Effet du biochar et des feuilles de Tithonia diversifolia combiné à l’engrais minéral sur la culture du maïs (Zea mays L.) et les propriétés d’un sol ferralitique à Kinshasa (RDC)
Reçu le 11 septembre 2014, accepté le 2 octobre 2015
Résumé
Description du sujet. Cet article traite de l’amélioration de la productivité des sols sableux de Kinshasa (RDC) par le recours aux intrants locaux en complément à la fertilisation minérale.
Objectifs. Évaluer l’effet d’un apport de charbon de bois broyé (biochar) et de feuilles de Tithonia diversifolia sur les propriétés du sol et la performance de la culture de maïs.
Méthode. Cinq traitements et un témoin : T0 (Témoin), T1 (N120 P141 K134), T2 ([N60 P71 K67] + 30 t·ha-1 biochar), T3 ([N60 P71 K67] + 8 t·ha-1 T. diversifolia), T4 ([N120 P141 K134] + 30 t·ha-1 biochar), T5 (N160 P188 K179) ont été répétés quatre fois dans un dispositif en blocs complets randomisés. Des analyses physiques et chimiques ont été effectuées sur le sol, les feuilles de T. diversifolia et la biomasse du maïs.
Résultats. Le biochar et les feuilles de T. diversifolia combinés à l’engrais minéral ont augmenté la teneur en carbone, en potassium et la CEC du sol ainsi que le rendement en grains, les exportations et le coefficient apparent d’utilisation des éléments minéraux par la culture de maïs. Les traitements au biochar ont réduit l’acidité et la saturation en aluminium et augmenté la disponibilité du phosphore du sol. Au regard de l’indice d’acceptabilité, les T3 (IA = 3,06), T4 (IA = 2,92) et T2 (IA = 2,14) peuvent être acceptés facilement par les agriculteurs.
Conclusions. Il est possible d’améliorer la productivité des sols sableux de Kinshasa par l’usage du biochar et de feuilles de T. diversifolia en complément à la fertilisation minérale.
Abstract
Effect of the use of biochar and leaves of Tithonia diversifolia combined with mineral fertilizer on maize (Zea mays L.) and the properties of ferralitic soil in Kinshasa (DRC)
Description. This article deals with the improvement of the productivity of (poor) sandy and acidic soils in Kinshasa (DRC) using local natural resources in addition to mineral fertilization.
Objectives. The objective of this study was to evaluate the effect of ground charcoal (biochar) and Tithonia diversifolia leaves combined with mineral fertilizer on soil properties and on the performance of the maize crop.
Method. Five treatments and an eyewitness: T0 (control), T1 (N120 P141 K134), T2 ([N60 P71 K67] + 30 t·ha-1 biochar), T3 ([N60 P71 K67] + 8 t·ha-1 T. diversifolia), T4 ([N120 P141 K134] + 30 t·ha-1 biochar), T5 (N160 P188 K179) repeated four times were compared in a randomized complete block. Physical and/or chemical analyses were carried out on the ground, on T. diversifolia leaves and on maize biomass.
Results. The results showed that application of biochar and T. diversifolia leaves combined with mineral fertilizers increased the carbon content, the potassium content and the cation exchange capacity of the soil as well as grain yield, exports of mineral elements and the apparent coefficient of mineral elements use by the crop. Treatments under biochar reduced acidity and aluminum saturation with an improvement of the soil’s phosphorus availability. Taking into account the acceptability index, the T3 (AI = 3.06), T4 (AI = 2.92) and T2 (AI = 2.14), it would be possible for these treatments to be easily accepted by farmers.
Conclusions. The results of this study provide an opportunity to improve the productivity of poor soils in Kinshasa and to increase the crop performance for a period of two campaigns with the use of biochar and T. diversifolia leaves in addition to mineral fertilizer.
