Changing soil physicochemical properties, reducing net global warming potential and increasing maize silage yields by one-time high-dose incorporation of vegetable residue in drylands

Résumé technique : Incorporation ponctuelle à haute dose de résidus de légumes en zones arides

Énoncé du problème
La Chine génère plus de 340 millions de tonnes de résidus de légumes par an, ce qui représente la deuxième source de résidus agricoles après les pailles de cultures de base. Bien que ces résidus contiennent des réserves importantes de nutriments (N, P, K) et de matière organique, leur teneur élevée en humidité (>85 %) et leur faible teneur en matière sèche (<15 %) entravent l'efficacité des méthodes traditionnelles d'incorporation au champ. Une élimination inappropriée dans les marchés de gros et les régions de production provoque une grave pollution environnementale. De plus, le plateau de Loess, une région majeure de production maraîchère, fait face à une dégradation des sols due à une culture intensive et une fertilisation inadéquate, les rendements actuels étant souvent inférieurs à 60 % de leur potentiel. Il est crucial de déterminer des stratégies optimales de recyclage des résidus de légumes qui équilibrent l'atténuation environnementale (émissions de gaz à effet de serre) et la productivité agricole dans les écosystèmes semi-arides.

Méthodologie
Une expérience de terrain de deux ans (2020–2022) a été menée à la Station Expérimentale des Écosystèmes Semi-Arides sur le plateau de Loess (province du Gansu, Chine). L'étude a utilisé un dispositif en blocs aléatoires avec le maïs ensilage (Zea mays L.) comme culture test. Les traitements expérimentaux consistaient en une combinaison factorielle de :

• Taux d'incorporation (W) : Trois niveaux d'application ponctuelle à haute dose de résidus de légumes : W1 (800 t·ha⁻¹), W2 (1600 t·ha⁻¹) et W3 (2400 t·ha⁻¹).
• Profondeurs d'incorporation (D) : Trois profondeurs : D1 (10 cm), D2 (20 cm) et D3 (30 cm).
• Contrôle : Un traitement sans incorporation (NW) où la couche arable a été labourée sans amendement de résidus.

Les résidus de légumes comprenaient un mélange de chou nain, de chou-fleur, de céleri et de laitue asperge collectés dans un centre de commerce local. En 2021, le maïs a été cultivé dans des conditions de non-labour ; en 2022, la technologie de paillage en billons et rigoles a été introduite.

Les mesures clés incluaient :

• Propriétés physico-chimiques du sol : Température, teneur en humidité, pH, potentiel redox (RP), carbone organique dissous (COD) et azote inorganique (NH₄⁺-N, NO₃⁻-N).
• Émissions de gaz à effet de serre (GES) : Les flux de CO₂, N₂O et CH₄ ont été surveillés à l'aide de chambres statiques et de la chromatographie en phase gazeuse.
• Métriques d'impact climatique : Le Potentiel de Réchauffement Global Net (PRGN) et l'Intensité des Gaz à Effet de Serre (IGES) ont été calculés, intégrant les émissions directes du sol, les émissions indirectes des opérations agricoles et le potentiel de séquestration du carbone de l'incorporation des résidus.
• Productivité des cultures : La biomasse du maïs ensilage a été mesurée au stade physiologique du lait.
• Analyse statistique : Les données ont été analysées par ANOVA, modélisation par équations structurelles (SEM), corrélation de Pearson et analyse de forêt aléatoire (Random Forest) pour déterminer l'importance des facteurs.

