Évaluation et modélisation de l’érosion du sol sous différentes pratiques de conservation sur les plantations de café ombragées sur les terres de pente (Ultisols) au Costa Rica

Soil erosion evaluation and modeling under different production practices on shade coffee plantation under steep lands (Ultisols)

• Auteur / Autrice : Mario Villatoro
• Direction : Yves Le Bissonnais, Bruno Rapidel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géosciences
• Date : Soutenance le 07/12/2015
• Etablissement(s) : Montpellier, SupAgro
• Ecole(s) doctorale(s) : Systèmes Intégrés en Biologie, Agronomie, Géosciences, Hydrosciences, Environnement (Montpellier ; École Doctorale ; 2009-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LISAH - Laboratoire d'étude des Interactions Sol , Agrosystème, Hydrosystème à Monptellier SupAgro - (yves.le-bissonnaissupagro.inra.fr)
• Jury : Président / Présidente : Roger Moussa
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Cerdan
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Ribolzi, Patrice Cannavo

Mots clés

Mots clés libres

Erosion

Café

Pente

Ultisols

Modélisation

Erosion

Coffee

Slope

Ultisols

Modeling

Résumé

L'objectif principal de ce travail était de mieux comprendre les processus et la dynamique d'érosion des sols sur pentes raides sous culture permanente (café sous arbres d'ombrage).Huit parcelles expérimentales ont été installées dans une plantation de café avec une pente moyenne de 65 % avec Erythrina sp. comme arbre d'ombrage. Le ruissellement superficiel a été mesuré chaque 5 min et collecté pour la mesure de la concentration en sédiments et l'évaluation de l'érosion.La pluviométrie annuelle a été de 2206, 1778 et 2220 mm en 2011, 2012 et 2013 respectivement avec une alternance marquée de saison sèche et saison des pluies. La lame ruisselée totale a été en moyenne de 103, 54 et 33 mm respectivement pour les trois années. La concentration moyenne en sédiments a été d'environ 1.3 g l-1 avec des variations temporelles réduites entre événements pluvieux et entre années. La perte de sol annuelle moyenne a diminué de 1.69 à 0.91 puis 0.58 t ha-1 an-1 de 2011 à 2013. La dynamique temporelle a été analysée à trois échelles de temps : annuel-mensuel, événement et intra-événement. Environ 60% de la pluie et 90% du ruissellement et de l'érosion s'est produit pendant les périodes d'octobre à aout, dont plus de la moitié en octobre. La hauteur de pluie de chaque événement et la teneur en d'eau du sol ont expliqué l'essentiel de la variabilité du ruissellement et de la perte en terre. Le stockage d'eau de sol hérité de l'année précédente a joué un rôle important sur le ruissellement. Un modèle d'infiltration simple (Diskin et Nazimov) a été utilisé pour évaluer la hauteur de ruissellement pendant une pluie.En 2012 quatre traitements ont été appliqués avec deux répétitions chacun : 1. traitement de référence avec renouvellement de mini-terrasses et désherbage manuel ; 2. idem 1 sans renouvellement de mini-terrasses ; 3. idem 1 sauf désherbage avec un herbicide ; 4. idem 1 avec taille réduite des arbres d'ombrage. On a considéré trois périodes : P1 avant application des traitements, P2 les deux mois suivants traitement et P3 l'année suivante (2013). Les différences significatives entre les ratios de traitements/référence pour les trois périodes indiquent une augmentation du ruissellement et de la concentration en sédiments après renouvellement des mini-terrasses avec un effet toujours présent pour P3. Le désherbage avec un herbicide n'a pas montré d'influence claire. Le traitement avec taille réduite des arbres d'ombrage a réduit l'érosion pour les conditions d'humidité de sol > 30 % seulement.Le ruissellement superficiel, la concentration en sédiments et la perte en terre ont été mesurés à l'exutoire d'un petit bassin versant (31 ha, de pente moyenne de 60 %) en 2012 et 2013. Seules les pluies de hauteur supérieure à 5 mm (169 événements) ont produit du ruissellement et l'essentiel des volumes ruisselés a été produit lors des fortes averses (> 40 mm). Les coefficients de ruissellement ont été faibles (0.9 %) aux deux échelles en 2013. Ils ont atteint 2.44 % pour les parcelles et 0.9 % pour le bassin versant en 2013. L'écoulement de base était également faible pour le bassin versant (13-16 % de la pluie totale) avec une grande partie de la pluie (environ 20 %) perdue par percolation. La concentration moyenne en sédiments a été d'environ 1.65 g l-1 à l'échelle de la parcelle avec des valeurs maximales de 5.64 g l-1. La concentration moyenne en sédiments à l'échelle du bassin versant a été de 0.51 g l-1. La perte de sol annuelle a été de 0.73 et 0.36 t ha-1 an-1 à l'échelle parcellaire (tous traitements confondus) pour 2012 et 2013 respectivement et de 0.46 et 1.24 t ha-1 yr-1 à l'échelle du bassin versant pour les mêmes années.Le système caféier étudié a présenté une perte en terre modérée liée à une protection importante de la surface du sol par la végétation.