1. Introduction
1Les sols de la province de Kinshasa et ses environs présentent pour la plupart une texture sableuse (85 % de sable environ), une structure particulaire et un pH acide (5 en moyenne). Ces sols sont soumis à une forte minéralisation de leur matière organique et un lessivage accru des éléments minéraux causés par les pluies intenses et les fortes températures. En plus, pour y cultiver, les agriculteurs ont recours à la coupe à blanc et au brulis en vue de dégager le terrain. L’agriculture itinérante sur brulis a pour conséquences la perte rapide de la fertilité, de l’activité biologique, l’érosion du sol, la réduction de la recharge de la nappe aquifère, etc. (Serpantié, 2009). Ce système, combiné aux processus pédologiques naturels, aboutit à des sols fortement dégradés et très acides (Pieter et al., 2012). Ces sols présentent des contraintes chimiques et biologiques liées à l’acidité, à la toxicité aluminique, à une forte capacité de rétention du phosphore (P), à une forte désaturation en cations échangeables (Ca, Mg, K, Na) ayant pour effet la réduction drastique de la production agricole (Dabin, 1984 ; Kadiata et al., 2003 ; Ruganzu, 2009 ; Pieter et al., 2012). Sur le plan agricole, les conséquences se traduisent par de faibles rendements pour les principales cultures vivrières, notamment le maïs, dont le rendement en grains ne dépasse guère une tonne à l’hectare (Van Den Berghe et al., 1990 ; Chianu et al., 2002 ; Adjei-Nsiah et al., 2007). Malgré l’utilisation des engrais chimiques, le rendement des principales cultures baisse significativement après une saison culturale à cause de la lixiviation des éléments minéraux (Vanlauwe et al., 2006 ; Adjei-Nsiah et al., 2007). Ainsi, la mise en valeur de ces sols exige des amendements, organiques ou calcaires, pour améliorer leurs propriétés physiques et rentabiliser l’utilisation des fertilisants minéraux (UyoYbesere et al., 2000 ; Muna-Mucheru et al., 2007). La recherche sur les espèces végétales ayant un potentiel pour améliorer la fertilité des sols en RDC s’est focalisée principalement sur les légumineuses fixatrices d’azote (Koy, 2010 ; Lele, 2010) et très peu d’attention a été accordée aux espèces non fixatrices. De ce fait, il s’avère nécessaire d’évaluer d’autres espèces et d’autres intrants en vue de diversifier les options disponibles. C’est ainsi que dans le cadre de cette étude, nous combinons l’engrais minéral au charbon de bois broyé (biochar) ou aux feuilles fraiches de Tithonia diversifolia (Hemsley A. Gray) en vue d’évaluer leurs effets sur les propriétés du sol, le rendement en grains du maïs (Zea mays L.), les exportations et le coefficient apparent d’utilisation des éléments minéraux par la culture de maïs pendant deux campagnes culturales.
2. Matériel et méthodes
2.1. Matériel
2Site expérimental. L’étude a eu lieu au jardin expérimental de la Faculté des Sciences de l’Université de Kinshasa, dans la ville de Kinshasa, dont les coordonnées géographiques sont 4°19’ de latitude Sud et 15°18’ de longitude Est. Le climat est du type AW4 selon la classification de Köppen. C’est un climat tropical humide comportant deux saisons, une saison sèche de quatre mois qui va de mi-mai à mi-septembre et une saison pluvieuse de huit mois qui va de mi-septembre à mi-mai. La saison des pluies est entrecoupée d’une petite saison sèche entre mi-janvier et mi-février. La température moyenne annuelle est de 24,5 °C. Il y a trois saisons culturales dont la saison A qui va de mi-octobre à mi-février, la saison B de mi-février à mi-juin et la saison C de mi-juin à mi-octobre. La saison C ne concerne que les cultures de bas fonds. L’expérimentation a eu lieu pendant les saisons A et B. Les données sur les précipitations pendant la période expérimentale montrent deux périodes de sècheresse au mois de février (petite saison sèche) et au mois de juin (début de la grande saison sèche) (Figure 1). Ces deux périodes sèches correspondent chacune à la période de maturation du maïs pendant laquelle le besoin en eau par jour est de 3,5 mm au début, puis de moins en moins jusqu’à 0 mm à une semaine de la récolte.
3Culture test. Le maïs (Zea mays L.) en culture pure a été utilisé comme culture test pendant les deux campagnes culturales. C’est la céréale la plus cultivée en RDC et en régions tropicales d’Afrique centrale et orientale (Paliwal, 2002 ; Mpoy, 2009). La culture est bien indiquée pour la saison A et accessoirement pour la saison B. Nous avons utilisé la variété QPM-SR, mise au point par l’Institut National pour l’Étude et la Recherche Agronomique (INERA) en collaboration avec l’Institut International pour l’Agriculture Tropicale (IITA). C’est une variété adaptée aux conditions éco-climatiques locales. Son cycle végétatif est de quatre mois avec un rendement moyen en grains secs de 800 kg·ha-1 en milieu paysan.
4Engrais minéral. L’engrais minéral utilisé a été le NPK 17-17-17. Il est presque le seul engrais composé disponible sur le marché et utilisé pour les cultures vivrières en RDC. La dose recommandée pour le sol expérimental, basé sur l’élément N, est de 706 kg·ha-1 de NPK 17-17-17, soit 120 kg·ha-1 d’unités fertilisantes (N120 P120 K120) (Pieter et al., 2012). La composition réelle de l’engrais minéral utilisé, au regard de l’analyse faite au Laboratoire de pédologie-UNIKIN, est du NPK 17-20-19. Les quantités apportées en kg·ha-1 sont présentées dans le tableau 1.
