0605-B4
Mohammed S. Lamhamedi et Jean Gagnon 1
Afin de diminuer la pression sur les forêts naturelles et de satisfaire les besoins en produits ligneux, de lutter contre l'érosion des sols et la désertification, le reboisement figure parmi les stratégies adoptées du développement durable. L'utilisation de plants de qualité permettra d'améliorer la survie, l'établissement et la croissance des plants, ce qui aura pour effet de garantir un meilleur succès des plantations forestières. La production de plants de qualité repose sur une gestion optimale de l'irrigation et de la fertilisation en pépinières forestières. Ces techniques culturales demeurent très consommatrices d'eau et favorisent le lessivage des éléments minéraux, ce qui affecte la qualité des eaux souterraines et de surface. L'utilisation rationnelle de l'eau et la préservation de sa qualité sont devenues un enjeu planétaire en terme de développement socio-économique. Pour produire des plants de qualité en pépinière forestière tout en minimisant l'impact environnemental des fertilisations, nous avons développé de nouvelles technologies reliées à l'irrigation et à la fertilisation de plants. Cet article présente ces dernières percées technologiques, uniques au monde et facilement utilisables en pépinières, notamment: la réflectométrie dans le domaine temporel (RDT) pour contrôler et optimiser l'irrigation, le logiciel de fertilisation PLANTEC, et le logiciel LessN, un outil de simulation de la minéralisation de la matière organique et du lessivage des nitrates et des pesticides. Ces technologies ont été intégrées à différents degrés dans plusieurs pays (Chine, Tunisie, Maroc, France, Nicaragua, Guatemala et Bolivie), afin de leur permettre de réduire l'utilisation de l'eau, de protéger sa qualité et de produire des plants de qualité. L'utilisation de ces plants de qualité a permis d'améliorer de façon significative le taux de survie en site de reboisement.
L'utilisation des plants de qualité dans les programmes de reboisement a un impact majeur sur l'établissement, la physiologie, la survie et la croissance des plantations forestières (Margolis et Brand 1990). Des conditions optimales de croissance permettent de déclencher le fonctionnement de gènes chez les plants forestiers qui autrement, n'interviendraient qu'à un stade plus âgé en conditions naturelles (Lascoux et al. 1993). L'irrigation et la fertilisation figurent parmi les techniques culturales qui affectent la qualité des plants et sont difficiles à optimiser en pépinière forestière. L'utilisation non raisonnée de l'eau, des fertilisants et des pesticides menace sérieusement la qualité des eaux de surface et souterraines (Pepper et al. 1996). Cependant, la rareté et la détérioration de la qualité des ressources hydriques à l'échelle mondiale sont devenues un obstacle majeur à la sécurité alimentaire et au développement socio-économique.
Pour préserver la qualité des eaux souterraines, les règlements sur l'eau potable adoptés pour l'azote en Amérique du Nord et en Europe prévoient que les concentration en azote (N) sous formes de nitrates et nitrites ne doivent pas dépasser respectivement 10 et 11,4 mg N/L. Bien que les cultures des pépinières forestières et horticoles occupent des superficies beaucoup moins importantes que celles des milieux agricoles, les techniques de gestion de l'irrigation et de fertilisation pratiquées dans ces pépinières demeurent très consommatrices d'eau et favorisent le lessivage des éléments minéraux, notamment celui des nitrates (Juntunen and Rikala 2001, Lamhamedi et al. 2001). Actuellement, le lessivage et la contamination de la nappe phréatique par les NO3- constituent un problème planétaire (Pepper et al. 1996).
Au cours des dernières années, une approche originale de nutrition minérale informatisée a été développée au Québec et elle consiste à fertiliser les plants de façon à combler les besoins nutritifs hebdomadaires (Langlois et Gagnon 1993, Girard et al. 2001). Elle facilite la production de plants en pépinière en vue de répondre aux normes très strictes de qualités morphologique et physiologique et de réduire l'impact environnemental des fertilisations. Depuis 1992, les pépiniéristes du Québec utilisent cette approche sur une base opérationnelle grâce au logiciel PLANTEC (Girard et al. 2001). Un autre logiciel LessN a aussi été développé pour simuler en pépinières forestières, la minéralisation de la matière organique, le lessivage de l'azote et des pesticides sous les plants à racines nues (Banton et Larocque 2002, Larocque et al. 2002). Récemment, d'autres travaux (Lamhamedi et al. 2001) ont permis d'adapter un outil pratique de contrôle et d'optimisation de l'irrigation en pépinière (MP-917) dont le principe repose sur la réflectométrie dans le domaine temporel (RDT). Cette technique facilite la prise de décision en matière d'irrigation tout en tenant compte de la teneur en eau du substrat réellement disponible au niveau des racines.
