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Dissertations and theses : Doctoral thesis
Life sciences : Environmental sciences & ecology
Elaboration d’un modèle d’écobilan de l’exploitation agricole irriguée. Cas du périmètre du Tadla – Maroc
[en] Elaboration of an Ecobalance model of irrigated farm, Case of Tadla irrigated scheme – Morocco
Krim, Lhassan mailto [Université de Liège - ULg > > > Doct. sc. agro. & ingé. biol.]
Gembloux agro bio tech, ​Gembloux, ​​Belgique
doctorat en sciences agronomiques et ingénierie biologique
Debouche, Charles mailto
Bock, Laurent mailto
Xanthoulis, Dimitri mailto
Marcoen, Jean Marie mailto
Soudi, Brahim mailto
[en] Agro environment, Ecobalance, Eco advice, Environmental assessment, Farm, Flux, Irrigation, Model, Nitrogen, Salts, Tadla Water
[fr] Agri environnement, Azote, Eau, Écobilan, Éco conseil, Évaluation environnementale, Exploitation agricole, Flux, Irrigation, Modèle, Sels, Tadla.
[en] In Morocco, the agro environmental problem is mainly translated by a degradation of the waters quality and a soils salinization under irrigation. In the, studied zone of the present work, the lands irrigation started since several decades by using waters of sometimes very degraded mineral quality, on one hand, and the agricultural intensification essentially marked by the application of excessive nitrogenous fertilizers doses, on the other hand, engendered a strong nitric pollution of groundwater table and a spectacular salinization of soils and waters.
In order to contribute to the environmental assessment of the irrigated agriculture in Morocco, an Ecobalance model baptized "EcoTadla" (TEB) was elaborated and validated in the Tadla perimeter through the adaptation of the "EcoFerme" model (MEF) developed by the Fluid Mechanics and Environment Unity of the Gembloux Agro-Bio Tech – University of Liege (Belgium). The general objective is to establish an Ecobalance model allowing to quantify and to analyse the materials fluxes exchanged between the farm and its environment and consequently to improve and\or to correct the agricultural practices aiming at a better agro environment preservation within an eco-advice initiative framework.
The analysis of the inadequacies of MEF to make an operational model in the studied context allowed to bring the adaptations to be brought as regards the definition of the basic hypotheses to hold in the new model construction, the quantification of the parameters to be used as inputs of the model and the modifications to be introduced into the modelling of the fluxes equations.
The TEB model subdivides the farm into three compartments the “Cultivated soil”, the “Cultures” and the “Animals”. The farm (studied system) exchanges materials fluxes with its environment subdivided, in his turn, into four compartments: The “Network waters”, the “Under ground” the "Atmosphere" and the "Third parties". The Ecobalance calculation period is of twelve months equivalent to an agricultural campaign and elements, taken into account at present, in the fluxes calculation are: the nitrogen (N), the phosphor (P), the potassium (K), the calcium (Ca), the magnesium (Mg), the chlorine (Cl), the sodium (Na) and the water (H20).
Considering the specificities of the agro environmental problem in the studied context, the TEB global model was conceived as a general program which calculates the Ecobalance for the various taken elements and which offers the possibility to the user to focus the study on three sub models: The "Water" model (WEB), the "Nitrogen" model (NEB) and the "Salts" model (SEB). These three models allow to quantify and to analyse the materials fluxes respectively for "Water", "Nitrogen" and "Salts" on the farm or perimeter scale during the period calculation.
The TEB model was tested, verified and validated on an optimised network of representative farms. In order to characterize better the studied domain and clarify more the main parameters and the inputs required by the model, this network was the object of a farming follow-up in the form of inquiries, local measures and analyses in the laboratory of samples of water and soil during three agricultural campaigns (2002-2003, 2003-2004 and 2004-2005).
WEB sub model quantify a total of 15 fluxes between these compartments which are two types: "major fluxes" and "minor fluxes". The lysimétrique follow-up led in two contrasted farms allowed to conclude that this model is reliable with an error risk varying from 17 to 26 %. The irrigation water use efficiency remains globally weak with an average of 40 % exceeding 50 % only in 25 % of the farmers of the follow-up network while the irrigation valuation water rate in the production is 56 % on average. Therefore, it’s necessary to award more eco-advice efforts to improve the efficiency and rationalize the irrigation water use. The analysis of the model sensibility demonstrated that the varying fact of this rate of 5 % and 10 % leads a variation respectively of 17 % and 36 % on the final result represented mainly by the infiltration rate which is the vector of the nitrogenous pollution and the salts washing. Ultimately, the Web model is a tool that can be used by the manager to improve eco advice on recovery and rational use of water in agricultural irrigation. Similarly, the quantification of the indicators presented would help the manager make the right choice of crops for better utilization of irrigation water
The NEB sub model allows quantifying 17 fluxes between the farm and its environment. The nitrogen potential lixiviation flux, main indicator of the pollution risk the groundwater, is on average 77,8 kg N ha-1 on the follow-up network scale with a maximum of 105 kg N ha-1 and a minimum of 35 kg N ha-1. The lysimetric follow-up curried out shows that 14 % and 13 % of the residual mineral nitrogen was respectively washed during the 2003-2004 campaign and the 2004 2005campaign. So it’s necessary to make more eco advice efforts in terms of nitrate fertilizers use. The analysis of sensibility of the model showed that the rate mineralization variation of 5 % and 10 % engendered a variation of the “nitrogen potential lixiviation” flux respectively of 10 and 19 %. The NEB sub model is very useful for the manager can learn about the potentially leachable inorganic nitrogen and the nitrogen fertilizer made unnecessarily by comparing the doses recommended.