5Tithonia diversifolia. Le Tithonia diversifolia est une espèce rudérale invasive qui produit de grandes quantités de feuilles facilement décomposables et riches en éléments nutritifs (Nyasimi et al., 1997 ; Jama et al., 2000) (Tableau 2). Elle pousse spontanément aux alentours des maisons et des routes (Pieter et al., 2012). La quantité recommandée de feuilles de T. diversifolia pour la culture de maïs dans le sol étudié est de 16 t·ha-1 de matières fraiches (MF) (Pieter et al., 2012). On a apporté 7,2 kg (MF) sur 9 m2, soit l’équivalent de 8 t·ha-1 (MF) (moitié de la dose) du fait qu’il a été combiné à l’engrais minéral. Cette quantité équivaut à 1,84 t·ha-1 de matières sèches (MS). La teneur en éléments minéraux de la matière sèche et les équivalences en kg·ha-1 sont présentées dans le tableau 2.
6Biochar. Le charbon de bois issu d’une plantation d’Acacia mangium de 7 ans a été utilisé comme amendement. Il a été broyé et tamisé pour obtenir des particules de dimensions inférieures à 2 mm. Sa teneur en carbone est de 49 % et son pH de 7,8. Nous avons utilisé 27 kg de biochar sur 9 m2. Cette quantité équivaut à 30 t·ha-1 de biochar, qui est la dose optimale recommandée pour les sols sableux de Kinshasa (Tomisa, 2011).
2.2. Méthodes
7Dispositif et plan expérimental. Le dispositif expérimental était constitué de Blocs Complets Randomisés (BCR) avec des parcelles expérimentales de 3 m x 3 m, soit 9 m2 (Figure 2). Nous avons au total quatre blocs avec chacun six traitements ou unités expérimentales.
8Conduite expérimentale. Notre étude a été menée de mi-octobre 2011 à mi-juin 2012 au cours des saisons culturales A et B avec une expérience par saison. La préparation du terrain a commencé par le désherbage suivi d’un labour à 20 cm de profondeur et incorporation du biochar (T2 et T4) ou enfouissement de feuilles de Tithonia diversifolia (T3) deux semaines avant le semis pour une meilleure décomposition. L’engrais minéral a été épandu, sur toute la parcelle, en une seule fois, trois jours avant le semis. Le maïs a été semé avec un écartement de 0,5m x 0,5 m et une densité de 40 000 plantes·ha-1, à raison de deux graines par poquet. Nous avons au total sept lignes avec sept pieds par ligne pour un total de 49 pieds de maïs par unité expérimentale. Les soins apportés étaient le démariage 15 jours après la levée, le sarclage et binage deux fois par campagne culturale.
9Après la récolte, une nouvelle culture de maïs a été installée sans apport de fertilisants ni d’amendement en vue d’évaluer les effets résiduels des traitements appliqués pendant la première campagne culturale.
10Évaluation du rendement en biomasse et en grains. Pour les deux campagnes culturales, le rendement en biomasse et en grains secs a été évalué sur les cinq lignes internes de la parcelle expérimentale, c’est-à-dire en laissant les lignes de bordures. À la récolte, un petit échantillon de la biomasse était récolté, mis à l’étuve à 105 °C pendant 24 h pour déterminer le taux de matière sèche. Le rendement en biomasse n’est pas présenté dans cet article. Les épis étaient séchés sur une toile dans un hangar pendant deux semaines puis pesés, ensuite égrainés avant le pesage des grains.
11Échantillonnage et analyse du sol. Avant l’expérience, neuf prélèvements de sol ont été effectués à la profondeur de 0 à 20 cm, suivant la méthode des diagonales, puis mélangés pour constituer un seul échantillon composite. À la fin de l’expérience, nous avons prélevé des échantillons de sol dans chaque traitement de chaque bloc selon la même méthode. Les prélèvements ont ensuite été mélangés pour constituer des échantillons composites. Ces échantillons ont été analysés pour déterminer la texture (% fraction sableuse, limoneuse et argileuse), le pH, le carbone organique total, l’azote total, les cations échangeables (Ca++, Mg++, K+), le phosphore assimilable, la capacité d’échange cationique (CEC) du sol et la saturation en aluminium échangeable. Ces analyses ont été effectuées au Laboratoire de Pédologie de la Faculté des Sciences Agronomiques de l’Université de Kinshasa en RDC, selon les méthodes décrites par Anderson et al. (1993) et Buondonno et al. (1995).
12Analyse des éléments mobilisés par le maïs. L’analyse a concerné la totalité de la partie aérienne (biomasse aérienne, carotte et grains). Au moment de la récolte, la biomasse (tiges et feuilles) des cinq lignes internes de la parcelle était isolée des épis, puis coupée et pesée. Un échantillon représentatif de 500 g était prélevé et séché à l’étuve à 65 °C. Un broyage fin à 500 μm était par la suite effectué avant l’analyse. Les carottes et grains du maïs étaient également broyés à la même granulométrie et soumis aux analyses. Les analyses ont porté sur les éléments majeurs dont le N, P, K, Ca et Mg. Les quantités d’éléments obtenues ont été multipliées par le rendement de chaque organe pour chaque traitement pendant les deux campagnes culturales. L’azote dans la biomasse végétale a été analysé selon la méthode Kjeldahl. La détermination des autres éléments (P, K, Ca, Mg) a été effectuée après une minéralisation de l’échantillon dans un mélange d’acide perchlorique 5 % et d’acide nitrique 4 % à proportion égale, suivi d’une reprise à l’acide chlorhydrique 10 %. Le volume issu de la minéralisation était filtré sur papier filtre Whatman Schleider et Schuell 602 H ½. Le dosage des éléments dans les minéralisats dilués a été réalisé au colorimètre dans le bleu de molybdate d’ammonium à la longueur d’onde de 880 nm pour le P et au spectrophotomètre par absorption atomique pour le Ca et Mg et par émission pour K.
