Composition des eaux de drainage resultats experimentaux

SOIL T E C H N O L O G Y

vol. 2, p. 185-203

Cremlingen 1989 ]

C O M P O S I T I O N DES EAUX DE D R A I N A G E RESULTATS E X P E R I M E N T A U X J. C o n c a r e t & J. de C r e c y , D i j o n

Summary

R6sum6

Samples of water derived from drained experimental fields were analysed for Ca, Mg, K and N contents. The trial sites were farmer's fields where current husbandry and fertilization techniques for field crops were applied. The experiments revealed that leachings differed among the elements:

Des parties aliquotes des eaux issues de terrains exp6rimentaux drain6s ont 6t6 analys6es. Quatre 61~ments (Ca, Mg, K, N) ont 6t~ fitudi6s, le terrain restant normalement utilis~ par les exploitants appliquant les techniques et les fertilisations courantes en grande culture. Au cours de ces exp6riences des comportements diff6rents selon les 616ments ont 6t~ mis en ~vidence:

• losses of Ca and Mg were essentially governed by the volume of drainage water. This was due to the relative stability of their concentrations which was related to the Ca and Mg status of the soil. The necessity of supplying the soil with these elements was emphasized by the magnitude of the losses (over 200 kg Ca per ha and pe r year for a non calcareous soil in a rainy year). • K contents in drainage water paralleled the instantaneous flow rates. Losses were small (several kg per ha and per year). • Leaching of N followed complex rules in relation with the seasonal patterns of excess water circulation. Crop canopy had a determinant role. ISSN 0933-3630 @1989 by CATENA VERLAG, D-3302 Cremlingen-Destedt,W. Germany 0933-3630/89/5011851/US$ 2.00 + 0.25 SOIL TECHNOLOGY--A cooperating Journal of CATENA

les pertes en Ca et Mg sont essentiellement domin~es par le volume des eaux drain~es par suite d'une stabilit6 relative des teneurs li~e /t l'6tat calcique et magn6sien du sol; la n~eessit~ d'apports est soulign~e par l'importance des pertes (plus de 200 kg par ha et par an pour le Ca en ann6e pluvieuse et en sol non calcaire). les teneurs en K des eaux de drainage varient parall~lement aux d~bits instantan~s; les pertes en cet +16ment sont faibles (quelques kg par ha et par an). les exportations d'N par les eaux de drainage suivent des r+gles complexes en relation avec les r6gimes saisonniers de circulation des eaux exc6dentaires; le couvert v6g&al joue un r61e majeur.

Concaret & Crecy

186

Le drainage agricole est souvent accus~ d'entrainer et de v~hiculer vers le r6seau hydrographique des ~l~ments perdus p o u r la fertilisation des cultures et dont certains sont consid~rfis comme polluants pour renvironnement. Nous avons utilis~ des essais primitivement consacr+s /t la comparaison de techniques de drainage pour ~tudier, par analyse des eaux restitu+es, les pertes en quelques 61~ments (Ca, Mg, K, N) darts les conditions climatiques et culturales de la r6gion Bourgogne. Cette synth~se fait suite fi des mesures plus ponctuelles sur d'autres exp+rimentations ( C O N C A R E T et al. 1974, 1976, 1981).

1

Sites exp~rimentaux et dispositifs

Trois sites ont 6t~ retenus pour ces experiences. Aucune modification des pratiques culturales courantes n'a +tfi demand+e aux exploitants. Ces trois sites comportent des parcelles 6l~rnentaires diff~rentes par les techniques de drainage, routes 6quip6es d'un syst~me de bacs basculeurs dont les vidanges sont enregistr6es par un compteur d'~v~nements. A chaque vidange, une partie aliquote des eaux est d~tourn+e vers un conteneur dont les eaux sont analys+es/t pas de temps hebdomadaire durant la p~riode de drainage. Une presentation synth6tique des essais est faite tab.1. Les principaux caract~res analytiques des sols figurent tab.2.

2

Rappel suecint du fonetionnement des r~seaux de drainage en sols ~ profils differ~nci~s

Au cours d'une saison de drainage, trois p~riodes peuvent atre distingu6es (CONC A R E T et al. 1984): 1. A l'automne, une part des precipitations est utilis~e par le sol, les fissures tendant fi se fermer par gonflement des mottes. Le coefficient dit de "restitution" du rfiseau de drainage (Volume ~vacu6 par drainage / volume des precipitations) est faible mais s'accroTt au fur et A mesure de la saturation des horizons profonds surtout si ceux-ci pr6sentent un assemblage tr~s ajust~ d'agr6gats anguleux. La circulation des eaux exc6dentaires vers les drains s'effectue, fi la lois, dans les horizons sup6rieurs et dans la masse du sol selon la perm~abilit6 instantanfie de chaque couche. 2. D~s saturation du sol, les eaux de precipitation sont presque int~gralement restitu~es. Une grande part des eaux exc~dentaires suit des cheminements lat6raux pr6f6rentiels A la partie sup6rieure des horizons les plus imperm~ables, en particulier au niveau de la semelle de labour. Cette phase de rendement maximal du r6seau est ou n'est pas atteinte selon le r~gime des precipitations de l'ann6e. Elle intervient g~n@alement sous le climat bourguignon en janvier ou f6vrier. 3. La troisi~me phase correspond fi une d6saturation du sol et A la reprise d'une ~vapotranspiration croissante. SOl L TECH NOLOGY--A cooperating Journal of CATENA

187

Eau de D r a i n a g e / D r a i n a g e Waters

l

Site

Gfiologie Geology

Pen te Slope

Traitements " Treatments

Sol Soil

T H I A N G E S (58)

Marnes (trias)

2-5%

E 10 et 2 0 m S

marnes plus ou moins alt~r~es (sol brun calcaire)

VIREY LE G R A N D (71)

Terrasse ancienne

0.5-0.8%

E 12 fi 3 0 m F G S

0-50 cm limons >50 cm Argilo-limoneux Structure polyedrique ~i cubique avec assemblage tr~s ajust6 (sol lessiv6 hydromorphe)

LA LOYE (39)

Terrasse ancienne

0.5%

E 10 fi 3 0 m S

idem Virey le Grand mais limons plus ;'pais (80-100 cm)

' E: Ecartement entre drains - - Spacing of laterals S: Sous-solage profond (80 cm) - - Deep subsoiling F: Drain enrobfi (fibres v6g&ales) - - Drain with filter G: Gravillonnage de la tranch6e - - Gravel backfill on the drain

Tab. 1" Presentation synth~tique des sites exp~rimentaux - - Synthetic presentation of experimental sites.

