Research Articles Quand la géophysique rencontre l'agriculture pour mettre au jour les dynamiques cachées du sol et de l'eau au service de systèmes de culture résilients face au changement climatique
Que se passe-t-il sous un champ cultivé lorsqu'il pleut ? Où va l'eau ? Combien de temps reste-t-elle dans la zone racinaire ? Comment se déplace-t-elle à travers le profil du sol, et à quel moment devient-elle de l'eau qui n'est plus disponible pour la culture ?
Il s’agit là de questions fondamentales pour la recherche agricole, mais elles sont également difficiles à appréhender. Nous pouvons observer la culture en surface, mesurer les précipitations à une station météorologique, mesurer l’humidité du sol à des points sélectionnés et évaluer le rendement des cultures au moment de la récolte. Pourtant, entre ces mesures se cache un système souterrain dynamique dans lequel la structure du sol, les pores, l’eau, les racines et les eaux souterraines interagissent en permanence dans l’espace et dans le temps.
Ce système caché revêt une grande importance pour les agriculteurs. À mesure que les précipitations deviennent de plus en plus variables et que des périodes de sécheresse surviennent au cours des saisons de croissance, la capacité d’un sol à capter, stocker et fournir de l’eau aux racines des cultures peut déterminer si une culture continue de pousser ou subit un stress hydrique. Des pratiques telles que la conservation des résidus de culture et le maintien d’une couverture végétale sont largement encouragées en tant qu’approches adaptées au changement climatique, car elles permettent de protéger la surface du sol, d’améliorer son état et de réduire les pertes en eau. Cependant, d’importantes questions subsistent quant à la manière dont ces pratiques modifient réellement la circulation et le stockage de l’eau sous le champ.
C’est là qu’un nouveau projet de recherche interdisciplinaire mené au Ghana s’attache à explorer ce qui se cache sous la surface. Un projet intitulé « Géophysique pour une agriculture adaptée au climat en Afrique », financé par l’Agence britannique pour la recherche et l’innovation (UKRI), rassemble le British Geological Survey (BGS), l’Université de Nottingham, l’Alliance entre Bioversity International et le CIAT, l’Université Kwame Nkrumah des sciences et technologies (KNUST), ainsi que l’Institut de recherche sur les cultures du CSIR (CSIR-CRI), afin d’approfondir la compréhension des processus qui déterminent la résilience et la durabilité de l’agriculture dans un climat en mutation
Au cœur de cette recherche se trouve une question agricole concrète : le fait de conserver les résidus de culture et de maintenir une couverture végétale peut-il aider les cultures à mieux utiliser les précipitations en modifiant la manière dont l’eau pénètre dans le sol, s’y déplace et y est stockée ?
L’hypothèse de travail est que la conservation des résidus, en particulier lorsqu’elle est associée à la culture de couverture, peut réduire la perte rapide d’eau à la surface du sol, favoriser l’infiltration et améliorer le stockage de l’eau dans la zone racinaire. Ces changements pourraient contribuer à maintenir la disponibilité en eau pour les cultures pendant les périodes de précipitations limitées ou irrégulières. Mais pour comprendre si et pourquoi cela se produit, les chercheurs doivent observer des processus que les mesures agricoles conventionnelles ne capturent souvent qu’à des moments isolés.
Découvrir ce qui se passe sous les cultures
Au cœur de cette collaboration se trouve la tomographie par résistivité électrique (ERT), une technique géophysique qui permet aux chercheurs d'observer les changements du sous-sol dans l'espace et dans le temps.
La technique ERT repose sur la mesure de la résistivité électrique du sous-sol. La résistivité étant influencée par divers facteurs, notamment l’humidité du sol, les propriétés du sol et les mouvements de l’eau, des mesures répétées peuvent fournir des informations sur les changements qui se produisent au sein du profil du sol. Lorsque les observations de l’ERT sont calibrées et interprétées conjointement avec des mesures directes du sol et de l’eau, elles peuvent aider les chercheurs à comprendre comment l’eau se déplace et est stockée dans les sols agricoles.
Plutôt que de se contenter de déterminer le degré d’humidité du sol à un endroit précis, le projet pose une question plus large : comment la gestion agricole influence-t-elle le mouvement et le stockage de l’eau à travers le profil du sol, et quelles sont les implications de ces changements pour la productivité des cultures ?
