Chapitre 8 - ÉNERGIE

Les besoins énergétiques des activités de travail du sol
Énergie et traction animale
Les animaux de trait
Le travail du sol en relation avec le niveau de technologie

Willem Hoogmoed, Chercheur, Département du travail du sol, Université agronomique, Wageningen, Pays-Bas

La production de cultures est un des rares processus par lequel l'énergie solaire est captée et conservée sous la forme de matériel organique utilisé comme aliment ou combustible. Il existe habituellement suffisamment d'énergie solaire disponible et les raisons pour lesquelles les rendements obtenus sont moins bons que les rendements potentiels obtenus par rayonnement sont nombreuses. Les contraintes essentielles sont les réserves limitées en eau, une déficience en éléments nutritifs des plantes, la compétition des mauvaises herbes, parfois les basses températures, les effets néfastes des parasites et un mauvais calendrier cultural.

Dès lors, toute tentative d'amélioration de la production des cultures doit passer par une augmentation ou une modification des intrants (énergie) du cultivateur. Bien que la balance énergétique agricole soit un sujet complexe qui dépasse le sujet de ce cours, nous expliquerons ici la situation du travail du sol au sein du schéma énergétique général.

Dans les nations industrialisées, la production agricole compte pour moins de 5% dans la consommation énergétique totale. Malheureusement, il existe peu d'informations concernant les pays en voie de développement à ce sujet. En fait, on trouve un schéma de consommation tout à fait différent dans ces pays: les cultures vivrières de base représentent habituellement une partie très importante de leurs extrants tandis que les intrants énergétiques sur l'exploitation ne sont pas beaucoup moins élevés que ceux des pays industrialisés. Plus précisément, la quantité d'énergie nécessaire pour nourrir les animaux de trait étant très élevée, les intrants peuvent même être plus importants qu'avec les méthodes super-mécanisées des pays industrialisés.

Si l'on compare les balances énergétiques des systèmes agricoles de différents pays, il semble clair que les seuls intrants des pays industrialisés sont le carburant, les engrais, l'irrigation, les équipements, le séchage et les procédés de transformation sur l'exploitation. L'intrant énergétique des cultures vivrières de base ou des petits cultivateurs des pays en voie de développement est surtout associé aux travaux des hommes et des animaux et seule une petite partie concerne les engrais, les équipements, l'essence et les produits phytosanitaires.

Les extrants (en terme d'apports énergétiques des produits agricoles) des systèmes à intrants élevés sont plus élevés mais le rapport extrant-intrant est normalement plus bas que pour des systèmes à faibles intrants. Des statistiques établissent des rapports extrant-intrant qui varient de 1,5 à 6 pour des systèmes à intrants élevés et de 15 à 60 pour des systèmes à faibles intrants. Il faut toutefois tenir compte des différentes méthodes de calcul et ne pas se fier complètement aux chiffres.

Le travail du sol fait partie des intrants pris en compte dans la balance énergétique et dépend d'une série de facteurs. L'ensemble du système de production détermine l'ampleur des intrants pour l'irrigation, les engrais, les pesticides, les récoltes, le séchage des cultures, le transport et le type de travail du sol utilisé. Dans les systèmes à intrants élevés utilisant des méthodes de labour traditionnelles, le labour compte pour environ 5% dans les systèmes irrigués et jusqu'à 15% dans les cultures pluviales. Il est à noter que tous les facteurs sont exprimés en unités énergétiques. Les engrais, la mécanisation et l'irrigation sont les plus gros consommateurs d'énergie. Une réduction du travail du sol ou un système de semis direct peut diminuer la proportion utilisée pour le travail du sol mais, dans les pays tropicaux en tout cas, les systèmes réduits de travail du sol ne sont pas appliqués uniquement afin de réaliser des économies d'énergie.

Les équipements et les combustibles sont en général disponibles pour le travail du sol dans les systèmes à intrants élevés mais leur coût et le travail peuvent poser des problèmes tandis que dans les systèmes peu énergétiques, la disponibilité en énergie et les équipements sont des facteurs restrictifs. Quand seul un certain nombre d'animaux/heure et hommes/heure est disponible pour chaque hectare, la superficie utilisable pour la production des cultures est limitée au nombre d'hectares dont ils peuvent s'occuper aux périodes de gros travaux. Les problèmes peuvent surgir avec le labour, le désherbage et dans une moindre mesure les récoltes. Parfois, il est même impossible physiquement de réaliser certaines tâches agricoles. En effet, dans les régions semi-arides, le travail humain ou animal ne suffit pas pour labourer les sols secs et très durs.

