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Dynamique du phosphore, du cuivre et du carbone organique dissous dans le sol et dans l'eau: impact de l'apport à long terme de lisier de porc.

Royer, Isabelle (2003). Dynamique du phosphore, du cuivre et du carbone organique dissous dans le sol et dans l'eau: impact de l'apport à long terme de lisier de porc. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'eau, 264 p.

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Résumé

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Au Québec, plus de 9 millions de m³ de lisier de porc (LHM) sont épandus chaque année sur les terres agricoles. L'application pendant plusieurs années de LHM et d'engrais minéraux peut entraîner l'accumulation de phosphore (P) dans le sol ce qui peut constituer un risque potentiel de contamination des eaux. Le cuivre (Cu) et le zinc (Zn), présents dans les aliments fournis aux porcs, se retrouvent également dans le LHM. Ces éléments peuvent donc également s'accumuler dans l'environnement. Par ailleurs, l'application de LHM, la gestion des résidus de culture et le travail du sol peuvent avoir un impact sur les teneurs en carbone organique dissous (COD) mesurées dans les eaux de ruissellement et de drainage. En retour, le COD peut influencer la dynamique du P et du Cu en favorisant la formation de complexes solubles, jouant ainsi un rôle de transporteur pour ces éléments. Les objectifs de cette thèse sont de documenter l'impact de l'application de LHM sur la dynamique du P, du Cu et du COD dans les sols amendés ainsi que leurs répercussions possibles dans les eaux. L'expérience s'est déroulée sur des parcelles traitées de façon similaire depuis 1989. Chaque parcelle est équipée pour prélever les eaux de ruissellement et de drainage. Des applications à taux élevé de lisier de printemps (LHM-S), d'automne (LHM-F) ou de printemps + automne (LHM-SF) étaient comparées à des applications recommandées d'engrais minéral (MF) dans des parcelles cultivées soit en maïs, soit en fourrages. Dans un premier temps, diverses formes de P du sol sous maïs ont été caractérisées après une, six et huit années d'application consécutives. L'apport de LHM à doses élevées pendant huit ans a provoqué une hausse significative du P total du sol à la profondeur 0-20 cm. Les effets des applications de LHM sur les formes labiles de P (P soluble à l'eau, Pw et P Mehlich-III, M3P) ont aussi été localisés à la profondeur 0-20 cm avec des teneurs élevées de 11 mg kg-1 pour le Pw et de 241 mg kg-1 pour M3P. Le degré de saturation du sol en P évalué par le rapport Pox/(Alox+Feox) atteignait jusqu'à 15 % à la profondeur 0-20 cm du sol après 6 à 8 ans d'application de LHM. Des valeurs de saturation entre 12 et 15% ont également été observées à la profondeur 80-100 cm pour les traitements LHM. En général, la période d'application du LHM a eu peu d'influence sur l'état à long terme du sol en P. Après huit ans d'application de MF et de LHM, l'indice de risque de contamination de l'eau par le P était dans la catégorie à risque moyen pour le traitement MF et à risque élevé pour les traitements LHM. Dans le deuxième volet de l'étude, deux saisons de caractérisation des concentrations et des charges de P dans l'eau de ruissellement et de drainage ont mis en évidence que les variations des charges sont grandement dépendantes de la quantité d'eau qui circule à travers les parcelles. Les concentrations et les charges de P du traitement MF ont souvent été plus faibles que celles mesurées pour les traitements LHM. Les concentrations des formes particulaires dans l'eau de ruissellement ont été plus faibles sous fourrages que sous maïs car sous fourrages, une couverture végétale est présente en permanence et le sol est moins souvent travaillé. Dans l'eau de drainage, des concentrations similaires ont été obtenues entre les fourrages et le maïs malgré des apports différents. Par ailleurs, l'étude de la relation entre certains paramètres de P du sol et les concentrations en P de l'eau de ruissellement et de drainage a révélé que l'analyse du P du sol ne semble pas suffisante pour prédire efficacement le risque de transfert du P du sol vers l'eau de surface et de drainage. La troisième partie de l'étude a montré que, bien que demeurant sous les normes environnementales, la teneur totale en Cu et en Zn dans la couche de surface (0-5 cm) a augmenté sous maïs et sous fourrages suite à neuf années d'application de LHM. Le Cu se trouvait majoritairement sous des formes résiduelles ou liées à la matière organique. Le Zn était sous des formes résiduelles ou lié aux oxydes de Fe-Mn. Les concentrations des formes échangeables, susceptibles d'être disponibles aux plantes, étaient faibles pour le Cu (0,7 mg kg-l) mais relativement élevées pour le Zn (7,3 mg kg-l). L'accumulation de Cu et de Zn sous des formes organiques et résiduelles dans le profil de sol suggère que ces formes peuvent servir de réservoir pour ces métaux spécialement si les conditions du milieu venaient à changer. Les résultats suggèrent également que le Cu et le Zn seraient davantage maintenus sous des formes plus solubles en profondeur sous fourrages que sous maïs facilitant ainsi leur transport dans le profil de sol. Le quatrième volet porte