Pour le British Geological Survey, cela représente une opportunité d’intégrer la surveillance géophysique de pointe dans la recherche agricole.
Comme l’explique Russel Swift, chef de projet général :
« L’ERT nous permet d’observer le sous-sol comme un système dynamique. Plutôt que de prendre des mesures ponctuelles en quelques points, nous pouvons commencer à suivre la manière dont le sol réagit aux précipitations et au dessèchement sur l’ensemble d’un volume de sol. Cela ouvre une nouvelle perspective sur les processus physiques qui sous-tendent les expériences agricoles. »
Cette nouvelle perspective est particulièrement importante car bon nombre des processus qui déterminent la résilience des cultures se produisent sous la surface et restent largement invisibles lors des observations conventionnelles sur le terrain.
Des résidus de culture à l'eau de la zone racinaire
Le fondement agricole de cette recherche est l'essai en plein champ mené par le CSIR-Crops Research Institute. Cet essai compare la culture conventionnelle du maïs à la culture de couverture et à différents niveaux de paillage par des résidus de culture, créant ainsi une plateforme expérimentale dans laquelle l'équipe peut étudier comment les pratiques de gestion influencent les relations entre le sol, l'eau et les cultures.
Les résidus de culture ne sont pas seulement des matières laissées à la surface du sol après la récolte. Ils peuvent influencer l’environnement physique dans lequel les cultures poussent. En protégeant la surface du sol, les résidus peuvent réduire l’évaporation, modérer la température du sol et protéger les agrégats du sol contre l’impact des précipitations. Au fur et à mesure de leur décomposition, les résidus peuvent également contribuer à modifier la matière organique et la structure du sol. Ces changements peuvent influencer le système poreux du sol par lequel l’eau pénètre et se déplace dans le profil pédologique. Ils peuvent affecter l’infiltration, le stockage de l’eau, le drainage et la vitesse à laquelle la zone racinaire s’humidifie et s’assèche.
Pour les agriculteurs, cependant, la question importante n’est pas simplement de savoir si les résidus modifient le sol. La question est de savoir si ces modifications aident les cultures à mieux utiliser les précipitations disponibles et à maintenir leur productivité lorsque l’eau devient un facteur limitant. Le projet cherche donc à établir un lien entre ce que les agriculteurs peuvent observer en surface, comme la croissance et le rendement des cultures, et ce qui se passe sous la surface.
Le Dr Kwaku Onwona Hwesofour Asante, chercheur scientifique et jeune chercheur participant au projet , souligne ce lien :
« La force de cette collaboration réside dans l’intégration de l’observation géophysique à une véritable expérience agricole. Avec la conservation des résidus et les cultures de couverture, nous voulons comprendre non seulement si ces pratiques améliorent le rendement des cultures, mais aussi comment elles modifient l’environnement hydrique du sol sous les cultures. Si nous parvenons à observer comment les résidus influencent l’infiltration, le stockage de l’eau et l’apport en eau vers la zone racinaire, nous pourrons mieux comprendre pourquoi ces pratiques fonctionnent et à quel moment elles sont les plus utiles aux agriculteurs confrontés à une variabilité croissante des précipitations et à des périodes de sécheresse. »
Ce contexte agricole est essentiel. Les mesures géophysiques peuvent révéler des tendances et des changements sous la surface du sol, mais ces signaux doivent être interprétés dans le contexte de la gestion des cultures, des propriétés du sol, des précipitations, de la croissance des cultures et, en fin de compte, du rendement agricole.
Observer le cheminement de l'eau à travers le profil du sol
L'un des principaux atouts de l'ERT réside dans sa capacité à déterminer non seulement où se trouve l'eau, mais aussi comment elle se déplace à travers le profil du sol. Les précipitations ne se transforment pas simplement en humidité du sol. Une fois qu’elle atteint le champ, l’eau peut s’infiltrer dans le sol, être temporairement stockée dans les pores du sol, devenir accessible aux racines des plantes, s’évaporer, se déplacer latéralement ou s’écouler sous la zone racinaire. Une partie de cette eau peut finalement contribuer à la recharge des nappes phréatiques.