Les besoins énergétiques des activités de travail du sol

L'énergie ou la traction demandée par les activités de travail du sol dépend de plusieurs facteurs dont les plus importants sont:

La profondeur du travail du sol: un labour profond nécessitera une force de traction plus importante, qui augmente de façon presque linéaire avec la profondeur. De sorte que labourer à une profondeur de 20 cm nécessite environ deux fois plus d'énergie qu'à une profondeur de 10 cm. Cette explication ne vaut que jusqu'à une certaine profondeur, à laquelle l'angle de coupe de la charrue devient inefficace puisque le versoir ne peut plus déposer la section de terre retournée.

Le type de sol et son état: l'expression de "sol léger" appliquée à un sol sablonneux a rapport avec le labour et pas avec le poids. La traction est liée au type de sol mais en dehors de ça, le taux d'humidité du sol est très important. Pour les sols sablonneux, par exemple, cette variation est beaucoup plus étendue que pour les sols argileux. Donc un sol sablonneux peut être travaillé quand il fait plutôt sec jusqu'à un point où il devient assez mouillé. Un sol argileux sera dur quand il fait sec mais devient très vite trop mouillé pour labourer correctement. Dès lors, sous les mêmes conditions climatiques, les sols sablonneux sont plus faciles à travailler et peuvent l'être plus longtemps que les sols argileux.

Type d'équipement: la façon dont l'équipement influencera le travail est également importante. Par exemple, une charrue à versoir retournera plus de terre que le 'chisel' (cultivateur lourd), l'énergie requise sera plus élevée et augmentera plus vite pour les sols lourds.

La vitesse: la même explication s'applique à la vitesse du labour, c'est à dire que travailler à une vitesse plus rapide nécessite une force de traction plus importante. Dans le cas de la traction animale, ce n'est pas très important car les boeufs de travail marchent à une vitesse relativement lente de 2 ou 3 km/h qui ne varie pas beaucoup.

La résistance spécifique du sol peut varier de 15 pour les sols légers au taux d'humidité maximal à plus de 160 kPa pour les sols secs et plus lourds. Ces valeurs (1 kPa = 0,01 kgf/cm²) dépendent également de la forme de l'instrument. En connaissant l'ordre de grandeur de cette résistance, on peut estimer les puissances requises pour certaines opérations.

Briser les croûtes superficielles ne demande pas beaucoup d'énergie. Si l'objectif principal est de favoriser l'infiltration de l'eau, la croûte peut être fragmentée en grosses mottes ou agrégats. Cette opération superficielle peut être effectuée avec des houes simples, des herses ou des chisels. Elle est en général réalisée au cours d'une période située entre les périodes de croissance des cultures ou pendant une jachère, ou encore au cours de la période de croissance, entre les rangées de plants. S'il est nécessaire de briser une croûte située au-dessus d'une culture en germination ou prête à sortir, des rouleaux légers ou des concasseurs devront être utilisés avec un besoin énergétique très faible.

Dans le cas de sols pris en masse, l'énergie nécessaire à l'ameublissement peut être considérablement plus élevée. Cela dépendra d'un certain nombre de facteurs, dont les plus importants sont la puissance, la densité apparente, le taux d'humidité du sol, la profondeur du labour et le type d'outil de travail du sol. En fait, les besoins énergétiques constituent probablement l'obstacle le plus important à l'exécution des pratiques de travail du sol. Willcocks (1981) a estimé les besoins d'un engin de trait allant de 12,6 kN par corps de charrue pour un labour avec charrue à versoir à 25 cm de profondeur et de 14,4 kN par dent pour un labour avec une charrue chisel à 20 cm de profondeur sur des Luvisols secs à mottes au Botswana. Les besoins de traction pour les labours avec charrue chisel et sous-soleuse sur des sols durs et secs augmentent considérablement en fonction de la profondeur de travail (Wolf et al., 1981; Garner et al., 1987). Les valeurs pour les sols humides de climats tempérés ne seraient qu'un tiers ou moins des valeurs mentionnées plus haut. Labourer avec une charrue à versoir sur des sols limo-sablonneux et sablo-limoneux nécessite une force de traction plus élevée qu'avec une charrue chisel ou à disques (Bowers, 1989).

En général, la couche labourée d'un sol pris en masse est grossière et à mottes et un supplément d'énergie est nécessaire pour atteindre un lit de semences suffisamment fin. Si ce labour secondaire est effectué avec des outils rigides, il faudra répéter les opérations et donc multiplier les risques de pulvérisation (Hadas et al., 1978; Hadas et Wolf, 1983). Les instruments actionnés par la prise de force du tracteur sont plus efficaces dans ce type de situation mais nécessitent plus d'énergie.

De plus, pour les systèmes de traction animale, le type de travail de sol, la forme des outils et l'état des outils qui travailleront le sol (par exemple, le tranchant du soc de la charrue ou du chisel) déterminent également les besoins énergétiques. Le labour de sols pris en masse et secs par traction animale est généralement impossible dans les zones tropicales vu le faible effort de traction soutenu des animaux de trait (voir ci-dessous).