Argile (%) CO3Ca (% Terre fine) pH Cap. tot. d'6change (meq % de terre) C a (% de la Cec) M g (% de la Cec) K (% de la Cec) N a (% de la Cec)

THIANGES Sol S/sol

VIREY LE G R A N D Sol S/sol Marne

40-45 3.8 27.3 7.9 8.4 16.8 8.9

20 6.8 6.5

5.1 16.1

Sat 38 5 0.2

Sat 6 3 3

68 11.1 1.9 3.1

Sat 6l 2.8 0.8

35

LA LOYE Sol S/sol

33 12.5 8 26

16->

45

6.5 6,5

5.1 15,5

Sat 17.3 1.8

80 2.5 0.6 0.6

55 10.4 0.4 0.5

Tab. 2: Caract~res analytiques concernant les sols des sites dtudids - - Analytic characteristics of the soils of experimental sites. Le coefficient de restitution baisse. Phosphorc n'a donn~ lieu qu'/t quelques Les eaux exc~dentaires suivent des d6terminations qui toutes n'ont conclu trajets analogues ~ ceux de la qu'/t la presence de traces. Pour cet premiere phase. 616ment, BELAMIE (1986), recensant les r6sultats obtenus sur diff6rents sites, mentionne des exportations annuel3 R~sultats experimentaux les par hectare g6n6ralement trfis faibles ( de l'ordre de 0.5 kg), d6passant excepLes analyses ont syst6matiquement fit6 tionnellement 1 kg (JACQUIN 1983). faites pour quatre ~16ments: Ca, Mg, K, N durant cette s~rie d'exp~riences. Le Le calcium et le magnesium, bien S O I L "1E C H N O L O G Y ~ A cooperating .lnurnal of CATENA

Concarct & Crecy

188

]{g/He

"°I

cur~uI

100 90

O0 ?0 60 50 40 30 20 10 0

~¢1

I

u

I

I

I

u

I

I

I

I

I

I

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1

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l

500

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I

t

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I

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I

I

I

1000

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

1500

I

2000

F i g . 1: Pertes cumuldes en Ca et Mg - - Cumulative losses o f Ca and Mg. Virey le Grand, Parcelle 8 (81-82) - plot 8; bl~ d'hiver - - winter wheat

Kg/Ha 25

/m

Cone, mog :

,,m m / / "

20

67,9

~/I

"-

15

j~

Mg Conc. ~og :

d~/m

18,4 ~g/l

10

~'rn

n

IV

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100

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200

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u

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400

i

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11

I

~00

Fig. 2: Pertes en Ca et M g - - Losses o f Ca and Mg. Virey le Grand 81-82, 83-84, 85-86, bl~ d'hiver - - winter wheat, average content Ca: 67.9, Mg: 10.4

SOIL TECHNOLOOY--A cooperating Journal of CA'I'I~NA

Eau de Drainage / Drainage Waters

189

45

Q (lfs) x 10

~g/1 4O

=

ii H It

35

2S

20

i. i

lO

4

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5

~ ~ ........... i'.,-,X.lv'......................................................................................... q 0

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I ......... 20

i ........ 40

',l ......... 60

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I ......... 100

1........ t20

Temps(H) i.~.u

ibO

Fig. 3: Virey le Grand, Parcelle 2: Hydrogramme du 16-12-1987 - - Hydrogram of

16-12-1987. Concentration en Ca et Mg (Pas de 2 heures) - - Concentration of Ca and Mg (Step 2 hours) qu'export6s en quantit6s diff6rentes, peuvent ~tre regroup6s darts l'expos6 des r6sultats. Le potassium et surtout l'azote, 616merits fournis en partie par la fertilisation, seront 6tudi6s s6par6ment.

3.1.1

R6gime des pr6cipitations

En premiere approximation, pour un m~me site et pour une m~me culture, les pertes par p6riodes de pr61~vement au cours d'une m~me ann6e apparaissent d'autant plus 61ev6es que les volumes d'eaux restitu6s par le drainage au cours de la p6riode consid6r~e (hebdomadaire, 3.1 Le calcium et ie magnesium en g6n6ral) sont importants. Tout se passe comme si les concenLes pertes annuelles en Ca sont importantes. Pendant la dur6e de l'ex- trations en Ca et M g des eaux drain6es p6rimentation, elles ont vari6 de 40 fi 6taient marqu6es par une stabilit6 relapros de 300 kg/ha/an. Les pertes en tive mais suffisante pour d6gager une vaMg, plus r6duites, ont rarement d6pass6 leur moyenne A l'6chelle de l'ann6e. 50 kg/ha/an. Une approximation de cette concenPlusieurs param~tres sont susceptibles tration peut atre obtenue par la pente de d'influencer les quantit6s d'616ments ex- la droite de r6gression liant, en double port6s, les interferences entre ces pa- cumul, les pertes en l'~16ment 6tudi6 et ram~tres entrainant des difficult6s pour les volumes d'eaux drain6s avec un codissocier les effets sp6cifiques de chacun. efficient de corr61ation toujours 61ev6.

