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Résumé


Les systèmes de production agricole des régions sub-sahariennes subissent depuis quelques décennies de nombreuses transformations sous la contrainte de changements socio-économiques (croissance de la population, globalisation des échanges, exode rural, etc…) ou environnementaux (sécheresse persistante, modifications des climats). Ces changements ont un impact sur les propriétés des sols, plus particulièrement sur le fonctionnement biologique et la dynamique des matières organiques. Il est nécessaire de prendre en compte la gestion des ressources organiques de l’échelle de l’agrégat de sol à celle de l’agrosystème pour définir les voies d’amélioration de la production agricole. Dans le futur, il est proposé d’étudier les relations entre l’organisation spatiale des déterminants de la minéralisation des matières organiques dans les sols tropicaux et la production primaire. Dans ces sols où les ressources organique et minérale sont naturellement faibles, il est ainsi proposé de tester l'hypothèse selon laquelle les pratiques agricoles doivent maintenir ou générer une organisation spatiale appropriée des propriétés édaphiques pour améliorer les services écosystèmiques rendus par les sols cultivés.

Abstract


During the last decades, social, economical or environmental changes have modified land use systems. Consequently, soil processes such as the dynamic of soil organic matter have been altered. Therefore the sustainability of West African farming systems relies very much on the management of organic resources. Moreover, it is so crucial importance to investigate the dynamics of these organic resources at different scales from the aggregates to the farming systems. After having explored this scientific field, the development of my research will focus on the importance of the primary production on the spatial organisation of the main determinants responsible for SOM dynamic (e.g. soil biota, organic substrates). The hypothesis that it low input farming systems relies on the spatial organisation of soil properties have to be tested.



Sommaire


Avant propos 4

Résumé 6

Abstract 6

Sommaire 8

1 Introduction 10

2 Les systèmes de production à rotation culture-jachère. Matière organique et biofonctionnement des sols 17

3 Intrants organiques dans les agrosystèmes. Etudes de cas et processus de décomposition des matières organiques dans les sols. 39

4 Perspectives de recherche. 61

5 Curriculum Vitae 74

6 Publications, travaux encadrés et co-encadrés, animation de projets. 76

7 Références citées 85


1Introduction


L’agriculture des pays en voie de développement est primordiale à bien des égards. Elle est la principale activité des habitants de ces pays. L’Afrique Sub-saharienne regroupait en 2000, 626 millions d'habitants dont 61 pour cent (soit 384 millions) travaillent dans l'agriculture (statistiques de la FAO ; http://faostat.fao.org/). Cette agriculture est en grande partie une agriculture de subsistance. Mais s’y associe une agriculture de production de biens exportables sources de revenus extérieurs pour les états et les populations ; par exemple le coton au Burkina Faso ou au Mali, l’arachide au Sénégal. L’Afrique Sub-Saharienne est confrontée à une croissance démographique importante avec des prévisions de doublement de la population d’ici 2050. Cette croissance sera essentiellement urbaine et s’accompagnera de besoins en nourriture croissants. Enfin, dans ces pays en voie de développement, les activités agricoles demeurent le principal moyen à court et moyen terme de diminution de la pauvreté que ce soit en milieu rural ou en milieu urbain (Dixon et al., 2001).

L’agriculture est l'ensemble des travaux transformant le milieu naturel pour la production de végétaux et d'animaux utiles à l'Homme. L’objectif est pour le paysan d’optimiser l’exploitation du milieu naturel. La notion de durabilité, qui s’est imposée plus récemment dans les recherches agronomiques, introduit la notion de préservation des capacités de production du milieu naturel. L’agronomie doit donc s’intéresser à toutes les échelles du milieu naturel : de l’agrégat de sol et des microorganismes associés et leur génome, à la dimension du paysage dans lequel s’insère les agrosystèmes en passant par la parcelle agricole et les plantes cultivées. Naturellement, l’homme, et au-delà les communautés humaines jouent un rôle primordial dans le développement des relations entre ces différents niveaux d’observations. Plus récemment, est apparue une fonction supplémentaire attribuée à l’agriculture. Les systèmes agricoles, intervenant sur le milieu naturel, se doivent de le préserver voire de d’améliorer sa qualité. La préservation de la biodiversité et la mitigation des gaz à effet de serre sont maintenant des dimensions prises en compte dans les politiques de développement économique et agricole. Ceci devient d’ailleurs la préoccupation majeure des acteurs de la recherche-développement dans les pays du Nord.