Énergie et traction animale

Le temps

Le Tableau 5 donne une indication de la capacité de traction soutenue des animaux, suite à des observations réalisées en Afrique au cours de travaux importants de labour:

TABLEAU 5 - Capacité de traction des animaux (Munzinger, 1982)

Animaux	Poids moyen (kg)	Force de traction (N)	Vitesse de travail (km/h)	Heures de travail/jour (h)
1 âne	125	250	2,0	3 - 3,5
2 ânes	250	450	2,0	3 - 3,5
1 cheval	300	350	2,7	5 - 6
1 boeuf	350	500	2,4	4 - 6
2 boeufs	700	850	2,3	4 - 6
4 boeufs	1400	1400	2,2	4 - 6

Les résultats de ce tableau sont des données moyennes car le travail accompli par ces animaux dépend fortement de leur entretien et de leur santé. Très souvent, les animaux de trait sont faibles en début de saison à cause de déficiences nutritives ou d'une mauvaise nutrition datant de la saison sèche précédente.

Le temps

Le Tableau 5 indique que le temps de travail des animaux est limité. En effet, le nombre d'heures maximum de travail dépassera rarement 5 h par jour sous le soleil et les températures tropicales. De plus, le labour lui-même prend beaucoup de temps. En labourant avec un soc de 20 cm, on parcourt une distance de 50 km/ha! Si la vitesse de travail est de 3 km/h, cela représente déjà 16,6 h de temps réel de labour, sans compter le retournement, le nettoyage, etc. Donc, un ha peut être labouré en 3 jours ou plus. On peut prévoir le nombre de jours nécessaires au travail du sol au début de la saison en fonction du type de sol et de la culture à semer pour connaître approximativement la superficie qui sera couverte par une paire d'animaux. Si l'on considère cette capacité relativement faible, des systèmes de labour alternatifs plus performants tels le défoncement ou le labour en bandes pourraient être utilisés. Toutefois, il faut tenir compte du temps nécessaire global parce que souvent ces systèmes ne désherbent pas bien et il faut encore passer beaucoup de temps à désherber au cours de la saison, ce qui peut avoir un effet négatif.

Les animaux de trait

Les animaux utilisés pour la traction sont: les boeufs, les buffles, les chevaux, les mules, les vaches et, moins fréquemment, les ânes, les chameaux et les éléphants. Le choix des animaux, sur tout lieu donné, dépend de facteurs climatologiques, écologiques, sociologiques et historiques. Les boeufs constituent la principale source de puissance en Asie, dans le Moyen Orient et dans certaines parties de l'Amérique Latine. Bien qu'utilisés pour la traction animale en Europe de l'Ouest, les chevaux ne sont utilisés que pour la monte et le transport dans de nombreux pays. Ils sont toutefois utilisés pour la traction animale dans quelques endroits d'Amérique du Sud.

Quelques aspects importants concernant l'utilisation et le maintien des animaux et qui affectent la puissance disponible et l'efficacité sont mentionnés ci-dessous:

La santé: dans certains cas, la traction animale n'est pas disponible à cause de la présence ou de risques de maladies, comme dans certaines régions d'Afrique du Sud où la mouche tsé-tsé provoque de graves maladies, telle que la trypanosomiase. Des zones fertiles possédant un potentiel de production agricole ne sont pas exploités à cause de ces maladies.

La race: chaque animal possède certaines caractéristiques qui déterminent son adéquation à des fonctions spécifiques, telles que la production de lait ou de viande, le travail de traction ou des combinaisons de différents objectifs. Les races locales sont en général préférées parce qu'elles sont habituées aux conditions prédominantes.

Le poids: le poids dépend fortement du type d'animal, de la race, de l'âge, de la santé et de l'état alimentaire et il affecte le potentiel de puissance de traction. En règle générale, on estime qu'un animal peut employer 10 à 20% du poids de son corps comme force de traction.

Le sexe: les boeufs sont généralement les plus adaptés. Les taureaux sont souvent difficiles à manier et à dresser tandis que les vaches sont moins fortes (poids moins élevé) mais marchent plus vite. Des vaches bien nourries peuvent être utilisées, de même que des vaches laitières peuvent travailler quelques heures par jour sans que cela n'affecte sérieusement leur production de lait. Les animaux ne devraient pas être utilisés quand ils sont prêts à mettre bas.