SOIL T E C H N O L O G Y - - A cooperating Journal of CNTENA

Concaret & Crecy

190

La fig.1 montre, en exemple, pour une campagne et une parcelle, le cas de VIR E Y le G R A N D . Cette reprfisentation a l'inconvfinient de gommer les ~ventuelles variations hebdomadaires. Cependant, pour le m~me site, routes parcelles ~tant confondues et pour trois cultures de bl+ d'hiver, une relation statistique directe est obtenue entre les quantit+s de calcium ou de magnesium export+es et les volumes d'eaux restitufies par p~riodes de collecte avec (fig.2):

tes correspondant /~ la parcelle 6 de ce site et ~ celui de LA LOYE, avec des sols relativement voisins (limons ~pais). Les fortes teneurs en Magnesium des eaux issues de l'essai de T H I A N G E S s'expliquent ais6ment par la charge en Mg des argiles triasiques. Pour ce m~me site, les teneurs en Ca sont tr+s irr~guli~res et relativement faibles. La formation triasique est en fait tr~s h6t~rog+ne avec des alternances d'argiles et de calcaires dolomitiques.

R 2 = 0.975 pour Ca, R 2 = 0.951 pour Mg

3.1.3

Les pentes des droites de r~gression repr~senteraient ainsi les concentrations moyennes des eaux drain~es pour le site 6tudi6 et pour une culture. En fait, ainsi que le montrent des essais actuels conduits au pas de 2 heures, des dilutions interviennent chaque lois que se produisent les augmentations brutales de dfibit qui suivent imm~diatement les prgcipitations (fig.3). Mais ces dilutions sont de courte durfie et ne pourraient inftuencer les concentrations moyennes qu'en cas de forte fr~quence des d~bits de pointe.

Pour l'essai de VIREY le G R A N D , une nette augmentation des teneurs en Ca des eaux de drainage apparait A parfir de la campagne 81-82 et n'est pas accompagnfie de variations sensibles des concentrations en Mg (tab.3). Les gpandages relativement r+guliers de calcaire magn+sien ne paraissent pas expliquer ce ph6nom+ne mais celui-ci pourrait ~tre attribu~ au changement de type de fumure phospho-potassique (engrais superpotassique/t partir de septembre 1982 remplagant les scories potassiques utilis~es auparavant). 3.1.4

3.1.2

Nature du sol

En conservent la repr6sentation graphique en double cumul, l'influence de la nature des sols apparait nettement en comparant les pentes des droites de r~gression pour les diff+rents sites, sous m~me culture (fig.4a et 4b). Pour V I R E Y le G R A N D , nous avons distingu~ deux parceUes ayant, pour ce qui concerne les ~l~ments consid~r~s, des comportements extrSmes qui paraissent liSs A des hfit6rog+n~it~s locales des sols. On remarquera la proximit~ des droi-

Fertilisations et amendements

Couvert v~g~tal

Les comparaisons entre les pertes en Ca et Mg sous diff~rentes couverts v6g~taux sont compliqu6es par des dispositifs exp~rimentaux qui ne comportent qu'une culture sur un m~me site et pour la m~me annie. Les tab.3 et 4 r6sument les r~sultats disponibles, encore trop peu nombreux pour faire l'objet d'une analyse complete. A V I R E Y le G R A N D cependant, les concentrations des eaux de drainage en Ca et Mg paraissent plus fortes sous bl~ que sous colza; A T H I A N G E S , elles sont SOIL TECHNOLOGY

A coopera|ing Journal of CAFENA

Eau de Drainage / Drainage Waters

191

200

]{g/Ha

4&

cut~ul

CALCIUM

15o

J ..,-"

~

too

J

C"77, B .

t,=bb,

9

C=aZ, 6

×

Drainage cutnul~ in.

o UIREV P a r . 3 • UIREV P a r . 6 + LA LO~£

BS-86 .... ....

THIANGES

B6-B?

×

i

i

i

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(Mg/Ha)

w

i

iO00

~000

3000

1000

2000

3000

50

40

30

20

10

0

F i g . 4: Pertes en Ca et Mg selon les sites exp~rimentaux - - Losses of Ca and M g

according to experimental sites. C = Concentration statistique moyenne annuelle - - C Statistic average annual concentration

S O I L TECHNOLOGY--A coopernting Journal of CATENA

Concaret & Crecy

192

t

78-79

Calcium (rag/l) orge b16 Colza barley wheat

orge barley

40.3

Magnesium (rag/l) blfi Colza wheat

8.1

--2>

25.3 5.5 38.9 9.4 Changement de fumure phospho-potassique 61.4 9.2

79-80 80-81

8 i-82

42.9

82-83 83-84

6.6

79.2

10.1

--2>

47.9

84-85 85-86 86-87

10

67,6

11 55,8

9.l

- - > Epandage de Calcaire broy~ (3 t/ha) - - C r u s h calcareous manuring Tab. 3: Virey le Grand: Moyennes annuelles ties teneurs en Ca et M g des eaux de

drainage - - Annual average contents 03" Ca and M g o f drainage waters. Calcium. (mg/1) LA LOYE THIANGES bl~ colza ma'is bl~ let. wheat maize rescue 78-79 81-82 82-83 83-84 84-85 85-86 86-87 87-88

32,7 16.2 52

Magnesium (rag/l) LA LOYE THIANGES bl~ colza mffis b16 let, 5 3.2 4.3

75.5

5.2

55.4 65.4

39 38 61.8

8.6 7.5

53 50

10.3 11.2 9.3

22.8 20

4: Sites de La Loye et de Thianges: Moyennes annuelles des teneurs en Ca et M g des eaux de drainage ~ Annual average contents o f Ca and M g o3" drainage waters. Tab.

p l u s 61ev~es sous bl~ q u e sous f6tuque. N o u s ne d i s p o s o n s que d ' u n e seule c a m p a g n e en ma~'s ( L A L O Y E 86-87), c u l t u r e l a i s s a n t le sol d b c o u v e r t p e n d a n t l a m a j o r i t ~ de la s a i s o n de d r a i n a g e . Cette c a m p a g n e a 6t6 m a r q u 6 e par un hirer relativement peu pluvieux suivi d e fortes p r 6 c i p i t a t i o n s e n mai-juin. Les t e n e u r s en C a et M g s o n t rest6es

tr~s voisines de celles enregistr~es sous b16 au cours des ann6es pr6c~dentes. U e x p o r t a t i o n totale ~lev6e en C a et M g ne p a r a i t li6e q u ' a u v o l u m e d ' e a u restitu6 p a r le d r a i n a g e .