Résultats clés

• Propriétés physico-chimiques du sol : L'incorporation à haute dose a significativement modifié les conditions du sol. Le taux et la profondeur d'incorporation étaient positivement corrélés à la température et à l'humidité du sol. L'incorporation des résidus a induit une réponse biphasique du pH du sol (augmentation initiale suivie d'une baisse) et une diminution soutenue du potentiel redox. Les concentrations de COD et de NH₄⁺-N ont atteint un pic 15 à 30 jours après l'incorporation et étaient fortement dépendantes de la dose, augmentant jusqu'à 4,8 fois (COD) et 139,9 fois (NH₄⁺-N) par rapport au témoin. Inversement, l'accumulation de NO₃⁻-N a montré une tendance inverse avec l'intensité de l'incorporation.
• Émissions de GES : L'augmentation du taux d'incorporation a considérablement élevé les émissions de CO₂, N₂O et CH₄ (respectivement 5,15–12,77, 25,54–70,67 et 0,92–2,24 fois le témoin). Les émissions de CO₂ ont présenté un profil temporel trimodal, avec un pic au 20ème jour. Les émissions de N₂O étaient principalement influencées par la profondeur d'incorporation, la profondeur supprimant les émissions à des taux plus faibles (W1, W2) mais les augmentant au taux le plus élevé (W3). Les flux de CH₄ sont passés d'un état positif à un état négatif (puits) après le 150ème jour.
• Potentiel de Réchauffement Global Net (PRGN) et IGES : Malgré l'augmentation des émissions de GES, les traitements à haute dose ont présenté des valeurs de PRGN négatives, indiquant un effet de puits de carbone net. Il existait une forte corrélation négative entre le taux d'incorporation et le PRGN (r = -0,91, P < 0,01). Les bénéfices de la séquestration du carbone provenant de l'apport massif de carbone organique ont compensé les émissions associées.
• Rendement des cultures : Les rendements en maïs ensilage ont répondu de manière parabolique au taux d'incorporation. Des taux modérés (W1 et W2) ont augmenté significativement les rendements (jusqu'à 112,4 % par rapport au témoin), tandis que le taux le plus élevé (W3) a provoqué des réductions de rendement (17,7–41,1 % en dessous du témoin), attribuées à la salinisation secondaire et à l'accumulation excessive de nutriments. Le rendement présentait une relation linéaire positive avec la profondeur d'incorporation.
• Stratégie optimale : La combinaison d'un taux d'application de 1600 t·ha⁻¹ (W2) et d'une profondeur d'incorporation de 30 cm (D3) a été identifiée comme optimale. Ce traitement maximise les bénéfices de productivité des cultures tout en minimisant les impacts environnementaux, atteignant un équilibre entre la séquestration du carbone et le rendement.

Signification et affirmations
L'article affirme que l'incorporation ponctuelle à haute dose de résidus de légumes est une stratégie réalisable pour le plateau de Loess semi-aride afin de traiter à la fois la gestion des déchets et les problèmes de fertilité des sols. L'étude démontante que, bien que cette incorporation stimule initialement les émissions de GES, la capacité substantielle de séquestration du carbone et l'augmentation résultante de la productivité des cultures (dans les traitements modérés) compensent efficacement ces émissions, conduisant à une réduction nette du potentiel de réchauffement global.

Les auteurs soutiennent que cette pratique peut améliorer la fertilité du sol, remplacer partiellement les engrais synthétiques et augmenter les rendements des cultures, favorisant ainsi une utilisation durable des ressources. Cependant, ils mettent en garde contre des taux d'application excessifs (par exemple, 2400 t·ha⁻¹) qui peuvent entraîner la salinisation du sol et une baisse de rendement, soulignant la nécessité d'identifier les taux et les profondeurs optimaux. L'étude fournit des informations critiques pour équilibrer les objectifs de séquestration du carbone avec la productivité agricole, suggérant qu'une incorporation contrôlée des résidus de légumes, particulièrement lorsqu'elle est combinée à des interventions agronomiques comme le paillage en billons et rigoles, représente une stratégie de gestion durable pour les régions arides. Les auteurs notent qu'un suivi à long terme est nécessaire pour évaluer pleinement la durabilité de ces stratégies concernant la saturation du carbone du sol et la poursuite des émissions de GES.