13Détermination du coefficient apparent d’utilisation. Le coefficient apparent d’utilisation d’un élément fertilisant est le rapport du supplément d’élément fertilisant prélevé par une culture fertilisée comparativement à la même culture non fertilisée à la quantité de cet élément apportée par la fertilisation (Ruganzu, 2009). Ce coefficient représente la part de l’élément provenant du fertilisant apparemment prélevé par la culture. Il a été déterminé pour les éléments analysés dans les organes de la culture du maïs (N, P, K), selon la relation :
14avec Exp = exportations (elles concernent les quantités d’éléments N, P, K exportées pendant les deux campagnes culturales).
15Calcul de l’indice d’acceptabilité des différents traitements. L’indice d’acceptabilité (IA) a été calculé pour identifier le meilleur traitement facilement adoptable par les cultivateurs. Cet indice est le rapport entre le bénéfice brut des nouveaux traitements et le bénéfice brut du traitement témoin (Jama et al., 2000 ; Muna-Mucheru et al., 2007). Le bénéfice brut est le bénéfice non amputé de charges fixes, c’est-à-dire les charges qui sont les mêmes pour tous les traitements. Ces charges concernent la préparation du terrain, le semis du maïs et les sarclages. Ainsi, une technologie ne peut être facilement adoptée que si la valeur de l’IA est égale ou supérieure à 2 (Muna-Mucheru et al., 2007 ; Kaho et al., 2011). Selon les mêmes sources, l’adoption se ferait avec réticence si cette valeur était entre 1,5 et 2 et, en-dessous de 1,5, il y a rejet. Les charges variables ont concerné le prix des engrais chimiques (100 $·50 kg-1). Le prix de la production et de l’incorporation du biochar dans le sol est de (53,33 $·t-1). Le cout du biochar a été amorti (amortissement constant) sur 25 ans (temps minimum pendant lequel le biochar agit dans le sol [Lehman et al., 2006]). Après l’amortissement, nous avons obtenu le cout de 2,13 $·t-1·an-1. Ce cout a été rapporté sur les huit mois de la période expérimentale. Le cout de la main-d’œuvre pour collecter, transporter et incorporer les feuilles de T. diversifolia dans le sol est celui calculé par Pieter et al. (2012) qui est d’environ 5 $·100 kg-1 de feuilles de T. diversifolia. Le prix moyen de la tonne de maïs pendant la période expérimentale, sur le marché, a été de 900 $.
16Analyse statistique. Pour l’analyse des données, nous avons recouru à l’analyse de la variance générale au seuil de probabilité de 5 % à l’aide du logiciel GenStat. Ensuite, nous avons procédé au test des comparaisons multiples (LSD) pour préciser les différences entre les traitements.