3.1.5

Techniques de drainage

Q u ' i l s'agisse de diff6rents 6 c a r t e m e n t s des d r a i n s ou de l ' a s s o c i a t i o n a u drai-

SOIL TECHNOLO~Y--A cooperating Journal of CATENA

Eau de Drainage

/ Drainage

193

Waters

1000-

0

](g/Ha cu~ulNs

X

900

Ca

8OO

7oo

PARCELLE N•

2 3 4 5 6 7 8 9

" ~" ,L <~ ~ + x 0

18m Z4m Z4t~ 12m 12m 18m 18~ 38m

S g

o

6oo

¢

soo

+

~+

S

+

aoo

S S g S S g

S Sous-sol6 9 Tranch~e gray i I l onn~e

++

~d3 X

3oo A

Mg

2oo loo

o

_~,

I

I

I

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u

I

i

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I

i

5000

I

i

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I

i

'1

I

i

4

10000

I

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I

I

I

I

Drainage cu~ul~ i I I I I ,,,M3/Ha-rn 15000

':' 0 0 0 0

Fig. 5: Pertes cumuldes en Ca et Mg sur 9 ann~es successives - - Cumulative losses o f Ca and Mg during 9 successive years - - Virey le Grand. S: Sous-solage- Subsoiling; g: TranehNes gravillonn&s- gravel backfilling trenches

La variabilit6 des teneurs en K des nage de techniques de travail profond (sous-solage), il n'apparait pas de eaux de drainage en permet pas de differences significatives dans les concen- dNgager une concentration moyenne antrations en Ca et Mg des eaux exportNes nuelle. (fig.5 - Pertes cumulNes en 9 ann~es sucCes pertes sont cependant diffNrentes cessives). selon les sites. Elles sont gNnNralement Les variations interparcellaires dans plus faibles A V I R E Y le G R A N D qu'A les pertes totales annuelles ne semblent LA LOYE pour des restitutions en eau li~es qu'aux ~carts des coefficients de du m~me ordre de grandeur (tab.5 et restitution, eux-m~mes dus A la quasi- fig.6) par suite de teneurs diffNrentes ne impossibilit~ de contrNler parfaitement semblant pas li~es directement A la nat o u s l e s param&res de tels essais (sur- ture des sols mais plutNt aux formes de faces exactes collect~es, 6carts de plu- fertilisation utilisNes (scoNes potassiques viom&rie, ...). ou super-potasique A VIREY, chlorures LA LOYE) et A l'importance des apports. 3.2

Le potassium

Les pertes en K sont, en g~n~ral, faibles et ne repr&entent que quelques Kg pour une campagne.

SOIL TECHNOLOGY--A =ooperaling Journal of CATENA

Contrairement /t Ca et Mg, les forts drainages ne sont pas accompagnNs d'une dilution mais il apparait une tendance fi l'Nvolution parall~le des volumes

C o n c a r e t & Crecy

194

R Annie

VIREY LE GRAND orge blfi colza barley

wheat

78-79 79-80

l 12 279

0.6 --

---

-2.2

80-81 81-82 82-83 83-84

163 168 589 111

-----

1.2 2.6 -0.6

--4.6 --

84-85 85-86 86-87

165 240 70

----

-2.6 --

1 -0.2

THIANGES

LA LOYE colza b16

R

295

--

bl~

f6tuque rescue

6.1

325 747

---

10.8 24.7

148 218 225

3.9 ---

7.5 6.2

240

--

--

40

87-88 II

R

miffs

m

n

_ _

_ _

m

_ _

n

m

_ _

321 169 258

10 5.7 --

--4.3

425

--

7.5

R = drainage (mm)

5 : Pertes annuelles en potassium par les eaux de drainage ( k g / h a / a n ) - - Drainage annual losses o f K ( k g / h a / y e a r ).

Tab.

l~g/Het

cumulus

85-86

S

.

;oo

Fig.

6:

.

.

.

,;oo

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

,;;'o .......

;o'o'o .......

2~'ri:3:)~/~' ';ooo

Pertes en K selon les sites - - Losses o f K according to sites (bid - - wheat).