Ces processus ne sont pas constants. Ils sont influencés par la structure du sol, la couverture en résidus, les racines, l’intensité des précipitations, l’humidité antérieure du sol et le développement des cultures. Un même épisode pluvieux peut donc entraîner des dynamiques hydriques très différentes selon les systèmes de gestion. C’est ce qui rend la rétention des résidus particulièrement intéressante. Si les résidus modifient la manière dont les précipitations interagissent avec la surface du sol, ils peuvent altérer la vitesse et le schéma d’infiltration. S’ils contribuent à améliorer la structure du sol et la connectivité des pores, ils peuvent également influencer la manière dont l’eau est redistribuée au sein du profil de sol. Si davantage d’eau est retenue dans la zone racinaire pendant plus longtemps, les cultures peuvent bénéficier d’un meilleur accès à l’eau entre deux épisodes pluvieux.
Le projet utilisera la technologie ERT en complément des mesures conventionnelles du sol pour observer ces changements sur un volume de sol plus important et à différents moments. L’équipe étudiera les différences en matière d’humidification et de dessèchement, de stockage de l’eau, d’approvisionnement en eau de la zone racinaire, d’infiltration et de mouvement sous la zone racinaire.
C'est là qu'une approche multifonctionnelle prend toute son importance, en établissant un lien entre ce qui se passe sous le sol, les décisions agricoles prises en surface et les implications plus larges en termes de productivité, de durabilité et de résilience La Dre Patricia Amankwaa-Yeboah, co-chercheuse principale du projet au sein de l’Alliance entre Bioversity International et le CIAT précise :
« Comprendre les dynamiques du sol et de l’eau est fondamental pour concevoir des systèmes agricoles adaptés au changement climatique. Outre notre rôle technique dans la compréhension de ces dynamiques, nous contribuerons à relier les données scientifiques générées par le projet aux décisions de gestion agricole et aux parties prenantes qui, en fin de compte, devront utiliser ces données. »
L’objectif n’est donc pas la géophysique pour elle-même. Il s’agit d’utiliser des approches géophysiques pour générer de nouvelles connaissances sur la manière dont la gestion agricole façonne l’environnement du sol et de traduire ces connaissances en données probantes pouvant étayer des systèmes agricoles plus efficaces et résilients face au changement climatique.
Rendre la géophysique plus accessible
Un volet particulièrement important de cette collaboration est piloté par la KNUST, où des chercheurs travailleront au développement, aux essais et au déploiement d’instruments de mesure de la résistivité à faible coût, open source et à matériel ouvert, notamment des systèmes basés sur OhmPi. Il ne s’agit pas simplement d’acheter du matériel. L’ambition est de renforcer les capacités locales à concevoir, construire, exploiter, réparer et améliorer les systèmes de surveillance géophysique au Ghana et dans toute l’Afrique de l’Ouest.
Les équipements géophysiques commerciaux peuvent être coûteux et difficiles d’accès. Le développement d’instruments au niveau local offre aux chercheurs la possibilité de construire des systèmes pouvant être adaptés aux besoins de la recherche agricole et entretenus au sein des institutions locales. Comme l’explique le Dr Cyril Boateng, co-chercheur principal du Laboratoire de géophysique d’Afrique de l’Ouest de la KNUST :
« Nous ne nous contentons pas d’appliquer la technique ERT au Ghana ; nous développons les capacités nécessaires pour mettre au point et exploiter cette technologie localement. Le développement d’instruments de mesure de la résistivité à faible coût offre aux chercheurs ghanéens la possibilité de disposer des outils, des connaissances et des systèmes nécessaires à la surveillance géophysique future. »
Dans un premier temps, le projet utilisera les équipements disponibles afin que la surveillance sur le terrain puisse débuter rapidement, pendant que les instruments développés localement sont fabriqués et testés. À plus long terme, l’objectif est d’augmenter le nombre de traitements instrumentés et de renforcer les capacités pour une surveillance ERT continue et accessible.
Ce volet de développement technologique local est important car il fait évoluer la collaboration : il ne s’agit plus simplement d’utiliser la technologie géophysique, mais aussi de renforcer la capacité à la développer, à la maintenir et à l’améliorer.
Transformer les mesures en preuves
Observer le sous-sol n’est qu’une première étape. Le véritable défi consiste à comprendre la signification de ces observations. L’ERT générera des ensembles de données complexes contenant des informations qui varient tant dans l’espace que dans le temps. Ces observations doivent être prises en compte parallèlement aux mesures du sol, aux données météorologiques, à la croissance et au rendement des cultures, ainsi qu’aux différents traitements de gestion mis en œuvre dans le cadre de l’essai agricole.