3. Résultats
3.1. Propriétés du sol au début et à la fin de l’expérimentation
17Les résultats sur les propriétés physiques et chimiques du sol au début et à la fin de l’expérimentation, l’analyse de la variance et le test de comparaisons de moyennes sont repris dans le tableau 3. Les propriétés du sol à la fin de l’expérimentation sont présentées en rapport avec les différents traitements. Le sol est sableux et acide (pH = 5,18) au début de l’expérimentation. Les teneurs en éléments nutritifs sont faibles (N : 0,051 %, P : 12,7 mg·kg-1, K : 0,03 Cmol·kg-1, Ca : 0,38 Cmol·kg-1, Mg : 0,12 Cmol·kg-1 et CEC : 3,7 Cmol·kg-1). La saturation en aluminium est très élevée (73 %). Après deux campagnes culturales, des changements sont observés sur les propriétés chimiques des sols (Tableau 3). Le pH de sols sous différents traitements a baissé (pH < 5) par rapport au sol initial (pH > 5), sauf pour les sols amendés au biochar (T2 et T4) pour lesquels le pH a augmenté (pH > 6) (Tableau 3). La plus petite valeur du pH a été observée dans le traitement au T. diversifolia (T3) (pH = 4,12). La teneur en C a augmenté dans les sols traités au biochar (T2 [2,25 %] et T4 [2,34 %]) et au T. diversifolia (T3 [1,52%]) par rapport au sol initial (0,98 %). Dans les traitements (T0, T1 et T5), les teneurs en carbone sont similaires à celles du sol initial au seuil de probabilité de 5 %. La teneur en N a diminué dans les traitements T0 (0,015 %), T1 (0,027 %), T2 (0,028 %) et T5 (0,031 %), alors que dans les traitements T3 (T. diversifolia) et T4 (biochar + N120 P141 K134), les teneurs sont les mêmes que celles du sol initial (0,051 %) au seuil de probabilité de 5 %. La plus petite teneur en azote a été observée dans le traitement témoin (0,015 %). La teneur en P assimilable a baissé dans les traitements T0 (7,43 mg·kg-1), T1 (10,4 mg·kg-1) et T5 (10,5 mg·kg-1), alors qu’elle a augmenté dans les traitements avec le biochar T2 (13,8 mg·kg-1) et T4 (19,2 mg·kg-1) par rapport au sol initial (12,7 mg·kg-1). Dans le traitement au T. diversifolia (T3), la teneur en P (11,9 mg·kg-1) est la même que celle du sol initial au seuil de probabilité de 5 %. La teneur en K a baissé seulement dans le sol témoin T0 (0,01 cmol·kg-1), alors qu’elle a augmenté dans les traitements T4 (N120 P141 K134 + biochar [0,093 Cmol·kg-1]), T2 (N60 P71 K67 + biochar [0,04 Cmol·kg-1]), T3 (N60 P71 K67 + T. diversifolia [0,056 Cmol·kg-1]) et T5 (N160 P188 K179 [0,04 Cmol·kg-1]). Dans le traitement T1 (N120 P141 K134 [0,02 Cmol·kg-1]), la teneur est la même que dans le sol initial au seuil de probabilité de 5 %. La teneur en Ca dans les traitements T0 (0,11 Cmol·kg-1), T1 (0,13 Cmol·kg-1) et T5 (0,14 Cmol·kg-1) a diminué, alors que dans les traitements au T. diversifolia (T3) et au biochar (T2 et T4), elle est égale à celle du sol initial (0,38 Cmol·kg-1) au seuil de probabilité de 5 %. La plus petite quantité de Ca a été obtenue avec le traitement témoin (0,11 Cmol·kg-1). La teneur en magnésium (Mg) a diminué dans les sols sous différents traitements. La plus petite teneur en Mg a été observée dans le traitement témoin (0,03 Cmol·kg-1). La capacité d’échange cationique a diminué dans les traitements (T0, T1 et T5) et a augmenté dans ceux au biochar (T2 [14,88 Cmol·kg-1] et T4 [14,47 Cmol·kg-1]) et au T. diversifolia (T3 [11,3 Cmol·kg-1]). Les plus faibles CEC ont été obtenues avec les traitements témoin (2,4 Cmol·kg-1) et T1 (2,73 Cmol·kg-1). La saturation en aluminium (mAl) a augmenté seulement dans le traitement témoin (T0 = 80 %), alors qu’elle a baissé dans les traitements T4, T2 et T3. Dans les traitements T5 et T1, la mAl est la même que dans le sol initial au seuil de probabilité de 5 %. Les plus petites valeurs de la mAl ont été obtenues avec les traitements au biochar (T2 [46,6 %] et T4 [44,6 %]). L’ordre décroissant d’amélioration des propriétés chimiques du sol est : T4 ([N120 P141 K134] + biochar) > T2 ([N60 P71 K67] + biochar) > T3 ([N60 P71 K67] + T. diversifolia) > T5 (N160 P188 K179) = T1 (N120 P141 K134) = T0 (Témoin).
3.2. Rendement en grains de maïs
18Les résultats sur les rendements en grains de maïs, l’analyse de la variance et le test de comparaisons des moyennes (LSD) de deux campagnes culturales sont illustrés par la figure 3. Il ressort de l’analyse de la variance (AV) que des différences hautement significatives (p = 0,000) de rendements ont été observées entre les traitements au seuil de probabilité de 5 %. À la première campagne, le rendement le plus élevé a été obtenu avec le T4 (N120 P141 K134 + biochar [3 200 kg·ha-1]), alors que le témoin (T0) a donné le plus faible rendement (700 kg·ha-1). À la deuxième campagne, le T3 ([N60 P71 K67] + T. diversifolia) a donné le rendement le plus élevé (2 210 kg·ha-1) et le rendement du témoin (T0 [506,7 kg·ha-1]) est resté le plus bas. Une baisse des rendements en grains de maïs a été observée sous différents traitements entre la première et la deuxième campagne culturale. La somme des rendements des deux campagnes nous a donné le classement suivant de traitement selon leur influence positive : T4 ([N120 P141 K134] + biochar) > T3 ([N60 P71 K67] + T. diversifolia)> T2 ([N60 P71 K67] + biochar) > T5 (N160 P188 K179) > T1 (N120 P141 K134) > T0.