SOIL

T E C H N O L O G Y - - A

cooperating

Journal

of

CATENA

Eau de DraMage/ Drainage Waters

195

d'eaux drain6s et des concentrations en mures de printemps qui, lorsqu'elles sont K, que ce soit /t l'~chelle d'un hydro- suivies de pr6cipitation donnant lieu fi gramme isol~ (fig.7) ou de l'ann6e. drainage, provoquent un nouvel accroisLes precipitations de fin de saison sement des teneurs en N. entrainent des quantit~s particuli~rement La fig.8 montre cette ~volution sous importantes de K. Ainsi, fi LA LOYE, colza au cours d'une annie culturale sous miffs, en 1987, des pluies d'orage (82-83) pr6sentant des prficipitations de mai et juin ont conduit ~i pros de r~guli+rement r6parties (VIREY: moy40 kg/ha les pertes en K qui n'~taient enne de toutes les parcelles, pr~l~vements que de 6 kg/ha jusqu'fi fin avril, c'est hebdomadaires). dire de l'ordre de grandeur des pertes Cette distribution peut &re forteenregistr~es au cours des autres ann~es ment perturb~e par des rfigimes pluagricoles sur ce site. viom~triques moins r6guliers: Ici encore, aucune influence des techLes premieres pluies d'automne provoniques de drainage ne peut &re d~gag6e. quent des pertes en N plus que proportionnelles aux quantit~s d'eaux export~es. En eas de pluies importantes fi cette 3.3 L'Azote ~poque, ces pertes peuvent repr&senter Seul l'Azote sous forme nitrique a ~t~ jusqu",i 75% des exportations de l'ann~e pris en compte, des travaux ant~rieurs (81-82). En hiver, les concentrations en ayant montr~ que, saul circonstances N des eaux de drainage sont alors plus particuli~res (fipandages de lisier, fumier, faibles. Lorsque l'automne est sec ou peu eaux us~es .... ), les formes nitreuses ou ammoniacales ne figurent g6n~ralement pluvieux, ce sont les drainages d'hiver dans les eaux de drainage qu'fi l'6tat (janvier-f~vrier) qui sont affect6s de conde traces ( C O N C A R E T 1974). Les ex- centrations ~lev~es (80-81, 83-84, 85-86 portations annuelles sont inf~rieures fi fi LA LOYE). 0.1 kg/ha/an pour razote nitrique et Les drainages qui suivent les fertili0.7 kg/ha/an pour l'azote ammoniacal sations de printemps (fin fbvrier et fin mars pour les blgs et les colzas) sont (BELAMIE 1986). Les donn~es recueillies conduisent /t marquis par des hausse des concentrations qui ne sont pas n6cessairement acexaminer divers param~tres: compagn6es par des pertes importantes, par suite d'un coefficient de restitution 3.3.1 Rfigime pluviom~trique et saisons du r~seau en baisse (troisi~me phase du Les concentrations en Azote des eaux drainage). Par la suite, les pertes en N de drainage varient trop largement au sont faibles saul en cas de tr~s fortes cours d'une annie culturale pour qu'il pluies. L'ann~e 86-87 pr~sente le cas particusoit possible d'6valeur le pertes ~ partir lier de saisons peu pluvieuses en automne de teneurs moyennes annuelles. et en hirer suivies de fortes pr6cipitation La saison de drainage dfibute, en auen mai et juin. La fin de campagne n'a pu tomne, avec des concentrations en N 8tre 6tudi~e fi VIREY le G R A N D • la des eaux ~vacu~es relativement 61ev6es. suite d'ennoiements de tousles disposiCes concentrations ont ensuite tendance fi d~cro~'tre jusqu'fi l'intervention des fu- tits. A LA LOYE, cette m~me annie corSOIL TECHNOLOGY~A cooperating Journal of CATENA

196

Co.caret dz Crecy

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Fig. 7: Virey le Grand, Parcelle 2: Hydrogramme du 10-03-88 - - Hydrogram o./ 10-03-88. E v o l u t i o n des teneurs en K (pas de 2 heures) - - Content evolution of K (step 2 hours)

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Fig. 8: Evolution annuelle des concentrations en N des eaux de drainage - - Annual content of N evolution in drainage waters, Virey le Grand 82-83.

SOIL TECHNOLOGY

A cooperating Journal of CATENA

Eau de Drainage / Drainage Waters respond fi la seule culture de ma'fs dont nous disposons: de exportations d'N tr~s ~lev~es (65 kg par ha sur 90 au total) ont 6t~ enregistr~es au cours des mois de mai et juin. A l'~chelle d'un 6pisode pluvieux (pr~l~vement au pas de 2 heures), en automne ou apr~s les fertilisations de printemps, les concentrations des eaux en N ~voluent parall~lement/~ rhydrogramme, les teneurs les plus 61ev~es apparaissant lots des d~bits de pointe. Cependant, p o u r ces m~mes d~bits de pointe, une certaine dilution se manifeste en cas de precipitations importantes et r6p6t6es d'hiver (fig.9). Les pertes annuelles d'Azote par drainage restent sous la d~pendance des quantit~s d'eau 6vacu~es. Pour une m~me culture et un m~me site, c'est A dire dans le cas d'application de techniques culturales identiques, cette tendance est nette sans cependant autoriser une 6valuation A priori &ant donn6e l'incidence des autres param&res (fig.10).

3.3.2

Couvert v~g~tal

Ces pertes globales sont diff~rentes selon la culture en place. La fig.10 r~unit, darts le cas de VIREY le G R A N D , les pertes totales d'N en kg/ha/an pour toutes les pareelles ~16mentaires et pour toutes les cultures durant les neuf a n s de l'essai. Les nuages de points correspondants au b16 et au colza sont nettement distincts et montrent des pertes sup~rieures sous bl~ p o u r un marne volume d'eau restitu~ par drainage. L'ann6e 83-84 est caract~ris~e p a r des drainages dont la grande majorit~ ont eu lieu entre le 20 janvier et le 15 f~vrier (82% des volumes d'eau ~vacu~s pendant la saison de drainage). Les r6sultats fournis par ces essais ne permettent pas une analyse suffisamment SOIL TECHNOLOGY~A cooperating Journal of CATENA

197

pr~cise concernant l'incidence 6ventuelle du pr~c~dent cultural. Le tab.6 pr~sente les exportations annuelles par ha pour les trois sites et sous couverts diff6rents: ces r6sultats confirmerit ceux de publications ant+rieures: les pertes sont importantes en cas de sol nu en p~riode de drainage (sole destin+e une culture de miffs) et tr~s faibles sous prairie, comme constat~/t T H I A N GES. Dans ce dernier cas, il faut souligner que l'essentiel des pertes est lig aux drainages suivant imm6diatement la fertilisation azot~e (en 85-86, +vacuation de 4.3 kg d'N dans les deux semaines suirant l'apport de 100 unit~s d'N du 15 mars, pour une perte totale annuelle de 5 kg).