L’agriculture sub-saharienne est en pleine évolution. Les systèmes de production dits traditionnels sont modifiés sous la contrainte de changements socio-économiques (croissance de la population, globalisation des échanges, exode rural, etc…) ou environnementaux (sécheresse persistante, modifications des climats). Suivre ces évolutions permet non seulement d’acquérir des connaissances sur les processus biologiques et physico-chimiques qui déterminent le fonctionnement dans toutes leurs dimensions des systèmes agro-écologiques, mais également de répondre à la demande d’innovations pour assurer durablement les fonctions de production et de régulation de l’environnement dévolues à l’agriculture.



1. Relation climat-production primaire, Fixation symbiotique de l’N atmosphérique 2. Intrants agricoles (engrais, pesticides). Fixation de l’N atmosphérique par microorganismes du sol. Apports d’éléments par les pluies 3. Décomposition des litières par la microfaune/microflore et la macrofaune 4. Décomposition des racines 5. Consommation des matières organiques par les organismes vivants du sol (énergie, nutriments), décomposition des organismes morts 6. Nutrition minérale des organismes du sol. Effets de la structure du sol sur son activité biologique. 7. Symbioses (rhizobium, mycorhizes). Prédation sur les racines 8. Nutrition minérale des plantes. Effets de la structure du sol sur l’enracinement. Rhizosphère 9. Protection physique de la MOS. Fixation d’éléments sur complexe argilo-humique 10. Interactions biologiques (prédation, mutualisme, commensalisme)
Figure 1: Relations ou interactions entre les différents compartiments biotiques et abiotiques dans un système sol-plante.


Les sols et leur qualité sont un maillon fort de la production agricole ; ils sont le support de la plante cultivée, et sont au centre des grands cycles biogéochimiques constituant des réserves d’éléments nutritifs, qui participent aux cycles de l’eau entre l’atmosphère et la terre. Ces sols sont des milieux complexes où les processus biologiques et chimiques qui s’y déroulent définissent leur qualité. L’étude de l’évolution des sols dans un contexte de changement des agricultures est primordiale pour accompagner au mieux la mise en place de systèmes agricoles productifs et durables.

L’équilibre et le fonctionnement des systèmes écologiques sont sous la dépendance de transferts ou de flux continus de matières, d’énergies et d’informations qui traversent les différents compartiments constitutifs de ces systèmes (Frontier & Pichod-Viale, 1998). Dans les agrosystèmes à faible utilisation d’intrants chimiques, les composés organiques sont les vecteurs de ces flux de matière et d’énergie (Woomer & Swift, 1994). Les matières organiques peuvent être considérées comme une ressource renouvelable. Leur dynamique met en jeu des formes variées de carbone manipulées par divers acteurs (homme, plante, animal) qui les produisent, les consomment ou les transforment de façon non indépendante le long de chemins trophiques. La productivité des agrosystèmes est basée en grande partie sur la gestion de ces ressources organiques, plus particulièrement dans les zones soudaniennes et soudano-sahéliennes caractérisées par des sols à texture sableuse (Nye & Greenland, 1960 ; Pieri, 1989 ; Floret et al., 1993).