3.3. Quantités d’éléments minéraux exportées
19Le tableau 4 présente les quantités d’éléments minéraux (N, P, K, Ca, Mg) exportées par la culture de maïs au cours de deux campagnes culturales en fonction des traitements. Les exportations les plus élevées ont été obtenues avec les traitements T4 (N120 P141 K134 + biochar [N : 168,3 kg·ha-1, P : 35,1kg·ha-1, K : 134,5 kg·ha-1, Ca : 43,7 kg·ha-1, Mg : 24,8 kg·ha-1]) et T3 (N60 P71 K67) + T. diversifolia [N : 178,8 kg·ha-1, P : 15,4 kg·ha-1, K : 112,4 kg·ha-1, Ca : 61,4 kg·ha-1, Mg : 29,8 kg·ha-1]), alors que le témoin a exporté (N : 44,5 kg·ha-1, P : 4,9 kg·ha-1, K : 21,6 kg·ha-1, Ca : 8,7 kg·ha-1, Mg : 4,7 kg·ha-1) le moins d’éléments. Les quantités d’éléments exportées au cours de la première campagne sont supérieures à celles exportées lors de la deuxième campagne (Tableau 4). Conformément aux rendements en biomasse et en grains, les exportations de deux campagnes se classent selon l’ordre décroissant : T4 ([N120 P141 K134] + biochar) > T3 ([N60 P71 K67) + T. diversifolia) > T2 ([N60 P71 K67] + biochar) > T5 (N160 P188 K179) > T1 (N120 P141 K134) > T0.
3.4. Coefficient apparent d’utilisation des éléments minéraux
20Le tableau 5 présente le coefficient apparent d’utilisation des éléments minéraux (N, P, K) par la culture de maïs, en fonction des traitements, pendant les deux campagnes culturales. Le coefficient apparent d’utilisation (CAU) le plus élevé pour l’N a été observé dans le traitement T3 (N60 P71 K67 + T. diversifolia [N : 110,4 %]), alors que pour le P et le K, le traitement T2 (N60 P71 K67 + biochar [P : 27,04 % et K : 87,5 %]) a donné les plus grands CAU (Tableau 5). Les taux les plus faibles d’utilisation d’éléments N, P, K ont été obtenus avec les traitements à l’engrais minéral T1 (N120 P141 K134 [N : 21,1 %, P : 4,8 %, K : 22,5 %]) et T5 (N160 P188 K179 [N : 58,75, P : 5,9, K : 14,2]).
3.5. Indice d’acceptabilité des différents traitements
21Les valeurs des indices d’acceptabilité (IA) des différents traitements ainsi que celles des variables qui ont servi à leurs calculs sont présentés dans le tableau 6. Ces valeurs montrent que les IA obtenus avec les traitements à l’engrais minéral (NPK) T1 (N120 P141 K134 [IA : 0,45]) et T5 (N160 P188 K179 [IA : 0,6]) sont inférieurs à 1, alors que ceux obtenus avec les traitements au biochar (T2 [IA : 2,14] et T4 [IA : 2,92]) et au T. diversifolia T3 (IA : 3,09) sont supérieurs à 2.
4. Discussion
4.1. Propriétés du sol au début de l’expérimentation
22La texture sableuse du sol expérimental laisse présager une pénétration facile des racines. Cependant, la rétention de l’eau et des éléments minéraux constitueraient dans ce cas une contrainte pour une production agricole soutenue. Des textures semblables ont été également trouvées par Koy (2010) et Mulaji (2011) pour les sols de Kinshasa. Ces auteurs ont montré que la fraction sableuse de ce sol est dominée par le quartz. Le caractère acide de ce sol implique une forte rétention du phosphore car le phosphate se combine au fer et à l’aluminium pour former des composés très peu solubles et donc peu disponibles pour les plantes (Dabin, 1963 ; Kadiata et al., 2003). Ceci serait la cause principale de la faible teneur en phosphore assimilable dans le sol expérimental (Tableau 3). Les teneurs en éléments nutritifs (N, P, K, Ca et Mg), en C et la CEC sont très faibles comparativement aux valeurs tests proposées par Landon (1991) pour les sols tropicaux. Le rapport C/N est élevé (19,2). Ce rapport s’écarte de la zone de 10-14, considérée comme optimale pour des besoins agronomiques (Aubert et al., 1966 ; Holland et al., 1992 ; Van Engelen et al., 2006). Ceci indique aussi que la matière organique est de mauvaise qualité dans ce sol (Van Engelen et al., 2006). La très faible CEC est une indication que ce sol contient de faibles réserves d’éléments nutritifs (Tableau 3). Cette très faible CEC est due à la minéralogie du sol dont la fraction argileuse, très faible, est dominée par la kaolinite (phyllosilicate 1:1) avec des hydroxydes/oxydes résiduels d’Al (Al(OH)3) (Baert et al., 2009 ; Koy, 2010) et à la faible teneur en matière organique (Tableau 3). La saturation en aluminium (73 %) est largement supérieure à la limite tolérable pour la plupart des cultures car selon Boyer (1976) et Landon (1991), les sols saturés à plus de 60 % d’Al+3 présentent une toxicité aluminique considérable.
