racines. Des volumes plus importants accessibles par les racines seront non seulement nécessaires pour garantir la production alimentaire, mais ces cultivars pourraient également accélérer la restauration de la structure des sols compactés (cf. Colombi et Keller, 2019 ).Il est difficile de dissocier les effets positifs des progrès en matière de sélection variétale, 

de gestion des sols et des cultures (lutte contre les maladies, fertilisation, agriculture de précision) des effets négatifs de la dégradation de la structure du sol (compactage) et du changement climatique, ainsi que des impacts des changements socio-économiques et des décisions politiques, afin d’identifier les facteurs responsables de la stagnation des rendements observée. Il est fort probable que plusieurs facteurs interviennent, et leur importance relative peut varier selon les régions. Nous suggérons ici que le compactage du sol et son aggravation due à l’augmentation du poids des machines agricoles pourraient être l’une des causes de cette stagnation.

3.3 . Impacts du compactage des sols sur les inondations et coûts des mesures de protection contre les inondations

Comme illustré dans la section 

2.5 , le compactage du sol est associé à une réduction de sa porosité et de sa conductivité hydraulique à saturation. Il modifie également la distribution de la taille des pores et réduit leur continuité et leur connectivité ( Horn et al., 1995 ; 

Richard et al., 2001 ; 

Horn, 2004 ; 

Horn et Peth, 2011 ). Ceci a des répercussions importantes sur l’écoulement de l’eau dans le sol ( 

Kulli et al., 2003 ; 

Jarvis, 2007 ; 

Etana et al., 2013 ) et, par conséquent, sur la répartition des précipitations entre infiltration et ruissellement ( 

Mossadeghi-Björklund et al., 2016 ), et donc sur la fréquence et l’intensité des inondations et de l’érosion des sols ( 

Rogger et al., 2017 ; 

Alaoui et al., 2018 ).Nous avons constaté une diminution notable de 

K<sub> s</sub> due à l’augmentation du compactage causée par la hausse du poids des véhicules agricoles ( 

Fig. 5a ). La conductivité hydraulique à saturation est une propriété essentielle du cycle hydrologique terrestre (par exemple, 

Sobieraj et al., 2001 ). Bien que l’utilisation de fonctions empiriques pour estimer 

K<sub> s</sub>, comme ici, ne permette que de dégager des tendances générales et que notre étude soit de nature illustrative, nos résultats, qui indiquent une diminution de 

K<sub> s </sub> d’un facteur 2 à 10 due au compactage ( 

Fig. 5a ), sont corroborés par des données expérimentales. 

Moberg (2001) a mesuré la porosité du sol et 

K <sub>s</sub> sur dix parcelles cultivées en Suède en 1997 et a comparé les valeurs obtenues à celles mesurées entre 1955 et 1961. En moyenne sur les dix parcelles, il a constaté que, bien que la porosité du sous-sol n’ait diminué que de 1 à 2 % en 1997, la conductivité hydraulique ( 

K <sub> s</sub>) était 8 à 27 fois plus faible en 1997 qu’entre 1955 et 1961. Ces données suggèrent que nos estimations du déclin de 

K <sub>s </sub> ( 

Fig. 5a ) sont sous-estimées. Malheureusement, nous ne disposons pas de données systématiques à long terme sur l’évolution historique de 

K <sub>s</sub> dans les sols arables, hormis celles décrites par 

Horn et al. (2019) , qui ont mesuré 

K <sub>s </sub> verticalement et horizontalement dans plus de 570 profils de sols arables et de prairies. Outre une conductivité hydraulique verticale plus faible dans les sous 

– sols des sols arables, ils ont observé une conductivité hydraulique horizontale plus élevée dans les sous – sols des sols arables que dans ceux des prairies, ce qu’ils ont expliqué par la formation d’une structure lamellaire due au travail du sol conventionnel et au passage des engins agricoles dans le sillon (voir également Horn, 2004 ). Alors que dans les sols sous prairies, seule la couche arable présentait un coefficient de conductivité hydraulique ( K<sub> s</sub>) horizontal supérieur au coefficient vertical , cette anisotropie était prédominante jusqu’à plus de 0,6 m de profondeur dans les sols arables du Schleswig- Holstein . De plus, Horn et al. (2019) ont observé une augmentation du coefficient de conductivité hydraulique horizontal dans les sous-sols des terres arables au cours des quarante dernières années, ce qui confirme l’hypothèse de la formation d’une structure lamellaire due à l’augmentation des contraintes dans le sol. Le passage d’un régime d’écoulement à dominance verticale à un régime à dominance horizontale limite l’infiltration de l’eau et favorise l’écoulement latéral, et donc le ruissellement de surface. La figure 8 illustre les conséquences d’une infiltration d’eau réduite due au compactage.