Pour assurer une production des plants forestiers davantage respectueuse de l'environnement, il paraît judicieux de gérer l'irrigation et la fertilisation en tenant compte de la teneur en eau du substrat (%, v/v), de sa fertilité, des besoins en eau et en éléments minéraux du plant, des apports d'azote minéral provenant de la minéralisation de la matière organique du sol, des précipitations, des variables environnementales et des systèmes d'irrigation et de fertilisation. Cette optimisation des régies de culture nécessite un couplage simultané de ces percées technologiques. Pour faire bénéficier les programmes de reboisement des pays en voie de développement de ces technologies de pointe, le défi consiste à les introduire de façon progressive et de les adapter dans le cadre des projets de modernisation des pépinières forestières.
Cette étude vise à présenter les percées technologiques développées au Québec qui sont actuellement utilisées à l'échelle opérationnelle en pépinières forestières et qui ont permis d'optimiser l'irrigation et la fertilisation des plants. Elles consistent à: i) utiliser la réflectométrie dans le domaine temporel (RDT) pour contrôler et optimiser l'irrigation des plants (1+0) et (2+0) tout en minimisant le lessivage, ii) gérer la fertilisation des plants forestiers en fonction de leurs besoins nutritifs et de leurs stades de croissance à l'aide du logiciel PLANTEC, iii) coupler le logiciel LessN, outil de simulation de la minéralisation de la matière organique et du lessivage de l'azote et des pesticides, avec la RDT et le logiciel PLANTEC, et iv) adapter et appliquer ces outils technologiques dans certaines pépinières modernes des pays en voie de développement afin de produire des plants de qualité pour le reboisement.
Des dispositifs expérimentaux ont été installés dans les conditions opérationnelles des pépinières forestières avec les deux essences les plus utilisées au Québec: l'épinette noire (1+0) (Picea mariana [Mill] BSP) et l'épinette blanche (1+0) [Picea glauca (Moench.) Voss]. L'ensemencement a été réalisé dans des conteneurs à parois ajourées IPL 25-350A (25 cavités de 350 cm3) dont les cavités sont remplies d'un mélange de tourbe et de vermiculite (3/1, v/v). Pour ces deux essences, nous avons installé un dispositif en six blocs aléatoires complets sous tunnel en vue de déterminer l'effet de quatre régies d'irrigation (15 %, 30 %, 45 % et 60 %; % cm3 H2O/cm3 substrat), maintenues constantes tout au long de la saison, sur la croissance, les échanges gazeux, l'architecture des racines et le lessivage des éléments nutritifs. Pour chaque régie d'irrigation, 162 conteneurs (27 récipients/ bloc/ régie) sont utilisés pour les six blocs du dispositif expérimental. Chaque régie d'irrigation est distribuée aléatoirement à l'intérieur de chaque bloc.
Les teneurs en eau ont été contrôlées par RDT en utilisant le MP-917 (ESI Environmental Sensors Inc., Victoria, C-B, Canada). Les procédures de contrôle et d'ajustement des régies d'irrigation et de la fertilité du substrat, d'insertion des sondes dans les conteneurs sont décrites par Lamhamedi et al. (2000, 2001, 2002a). Ces travaux présentent les méthodes d'échantillonnage, d'analyse de la croissance, d'évaluation des échanges gazeux, de l'architecture des racines et de la nutrition minérale.
La gestion informatisée de la fertilisation, à l'aide du logiciel PLANTEC (Girard et al. 2001), permet aux pépiniéristes de modéliser la croissance saisonnière des plants forestiers, quelque soit le type de culture (essence, âge, plant en conteneur ou à racines nues), d'évaluer ses besoins hebdomadaires en éléments minéraux (N, P, K) et de construire un calendrier de fertilisation spécifique à chaque essence. Une fois que les données des suivis de cultures (croissance des plants, teneurs en minéraux dans les plants et les substrats ou sols) ont été saisies dans PLANTEC, le logiciel élabore des courbes d'évolution saisonnière de trois paramètres: masses sèches totales du plant, concentrations en éléments minéraux du plant entier et du substrat. Toutes les étapes de construction d'un calendrier de fertilisations sont décrites dans Langlois et Gagnon (1993) et Girard et al. (2001).
Pour les deux dispositifs d'épinettes blanches et noires (1+0) produits sous tunnel (mai à octobre) dans le conteneur 25-350A, à chaque date d'échantillonnage, le lessivage des éléments minéraux a été déterminé en analysant la solution lessivée en fonction des quatre régies d'irrigation. Pour chaque conteneur échantillonné, la solution lessivée à partir des 25 cavités du conteneur a été prélevée dans un récipient-capteur (RC) en plastique muni à sa base d'une bouteille.