3.3.3 Fertilisation Comme d6j/t constat+, les drainages suivant les fertilisations de printemps correspondent g~n~ralement fi une 616vation des teneurs en N. Les fumures azot6es sont quantativement tr~s proches/t VIREY le G R A N D et A LA LOYE pour des cultures identiques (170 A 200 unit6s pour le bl~, 250/t 290 unit+s pour le colza). D'une mani6re g~n~rale, les pertes sont cependant plus ~lev6es A VIREY le G R A N D . I1 faut rioter que la fertilisation azot6e est faite /t LA LOYE sous forme solide et sous forme liquide ~ VIREY le G R A N D . 3.3.4

Techniques de drainage

Sur huit ann~es d'6xploitation en alternance colza/bl~ A VIREY le G R A N D , les pertes en Azote paraissent influenc6es par les ~eartements entre drains. Ce ph~nom+ne est marqu6 sous culture de colza, que l'on consid~re les pertes totales en kg ou bien, en prenant en compte

Concaret & Crecy

198

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JANUIER 8 8

12 14 14 LG 18 2'0

22

AURIL 8 8

Fig. 9: Virey le Grand, Parcelle 2. Evolution saisonni~re des concentrations de N en relation avec le d~bit - - Seasonal evolution o f content of N according to the rate of flow.

N { HQ/Ha/An)

•

BI~ s a u l 8 3 - 8 4 BI~ 8 3 - 8 4

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40 0

Orge 7 8 - 7 9

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Colza

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4000

5000

l ) ~ a i n a g e (MS/Ha/An)

Fig. 10: Virey le Grand. Toutes parcelles, toutes anndes. Pertes annuelles de N et drainage - - Virey le Grand. All plots, all years. Annual losses of N and drainage. (bl~ - - wheat; orge - - barley)

SOIL TECHNOLOGY

- A cooperllting Journal o f C A T E N A

Eau de Drainage / Drainage Waters

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VIREY LE GRAND R C N 77-78 78-79 79-80 80--81 81-82 82-83 83-84 84-85 85-86 86-87

R

LA LOYE C N m

112 279 163 168 589 Ill 165 239 69

o c b b c b c b c

6.5* 15.5 27.1 19.7 23.3 24.9 7.3 34.7 4.4°

295

b b

325 747 148 217 225 241

b b

THIANGES R C N

59 27.3

C

C

b b m

15.7 50.4 2.1 9.5 25.2 93

321 170 258

f f b

5 30.5

* mesures partielles - - partial measurement R (ram) = Drainage; C: Culture - - Crops: b: b16 - - wheat; c: colza; m: mat's - - maize; f: f6tuque - - rescue; o: orge - - barley N = Pertes annueltes N (nitrique kg/ha) - - Annual losses N (nitric) Tab. 6:

Pertes annuelles d'azote (kg/ha) - - Annual losses of N (kg/ha).

12 m

12 m (S)

18 m

18 m (S)

24 m (S)

30 m (S)

Colza

total 4 ans (kg) g par m3

26.5 2.7

28,5 2.9

41.7 4

43 4.6

59.3 5.3

71 6.1

Bl6 - - Wheat

total 4 ans (kg) g par m 3

114.5 18.7

107.8 18.8

104.4 14.7

104.9 17.5

98 13.8

101.5 14.7

Total 8 ans (kg)

141.5

136.1

146.1

147.9

157.3

172.5

(s) sous-solage - - subsoiling

Virey le Grand: Pertes en azote (kg/ha) et dcartements entre d r a i n s - Losses o f N and spacing o f laterals. Tab. 7:

les v a r i a t i o n s i n t e r p a r c e l l a i r e s en ce qui c o n c e r n e les v o l u m e s d ' e a u ~vacu~s, les e x p o r t a t i o n s d ' A z o t e & a n t a l o r s 6valu~es e n g r a m m e s p a r m 3 d ' e a u restitu~ p a r le r~seau. O n c o n s t a t e u n e p r o g r e s s i o n des p e r t e s a v e c les ~ c a r t e m e n t s qui n e se m a n i f e s t e p a s s o u s b16 (tab.6). Le s o u s - s o l a g e associ6 au d r a i n a g e , ne s e m b l e p a s , p o u r les c a m p a g n e s de m e sure, m o d i f i e r s e n s i b l e m e n t les p e r t e s en azote.

SOIL TECHNOLOGY--A cooperating Journal of CATENA

4

Commentaires et conclusion

E n p r e m i e r e a n a l y s e et selon l'~16ment ~tudi~, des c o m p o r t e m e n t s diff~rents p e u v e n t &re d~gag~s et q u e l q u e s hyp o t h ~ s e avancfies:

, Le calcium et le magn6sium d o n n e n t lieu A des e x p o r t a t i o n s p a r les e a u x de d r a i n a g e e s s e n t i e l l e m e n t li~es aux quantit~s d ' e a u 6vacu+es p a r suite d ' u n e stabilit~ relative des c o n c e n t r a t i o n s que l ' o n p e u t m e t t r e

Concaret &, Crecy

200

en relation avec un gtat calcique et magn~sien du sol. L'analyse au pas de 2 heures d'~pisodes pluvieux individualis6s m o n t r e cependant une coincidence systfimatique du d6bit de pointe et d'une baisse de concentration des eaux. Ce ph6nom~ne est de tr~s courte dur~e et concerne les circulations les plus rapides et les plus superficielles (faible temps de contact pour des compos~s g~n~ralement peu solubles). Au cours de la courbe de tarissement, les concentrations rejoignent un palier autour duquel elles varient peu et qui, du point de vue hydraulique, correspond, pour une m~me parcelle et en sol saturn,/t un rfigime stable int~ressant l'ensemble du sol et r~gl6 par la porosit6 de drainage. Des fluctuations plus importantes sont observfies en sol non satur~ (d~but et fin de campagne) avec des rfigimes de circulation diff~rents fi mettre en relation avec l'~tat instantan~ du syst~me poral de chacun des horizons. Les pertes annuelles en Ca par drainage sont relativement fortes. A V I R E Y le G R A N D , en sol non calcaire, elles s'~l~vent fi environ 1 tonne p a r ha pour huit ans de culture avec alternance blfi-colza. Les pertes en M g sont plus faibles. A V I R E Y le G R A N D ou /t LA LOYE, elles repr6sentent, en moyenne, 15 ~i 20% des exportations en Ca et ne paraissent pas imm6diatement influenc6es par des apports de calcaires magn6siens. I1 est int~ressant de noter que les pertes moyennes annuelles par drainage en Ca et Mg calcul~es sur la durfe de l'exp~rience sont assez pro-

