Analyse expérimentale de l'effet de couverts de légumineuses associés en relais à un blé d'hiver, conduit en agriculture biologique, sur les performances des cultures, la maîtrise des adventices et la dynamique de l'azote

Experimental analysis of the effect of relay intercropped legume cover crops with winter wheat, in organic crop rotations, on crop performance, weed control and nitrogen dynamic

• Auteur / Autrice : Camille Amossé
• Direction : Marie-Hélène Jeuffroy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Agronomie
• Date : Soutenance le 15/01/2013
• Etablissement(s) : Paris, AgroParisTech
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Agriculture, Alimentation, Biologie, Environnement, Santé (Paris ; 2000-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : AgroParisTech (France ; 2007-....) - Institut supérieur d'agriculture (Lyon)
• Jury : Président / Présidente : Thierry Doré
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thierry Doré, François Gastal, Nicolas Lecat, Christophe David
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Paolo Bàrberi, Guénaëlle Corre-Hellou

Mots clés

Mots clés contrôlés

Agriculture biologique

Cultures associées

Mots clés libres

Associations culturales

Agriculture biologique

Blé (Triticum aestivum L.)

Légumineuses

Adventices

Azote

Relay intercropping

Organic farming

Winter wheat (Triticum aestivum L.)

Legumes

Weed

Nitrogen

Résumé

La productivité et la qualité des céréales biologiques sont soumises à deux principaux facteurs limitants dans les systèmes sans élevage : des déficits chroniques en azote (N) du sol et des infestations par les adventices. Des légumineuses telles que les trèfles ou les luzernes peuvent servir à la fois de plantes de couverture et d'engrais verts grâce à leur fixation symbiotique d'N atmosphérique. Cependant, leur substitution aux céréales présente un moindre intérêt économique dans les systèmes de grandes cultures en l'absence d'animaux pour les valoriser. L'association relais de couverts de légumineuses dans un blé d'hiver nous a semblé être une option intéressante pour à la fois enrichir le système sol-plante en N, couvrir le sol dès la récolte du blé associé et limiter le risque de compétition avec le blé en décalant au printemps la date de semis des légumineuses sous couvert de blé. Pour évaluer l'efficacité de ces associations, quatre espèces de légumineuses (Medicago lupulina L., M. sativa L., Trifolium pratense L. et T. repens L.) ont été semées au tallage du blé d'hiver sur huit parcelles réparties dans la région Rhône-Alpes. Leurs effets sur la maîtrise des adventices, l'enrichissement, la préservation et la restitution d'N au système sol-plante et les performances des cultures ont été observés, durant une succession blé d'hiver-culture de printemps. Les résidus des couverts ont été enfouis à la fin de l'hiver, 9 à 12 semaines avant le semis d'une culture de printemps. Nos travaux ont montré l'absence d'effet des couverts associés sur le rendement en grains du blé d'hiver. Mais des diminutions du taux protéique des grains sont apparues dans un tiers des situations d'association notamment avec M. lupulina et T. pratense, les espèces les plus développées à la récolte du blé. Notre suivi de la disponibilité des ressources trophiques principales (eau, N, lumière) nous a permis d'identifier une compétition pour l'eau et l'N du sol. Nous avons également noté l'efficacité des couverts de légumineuses dans le contrôle de la densité des adventices dès le stade de floraison du blé et de leur biomasse durant l'interculture. Le meilleur contrôle des adventices a été permis par M. lupulina et T. pratense, à la récolte du blé, et T. pratense et T. repens, à la fin de l'automne, associé aux biomasses aériennes observées les plus importantes. Enfin, nous avons observé une forte proportion d'N issu de la fixation symbiotique dans la biomasse aérienne des légumineuses à la fin de l'automne (80 à 94%), représentant un apport d'N exogène au système sol-plante évalué entre 37 et 77 kg N ha-1. Cet enrichissement en N n'a pas entrainé d'aggravation de la lixiviation d'N durant l'hiver. Les couverts de légumineuses n'ont pas non plus diminué la lixiviation comparativement à l'absence de couvert. Après leur destruction, les résidus des couverts ont restitué une partie de l'N accumulé (+28 à +42 kg ha-1 d'N minéral sur les 90 premiers centimètres de sol par rapport au témoin à l'émergence de la culture de printemps, 12 semaines après leur destruction). Cette restitution a permis un enrichissement en N des pailles et grains de la culture de printemps et une augmentation de 30% du rendement lorsqu'il s'agissait de maïs. Finalement nous concluons sur l'intérêt des couverts de légumineuses associés en relais dans un blé d'hiver pour apporter une réponse positive aux problèmes principaux des rotations de grandes cultures biologiques (adventices, déficits d'N et diminutions des performances des cultures). Nous terminons en proposant des voies d'évolution des associations testées, notamment pour limiter les risques de compétition durant l'association. Nous évoquons également les implications scientifiques et pratiques de ce travail pour de futures études sur ce sujet.

Cereal productivity and quality are subject to two main problems in organic stockless systems: chronic soil nitrogen (N) deficiencies and weed infestation. Legume species as clovers or alfalfas can be used as cover crops and green manures due to their natural ability to fix atmospheric N. Nevertheless, their substitution to cereals in crop rotations is less economically viable without animals to use it. Relay intercropping of legume cover crops (RIL) in winter wheat was expected to simultaneously enrich the soil-plant system in N, cover the soil from the wheat harvest onwards and limit the risk of competition with wheat by delaying the undersowing of legumes in spring. To evaluate the efficiency of RIL, four legume species (Medicago lupulina L., M. sativa L., Trifolium pratense L. and T. repens L.) were undersown at wheat tillering stage, in eight fields organically managed in the Rhône-Alpes region, France. Their effects on weed control, on N enrichment, preservation and restitution in the soil-plant system and on crop performance were observed during the succession of the winter wheat and a spring crop. RIL residues were incorporated in soil in late winter, 9 to 12 weeks before the sowing of spring crops. Our work illustrated the absence of detrimental effect of RIL on wheat grain yield despite the decrease of the grain protein content in one third of the situations. This decrease was mainly observed with M. lupulina and T. pratense as they were the most developed legume species at wheat harvest. Our monitoring of trophic resources (water, N and light) enlightened the competition for soil water and N during the intercropping period. We also showed the efficiency of RIL in the control of weed density from wheat flowering stage onwards and of weed aerial biomass in late autumn. The best weed control was observed with M. lupulina and T. pratense, at wheat harvest, and with T. pratense and T. repens in late autumn, in relation to the highest aerial biomasses observed with these species. Finally, we noted an important proportion of N derived from atmosphere (Ndfa) in legumes' shoots in late autumn (80 to 94%), representing an input of exogenous N in the soil-plant system ranging from 37 to 77 kg Ndfa ha-1. The N enrichment of the system did not increase mineral N lixiviation during winter. However, legume cover crops did not significantly prevent any lixiviation of mineral N relative to the control without cover crop. After their ploughing in, legumes residues returned a part of the accumulated N (+28 to +42 kg ha-1 of mineral N in the first 90 cm of soil compared to the control at the emergence of the spring crop, 12 weeks after ploughing). This restitution of mineral N allowed a significant N enrichment of straw and grains of the spring crop with all previous legumes cover crop species. With maize as spring crop, the grain yield increased by 30%, on average, compared to the control treatment. We finally conclude on the interest of RIL in winter wheat to bring a positive response to the problems of weed control, N deficiency and crop performances in organic crop rotations. We then suggest possible improvements of the RIL system, especially against the competition for trophic resources during the relay intercropping period. We also mention scientific and practical implications of this work for future studies on this subject.