L'état alimentaire: l'état des animaux dépend en grande partie de leur régime alimentaire pendant et en dehors de leur période de travail. Une "alimentation d'entretien" est importante au cours de la période non productive - la saison sèche dans les régions semi-arides. Les réserves de nourriture sont souvent limitées et les animaux sont faibles au début de la saison des pluies lorsque les demandes de travail du sol sont précisément les plus importantes. Les terres nécessaires à la production de fourrage peuvent causer des problèmes. En effet, jusqu'à 30% de la totalité des terres d'un système de production utilisant la traction animale sont nécessaires pour produire du fourrage si aucune autre source externe, telle que la forêt, les arbustes sauvages ou les bords de routes, les canaux ou les tranchées n'est disponible. La terre est souvent chère dans les régions irriguées et les zones inexploitées sont rares. Enfin, la compétition est sérieuse entre la production de produits alimentaires humains, de cultures commerciales et de fourrage, comme en Egypte, par exemple. De façon générale, 9 à 10% de l'énergie absorbée par le bétail sous forme de nourriture est disponible pour le travail (10 à 12% pour les chevaux). Des nourritures concentrées sont un avantage au cours des périodes de travail intensif.

Le dressage: après un dressage approprié, les animaux seront en mesure d'assurer une traction maximale après environ une année. Le dressage comprend le développement de muscles spécifiques qui se réalisera au cours du travail.

Les variations dans la traction requise: les animaux sont beaucoup plus vite fatigués lorsque des variations prononcées ont lieu dans la traction requise.

L'harnachement: les méthodes d'harnachement sont déterminées par les habitudes et les conditions locales.

Les conditions environnementales: des températures élevées et l'humidité de l'air gênent les performances des animaux. Ils travaillent souvent tôt le matin ou tard dans l'après-midi.

L'état du sol: si un sol est très meuble ou mou (boueux), les animaux devront consacrer beaucoup d'énergie à simplement marcher ce qui entraîne une perte d'énergie pour le travail de traction.

Le travail du sol en relation avec le niveau de technologie

Le problème du compactage

Le niveau de technologie ou mécanisation influence largement les possibilités de travail du sol et détermine les demandes établies par rapport à la structure du sol et la configuration de la superficie conséquentes. Plus le niveau de mécanisation est élevé, plus il y aura d'énergie disponible pour les opérations de travail du sol, utilisée plus efficacement, et en moins de temps pour terminer le travail. Ces réductions de temps peuvent être très importantes, en particulier dans les régions climatiques où les cultures doivent être produites au cours d'une saison des pluies très brève. Cet effet "d'à-propos" est souvent plus bénéfique que l'énergie disponible.

Un niveau de mécanisation élevé, comprenant l'entretien mécanisé des cultures et les opérations de récoltes, nécessite des conditions uniformes (culture et sol), un lit de semences égal et uniforme, des billons de taille et de forme uniforme, une distance correcte entre les rangées, etc.

Le problème du compactage

La conséquence principale, souvent négative, de niveaux élevés de mécanisation en rapport avec le sol concerne le poids appliqué sur le champ. Des tracteurs massifs et lourds peuvent fournir une force de traction importante mais non sans imposer cette force sur le sol afin de se mouvoir. En fait, comme plus de mécanisation implique des récoltes plus importantes, il faudra retirer plus de résidus sur le champ après les récoltes, nécessitant plus de chargements à transporter sur le champ et entraînant éventuellement un sérieux compactage du (sous-)sol.

Quelques règles générales en rapport avec le procédé de compaction sont données ci-dessous:

Il est plus facile de compacter le sol si le taux d'humidité est important puisqu'il y a moins de pression. Cette règle est valable jusqu'au moment où les sols deviennent fluides sous la pression, ce qui implique qu'une compaction importante peut survenir sous l'effet de pressions importantes mais des taux d'humidité relativement faibles. Toutefois, les sols saturés ne peuvent pas être compactés.

La répartition des pressions dans le sol sous un pneu dépend de la taille et de la forme de ce pneu. Ce principe vaut aussi pour les pattes des animaux.

Les pressions s'étendent plus profondément dans les sols meubles que dans les sols plus compacts.

Le premier passage d'une roue sur un sol le rend plus compact lors des passages suivants - de l'ordre de 90% pour le premier passage et 10% pour les suivants.

En conséquence, c'est principalement au cours des opérations de labour secondaires que le compactage aura le plus d'effet L'ameublissement du sol provoqué par les opérations de labour profond est supprimé avec la pression des pneus de tracteurs. Et, plus particulièrement dans les cas où plusieurs passages sont nécessaires avant d'arriver à un lit de semences adéquat, la densité apparente du sol peut être réduite à nouveau à son état initial.

Les conséquences les plus néfastes causées par le compactage lié au passage d'engins ou d'animaux sont:

L'irrégularité des profondeurs de semis et l'apparition de jeunes pousses quand les rangées de plants sont situées dans et entre les traces de pneus.

Un plus grand risque d'érosion du aux taux d'infiltration sensiblement réduit dans les traces de pneus. Des ruissellements suivis d'érosion démarrent souvent dans les traces de pneus.

Un engorgement dans les couches supérieures, ce qui peut produire des problèmes d'aération.