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Impact des innovations agro-écologies sur les flux de carbone et d'azote des cultures pluviales. Cas des Hautes Terres de Madagascar

Irintsoa Rasolofo Laingo. 2017. Impact des innovations agro-écologies sur les flux de carbone et d'azote des cultures pluviales. Cas des Hautes Terres de Madagascar. Antananarivo : Université d'Antananarivo, 161 p. Thèse de doctorat : Sciences agronomiques : Université d'Antananarivo

Thesis
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Encadrement : Razafimbelo, Tantely ; Naudin, Krishma

Abstract : L'agriculture de conservation (AC) a été introduite à Madagascar dans l'objectif de maintenir la durabilité des cultures pluviales. L'AC et l'élevage de ruminants doivent être considérés comme des activités complémentaires et synergiques mais des compétitions pour l'utilisation de la biomasse peuvent néanmoins apparaître dans certaines circonstances. En effet, l'AC permet de fournir des ressources fourragères pour l'alimentation des ruminants. En contrepartie les ruminants recyclent une partie de la biomasse ingérée, mais non digérée, sous forme de fumier. Les ruminants permettent ainsi d'améliorer la fertilité du sol via l'apport de fumier. Le recyclage des nutriments au sein d'une exploitation mixte d'agriculture-élevage peut être optimisé en améliorant les techniques de conservation des résidus des cultures et des effluents d'élevage. Cette thèse vise à acquérir des connaissances pour une gestion optimisée des biomasses végétales et animales afin d'améliorer la production agricole. Le principe est de favoriser le recyclage des biomasses végétales et animales en limitant les pertes en nutriments au sein de l'exploitation agricole. Pour cela, trois systèmes de culture pluviale ont été suivis en milieu contrôlé durant trois campagnes (2013 à 2016) : (i) rotation du riz avec du maïs associé à crotalaire en AC, (ii) rotation du riz avec de l'avoine en AC et (iii) rotation du riz avec du maïs associé au haricot en labour. À l'intérieur de chaque système de culture, quatre types de fertilisation ont été comparés : (i) aucune fertilisation, (ii) 5 t ha-1 de fumier conventionnel, (iii) 5 t ha-1 de fumier amélioré et (iv) 5 t ha-1 de fumier conventionnel + fumure minérale. Nous avons installé et suivi également les systèmes de culture ii et iii, et les deux fertilisations ii et iii en milieu paysan, pendant deux campagnes (2013 à 2015). Les rendements en grain de riz sont 27% et 48% supérieurs en utilisant le fumier amélioré ou la fumure minérale, respectivement, par rapport à la situation sans fertilisation. Pour les autres cultures, l'ordre d'importance des rendements en grain ou paille est similaire : fumure minérale > fumier amélioré > fumier conventionnel > sans fertilisation, mais la différence n'est significative que pour le maïs en milieu contrôlé. La production totale en grain (detoutes les cultures de la rotation) est plus élevée avec la rotation riz//maïs associé à la crotalaire et riz//maïs associé au haricot par rapport àla rotation riz//avoine. La production totale en paille de la rotation riz//maïs associé à la crotalaire est toujours significativement importante (10 à 17 t MS ha-1) en comparant à celle des deux autres systèmes de culture, grâce à la forte production de la crotalaire. Les rendements en paille ou en grain en milieu contrôlé et paysan sont similaires. Les racines de l'ensemble des plantes de chaque système de culture étudié permettent de restituer 18%, 27% et 28% du carbone total de toutes les biomasses aériennes et racinaires de la rotation riz//maïs associé à la crotalaire (10,0 t C ha-1 sur 2 ans), riz//avoine (3,1 t C ha-1 sur 2 ans) et riz//maïs associé au haricot (3,6 t C ha-1 sur 2 ans), respectivement. La simulation sur vingt ans du stock en C du sol (horizon 0 à 30 cm) montre que le delta carbone est toujours positif sous la rotation riz//maïs associé à la crotalairequand le stock en C total initial est inférieur à 160 t ha-1. Sous culture de riz//avoine et riz//maïs associé au haricot, le stock en C du sol peut être maintenu à l'équilibre, même en exportant 90% de la biomasse végétale aérienne pour l'alimentation animale, si le stock en C initial est de 60 t C ha-1. À chaque augmentation de 10 t C ha-1 du stock en C initial, les biomasses des rotations riz//avoine et riz//maïs associé au haricot exportées doivent être réduites respectivement de 17% et de 13% pour maintenir le stock en C initial. Ainsi, le delta carbone des rotations riz//avoine et riz//maïs associé au haricot devient négatif si les stocks en C de départ sont respectivement supérieurs à 110 et 130 t C ha-1. Pour ce qui concerne la restitution d'azote au sol, elle est également plus importante avec la rotation riz//maïs associé à la crotalaire (164 kg N ha-1 an-1) en comparant avec les deux autres rotations (de l'ordre de 45 kg N ha-1 an-1). En contrepartie, la rotation riz//avoine permet une production importante de lait (jusqu'à 3 640 l ha-1 an-1) par rapport aux autres rotations, riz//maïs associé au haricot (19% inférieur) et riz//maïs associé à la crotalaire (41% inférieur). En revanche, la rotation riz//maïs associé au haricot permet une production plus importante en grain plus riche en protéine par rapport aux deux autres rotations. Cependant, en tenant compte de toutes les productions (lait, grain, azote resitué au sol), la rotation riz//maïs associé à la crotalaire est la plus intéressante économiquement, avec un gain de 330 à 430 kAr ha-1 an-1 par rapport à la rotation riz//avoine, et de 60 à 620 kAr ha-1 an-1 par rapport à la rotation riz//maïs associé au haricot, suivant le taux d'exportation de la biomasse végétale consommable par les animaux. Pour chaque système de culture, la vente du lait produit, en valorisantla biomasse végétale comme fourrage, permet d'acheter une forte quantité de fumier et des engrais minéraux pour améliorer la fertilité du sol afin d'accroître les productions en grain dont celles du riz pour l'alimentation humaine. Le choix du système de culture utilisé dépendra, au final, de l'objectif de chaque paysan et de la taille de son exploitation.

