Redefinition of the distribution of soil units and associated chemical properties for the optimization of sugar cane fertilization thanks to the Reunion Island nutrient management, SERDAF.
Typologie et fourniture azotée des sols volcaniques pour une amélioration de la fertilisation de la canne à sucre à la Réunion
Résumé
The productivity of sugarcane, the main crop in Reunion Island, is an essential criterion for the viability of both farms and the sugar industry. As a major driver of this productivity, nitrogen fertilization must meet the crop nitrogen requirements that are not supplied by the soil, without deficiencies or excesses, to optimize yields while minimizing the environmental and sanitary impacts. In order to estimate fertilizer doses as close as possible to the plant's needs, it is essential to quantify the soil nitrogen supply and the nitrogen use efficiency from fertilizer. Given the high sensitivity of these parameters to the pedo-climatic context, their quantification must necessarily consider the volcanic and tropical pedogenesis of the island's soils. Therefore, the general objective of this thesis was to revisit the scientific principles of the soil-specific nutrient management expert system for sugarcane fertilization in Reunion Island (Serdaf). This revision focused on (i) the proposal of a soil typology based on mineralogy and of agronomic interest ; (ii) the quantification and prediction of the organic nitrogen mineralization rate of volcanic and tropical soils ; and (iii) the quantification of the nitrogen use efficiency from urea, considering crop system and soil-climate variability.In a first step, a VNIR spectral database of 3014 soil samples was used to build an unsupervised clustering typology. This typology revealed an andosolisation gradient thanks to the mineralogical continuum of the soil samples spectral signatures. The six mineralogical units, composed of allophanes, halloysites, iron and aluminum oxyhydroxides, were then refined by soil properties into seven units. The distribution homogeneity of these properties per soil unit confirmed their agronomic relevance. In a second step, incubation of 40 soil samples under controlled conditions was used to measure the rate of nitrogen mineralization. This rate was predicted from two equations based on pedotransfer functions and a prediction by VNIR spectroscopy. The mineralogy and physico-chemical properties of soils were fundamental in explaining mineralization rates, probably by modulating the organic matter accessibility to micro-organisms. In a third phase, an experimental network of 10 trials was used to quantify the nitrogen use efficiency from urea, using a 15N isotope tracer. The results suggest that the response of sugarcane to fertilization is explained by the soil nitrogen supply. Thus, the nitrogen use efficiency by the plant, estimated at 38 %, seems to be explained by the climatic conditions and by the crop dynamism. Moreover, the decrease of the isotopic tracer during the growth cycle suggests a translocation of part of the nitrogen towards the root compartment accompanied by nitrogen losses by a root turnover. Finally, we integrated these results into a nitrogen balance model, adapted for the sugarcane crop. The results suggest that soil nitrogen supply is poorly defined in the current calculation, especially for andosols. Finally, the fertilizer doses proposed by the nitrogen balance seem to be much more variable by soil type than those proposed by Serdaf and over a four-fold range of values. These findings open the way to a revision of the management of Nitrogen fertilization of sugarcane in Reunion Island.
La productivité de la canne à sucre, culture dominante de La Réunion, est un critère essentiel de viabilité pour les exploitations agricoles autant que pour l’industrie sucrière. Levier majeur de cette productivité, la fertilisation azotée doit combler les besoins de la culture non couverts par le sol, sans carences ni excès, afin d’optimiser les rendements tout en minimisant les impacts environnementaux et sanitaires. Pour estimer des doses fertilisantes au plus juste des besoins de la plante, la quantification de la fourniture en azote par le sol et de l’efficience d’utilisation de l’azote du fertilisant se révèle fondamentale. Étant donnée la forte sensibilité de ces paramètres au contexte pédo-climatique, leur quantification doit nécessairement tenir compte de la pédogénèse volcanique et tropicale des sols de l’île. Ainsi, l’objectif général de cette thèse était de revisiter les fondements scientifiques du « module azote » de l’outil d’aide à la fertilisation réunionnais, Serdaf. Cette revisite s’est axée sur (i) la proposition d’une typologie des sols volcaniques tropicaux de la Réunion, basée sur leur minéralogie et d’intérêt agronomique ; (ii) la quantification et la prédiction du taux de minéralisation de l’azote organique des sols volcaniques et tropicaux ; et (iii) la quantification de l’efficience d’utilisation de l’azote issu de l’urée, en tenant compte de la variabilité culturale et pédo-climatique. Dans un premier temps, une base de données spectrale dans le domaine du visible et du proche infrarouge (VNIR) de 3014 échantillons de sols a permis la construction d’une typologie par clustering non supervisé. Celle-ci a mis évidence un gradient d’andosolisation grâce au continuum minéralogique des signatures spectrales de sols. Les 6 unités minéralogiques, constituées d’allophanes, halloysites, oxyhydroxydes de fer et d’aluminium, ont ensuite été affinées à partir des propriétés du sol pour aboutir à 7 unités. L’homogénéité de distribution de ces propriétés par unité de sol a permis de valider leur pertinence agronomique. Dans un deuxième temps, l’incubation en conditions contrôlées de 40 échantillons de sols a permis de mesurer le taux de minéralisation de l’azote. Ce taux a été prédit à partir de deux équations basées sur des fonctions de pédotransfert et d’une prédiction par spectroscopie VNIR. La minéralogie ainsi que les propriétés physico-chimiques des sols se sont révélées fondamentales dans l’explication des taux de minéralisation, probablement en modulant l’accessibilité de la matière organique aux micro-organismes. Dans un troisième temps, un réseau expérimental de 10 sites a permis de quantifier l’efficience d’utilisation de l’azote issu de l’urée, par l’utilisation d’un traceur isotopique 15N. Les résultats suggèrent que la réponse de la canne à sucre à la fertilisation s’explique par la fourniture en azote par le sol. L’efficience d’utilisation de l’azote par la plante, estimée à 38 %, semble être expliquée par les conditions climatiques et par le dynamisme de la culture. La diminution de la teneur en 15N au cours du cycle de croissance suggère une translocation d’une partie de l’azote vers le compartiment racinaire accompagné de pertes d’azote par turnover racinaire. Finalement, ces résultats ont été intégrés dans un modèle de bilan azoté, adapté pour la culture de la canne à sucre. Les résultats suggèrent que la fourniture en azote par le sol est mal définie dans l’outil d’aide à la fertilisation actuel, Serdaf, en particulier pour les andosols. Enfin, les doses fertilisantes proposées par le bilan azoté semblent beaucoup plus variables par type de sol que celles proposées par Serdaf et sur une gamme de valeurs quatre fois plus importante. Ces avancées ouvrent la voie à une revisite du pilotage de la fertilisation azotée de la canne à sucre à la Réunion
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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