Eau en Poitou-Charentes : RPDE

     

Les fuites de la zone racinaire

Rapport thématique Eau 2002 Eléments extraits du rapport "Qualité des ressources en eau et production d'eau potable : la situation en Poitou-Charentes", réalisé en 2002 par le Comité Régional de l'Environnement (CRE), dans le cadre des Secondes Assises de l'Eau de Poitou-Charentes.

Sommaire :
Des échanges complexes
Une période particulièrement délicate
Le rapport entre les fuites de nitrates et la concentration de la ressource

Des échanges complexes

Le sol est à la fois le support de la vie végétale et de la production agricole, et un système où se produisent des échanges complexes de substances organiques et minérales entre l’eau, les plantes, l’atmosphère, une microfaune et une microflore abondantes et l’ensemble de particules solides qui constituent le squelette du sol.

Sous climat tempéré, un hectare de sol reçoit annuellement entre 5 000 m3 et 12 000 m3 d’eau de pluie dont la majorité est évapotranspirée par les plantes et retourne à l’atmosphère (en Poitou-Charentes, 6 300 m3 et 10 500 m3 d’eau de pluie par an). Le reste, 1 000 à 5 000 m3, constitue la contribution annuelle de chaque hectare au renouvellement des ressources en eau, par ruissellement vers les eaux superficielles et par infiltration vers les eaux souterraines.

Les fuites de nitrates vers les nappes se produisent en période d’excès hydrique lorsque la réserve en eau du sol est remplie. Les nitrates sont en effet des sels très solubles. A la différence de l’azote ammoniacal et de l’azote organique, les nitrates n’ont pratiquement aucune interaction avec les particules du sol qui puisse les retenir, même de façon temporaire. Si les nitrates répartis dans les pores du sol ne sont pas consommés par la végétation, les pluies font percoler l’eau en dehors de la zone exploitable par les racines. Il y a donc lixiviation [1] des nitrates s’il y a excès d’eau et s’il y a excès de nitrates à la période considérée.

Dans une région donnée, les sols minces à faible réserve en eau sont les lieux privilégiés des plus grosses fuites, ces fuites se produisant quasiment chaque année, alors qu’en sols profonds, l’eau ne percole vers la nappe qu’environ une année sur deux. Dans les sols minces, ces risques de lessivage dus à la fréquence importante d’un excédent hydrique sont accentués par la plus grand difficulté d’ajuster la fertilisation, car les écarts de rendements d’une année à l’autre sont importants.

La charge en azote de l’eau qui percole au travers de la zone explorée par les racines dépend beaucoup du type d’utilisation agricole ou forestière du sol. On peut citer, à titre d’exemples, quelques ordres de grandeur de concentrations moyennes en nitrates observées juste au-dessous de la zone racinaire (en France, dans des conditions climatiques moyennes et avec des fertilisations raisonnables) :
- sous une forêt : environ 2 mg/l NO3 ;
- sous des prairies : 10 à 20 mg/l NO3 ;
- sous des cultures de blé ou d’orge : 30 à 70 mg/l NO3 ;
- sous des cultures de maïs ou de colza : 70 à 120 mg/l NO3 ;
- sous des cultures maraîchères : plus de 100 mg/l NO3 ;
- sous des cultures de pois (sans apport d’engrais azotés) : 130 à 150 mg/l NO3.
(Source : rapport du Conseil National d’Evaluation)

Dans des sols cultivés, l’excès de nitrates potentiellement lessivables peut déjà être limité par une bonne gestion des apports azotés. Malgré cela, un excès d’azote lessivable peut être présent dès l’automne pour les raisons suivantes :
- mauvaise appréciation du potentiel de rendement (sols à faible réserve en eau notamment),
- accidents culturaux,
- minéralisation automnale des sols,
- résidus de récolte relarguant une quantité importante d’azote (pois, colza ...),
- surdosage par rapport à la dose conseillée par précaution pour un objectif de qualité,
- « bruit de fond » de la parcelle.