sur l'analyse et la caractérisation des teneurs en COD mesurées directement dans les eaux de ruissellement et de drainage lors d'une série d'événements pluvieux durant l'automne 1998. Suite au broyage et à l'incorporation de résidus de culture de maïs, les concentrations en COD dans l'eau de ruissellement ont augmenté en moyenne de 20 ± 8 mg COD L-1 à 176 ± 63 mg COD L-1. Les concentrations sont revenues rapidement à des niveaux précédant l'incorporation, suggérant une dégradation rapide des résidus dans le sol. Un relâchement de COD dans l'eau de ruissellement suite à des périodes de réhumectation du sol a également été observé sous maïs et fourrages. De plus, des concentrations en COD dans l'eau de ruissellement similaires entre les deux cultures, même si le taux d'application de LHM est plus élevé sous maïs, suggèrent que le LHM laissé en surface du sol est plus sujet aux pertes par ruissellement de surface sous fourrages. Dans l'eau de drainage, des concentrations en COD significativement plus élevées pour le traitement LHM-F suggèrent que le C organique issu d'une application récente de LHM, n'a pas été tout retenu par le sol et a atteint les drains. Cet effet a été de plus longue durée sous fourrages que sous maïs. L'écoulement préférentiel par les biopores a semblé être une voie importante de pertes de COD sous fourrages avec des concentrations en COD dans l'eau de drainage plus élevées que sous maïs. Les analyses de caractérisation du COD ont montré que les petites molécules (SM) (< 3 kD) sont dominantes dans l'eau de ruissellement. Les apports de résidus de culture et de LHM ont entraîné une augmentation des molécules de taille moyenne (MM) (3-100 kD). Enfin, dans la cinquième et dernière partie, les concentrations en P et en Cu dans les eaux de ruissellement et de drainage ont été suivies durant la même série d'événements pluvieux de l'automne 1998. Les concentrations en P total (TP), P total dissous (TDP), P total particulaire (TPP), P dissous réactif au molybdate (DRP) et en P dissous organique (DOP) ainsi que les concentrations en Cu dissous et en Cu particulaire ont été caractérisées dans les eaux de ruissellement et de drainage. Par la suite, des analyses de corrélation ont été effectuées entre les concentrations en P, en Cu et le COD dans les eaux de ruissellement et de drainage. L'absence de travail de sol combiné au fait que le lisier a été laissé en surface sous fourrages a contribué à ce que les concentrations sous forme de DRP et de Cu dissous aient été plus élevées que sous maïs. Sous maïs, l'incorporation des résidus a laissé le sol sans couverture végétale, ce qui a favorisé l'augmentation des concentrations sous forme de TPP. Dans l'eau de drainage, une application récente de lisier a entraîné une augmentation des concentrations de P sous toutes les formes et ce, pour les deux cultures. Le même résultat a été observé pour les concentrations en Cu sous maïs seulement. Les concentrations en P sous forme particulaire sont demeurées faibles pour les deux cultures. Des concentrations similaires des formes dissoutes dans l'eau de drainage sous maïs et sous fourrages suggèrent entres autres que les exsudats racinaires riches en acides organiques sous fourrages ont maintenu le P et le Cu dans des formes plus solubles que sous maïs. L'écoulement préférentiel a aussi pu contribuer aux pertes de P et de Cu. Les résultats de cette campagne d'échantillonnage d'eau ainsi que celles des deux années antérieures ont démontré que la norme pour la qualité de l'eau de surface de 0,03 mg TP L-1 a été dépassée pour toutes les formes dans l'eau de ruissellement et pour la majorité des formes de P dans l'eau de drainage. En intégrant les données de P, de Cu et de COD, il est possible de spéculer que le COD a joué un rôle important dans le transport du P et du Cu. En effet, de très bonnes corrélations ont été obtenues entre les formes dissoutes de P, de Cu et le COD et en particulier la fraction fine de ce dernier dans l'eau de ruissellement et de drainage. Les résultats ont aussi démontré que le COD a été mieux corrélé aux formes de P et de Cu que le carbone organique particulaire (COP). Les résultats de cette étude viennent ajouter des éléments d'information nouveaux au peu de connaissances actuelles concernant l'accumulation, l'enrichissement et le transport du P et du Cu dans les sols agricoles québécois suite à l'application de lisier de porc à haute dose. L'ensemble des résultats obtenus apparaît cohérent et met en évidence l'importance de prendre en compte le type de culture, les doses d'application de lisier, le mode de transport et l'évolution des propriétés du sol dans l'évaluation de l'impact des applications de lisier sur la qualité de l'eau.

Type de document: Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Cluis, Daniel
Co-directeurs de mémoire/thèse: Angers, Denis A.
Informations complémentaires: Résumé avec symboles
Mots-clés libres: phosphore, cuivre; carbone organique dissous; lisier de porc; fertilisation; culture; maïs; sol; eau
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 03 oct. 2013 15:50
Dernière modification: 17 mars 2016 17:37
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/1507

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