Le sol, considéré dans sa dimension écologique, est un compartiment essentiel de ces systèmes. Il abrite en partie les processus de décomposition et de minéralisation de la MO. Il est également un milieu vivant qui héberge une très grande diversité d’organismes qui interagissent entre eux (Lavelle et al., 1995 ; Swift, 1998), déterminant des flux de matière et d’énergie. Dans les sols, sous le vocable « matière organique du sol » (MOS), on rassemble un continuum de formes vivantes et mortes allant du résidu végétal ou animal frais aux substances humiques associées ou juxtaposées à des particules minérales (Morel, 1989). La MOS a un rôle agro-écologique fondamental largement reconnu : stimulation de l'activité biologique qui y puise son énergie, source directe d'éléments nutritifs pour les êtres vivants et amélioration de certaines propriétés physiques et chimiques du sol (Pieri, 1989 ; Tiessen et al., 1994 ; Feller et al., 2000). Plus récemment, dans les agricultures intensives, les préoccupations liées à la durabilité et à la protection de l’environnement ont incité également la recherche agronomique à reconsidérer la place des ressources organiques dans les techniques agricoles (Brussaard & Ferrera-Cerrato, 1997 ; Tilman, 1998). L’amélioration d’une production agricole durable passe par une meilleure compréhension de la dynamique spatio-temporelle des matières organiques dans les sols et leur environnement. La Figure 1 schématise l’ensemble des compartiments biotiques et abiotiques d’un système sol-plante ainsi que les relations ou interactions entre ces différents compartiments.

Les recherches présentées dans ce mémoire concernent l’évolution de la qualité des sols (propriétés physico-chimiques et biologiques) dans un contexte de changement d’usages des terres dans les pays en voie de développement. L’approche se veut écologique par la prise en compte de la place des sols dans leur environnement écosystémique.


Encadré 1

La zone d’étude entre 1989 et 2006 : au cœur des savanes sub-sahariennes


La zone d’étude s’étend entre les 10éme et 14éme parallèle Nord, du Sénégal au Nord Cameroun. D’un point de vue climatique, les climats soudaniens à soudano-sahéliens dominent avec deux saisons contrastées : une saison sèche et une saison humide avec des pluviosités annuelles moyennes allant de 400 à 1000 mm respectivement du Nord au Sud. Géologiquement, la roche mère est issue de formations primaires du pré Cambrien et de roches magmatiques. La géomorphologie de la région peut se résumer à de vastes plateaux peu élevés, disséqués laissant apparaître à la suite d’érosions récentes des surfaces latéritiques. Les sols sont dominés par les sols ferrugineux tropicaux plus ou moins lessivés. Selon la classification FAO, ces sols se situent entre des arénosols, lixisols, acrisols ou luvisols (FAO, 1998). Concernant les formations végétales naturelles, cette zone est le domaine des savanes allant du nord au sud des savanes arides des régions sub-sahéliennes aux savanes plus humides densément arborées (Kowal & Kassam, 1978 ; Menaut et al., 1995). Les principales espèces ligneuses appartiennent à la famille des Combretaceae alors que les Andropogonae caractérisent la strate herbacée de ces savanes.

Trois terroirs caractéristiques de la zone :

  • Le terroir de Sonkorong représentatif du Bassin Arachidier dans le centre du Sénégal. Cette zone agroécologique appartient au domaine soudano-sahélien (pluviosité annuelle 500-800 mm). Elle présente une forte pression foncière liée à la culture de l’arachide. La jachère a pratiquement disparu. Elle subit de nombreuses contraintes au développement agricole et rural : sécheresse, érosion éolienne et hydrique, dégradation du couvert ligneux et herbacée, extension des terres dégradées. On assiste alors à une diminution des rendements, un déficit fourrager et une pénurie de bois-énergie et de bois d’œuvre.

  • Le terroir de Sare Yorobana en Haute Casamance (Sénégal) appartient au domaine soudano-sahélien avec une pluviosité annuelle de 800 à 1000 mm. Elle est caractérisée par une pression anthropique relativement peu élevée avec des faciès végétaux encore diversifiés (jachère longue, savane boisée, forêt sèche). Dans cette zone à vocation agro-sylvo-pastorale, la production arachidière et cotonnière se développe rapidement.

  • Le terroir de Bondoukuy au Burkina Faso, au climat nord soudanien au sud soudanien (800-1000 mm), est caractérisé par une pression foncière de plus en plus forte. Le système de production est à base de coton à l’Ouest et céréalier au Sud-Ouest. Le développement de la culture de coton attire des migrants en provenance de la zone nord. Les sols cultivés, en général de nature sablo-limono-argileuse plus ou moins lessivés perdent de plus en plus leur fertilité par appauvrissement de la matière organique.