Dans le cas de la culture extérieure d'épinette blanche (2+0) en conteneur 25-350A, le suivi du lessivage a été réalisé de façon continue tout au long de la saison (mai à octobre) dans un dispositif en quatre blocs aléatoires. Dans chaque bloc, nous avons installé cinq RC pour collecter le volume lessivé, soit un total de 20 RC. Alors que des pluviomètres ont permis de mesurer les apports d'eau (précipitations, irrigations), l'évolution saisonnière des teneurs en eau du substrat (%, v/v) a été mesurée grâce au MP-917, Les variables environnementales ont été enregistrées à l'aide d'une station météorologique dotée d'un système d'acquisition de données.
Utilisation du logiciel LessN pour simuler la minéralisation de la matière organique et le lessivage de l'azote sous les plants à racines nues
Le logiciel LessN a été utilisé pour quantifier les apports d'azote minéral (Nmin) provenant de la minéralisation de la matière organique du sol et pour simuler le lessivage des nitrates (NO3-) sous les plants à racines nues. Une interface a été développée entre l'outil de simulation LessN et le logiciel de fertilisation PLANTEC pour permettre au pépiniériste de gérer la fertilisation azotée des plants à racines nues en tenant compte des apports de Nmin issus de la minéralisation de l'azote organique. Un total de 19 cases lysimétriques a aussi été installé en pépinière afin de mesurer les quantités d'azote et autres minéraux lessivées sous les plants à racines nues.
La RDT a permis de maintenir tout au long de la saison les quatre teneurs en eau du substrat (%, v/v) au niveau de la rhizosphère des épinettes blanches et noires (1+0) avec une erreur standard qui dépasse rarement 2 % (Figure 1). En modifiant uniquement la longueur de la sonde, le nombre de cavités échantillonnées pourra être ajusté pour tous les types de conteneurs utilisés en pépinière à l'échelle mondiale. La simplicité et le caractère instantané de la RDT, en termes de détermination des teneurs en eau du substrat et de prise de décision en matière d'irrigation, font qu'elle est devenue une technique très utilisée par plusieurs pépinières forestières et horticoles (Lamhamedi et al. 2002b).
Durant la première saison de croissance, le maintien des quatre régies d'irrigation ciblées a eu un effet significatif sur les variables standards de croissance des semis d'épinette noire (P = 0,0261 à P < 0,0001) et d'épinette blanche (P < 0,0001). De plus, la régie d'irrigation a affecté significativement les concentrations et le contenu en éléments minéraux des semis, le lessivage, l'architecture des racines et les échanges gazeux. Ces résultats corroborent ceux de plusieurs travaux (Lamhamedi et al. 2001, Stowe et al. 2001) montrant que la réduction de l'irrigation améliore la croissance et la physiologie des semis.
Les quantités d'eau cumulatives utilisées durant la saison de croissance des semis d'épinette noire (1+0) ont atteint 60, 69, 95 et 253 mm pour maintenir respectivement les quatre régies d'irrigation 15, 30, 45 et 60 % (v/v). Les comparaisons entre les régies d'irrigation révèlent que les semis d'épinette noire (1+0) peuvent croître sous une d'irrigation 15 % sans affecter les variables morphologiques et physiologiques.
Figure 1. Exemple de contrôle très précis des quatre teneurs en eau (%, v/v) dans le substrat à l'aide de la RDT.
Grâce au logiciel PLANTEC, l'approche de nutrition minérale informatisée a permis de mieux gérer et d'optimiser les apports de fertilisants en fonction des besoins nutritifs hebdomadaires des plants et de leurs stades de croissance. Ce logiciel peut gérer simultanément jusqu'à 500 lots et 100 calendriers de fertilisation. De plus, PLANTEC peut également assurer le suivi des données météorologiques, des irrigations et des pulvérisations de pesticides, de même que la gestion des intrants de la pépinière. Par rapport aux outils informatiques disponibles, PLANTEC semble de loin plus complet car il prend en compte plusieurs aspects de la fertilisation.
Le lessivage de la solution du sol en fonction des quatre régies d'irrigation évaluées s'ajuste à une fonction exponentielle [
où L = quantité lessivée en mL/cavité et x = régie d'irrigation] sous les plants d'épinette noire (1+0) et d'épinette blanche (1+0) produits sous tunnel. La régie d'irrigation 60 % avait causé un lessivage important des éléments minéraux sous le conteneur 25-350A.
Dans le cas de la culture extérieure d'épinette blanche 2+0 produite en conteneur 25-350A, les apports d'eau totalisaient 872 mm, dont 374 mm sont d'origine pluviale (Figure 2). Ces 872 mm d'eau équivalent à un apport de 114,7 litres (L) par conteneur alors que les pertes d'eau s'élevaient à 47 L/conteneur, soit 41 % des apports d'eau.