Le compactage a quasiment empêché l’eau de pénétrer dans le sous-sol. Il en résulte une accumulation d’eau « perchée » dans la couche arable et une stagnation d’eau en surface ( 

Mossadeghi-Björklund et al., 2019 ), pouvant engendrer du ruissellement. De plus, l’augmentation historique du niveau de compactage des sols ( 

Fig. 3a ) entraîne une diminution de la capacité de stockage d’eau du sous-sol. La perte estimée de cette capacité dans le sous-sol (0,25–1,0 m), d’environ 24 mm m⁻² 

en 2010 ( 

Fig. 5b ), correspond à une perte de 24 × 10⁶ 

litres d’eau par 

km² .

Fig. 8

La diminution de la conductivité hydraulique ( 

K <sub>s</sub>) et de la capacité de rétention d’eau du sol ( Fig. 5 ) accroît la probabilité et la gravité des inondations ( 

Rogger et al., 2017 ; 

Alaoui et al., 2018 ). Le nombre d’inondations en Europe a augmenté au cours des dernières décennies ( 

Fig. 9 ). Bien que notre analyse ne permette pas d’établir un lien direct avec cette augmentation, nos résultats suggèrent que le compactage du sol pourrait y contribuer. D’autres facteurs interviennent également, probablement de manière interactive, notamment le changement climatique (par exemple, 

Dankers et Feyen, 2008 ), des facteurs socio-économiques tels que la croissance démographique (par exemple, 

Barredo, 2009 ), l’étalement urbain, l’imperméabilisation des surfaces et la régulation des cours d’eau ( 

Pistocchi et al., 2015 ; 

Sofia et al., 2017 ), ainsi que les changements d’affectation des sols ( 

Rogger et al., 2017 ). Les recherches futures pourraient viser à quantifier la contribution du compactage aux inondations et à l’augmentation observée de leur fréquence. D’après un outil de gestion des crues à l’échelle d’un bassin versant, le compactage des sols serait responsable de 3 à 10 % (7 % en moyenne) de l’augmentation de la profondeur du ruissellement ( 

Graves et al., 2015

 ), ce qui représente un coût de 193 millions d’euros par an pour les dommages causés par les inondations induites par le compactage en Angleterre et au Pays de Galles . Ce chiffre correspond à environ 50 € par hectare 

et par an 

pour la surface affectée par le compactage, et à environ 20 € par hectare 

et 

par an pour la surface agricole totale.

Fig. 9

Le coût total des inondations comprend le coût des dommages matériels et celui des mesures de prévention et de gestion des risques. En Suède, les coûts d’assurance enregistrés liés aux inondations d’origine naturelle ( 

http://www.svenskforsakring.se/statistik ) pour la période 2011-2014 se situaient entre 174 et 1 046 millions de SEK, avec une moyenne de 428 millions de SEK par an 

( 43 millions d’euros par an 

) . Ce chiffre est comparable aux 44 millions d’euros par an 

estimés par 

Ek et al. (2016) pour les sinistres et franchises annuels . Selon l’Agence européenne pour l’environnement (AEE, 

https://www.eea.europa.eu/ ), les pertes assurées en Suède représentent 27 % du total des pertes liées aux événements climatiques dans le pays. En supposant un ratio similaire entre les pertes assurées et les pertes totales pour les dommages causés par les inondations, le coût total des dommages liés aux inondations s’élève à 159 millions d’euros par an 

en Suède. Le coût annuel total pour la société suédoise de la prévention des inondations et de la gestion des risques d’inondation a été estimé entre 461,7 et 974,6 millions de SEK par an 

, avec une estimation centrale de 718,2 millions de SEK par an, 

soit 72 millions d’euros par an 

( MSB 

, 2014 ). Ainsi, le coût annuel total (dommages liés aux inondations, prévention et gestion) pour la Suède s’élève à 231 millions d’euros par an 

. La part de ces coûts imputable au compactage des sols reste inconnue pour la Suède. Si l’on considère que le compactage est responsable de 7 %, comme dans 