ches des besoins des v6g6taux en ces 616ments darts un assolement de grande culture. La n6cessit6 d'un entretien calcique et magn6sien est ainsi soulign6e mais le probl~me des formes d'amendements reste pos6. Ce probl~me ne peut ~tre abord6 darts le cadre de ce travail. I1 n6cessite en effet un v6ritable bilan faisant intervenir le sol et la plante et non une simple comptabilisation des pertes. Pour le potassium, les pertes paraissent davantage r~gies par les d6bits instantan~s du rfiseau que par le volume total des eaux ~vacu~es par suite du parall61isme assez g6n~ral de l'hydrogramme et des variations de concentration. Ces pertes sont en g6n~ral tr~s faibles. Elles d6passent exceptionnellement une dizaine de kg par ha ct par an pour les cas ici trait~s. Les teneurs en azote nitrique des eaux de drainage subissent des fluctuations importantes annuelles et inter-annuelles pour un m~me site. M~me si, darts cette note, les ph~nom~nes de d~nitrification ou de r~organisation ne sont pas pris en compte, la seule consid6ration des quelques param~tres retenus montre une 6troite imbrication de ceuxci, rendant difficile une 6valuation des pertes annuelles autrement qu'/t post~riori. La solubilit~ importante des nitrates entraine une liaison 6troite entre les pertes en N nitrique, les conditions climatiques de l'ann~e, les r6gimes de circulation des eaux exc6dentaires et les stocks instantan~s dans la ou les parties du sol SOIL TECHNOLOOY

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Eau de Drainage / Drainage Waters explor~ par ces eaux. Ainsi, des pluies intenses d'automne sur sol sec et fissur8 favorisent de fortes pertes par passage des eaux dans l'ensemble du sol enrichi des produits de la min&alisation. La saturation progressive des horizons profonds fait apparaitre ensuite des circulations lat~rales pr6f6rentielles intSressant essentiellement les horizons travaillSs riches en nitrates. Une forte frSquence des pluies entretient la saturation et donc ce type d'Scoulement en provoquant, /t la fois, des diminutions de concentration en d6bit de pointe et une baisse progressive du stock d'azote dans les couches concern6es. En grande culture, des fertilisations azot6es interviennent g6n~ralement fin f~vrier et fin mars. La r6percussion de ces fertilisations sur les pertes par drainage est fonclion de l'6tat hydrique du profil ces ~poques et, 8videmment, des conditions climatiques instantan+es. Uon enregistre de fortes pertes en cas de pluies importantes suivant la fertilisation en particulier lorsque l'humidit~ du sol privil~gie des circulations lat6rales dans l'horizon travaill& Par la suite, la reprise progressive d'une 6vapotranspiration de plus en plus importante limite le drainage e t l a consommation des v~g~taux abaisse la concentration en N des eaux exc6dentaires dont l'~coulement concerne fi nouveau l'ensemble du profil. S i c e schSma prSsente un caractSre gSn6ral, il est ~vident que le jeu annuel des diff~rents paramStres inSOIL TECHNOLOOY--A cooperating Journal of CATENA

201

terd~pendants peut entrainer des modifications non prgvisibles. La culture en place parait jouer un r61e d~terminant en ce qui concerne les pertes en azote, alors qu'elle n'intervient que peu ou pas pour les autres 61~ments ~tudi6s. Les conditions de ces essais perrnettent surtout une comparaison bl~-colza: En d~but de campagne (ler octobre pour l'ensemble des mesures), les concentrations des eaux de drainage sont g~n~ralement fortes dans t o u s l e s cas. Le sol est alors nu ou, darts le cas du colza, porte des plantules peu racin~es. Puis, rapidement, les pertes par drainage deviennent tr~s diff~rentes selon la couverture v~g~tale. Tout se passe comme si les besoins et les possibilit~s de captage d'azote par le colza ~taient largement sup~rieures ~ celles du blfi. A.M. TRIBOI estime qu'/t l'entr~e de la p~riode hivernale d'arr& de la v6g~tation un colza a d~j~, pr~lev~ 100 ~. 150 unit~s d'azote par hectare alors que ce pr~lfivement serait de l'ordre de 40 ~. 50 unit6s pour un bl~ (communication orale). Les entrainements par drainage sont alors limit,s par les stocks diponibles dans le sol, tr~s diff6rents dans les deux cas, alors que les processus de min6ralisation sont stopp6s ou tr~s faibles. Les ~l~ments actuellement en notre possession ne permettent pas une interpretation ~tay~e de la nette augmentation, sous colza, des exportations d'azote avec les ~cartements entre drains. Seules des hypoth+se peuvent ~tre avanc~es. Ainsi, D U T H I O N , &udiant les effets de l'hypoxie racinaire par exc6s d'eau,

Concaret & Crecy

202

a observ6, pour la moutarde, une sensibilit~ nettement sup6rieure A celle de bl& S'il en est de m~me pour le colza, plante voisine de la moutarde, on peut penser que l'absorption minfirale est limit6e pour cette esp~ce d~s que se prolonge la dur6e d'ennoiement avec pour corollaire une 6vacuation accrue d'azote par drainage. La sensibilit6 moindre du bib permettrait/t celui-ci de poursuivre l'absorption, voire de l'accroltre 16g~rement par suite d'un contact un peu plus prolong6 avec l'eau drain6e dans les couches riches en nitrates. I1 ne semble pas, cependant que le rendement final en soit affect6, aucune diffgrence interparcellaire n'ayant ~t~ not6e fi cet 6gard. II est probable que le drainage limite suffisamment le stress dans tous les cas pour ~viter des consequences irr~versibles. conclusion: Les donn~es recueillies sont du m~me ordre de grandeur que celles annonc~es dans la litt6rature et mesur6es sur les eaux drain6es en cases lysim~triques ( C O P P E N E T 1969, G A D E T et al. 1962, 1972, B A L L I F et al. 1975).

