Les grandes cultures en situation de stress hydrique

La canicule de l'été 2018 a fait prendre conscience aux agriculteurs comme aux profanes de ce à quoi la Suisse devra s'attendre à l'avenir : En raison du changement climatique, les précipitations estivales pourraient manquer plus souvent et plus longtemps. Face à la multiplication des périodes de sécheresse, Nina Buchmann, professeure en sciences des prairies, porte un regard inquiet sur l'agriculture de demain. En effet, les sécheresses et les pertes de récoltes qui en découlent menacent de plus en plus la production alimentaire. "Notre agriculture n'y est pas assez préparée", dit Buchmann. C'est pourquoi la Suisse a besoin de plus en plus de méthodes de production qui fournissent des rendements stables et bons même dans des conditions plus sèches. Jusqu'à présent, on ne sait toutefois pas quel est le système de culture le plus résistant à la sécheresse parmi ceux qui sont couramment utilisés ici.

C'est ce que Nina Buchmann veut découvrir avec son équipe et ses collègues d'Agroscope, le centre de compétences de la Confédération suisse pour la recherche agricole. Dans le cadre d'un essai sur le terrain de plusieurs années, les partenaires de recherche comparent depuis 2017 la manière dont les principaux systèmes de grandes cultures suisses réagissent à une sécheresse persistante. L'accent est mis sur la production conventionnelle et la production biologique (bio), avec et sans travail du sol, ou avec moins de travail du sol dans le cas du bio, où la pression des mauvaises herbes devient trop forte sans labour. Les plantes expérimentales sont le maïs, un mélange fourrager pois-orge et le blé d'hiver. Le projet, soutenu par le Mercator Research Program du World Food System Center et l'ETH Zurich Foundation, s'inscrit dans l'étude à long terme FAST d'Agroscope, qui étudie depuis dix ans les mêmes méthodes de culture sous l'angle de leurs performances agronomiques.

Le système des champs au banc d'essai

Dans les champs, les chercheurs de l'ETH simulent les sécheresses estivales avec de simples toits de pluie. En dessous se cache une expérience complexe. Elle comprend 32 parcelles, dont 16 avec des toits et autant sans, sur lesquelles les quatre systèmes d'exploitation sont mis en œuvre. Sur chacune des 32 parcelles se trouve une caméra appelée Phenocam, qui enregistre la croissance des plantes à l'aide d'images prises toutes les heures. Des capteurs placés dans et au-dessus du sol mesurent d'autres variables écologiques. Au total, trois doctorantes et un doctorant s'occupent de la collecte des données sur le terrain.

Pour leur expérience, les partenaires du projet ont formulé l'hypothèse que la culture biologique est plus résistante à la sécheresse estivale que la culture conventionnelle. Buchmann justifie : "Nous nous y attendons, car il est bien connu que dans la production biologique, les rendements des récoltes sont plus bas et que la consommation d'eau devrait donc aussi être plus faible. De plus, les symbiotes végétaux tels que les bactéries fixatrices d'azote et les champignons mycorhiziens devraient être plus fréquents dans le sol, ce qui peut favoriser la résistance à la sécheresse et au stress".

Comme différents facteurs peuvent influencer la résistance à la sécheresse, les chercheurs essaient de saisir les prestations de l'ensemble de l'écosystème des champs. Outre la croissance des plantes et la quantité et la qualité des rendements, ces prestations écosystémiques comprennent également des aspects tels que la résistance des cultures aux infections fongiques et aux attaques d'insectes. S'y ajoutent les fonctions élémentaires du sol et de ses organismes, comme la fertilité du sol et la capacité à dégrader la matière organique, mais aussi la présence de symbiotes végétaux, sans oublier la question de savoir combien d'éléments nutritifs sont disponibles pour les plantes et sous quelle forme, et quelle quantité d'azote est lessivée. "Nous essayons de couvrir de nombreuses performances, mais avec des mesures simples et bien établies, afin d'obtenir une image globale et des résultats comparables", explique Yujie Liu, doctorante à la chaire de Buchmann.

Vaisseaux conducteurs embolisés

Une deuxième hypothèse concerne le travail du sol : selon l'hypothèse des chercheurs, moins de labour rend le système de culture plus résistant à la sécheresse estivale. Ceci parce que moins de travail stabilise la structure du sol, ce qui devrait améliorer la disponibilité de l'eau et des nutriments pour les cultures.

Pour tester ces hypothèses, l'équipe de Buchmann détermine, à l'aide d'isotopes stables de l'eau et de l'oxygène, la quantité d'eau présente dans le sol et à quelle profondeur les plantes absorbent de l'eau. Plus encore : les scientifiques veulent savoir exactement à quel point les cultures souffrent du manque d'eau et à partir de quand la situation devient critique pour elles. Pour cela, Qing Sun, également doctorante dans le groupe de Buchmann, mesure régulièrement le stress physiologique dû à la sécheresse des cultures.

Cela est possible parce que les plantes disposent dans leur tige de vaisseaux pour le transport de l'eau. L'évaporation des feuilles crée un effet de succion qui fait remonter l'eau de la pointe des racines jusqu'aux feuilles. Il se crée ainsi dans les vaisseaux une dépression que l'on peut mesurer. Si celle-ci devient trop importante lorsque le sol est sec, le filament d'eau se rompt et une poche d'air se forme, ce qui bloque la conduite. Selon l'endroit où "l'embolie" se produit, seule une feuille se flétrit ou toute la plante meurt. Il est intéressant de savoir à partir de quand et combien de vaisseaux sont bloqués. "De telles mesures n'ont guère été faites jusqu'à présent. Elles nous aident à mieux comprendre la réaction au stress des plantes de grande culture dans différents systèmes de culture", explique Sun.

Une image (encore) incomplète

L'expérience sur la sécheresse se poursuit jusqu'à la fin de l'année prochaine. Les premières analyses préliminaires indiquent que les méthodes de culture ont moins d'influence sur les services écosystémiques que prévu. Dans le cas du mélange pois-orge, les plantes semblent être plus résistantes à la sécheresse sous production biologique. Il est toutefois fort possible que le maïs et le blé d'hiver réagissent différemment. "Le tableau n'est pas encore complet", souligne Buchmann. Si le système de production résistant à la sécheresse existera un jour ou si chaque culture préfère sa méthode de production individuelle, cela reste pour l'instant encore le secret de nos plantes cultivées.