La première partie de mes travaux concerne l’étude des jachères et leur rôle dans le maintien des propriétés physico-chimiques et biologiques des sols dans les systèmes de production à rotation culture-jachère. Par la suite, constatant que les systèmes à jachère ne pourraient pas se reproduire et se développer, mes travaux se sont orientés sur la valorisation des ressources organiques à partir de l’hypothèse qu’elles soient la clé de l’augmentation durable de la production agricole dans systèmes agraires des pays en voie de développement. Pour cela, ont été abordés l’effet de la qualité biochimique des matières organiques sur leur dynamique dans les sols, ainsi que l’importance de la variabilité spatiale des interactions substrat organique et microorganisme. Des investigations ont portées également sur différents systèmes de culture présentant des pratiques de recyclage de matières organiques résiduaires.
Les travaux menés depuis 1992 se sont déroulés au Sénégal puis au Burkina Faso dans des régions représentatives des agricultures de savanes sub-sahariennes (Encadré 1). Dans un premier temps seront présentées les recherches sur les propriétés des sols dans les systèmes de production à rotation culture-jachère, avec une analyse plus particulière sur la dynamique de jachères de courte durée. Avant de présenter les perspectives de recherche, seront présentés des travaux de recherche particuliers sur la dynamique des matières organiques dans les sols.

Encadré 2

« La jachère en Afrique Tropicale »

Projet UE 7ACP RPR269

1994-2004

Objectifs

L’objectif du projet était de réaliser un programme d’étude, d’amélioration et de gestion de la jachère au niveau de terroirs villageois dans des pays d’Afrique tropicale. Il s’agissait d’insérer le cycle culture-jachère, ou les modes de substitution à la jachère lorsqu’elle a disparu, dans une stratégie de développement durable. Le renforcement des capacités nationales d’intervention dans le domaine objet de l’étude était aussi un des objectifs affichés du projet.

Les pays concernés ont été : Burkina Faso, Côte d’Ivoire, Mali, Niger, Sénégal.

Mise en œuvre (organisation)

Le programme de recherche a été coordonné par l’Institut de Recherche pour le Développement (IRD, ex ORSTOM, France) sous l’égide de la CORAF. Il a associé plusieurs institutions de recherche et d’enseignement supérieur : CNRST (Burkina Faso), CNRA (Côte d’Ivoire), IER (Mali), Faculté d’Agronomie (Niger), ISRA (Sénégal), CIRAD (France), CEFE/CNRS (France), NRI (Grande Bretagne) et de nombreuses universités du Nord et du Sud.

Le projet a été financé dans les 5 pays par le 7ème FED et par la France. Un projet financé par la DGXII a permis d’associer un pays d’Afrique centrale, le Cameroun, à ces recherches sur la jachère.

Principaux résultats

Les actions entreprises ont privilégié des recherches à caractère finalisé pour l'amélioration, la valorisation ou la substitution de la jachère par d'autres pratiques. En effet face à la saturation de l’espace cultivable, des techniques de "jachères améliorées" ont été proposées avec des essais par les chercheurs dans les terroirs retenus, pour maintenir les fonctions indispensables de la jachère (fonctions de restauration de la fertilité, de production fourragère et de bois etc.). Elles ont parfois été aussi obtenues en station. Ces techniques doivent donc encore être validées en milieu réel, aux niveaux local et régional, et appropriées par les paysans.

U
Localisation des sites d’études du projet « La Jachère en Afrique tropicale »
n premier volume publié sur les résultats du Programme Jachère représente les Actes du « Séminaire international sur la Jachère en Afrique tropicale » (Floret & Pontanier, 2000b). Il contient les communications présentées, dans l’ordre des dix sessions et le texte des posters. Un second volume intitulé “ De la jachère naturelle à la jachère améliorée. Le point des connaissances ” est publié chez le même éditeur (Floret & Pontanier, 2000a). Il contient dix articles de synthèse qui font le point des connaissances actuelles sur les mêmes thèmes.

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