• En

Le drainage en tant que technique d'am~lioration ne parait donc pas entrainer de risques suppl6mentaires par rapport /t des sols dou6s naturellement de bonnes perm6abilit~s. De plus, si l'on se r~fgre A des travaux ant6rieurs sur d'autres sites ( C O N C A R E T et al. 1974), les syst~mes de captage de ruissellement (planches ou rigoles) en sols imperm6ables semblent entrainer des pertes en azote plus importantes que le drainage enterr6.

Dans un grand nombre de cas, le drainage est n~cessaire pour des sols dans lesquels existe, plus ou moins profond6ment, un horizon limitant la circulation verticale des eaux. I1 n%vacue alors les eaux exc~dentaires que vers le r~seau hydrographique de surface. Les exportations par drainage sont associ~es aux types saisonniers de circulation des eaux exc6dentaires. Ainsi, des circulations lat~rales pr~f6rentielles participent aux entrainements (6coulement cultural de B R A N C H A R D 1984). Entraver leur mouvement ne saurait ~tre une parade car ceci consisterait A prolonger la durfie des ennoiements dans la zone la mieux colonis~e par les racines et donc A aller A l'encontre des objectifs m~mes du drainage. Les pertes sont certes nettement influenc6es par les quantit~s apport~es par la fertilisation ou les amendements mais aussi par les formes utilisfis. Ce point m6riterait d'etre precis& Rejoignant en cela la plupart des auteurs, il est n~cessaire d'insister sur l'int6r& de toutes pratiques agricoles r~duisant les surfaces laiss~es nues ou sous culture peu couvrante en p6riode de drainage afin de limiter les exportations d'azote. Remerciements

Nous remercions MM. C O Q U I L L E et C H O P I N E T (Chaire de Machinisme agricole et de G~nie Rural de L'ENITA de DIJON) qui ont con~u et fabriqu6 les collecteurs de fraction au pas de 2 h ainsi que Mme B O R N I E R (ENITA) qui SOIL TECHNOLOGY--A cooperating Journal of CATENA

Eau de Drainage / Drainage Waters

203

a r~alis6 les analyses concernant l'azote. Nous remercions ~galement Mine MENARD (ENSSAA) qui a pris en charge l'ensemble des autres d6terminations dans le cadre des essais actuels au pas de 2 heures. Nous avons utilis6 une partie des r6sultats de ces essais A titre d'exemple darts l'attente d'un travail en commun plus d~taill6 qui permettra sans doute d'affiner les interpretations. Collaboration technique J.M. Denneulin, G. Louviot, Marie Claire Terrier. References

DUTHION, C. (1979): Pouvoir r~ducteur des racines des plantes eultiv~es. Ses modifications par une courte p~riode d'exc~s d'eau. Ann. agron. 30 (4), 323-327. GADET, R. & SOUBIES (1962): Le brian de l'Azote dans les sols. C.R. Acad. Agric. Fr., 145-153. JACQUIN, F. (1983): Tansfert de nitrates dons deux sols lorrains drain,s. C.R. Acad. Agrie. Fr., 804-813. TRIBOI, Anne Marie: Communication orale. TROCME, S. (1980): Amendements caleaires, chaulage. In: Techniques agrieoles. TROUCHE, G. (1981): Aspects agronomiques et hydrodynamiques du drainage des sols/t profil diff6renci6 du val de Sa6ne. Th~se DocteurIng~nieur, DIJON.

BALLIF, J.L, DURAND, R., D U T H I L , P. & MULLER, J. (1975): R~sultats des &udes en cases lysim&riques. Ron6o, Station de CHALONS/M. BELAMIE, R. & VOLLAT, B. (1986): Etude de la qualit6 des eaux de drainage. Pbrim~tre experimental d'ARROU (Eure et Loire). In: Etudes du CEMAGREF, Sfirie Hydraulique Agricole, No. 1. BRANCHARD, J.P. (1984): Fonctionnement hydrique et qualit~ des eaux dans des sols drain6s et soumis A 6pandage. Thgse Docteur-Ing~nieur, RENNES. CHAMBRE REGIONALE D'AGRICULTURE DE BOURGONGE (1981): Composition des eaux de drainage. In: Drainage Agricole - Th~orie et pratique. COPPENET, M. (1969): R~sultat de 12 armies d'observations lysim~triques A QUIMPER (1954-1965). Ann. Agron. 20 (2), 111-143. COPPENET, M. (1969): Le Magn6sium. Techniques agricoles.

In:

CONCARET, J, CHRETIEN~ J. & Colette MERE (1974): Composition des eaux de drainage. Soc. Hydrotech. de Fr. XIII ° journ~es de l'hydraulique. III, 12. CONCARET, J., CHRETIEN, J., Colette MERE (1976): Les nitrates dans les sols et dans les eaux. Ann. Nutr. Alim., 30, A, 637-643. CONCARET, J. DE CRECY, J. & PERREY, C. (1984): Fonctionnement hydraulique de parcelles drain,s en liaison avee la dynamique structurale. Essai d'interpr&ation. Agro., 4 (8), 749761.

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Address of authors: J. Conearet, J. de Crecy INRA Station d'Agronomie 17, rue Sully 21034 Dijon CEDEX France