Graves et al. (2015) , le coût annuel des dommages liés aux inondations dus au compactage s’élève à 16 millions d’euros par 

an . Cela correspondrait à environ 5,5 € ha⁻¹ 

an⁻¹ sur la base de la superficie agricole totale de la Suède, soit environ 3 à 4 fois moins que les coûts pour l’Angleterre et le Pays de Galles rapportés par 

Graves 

et al. (2015) . Le coût annuel total des dommages causés par les inondations a été estimé à environ 2 760 M€ an⁻¹ 

( Graves 

et al., 2015 ), soit plus de dix fois supérieur à notre estimation pour la Suède, alors que la superficie agricole totale en Angleterre et au Pays de Galles est environ trois fois plus importante qu’en Suède. La différence de coûts totaux et de coûts par hectare de surface agricole entre les deux régions/pays est probablement liée aux différences de topographie. Les dommages annuels moyens causés par les inondations (pertes dues aux inondations) rapportés pour la période 1985-2013 dans l’UE s’élevaient à 4 500 M€ an⁻¹ 

( AEE, 

https://www.eea.europa.eu/ ). Bien que la contribution du compactage des sols à ces coûts ne soit ni bien documentée ni prise en compte, nous estimons que le compactage des sols est responsable de coûts de dommages causés par les inondations de plusieurs centaines de millions d’euros par an 

.dans l’UE. La contribution du compactage des sols aux inondations est susceptible d’augmenter à l’avenir car (i) les niveaux de compactage augmenteront à moins que le développement de machines agricoles plus puissantes et plus lourdes ne cesse, et (ii) l’augmentation prévue de la fréquence et de l’intensité des orages (ICPP, 2013) combinée à la diminution de l’infiltration et de la capacité de stockage de l’eau dans le sol ( Fig. 5 ) augmentera l’incidence du ruissellement de surface et la génération d’inondations.

4. Résumé et conclusions

Le poids des véhicules agricoles a considérablement augmenté au cours des soixante dernières années. La charge par roue des moissonneuses-batteuses est passée d’environ 1,5 Mg en 1960 à 9 Mg aujourd’hui, et celle des tracteurs d’environ 1 Mg en 1955 à plus de 4 Mg aujourd’hui. Nous avons analysé l’effet de cette augmentation de poids sur les contraintes et la densité apparente du sol, et estimé les conséquences de l’accroissement du compactage sur la croissance racinaire et les propriétés hydrauliques du sol. Nos résultats montrent que l’augmentation du poids des machines a entraîné une augmentation du compactage du sous-sol. Nous apportons la preuve que ce compactage a accru la résistance mécanique du sol et ralenti l’élongation racinaire. Ceci suggère que le compactage du sol est l’une des causes de la stagnation des rendements observée pour les principales cultures dans de nombreux pays européens. De plus, nous montrons que l’augmentation du compactage a diminué la conductivité hydraulique à saturation et la capacité de rétention d’eau des sous-sols des terres arables. Ceci indique que l’augmentation du compactage du sol pourrait être l’une des causes de la multiplication des inondations en Europe.Les coûts du compactage des sols sont importants ( 

Graves et al., 2015 ), mais les connaissances quantitatives restent limitées, ce qui rend les estimations incertaines. Ceci s’explique par le fait que l’étendue (superficie) et la gravité du compactage des sols à grande échelle (région, pays, continent) sont mal connues, que la contribution du compactage aux coûts environnementaux et agronomiques est difficile à quantifier, notamment pour les coûts indirects, et que certains coûts sont difficiles à évaluer. Nous avons estimé que les coûts liés à la baisse de la productivité des sols (coûts indirects les plus importants) et à l’augmentation de la fréquence des inondations (coûts indirects les plus importants) dus au compactage des sols sont de l’ordre de plusieurs centaines de millions d’euros par an 

pour la Suède.La plupart des recherches sur le compactage des sols considèrent des échelles spatiales allant du pore du sol au profil pédologique et à l’échelle des parcelles expérimentales. Si les connaissances fondamentales à ces échelles sont importantes et nécessaires, il est indispensable de mener des recherches sur le compactage des sols à des échelles plus vastes (voir également 

Rogger et al., 2017 ; 