4.2. Effet de différents traitements sur les propriétés du sol
23La baisse du pH dans les sols non amendés au biochar serait due aux exportations des cations basiques tels que le Ca+2 et le Mg+2, ainsi qu’à leur remplacement par l’Al+3 et l’H+ dans le complexe absorbant. Ceci se justifie par l’augmentation de la saturation en aluminium dans le complexe absorbant (T0, T1, T3, T5) (Tableau 3). La plus grande baisse du pH dans le sol traité au T. diversifolia (Tableau 3) serait accentuée par la présence des anions acides NO3- et SO4-2 provenant de la décomposition de ses feuilles (Ruganzu, 2009). Des baisses analogues de pH avec l’apport des feuilles de T. diversifolia ont été également observées par Kaho et al. (2011) au Cameroun et Ruganzu (2009) au Rwanda. L’augmentation du pH dans les sols amendés au biochar est principalement due au pH initial du biochar qui était de 7,8. Cette augmentation a eu un effet sur la réduction de la saturation en Al (Tableau 3). Ceci confirme les expériences de Lehmann et al. (2009) et de Schulz et al. (2012) qui ont montré que le biochar réduit le taux d'aluminium biodisponible et l'acidité des sols tropicaux. Le changement significatif du pH dans le sol sous biochar a eu des effets positifs sur la disponibilité de P (Tableau 3) car dans les sols tropicaux, le P est bloqué au pH inférieur à 6 et il est disponible pour des pH compris entre 6 et 8 (Zhang et al., 2010). L’augmentation de la teneur en Ca dans le sol traité au T. diversifolia (T3) est due à la grande teneur en Ca contenue dans ses feuilles (Tableau 2). La diminution de la teneur en Mg dans tous les sols par rapport au sol initial est due aux exportations (Tableau 4) et aux lixiviations (Schulz et al., 2012). L’augmentation de la CEC dans les sols traités au biochar et aux feuilles de T. diversifolia (T2, T3 et T4) est en relation avec la teneur en carbone (Tableau 3). Des augmentations similaires de la CEC ont été également obtenues dans les sols tropicaux au Brésil avec l’apport du biochar combiné au compost par Schulz et al. (2012) et l’apport simple du biochar par Schulz et al. (2013). Aussi, une disponibilité suffisante en carbone, apportée par le biochar et les feuilles de T. diversifolia, stimulerait l'activité biologique du sol en améliorant par là le cycle de l'azote, avec une moindre lixiviation des nitrates (Steiner et al., 2007 ; Lehman et al., 2009 ; Major et al., 2010 ; Zhang et al., 2010). Les valeurs de la saturation en aluminium du complexe absorbant sont en relation inverse avec celles du pH (Tableau 3).
4.3. Effet de différents traitements sur le rendement en grains du maïs
24Le faible rendement obtenu avec les feuilles de T. diversifolia (T3) pendant la première campagne, par rapport au rendement sous biochar T4 ([N120 P141 K134] + biochar), résulterait de la libération lente des nutriments dont la fourniture dans le sol n’est pas synchronisée avec les besoins de la plante. Ceci justifie le meilleur rendement obtenu avec le traitement contenant les feuilles de T. diversifolia, par rapport aux autres traitements, à la deuxième campagne (Figure 3). La baisse des rendements en grains de maïs observée sous différents traitements entre la première et la deuxième campagne est due à l’appauvrissement du sol en éléments nutritifs suite aux exportations. Le rendement de 700 kg·ha-1 obtenu avec le maïs témoin (T0) à la première campagne est largement inférieur à celui attendu (1 000-1 800 kg·ha-1) pour la variété QPM-SR (Ministère de l’Agriculture de la RDC, 2008). Ceci confirme que le sol expérimental est très peu fertile. Cette faible fertilité n’a pas permis à la variété utilisée, bien qu’adaptée dans le milieu, d’exprimer ses potentialités, conformément aux résultats de Violic (2002) et Pixley (2003). Toutefois, ce rendement reste dans la gamme de ceux obtenus en milieu paysan en RDC (entre 700 à 900 kg·ha-1). À la deuxième campagne culturale, le rendement avec le témoin (506,7 kg·ha-1) est descendu en-dessous de ceux obtenus en milieu paysan. Pour la même dose d’engrais minéral appliquée, le T1 (N120 P141 K134) comparé au T4 ([N120 P141 K134] + biochar), l’amendement du sol au biochar a permis de tripler le rendement en grains pendant les deux saisons culturales. Cette augmentation de rendement provient de l’amélioration des propriétés du sol dont particulièrement la CEC et le pH. Les rendements obtenus avec le traitement T4 ([N120 P141 K134] + biochar) respectivement à la première campagne (3 200 kg·ha-1) et à la deuxième campagne (2 036,7 kg·ha-1) montrent qu’avec l’usage du biochar combiné à l’engrais minéral, on peut quadrupler le rendement en grains de maïs pendant deux campagnes culturales (Figure 3) dans les conditions expérimentales. Des résultats similaires ont été également obtenus par Lui et al. (2012) sur la culture de maïs avec l’apport du biochar combiné au compost dans un sol sablonneux d’Allemagne. Le rendement obtenu avec les feuilles de T. diversifolia combiné à l’engrais minéral (2 700 kg·ha-1) à la première campagne est proche de celui obtenu par Ruganzu (2009) (2 600 kg·ha-1) avec l’utilisation simple de 2,1 t·ha-1 de feuilles de T. diversifolia.
