Options
Wey, Hannah
Nom
Wey, Hannah
Affiliation principale
Fonction
Ancien.ne collaborateur.trice
Identifiants
Résultat de la recherche
Voici les éléments 1 - 1 sur 1
- PublicationAccès libreNitrate leaching under arable land : monitoring, mitigation measures & memory effects(2021)
; La perte d'azote (N) dans les agroécosystèmes est l'un des plus grands problèmes environnementaux non résolus de notre époque : d'une part, l'azote est un facteur critique de limitation des rendements et, par conséquent, l'apport d'azote en agriculture sous forme d'engrais est crucial pour assurer la sécurité alimentaire. D'autre part, une partie de cet engrais est perdue dans d'autres compartiments de l'environnement, par exemple par lixiviation à travers le sol vers l'aquifère sous forme de nitrate mobile. En raison de cette contamination, les limites de concentration dans les eaux potables pour le nitrate sont aujourd'hui dépassées dans de nombreuses régions. Dans cette étude, nous avons étudié les processus de transport et de cyclage de l'azote pendant trois saisons culturales (2017-21) pour 11 champs arables situés sur des limons limoneux dans le district du Gäu sur le Plateau Suisse. Les cultures alternaient entre du maïs d'ensilage, des herbages temporaires de trèfle, des céréales d'hiver et du colza. L'objectif était de comparer les techniques de surveillance de la lixiviation du nitrate, de déterminer les principaux facteurs influençant la lixiviation du nitrate à partir de la zone racinaire et d'améliorer la compréhension de la dynamique du transport du nitrate à travers la zone vadose. Nous avons donc utilisé dans cette étude des accumulateurs auto-intégrés (SIA) à base de résine échangeuse d'ions, des carottages du sol pour l'extraction de l'azote minéral (Nmin), des bougies poreuses (BP) complétées par un modèle HYDRUS 1D et un système de surveillance de la zone vadose (VMS) pour évaluer le lessivage du nitrate dans le sol et dans la zone non saturée jusqu'à 6 m de profondeur. Nous avons également vérifié si une réduction du niveau d’azote dans les engrais ou un changement du type d'engrais azotés réduit le lessivage des nitrates. Enfin nous avons calculé les bilans azotés de surface, comprenant le dépôt atmosphérique, la fertilisation, la fixation biologique de l'azote et la production d'azote par la récolte. Les quatre techniques de surveillance utilisées sont se prêtent à la mesure du lessivage de l'azote, mais représentent des processus différents du transport et du cycle de l'azote, et varient en termes de résolution spatio-temporelle. Le lessivage annuel moyen mesuré avec les dispositifs SIA est modéré pour les herbages de trèfle, le canola et le maïs (38, 42 et 44 kg N ha-1 a-1) et élevé pour les cultures de céréales d’hiver (116 kg N ha-1 a-1). Si l'on fait la moyenne de toutes les rotations de cultures (71 kg N ha-1 a-1, sans bandes avec mesures d'atténuation), cela représente trois fois la quantité autorisée en accord avec la valeur légale de concentration dans les eaux souterraines (25 mg NO3 - L-1). Cet objectif de qualité est également dépassé dans 55 % des échantillons BP. Le bilan azoté cumulé sur trois saisons dépend fortement de la part des herbages dans le cycle de rotation des cultures qui compense les bilans négatifs des autres cultures (-50, -29 et -45 kg Ntot ha-1 a-1 pour le colza, les céréales et le maïs contre +126 kg Ntot ha-1 a-1 pour les herbages de trèfle). Ainsi, les principaux facteurs de lixiviation du nitrate sont d’un côté les apports à long terme d'engrais organiques composés d’une part élevée d'azote indisponible, en particulier pour les herbages de trèfle, de l’autre côté l'accumulation correspondante dans le réservoir d'azote organique du sol, d’un potentiel de minéralisation élevé, et enfin de la libération de l'azote qui n'est pas synchronisée avec les besoins des plantes. Les mesures mensuelles de BP ont montré que le nitrate est principalement lessivé de la zone racinaire en automne et en hiver en raison de la mobilisation élevée de l'eau interstitielle du sol pendant cette période. Cependant, ce schéma de lixiviation saisonnier n'est pas transféré aux couches plus profondes du sol dans la zone non saturée, où le transport de N est fortement affecté par la dénitrification dans les zones riches en argile et par l'écoulement préférentiel développé dans les fissures de dessiccation et les fractures dans les couches consolidées. En raison de la minéralisation élevée de l'azote organique du sol, estimée à 59 kg N ha-1, la réduction d’utilisation d’engrais azoté n'est que partiellement visible dans les données de lixiviation des nitrates, et un changement de type d'engrais n'a aucun effet significatif sur la lixiviation des nitrates pendant la période d’observation. En conclusion, l'héritage biogéochimique du cycle de l'azote, estimé à plusieurs décennies, ne permet pas d’observer l’impact d’intervention en surface sur les concentrations dans l’aquifère à une échelle de modification hydrologique, estimé à plusieurs années. Nous recommandons une surveillance à long terme pour mieux élucider