The main objective of this work was to better understand soil erosion processes and dynamics on steep lands cultivated with a permanent crop (shade coffee).Eight large experimental plots were installed in a 65% average slope coffee plantation with Erythrina sp. as shade tree. The superficial runoff was measured every 5 min. and collected for sediment concentration measurement and soil loss assessment.Rainfall depth was 2206, 1778 and 2220 mm in 2011, 2012 and 2013 respectively with a marked succession of dry season and rainy season. Total runoff was 103, 54 and 33 mm along those three years. Annual average sediment concentration at plot scale was about 1.3 g l-1 with reduced temporal variations between years or rainfall events. The plots' average annual soil loss (under normal management) decreased from 1.69 to 0.91 and 0.58 t ha-1 from 2011 to 2013. An analysis of the temporal dynamics was performed in three time scales: annual-monthly, event and intra-event. Around 60% of rainfall and 90% of runoff and soil loss occurred each year during the August-October periods and more than half of it in October. Total event rainfall and soil water content explained most of surface runoff and soil loss dynamics, while inherited soil water storage from previous year played an important role on the relationship between rainfall and runoff dynamics the following year. A simple infiltration model (Diskin and Nazimov) was used to estimate runoff during a rainfall event.In 2012 four treatments were applied with two replicates each: no mini-terraces renewal, weed control with herbicide, reduced pruning pressure on shade trees and reference management. Three periods were considered: P1 before treatment application, P2 the next two months afterwards and P3 the year after (2013). The significant differences between treatments/reference ratios for the three periods suggested higher runoff and sediment concentration when mini-terraces were renewed and the effect decreased but was still present in P3. Chemical weed control did not show a clear trend. The reduced pruning treatment reduced erosion only for superficial soil moisture >30%.Superficial runoff, average sediment concentration and soil loss were monitored at the outlet of a small watershed (31 ha, 60% average slope) during 2012 and 2013. Rainfall events greater than 5 mm (169 events) produced runoff at both scales and most of runoff amount was produced for strong rainfalls (> 40 mm). The runoff coefficients were very low (0.9%) at both scales in 2013. But it was 2.44% for plots and 0.9% for watershed in 2013. The base flow was also very low on this watershed (13-16% of total rainfall) with a large part of the rainfall (about 20%) being lost by percolation. The average sediment concentration at the plots was about 1.65 g l-1 and the maximum value was 5.64 g l-1. The average sediment concentration at watershed scale was 0.51 g l-1. Estimated annual soil loss were 0.73 and 0.36 t ha-1 yr-1 at plots scale (all managements included) for 2012 and 2013 respectively and 0.46 and 1.24 t ha-1 yr-1 at watershed scale for thesame years.The shade coffee system studied showed a tolerable soil loss compared to the potential erosion due to the efficient vegetal surface protection.