L’université de Nottingham apporte son expertise en statistiques et en science des données pour relever ce défi. Son rôle est de contribuer à déterminer comment ces ensembles de données complexes peuvent être analysés de manière rigoureuse et traduits en preuves scientifiques solides. Le Dr Murray Lark, de l’université de Nottingham, explique :
« La valeur de la surveillance à haute résolution se concrétise lorsque nous parvenons à traduire des ensembles de données spatiales et temporelles complexes en preuves statistiques solides. Nous contribuerons à déterminer si les différences observées entre les systèmes de gestion sont cohérentes, significatives et explicables. »
Le défi analytique ne consiste donc pas simplement à collecter davantage de données. Il s’agit de déterminer quels changements sont significatifs, comment ils varient selon les traitements et au fil du temps, et quel est leur lien avec le rendement des cultures.
Cette distinction est importante pour les agriculteurs. Une recommandation visant à conserver les résidus est plus utile lorsque les chercheurs peuvent comprendre comment cette pratique se comporte dans différentes conditions pluviométriques, différents environnements pédologiques et à différents niveaux de rétention des résidus. De telles données peuvent, en fin de compte, étayer des recommandations plus ciblées et plus pratiques, plutôt que de partir du principe que la même approche de gestion aura le même effet partout.
Former la prochaine génération de chercheurs
L'un des résultats les plus importants de cette collaboration ne sera peut-être pas un ensemble de données ou un instrument, mais les personnes qui acquerront la capacité de travailler à la croisée de ces disciplines. Cette collaboration vise à renforcer les compétences des jeunes chercheurs issus d’institutions ghanéennes grâce à une expérience pratique en géophysique, en expérimentation sur le terrain, en instrumentation, en sciences des sols et de l’eau, en gestion des données, en statistiques et en interprétation scientifique.
Les chercheurs acquerront de l’expérience tout au long du processus de recherche. Ils mèneront des expériences sur le terrain, installeront et utiliseront des équipements géophysiques, effectueront des mesures du sol et des cultures, traiteront des ensembles de données complexes et recourront à des méthodes statistiques pour interpréter les tendances spatiales et temporelles.
Cette expérience interdisciplinaire est particulièrement importante car les questions abordées ne relèvent pas d’une seule discipline. Elles se situent à la croisée de la physique, de la science des sols, de l’hydrologie, de l’agronomie, de l’ingénierie et de la science des données. Cette collaboration offre l’opportunité de former une nouvelle génération de chercheurs capables de passer d’une discipline à l’autre et d’utiliser différentes formes de données pour répondre à des questions agricoles et environnementales complexes.
Une nouvelle façon d'aborder les essais agricoles
L'ambition générale du projet est simple, mais pourrait s'avérer révolutionnaire. Pouvons-nous mieux comprendre l'agriculture adaptée au changement climatique en allant au-delà de ce qui se passe au-dessus du sol, au niveau des cultures, et en prenant également en compte ce qui se passe dans le sol et dans l'eau en dessous ? Le projet vise à établir ce lien en examinant comment des pratiques de gestion telles que la conservation des résidus et les cultures de couverture influencent la structure du sol et la dynamique de l’eau, comment ces changements affectent la disponibilité en eau dans la zone racinaire et comment cela influe en fin de compte sur le rendement des cultures.
Il étudiera également comment les changements dans la dynamique sol-eau influencent la pénétration de l’eau vers les couches plus profondes du profil pédologique, avec des implications pour la recharge des nappes phréatiques, le mouvement des nutriments et les conditions associées aux émissions de N₂O.
Cette collaboration rassemble ainsi plusieurs perspectives qui sont souvent considérées séparément. Les expériences agricoles fournissent le contexte de gestion. La science des sols aide à expliquer les changements de l’environnement physique. La géophysique offre un moyen d’observer le sous-sol. L’instrumentation rend cette observation plus accessible. Les statistiques et la science des données aident à transformer des mesures complexes en données probantes.
Le travail sur le terrain a commencé. Les instruments sont en cours de développement et d’installation. Les ensembles de données vont s’étoffer. Les chercheurs acquerront des connaissances interdisciplinaires. Et sous le couvert végétal, tout un système sol-eau-racines attend d’être compris.
Car parfois, pour comprendre ce qui se passe au-dessus du sol, il faut d’abord savoir ce qui se passe en dessous.