l'impact de ces effets de mémoire et établir des objectifs réalistes de qualité des eaux souterraines. La teneur en Nmin à l'automne dans un grand nombre de champs peut être utilisée comme un indicateur des pertes régionales de nitrates dans l'aquifère, car il a été démontré qu'elle est significativement corrélée avec le lessivage hivernal ultérieur. La législation sur les engrais azotés devrait être adaptée par rapport à la région et devrait tenir compte de l’historique d’utilisation de fumier, des quantités élevées d'azote non disponible, et du potentiel élevé de minéralisation des sols locaux. ABSTRACT The loss of nitrogen (N) from agroecosystems is one of the biggest unsolved environmental problems of our time: on the one hand, nitrogen is a critical yield-limiting factor and therefore, N supply in agriculture in the form of fertiliser is crucial to ensure food security. On the other hand, part of this fertiliser is lost to other environmental compartments, e.g. by leaching through the soil to the aquifer in the form of mobile nitrate. Due to this contamination, drinking water limits for nitrate are nowadays exceeded in many regions. In this study, we investigated the N transport and cycling processes during three cropping seasons (2017-21) under 11 arable fields on silty loams in the Gäu Valley on the Swiss Central Plateau. The crop rotations included silage maize after ploughing the grass-clover ley, winter cereals and canola. The goal was to compare monitoring techniques for nitrate leaching, to determine the main influencing factors for nitrate leaching from the root zone, and to increase understanding of nitrate transport dynamics across the vadose zone. Therefore, we used ion-exchange resin-based Self-Integrating Accumulators (SIA), soil coring for extraction of mineral N (Nmin), Suction Cups (SCs) complemented by a HYDRUS 1D model, and a Vadose Zone Monitoring System (VMS) to assess nitrate leaching in the soil and in the unsaturated zone down to 6 m depth. We also tested if a reduction of the N fertiliser level or a change of fertiliser type reduces nitrate leaching, and calculated surface N balances, including atmospheric deposition, fertilisation, biological N fixation, and N output via yield. All four monitoring techniques were suited to measure N leaching, but represented different N transport and cycling processes, and varied in spatio-temporal resolution. The average annual leaching measured with SIA devices was moderate for grass-clover leys, canola and maize (38, 42, and 44 kg N ha-1 a-1), and high for cereals (116 kg N ha-1 a-1). Averaged over all crop rotations (71 kg N ha-1 a-1, without strips with mitigation measures), this is triple the amount that is compatible with the national legal target concentration in groundwater (25 mg NO3 - L-1). This quality target was also surpassed in 55 % of SC samples. The N balance cumulated over three seasons depended highly on the share of grass-clover ley in the crop rotation that compensated for the negative balances of the the other crops (-50, -29, and -45 kg Ntot ha-1 a-1 for canola, cereals and maize versus +126 kg Ntot ha-1 a-1 for grass-clover ley). Thus, the main drivers for nitrate leaching were the long-term inputs of organic fertilisers with a high share of unavailable N especially to grass-clover leys, the related accumulation in the soil organic N pool, a high mineralisation potential, and finally the N release that is unsynchronised with the plants’ needs. Monthly SC measurements showed that nitrate is mainly leached from the root zone during autumn and winter, caused by elevated soil pore water mobilisation in this period. However, this seasonal leaching pattern was not transferred to deeper soil layers in the unsaturated zone, where further N transport was heavily affected by denitrification in clay-rich zones, and by preferential flow including bypassing in desiccation cracks and fractures in the consolidated layers. Due to the high mineralisation supply from the soil organic N pool, estimated to be 59 kg N ha-1, the fertiliser reduction was only partially visible in the nitrate leaching data, and a change of fertiliser type had no significant effect on nitrate leaching during the research period. To conclude, the biogeochemical legacy of N dynamics estimated to be in the range of decades, increases the time lag between an intervention on the surface and a visible effect in the aquifer far beyond the one that is explicable with the hydrologic legacy alone, that is estimated to be of several years. We recommend long-term monitoring to further elucidate the impact of these memory effects and establish realistic groundwater quality goals. The autumn Nmin content in a large number of fields can be used as an indicator for regional nitrate losses to the aquifer, as it was shown to significantly correlate with the subsequent winter leaching. The N fertiliser recommendation should be regionally adapted and account for the long history of manure application with high amounts of unavailable N, and the high mineralisation potential of the local soils.