Alaoui et al., 2018 ). Les coûts du compactage des sols sont certainement perceptibles pour les agriculteurs à l’échelle de la parcelle (par exemple, une baisse de la productivité), mais ne sont significatifs et pertinents pour la société qu’à l’échelle du bassin versant, de la région et du pays. Il est nécessaire de disposer de données sur l’étendue et la gravité du compactage des sols aux échelles pertinentes (c’est-à-dire les échelles auxquelles les effets et les coûts du compactage des sols ont un impact sur la société), et de relier les connaissances sur les effets du compactage sur les fonctions du sol à petite échelle aux processus à plus grande échelle. Par exemple, il s’agit de relier les modifications des conditions de croissance racinaire induites par le compactage à l’évolution de la productivité des cultures à l’échelle régionale, et de relier les modifications des propriétés hydrauliques du sol induites par le compactage à l’hydrologie du bassin versant. Les études de modélisation à l’échelle du bassin versant ou de la région doivent prendre en compte les effets du compactage sur la productivité des cultures et le fonctionnement hydrologique. Il est donc nécessaire d’améliorer la paramétrisation des effets du compactage du sol dans ces modèles. Nous avons également constaté la nécessité d’établir des relations permettant une quantification spécifique à chaque culture des liens entre les taux d’élongation racinaire, la résistance mécanique du sol, la densité apparente et le potentiel matriciel, et ce, pour une large gamme de sols. De plus, des analyses économiques sont nécessaires pour une meilleure estimation des coûts du compactage, ce qui contribuera également à sensibiliser les décideurs politiques à cette problématique.Les coûts liés au compactage des sols devraient s’aggraver avec 

le changement climatique . L’augmentation prévue de la fréquence et de la gravité des sécheresses accentuera les problèmes de développement racinaire en raison de la résistance mécanique accrue des sols compactés pendant les périodes de sécheresse, ce qui diminuera la productivité des cultures. L’augmentation prévue de l’intensité des précipitations, combinée à la réduction de l’infiltration et de la capacité de stockage de l’eau due au compactage, risque d’accroître la fréquence et la gravité des inondations. Ceci souligne la nécessité d’une meilleure compréhension de la restauration des sols compactés et des méthodes d’atténuation des effets du compactage, ainsi que la nécessité d’un changement de paradigme dans le développement des machines agricoles afin d’inverser la tendance à la construction de véhicules toujours plus lourds.

Remerciements

Ces travaux ont été financés en partie par l’ 

entreprise commune Bio-Based Industries ( BBI) dans le cadre du programme de recherche et d’innovation Horizon 2020 de l’Union européenne, via le projet « Gestion forestière efficace pour une industrie bio-sourcée durable et compétitive (EFFORTE) » (convention de subvention n°

 720712 ) , par le 

Conseil suédois de la recherche pour l’environnement, les sciences agricoles et l’aménagement du territoire (Formas) ( subvention n°

 2018-02319 ) et par la 

Fondation suédoise des agriculteurs pour la recherche agricole (Stiftelsen Lantbruksforskning, SLF) (subvention n°

 O-17-23-959 ). Tino Colombi bénéficie d’une bourse postdoctorale de l’ 

Agence gouvernementale suédoise pour les systèmes d’innovation (Vinnova ; subvention n°

 2018-02346 ), que nous remercions chaleureusement.

Annexe A. Données supplémentaires

Les données suivantes constituent des données supplémentaires à cet article :

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Références

Cité par (361)

  • Comment les agriculteurs abordent-ils la séquestration du carbone dans les sols ? Leçons tirées de 105 plans d’agriculture du carbone2022, Recherche sur les sols et le travail du solAfficher le résumé
  • Structures naturelles et aménagées des sols : sur la fragile structure du fonctionnement des sols2021, Recherche sur les sols et le travail du solExtrait de citation :L’expansion rapide du travail réduit du sol au cours des dernières décennies (représentant actuellement 12,5 % des terres arables ; Kassam et al., 2019) démontre que, pour certaines régions et certaines cultures, les agriculteurs peuvent obtenir de bons résultats sans labour conventionnel. De plus, l’intensification prévue de l’agriculture pour nourrir une population mondiale en forte croissance (Tilman et al., 2011) et le risque associé de dégradation de la structure du sol (Keller et al., 2019) rendent plus urgente la définition et la quantification des avantages des pratiques culturales. Les préoccupations croissantes concernant le rôle du labour dans les émissions de gaz à effet de serre et le stockage du carbone dans les sols (Reicosky et al., 1995 ; Houghton, 1999 ; Post et Kwon, 2000 ; Poeplau et al., 2011) ajoutent de nouvelles dimensions aux décisions relatives au labour, au-delà du simple retour sur investissement agronomique à court terme.

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