Figure 2: Évolution saisonnière: N teneurs en eau (%, v/v) du substrat, 
apports d'eau cumulatifs, irrigations cumulatives, 
pertes d'eau cumulatives et 
pluies cumulatives.
Cette perte d'eau est du même ordre de grandeur que celle obtenue pour une culture semblable (51 L/conteneur) par Gagnon et Girard (2001). Le suivi continu des teneurs en eau au niveau de la rhizosphère a montré que celles-ci ont varié entre 37 % et 69 %, avec une moyenne saisonnière de 53 % (v/v). Les pépiniéristes devraient gérer l'irrigation des cultures 2+0 en conteneurs de façon à ce que les teneurs en eau se situent autour de 35-40 % (v/v) et qu'elles ne dépassent jamais 50 %.
Cette perte saisonnière d'eau (47 L/conteneur) a été accompagnée par un lessivage important des anions (NO3-, H2PO4-) et des cations (NH4+, K+, Ca2+, Mg2+). Ces résultats montrent que l'ion NO3- n'est pas le seul élément nutritif et ni la seule source d'azote à avoir été lessivée au cours de la saison (Figure 3). Sur les 311 kg N/ha que les plants ont reçu entre le 19 mai et le 18 octobre, il s'en est lessivé 183 kg N/ha (59 %). Cette perte d'azote était constituée au 2/3 en nitrate et au 1/3 en ammonium. Afin de diminuer ces pertes, il est essentiel de maintenir dans le substrat des teneurs en azote minéral (Nmin) entre 200 et 250 mg/kg (ppm) durant la phase de croissance active des plants et de ne pas dépasser 250 mg/kg. En réduisant le lessivage des NO3- et celui des cations qui les accompagnent, cela permettra de réduire substantiellement les risques de contamination des eaux souterraines.
Figure 3. Quantités d'éléments minéraux (mg/plant) reçues et lessivées sous la culture extérieure d'épinette blanche 2+0.
LessN est à notre connaissance le seul logiciel conçu pour quantifier le devenir de l'azote et des pesticides en pépinière forestière. LessN permet aussi de simuler (kg N/ha/année) la minéralisation de la matière organique du sol. Grâce à LessN, le pépiniériste peut maintenant connaître les apports d'azote minéral (Nmin) provenant de la minéralisation de l'azote organique et déduire ces apports de Nmin des doses d'azote qu'il avait prévu appliquer aux plants. Ainsi, LessN contribue à réduire «à la source» les quantités de nitrates susceptibles d'être lessivées jusqu'à la nappe phréatique.
Des simulations réalisées par Larocque et al. (2002) avec une culture d'épinette noire 2+2 ont fait ressortir que sous les conditions climatiques du Québec, plus de 90 % du lessivage annuel des nitrates survient au printemps (fonte des neiges) et à l'automne (pluies). En effet, 75 % de ces pertes avaient eu lieu au printemps. Les simulations des données de ces dispositifs avec LessN nous ont permis de quantifier la minéralisation de la matière organique en pépinières forestières et de montrer qu'elle se situe entre 50 et 80 kg N/ha par année.
La mise en application et l'intégration progressive de ces technologies dans les programmes de reboisement de plusieurs pays [Tunisie, Maroc et Nicaragua (Lamhamedi et al. 2000), Chine (Langlois C.G., comm. pers.), France, Bolivie et Guatemala] ont été effectuées dans le cadre de projets de coopération en réseau et/ou des projets de modernisation des pépinières forestières. Plusieurs ajustements ont été réalisés concernant la gestion des pépinières, notamment l'informatisation des pépinières, le choix des conteneurs, le compostage des déchets sylvicoles et la mycorhization (Lamhamedi et al. 2000). Ces nouvelles techniques ont permis d'améliorer significativement la qualité des plants et leur taux de survie.
L'utilisation de la RDT en pépinière forestière permet de gérer l'irrigation en fonction des besoins des plants. Grâce aux logiciels de fertilisation PLANTEC et de simulation de la minéralisation et du lessivage de l'azote (LessN) développés au Québec, les pépiniéristes peuvent optimiser la fertilisation des cultures. L'utilisation simultanée de la RDT et des logiciels de fertilisation et de simulation (PLANTEC et LessN) permettra au pépiniériste de produire des plants de qualité tout en minimisant l'impact environnemental des apports d'engrais. Ces nouvelles technologies sont maintenant à la portée du pépiniériste et sont facilement transposables dans la majorité des pépinières forestières. D'ailleurs, ces techniques ont montré leur efficacité dans l'amélioration de la qualité des plants, de leur croissance et de leur taux de survie. Elles sont utilisées dans le cadre de projets de modernisation des pépinières et de transfert de technologie dans plusieurs pays.
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