Schéma des principaux facteurs déterminant l’évolution du stock d’azote minéral du sol au cours du temps pour des cultures annuelles

Une période particulièrement délicate

C’est pendant la période de l’interculture, c’est à dire la période séparant la récolte d’une culture et le semis de la suivante, que les risques de lessivage de l’azote présent dans le sol sont les plus grands. En effet, le sol étant le plus souvent nu, sans système racinaire présent, l’azote minéral disponible n’est pas utilisé. Or c’est pendant cette période que se combinent les processus d’accumulation et de transferts d’azote. Aux surplus éventuels dus à la fertilisation, et à la part de minéralisation d’été n’ayant pas été absorbée par la culture précédente, s’ajoute la quantité d’azote résultant de la minéralisation d’automne. L’ensemble de cet azote nitrique peut être soumis au lessivage selon les conditions pédo-climatiques, et selon l’absence ou la présence d’un couvert.

Dans la plupart des successions de culture, cette période se situe avant et/ou pendant la phase de drainage hivernal [2] durant laquelle se produisent la réalimentation en eau des nappes et l’essentiel des pertes en azote par lixiviation.

Cette durée peut varier en Poitou-Charentes de plus de six mois à moins de deux mois selon la succession des cultures.

Tableau des périodes d’interculture

Les successions « céréales à paille / cultures de printemps » (blé/orge-tournesol/maïs) présentent un risque de lessivage fort en raison d’une interculture longue laissant le sol nu en hiver. La succession colza-blé assure quant à elle un couvert en hiver ; cependant, le blé juste semé n’absorbe que peu d’azote alors que la culture de colza a laissé des résidus riches en azote facilement minéralisable.

Le rapport entre les fuites de nitrates et la concentration de la ressource

La concentration moyenne en nitrates de l’eau drainée, en un lieu donné et au cours d’une période de drainage donnée, est le rapport entre la quantité d’azote lessivé et le volume d’eau drainée (MACHET et al., 1997). Du fait de la grande variabilité, entre les régions, des quantités d’eau drainée, il est difficile de déterminer la quantité maximale d’azote lessivé à ne pas dépasser pour obtenir une concentration donnée de la ressource en eau (par exemple : 50 mg/l norme de potabilisation).

Pour une même région, la hauteur de la lame d’eau drainante [3] est liée :
- à la pluviométrie annuelle,
- au type de sol (Réserve Utile),
- au système de culture.

Ces facteurs déterminent ensemble globalement le bilan Précipitations-Evapotranspiration [4] à l’échelle d’une parcelle.

La lame drainante est donc un paramètre qui influence fortement la concentration en nitrates des eaux de réalimentation des nappes. Par exemple, dans l’Ouest de la Bretagne, de fortes pertes d’azote ne conduisent pas obligatoirement à des concentrations élevées de nitrates dans les eaux superficielles, car la lame drainante est très importante. Inversement pour le département des Deux-Sèvres (Poitou-Charentes), de faibles pertes (30 kg N.ha-1) engendrent des problèmes en matière de qualité des eaux. Le temps de réaction « pertes en azote/ retour à la nappe » étant faible pour ces deux exemples en raison du système superficiel d’alimentation en eau, les conséquences sont quasi-immédiates sur la teneur en nitrates des eaux (de l’ordre d’un an). A contrario, le temps de réaction en Beauce (des nappes d’eau profondes) est beaucoup plus long (et les mécanismes plus complexes). Cependant, avec une faible lame drainante, on constate que la moindre perte (17 kg N.ha-1) peut engendrer une eau « sortie-sol » très chargée en nitrates.

Schéma des différents faceurs influençant la lixiviation des nitrates et leur concentration dans les eaux d’alimentation

Notes

[1] transfert en profondeur des éléments minéraux sous l’action de la percolation de l’eau

[2] Le drainage de l’eau vers les nappes débute après la reconstituion de la réserve du sol en eau (Réserve Utile)

[3] Volume d’eau drainée (percolée) au travers d’un profil de sol, exprimé en mm. Il est toujours nécessaire de préciser la profondeur à laquelle cette mesure ou estimation est effectuée. La majorité des mesures se font par lysimètres (dispositif expérimental permettant de collecter l’eau drainée) à 1 m de profondeur. La "période de drainage" définit la durée pendant laquelle de l’eau percole. Elle s’exprime le plusouvent, comme les précipitations, en mm (1mm = 1 litre d’eau par mètre cube).

[4] P-ETR = Précipitations - Evapotranspiration Réelle = besoin réel de la plante en eau. L’évaporation rréelle est la quantité d’eau réellement perdue par la plante sous forme de vapeur d’eau. Elle dépend du couvert considéré, du stade phénologique de la culture (feuillaison, fleuraison, …), du contenu en eau du sol et des conditions météorologiques.

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