Résumé (autre langue) : Conservation agriculture (CA) has been introduced in Madagascar to maintain the sustainability of rainfed cropping system. CA and ruminant livestock production must be considered as complementary and synergistic activities. Nevertheless, in certain circumstances, the competition in the use of plant biomass can occur. CA provides fodder resources to feed cattle. In return, ruminants recycle one part of the biomass ingested, but not digested, into manure. Thus, ruminants allow the improvement of soil fertility via manure supply. Nutrient recycling within cro-livestock farms can be optimized by improving the techniques of conservation of crop residues and livestock effluents. This thesis aims to acquire knowledge for an optimized management of animal and vegetable biomass in order to improve agricultural production. The idea is to promote recycling of plant and animal biomass limiting nutrient losses within the farm. For this, three rainfed cropping systems were monitored in a research station during three seasons (2013 to 2016): (i) rotation of upland rice with maize intercropped with Crotalaria grahamiana under CA, (ii) rotation of rice with oat under CA and (iii) rotation of rice with maize intercropped with bean under conventional tillage (CT). In each cropping system, four types of fertilization were used: (i) no fertilizer, (ii) manure produced by conventional management techniques at 5 t ha-1, (iii) improved manure at 5 t ha-1, and (iv) conventional manure at 5 t ha-1 + mineral fertilizer. We also implemented and monitored the two cropping systems (ii and iii), and the two types of fertilization (ii and iii) in farmers'fields, during two campaigns (2013-2015). Rice grain yield is 27% and 48% higher when using improved manure or mineral fertilizer compared to the situation with conventional manure and without fertilization, respectively. For the other crops, the order of importance of grain or straw yield is similar mineral fertilizer > improved manure > conventional manure > no fertilizer. However, the difference appears to be significant only for maize production. Total grain yield (of all the crops in the rotation) is much higher in the rotation rice//maize+crotalaire and rice//maize+bean than in the rice//oat rotation. The total production of straw by the rotation rice//maize+crotalaire is always significantly important (10 à 17 t DM ha-1) compared to the two other cropping systems because of the high production of crotalaire. Grain or straw yields in research station and on-farm are similar. The roots of all plants in each cropping system studied can return to soil 18%, 27% and 28% of total carbon of all aerial and root biomass of the rotation rice//maize+crotalaire (10. 0 t C ha-1 for 2 years), rice//oat (3. 1 t C ha-1 for 2 years) and rice//maize+bean (3. 6 t C ha-1 for 2 years), respectively. The twenty-year simulation of the C soil stock (horizon 0 to30 cm) shows that delta carbon for rice//maize+crotalaire rotation is always positive when the initial total soil carbon content is lower than 160 t C ha-1. On rice//oat and rice//maize+bean systems, soil C stock can be maintained at equilibrium even when exporting 90% of the aerial plant biomass for animal feed, if the initial C stock is 60 t C ha-1. At each 10 t C ha-1 increase in the initial soil C stock, the biomass exported from rice//oat and rice//maize+bean rotations must be reduced by 17% and 13% , respectively, to maintain the initial C stock. Thus, the carbon delta of rice//oat and rice//maize+bean rotations becomes negative if the initial C stock is greater than 110 t C ha-1 and 130 t C ha-1, respectively. Regarding the nitrogen restitution to the soil, it is also higher with the rotation rice//maize+crotalaire (164 kg N ha-1/year) comparing with to the other two rotations (around 45 kg N ha-1/year-1). In return, rice//oat rotation allows higher milk production (up to 3 640 l ha-1 year-1) compared to the other rotations, rice//maize+bean (19% lower) and rice//maize+crotalaria (41% lower). On the other hand, rice//maize+bean rotation allows a higher production of grain rich in protein compared to the other two rotations. However, taking into account all the productions (milk, grain, nitrogen resituated to the soil), the rotation rice//maize+crotalaire is the most economically interesting, with a gain of 330 to 430 kAr ha-1 year-1 compared to rice//oat rotation and from 60 to 620 kAr ha-1 year-1 compared to the rotation rice//maize+bean, following the export rate of plant biomass consumable by animals. For each cropping system, the sale of the milk produced by enhancing vegetable biomass as forage allows purchasing higher quantity of manure and of mineral fertilizers to improve soil fertility and in order to increase grain production. The choice of cropping systems used will depend on the objective of each farmer and the size of his farm.

Mots-clés Agrovoc : Système agropastoral, agroécologie, Cycle du carbone, Cycle de l'azote, Culture pluviale, Utilisation des déchets, Déchet agricole

Mots-clés géographiques Agrovoc : Madagascar

Mots-clés libres : Agriculture de conservation, Biomasse végétale, Fumier amélioré, Lait, Racines, Grain

Classification Agris : F08 - Cropping patterns and systems
P33 - Soil chemistry and physics
F04 - Fertilizing
L01 - Animal husbandry
L51 - Animal physiology - Nutrition
Q70 - Processing of agricultural wastes

Axe stratégique Cirad : Axe 1 (2014-2018) - Agriculture écologiquement intensive

Auteurs et affiliations

  • Irintsoa Rasolofo Laingo, CIRAD-PERSYST-UPR AIDA (FRA)

Source : Cirad-Agritrop (https://agritrop.cirad.fr/590123/)

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