4.4. Analyse des exportations et du coefficient apparent d’utilisation des éléments minéraux
25Les valeurs des exportations sont corrélées positivement avec celles de rendements en grains de maïs. Ces résultats sont similaires à ceux obtenus par Ruganzu (2009) au Rwanda sur un sol argileux. L’absorption plus importante de N aurait été favorisée par le besoin de la culture en cet élément. L’azote joue un rôle essentiel dans le développement des cultures, en particulier les céréales (Hodge, 2005). Bertrand et al. (2000) montrent que les céréales peuvent exporter de grandes quantités d’éléments minéraux, dont particulièrement l’azote et le potassium. Pour les cations, l’absorption est plus rapide pour les monovalents que pour les divalents (Fageria et al., 2005 ; Petit et al., 2005).
26La variabilité dans l’utilisation des éléments observée dépend des conditions biophysiques (Kimetu et al., 2006) et climatiques prévalentes (Laudelout, 1954). Ainsi, en comparaison avec les traitements au NPK (T1 et T5), la plus grande utilisation des éléments avec les traitements contenant le biochar et les feuilles de T.diversifolia serait due à l’amélioration des propriétés du sol, dont la CEC (Tableau 3). Lui et al. (2012) ont montré que l’apport du biochar multiplie l’utilisation des éléments K et P par des facteurs 2,5 et 1,2, respectivement, par rapport au sol témoin. De ce fait, on peut établir une relation positive entre l’amélioration des propriétés du sol, l’utilisation des éléments minéraux et la production en grains de la culture. La grande utilisation des éléments par la culture sous le traitement avec T. diversifolia serait également liée à la qualité de la biomasse qui favorise la disponibilité des nutriments et la croissance de la plante (Gachengo et al., 1999). Les taux de CAU obtenus après l’application de NPK T1 (N120 P141 K134) et T5 (N160 P188 K179) (Tableau 5) sont proches de ceux obtenus par Ruganzu (2009) à Rubona au Rwanda (N : 33,1 ; P : 9 et K : 29) sur un sol argileux et avec l’application N75 P75 K75 kg·ha-1.
4.5. Choix des traitements à diffuser en fonction de l’indice d’acceptabilité
27En fonction de l’indice d’acceptabilité (IA), les traitements T3 (IA = 3,06), T4 (IA = 2,92) et T2 (IA = 2,14) peuvent être diffusés aux paysans avec plus de facilité (Tableau 6). Du fait que l’effet du biochar peut se manifester durant 50 ans (Lehman et al., 2006) et compte tenu de la moindre disponibilité du T. diversifolia, le choix pourrait être porté sur le traitement contenant le biochar (T2 et T4). Toutefois, le choix entre les deux traitements pourrait se faire aussi en fonction de la disponibilité de chaque intrant. L’IA trouvé avec le T. diversifolia est proche de celui trouvé par Kaho et al. (2011) (IA : 2,53 et 2,65) sur un sol ferralitique argileux du Centre du Cameroun.
5. Conclusions
28Les résultats de cette étude ont montré que le biochar et les feuilles de T. diversifolia combinés à l’engrais minéral ont augmenté la teneur en carbone, en potassium et la CEC du sol étudié, ainsi que les rendements en grains, les exportations et le coefficient apparent d’utilisation des éléments par le maïs pendant deux campagnes culturales. Le biochar, comme amendement, a en outre réduit l’acidité et la saturation du sol en aluminium avec un effet sur l’amélioration de la disponibilité du P. L’application des feuilles de T. diversifolia a augmenté la teneur en calcium du sol expérimental. Au regard de l’indice d’acceptabilité, les traitements avec du biochar T2 (IA = 2,14) et T4 (IA = 2,92) et celui avec les feuilles de T. diversifolia T3 (IA = 3,06) peuvent être acceptés par les agriculteurs avec plus de facilité.
29Remerciements
30Nous remercions l’ERAIFT (École Régionale Post Universitaire d’Aménagement et de Gestion Intégrés des Forêts et Territoires Tropicaux) et la WBI (Wallonie-Bruxelles International) pour avoir financé cette étude.
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