The SEB model quantifies 8 main fluxes mostly salts conveyed by irrigation waters of and washing salts. On 15 farms of the Ecobalance follow-up network, this “potentially washable salts” flux is about 4210 kg ha-1 on average with a variation coefficient of 52 %. The lysimetric follow-up realized showed that 18 % and 12 % of salts were respectively washed during the 2003-2004 campaign and the 2004-2005 campaign. Consequently, it’s required to think about rehabilitation measures within an interdisciplinary framework aiming at the durability preservation of the production systems. The analysis of sensibility of the model showed that the electric conductivity rate variation of 5 % and 10 % engendered a variation of the «washing salts" flux respectively of 8 % and 16 %. The analysis of SEB model results in relation with the NEB model in 10 farms studied showed that, given the quality of water and soil, the reasoning of the nitrogen should be reflected according to the timetable and efficiency of irrigation-dependent process of leaching of salts, but also according to the vegetative stage of the plant for better utilization of soil mineral nitrogen.
Ultimately, a policy of eco efficient and appropriate advice to the problem of environmental study area inevitably involves consideration of three elements "water", "nitrogen" and "salts ". The TEB program could be one of the fundamental tools of policy
All these results impose to think to technical support strategies to set up follow-up devices of the ground, to strengthen the capacities of taking targeted measures to validate and verify the developed models and cheer the work in interdisciplinary by developing the collaboration such as integrated projects aiming at the sustainability of the agricultural production systems. By more clarifying the parameters used as inputs, these models would become more successful and more reliable
[fr] Au Maroc, la problématique agri environnementale se traduit principalement par une dégradation de la qualité des eaux et une salinisation des sols sous irrigation. Dans le périmètre du Tadla, zone d’étude du présent travail, la mise en eau des terres entamée depuis plusieurs décennies en utilisant des eaux de qualité minérale parfois très dégradée, d’une part, et l’intensification agricole marquée essentiellement par l’apport de doses excessives des engrais azotés, d’autre part, ont engendré une forte pollution nitrique des nappes et une salinisation spectaculaire des sols et des eaux.
Afin de contribuer à l’évaluation environnementale de l’agriculture irriguée au Maroc, un modèle d’écobilan baptisé « EcoTadla » (TEB) a été élaboré et validé dans le périmètre de Tadla à travers l’adaptation du modèle « EcoFerme » (MEF) développée par l’Unité de Mécanique des Fluides et Environnement de Gembloux Agro-Bio Tech – Université de Liège. L’objectif général est de constituer un modèle d’écobilan permettant de quantifier et d’analyser les flux de matières échangés entre l’exploitation agricole et son environnement et par conséquent améliorer et/ou corriger les pratiques agricoles visant une meilleure préservation de l’agri environnement dans le cadre d’une démarche d’éco conseil.
L’analyse des inadéquations du modèle MEF pour en faire un modèle opérationnel dans le contexte d’étude a permis de mettre en évidence les adaptations à apporter en ce qui concerne la définition des hypothèses de base à retenir dans la construction du nouveau modèle, la quantification des paramètres à utiliser comme inputs du modèle et les modifications à introduire dans la modélisation des équations de flux.
Le modèle TEB subdivise l’exploitation agricole en trois compartiments le «Sol cultivé», les « Cultures » et les « Animaux ». L’exploitation agricole (système étudié) échange des flux de matières avec son environnement subdivisé, à son tour, en quatre compartiments : les « Eaux du réseau », le « Sous sol », l’«Atmosphère » et les « Tiers ». La période de calcul de l’écobilan est de douze mois, soit l’équivalent d’une campagne agricole et les éléments actuellement pris en compte dans le calcul des flux sont : l’azote (N), le phosphore (P), le potassium (K), le calcium (Ca), le magnésium (Mg), le chlore (Cl), le sodium (Na) et l’eau (H20).
Compte tenu des spécificités de la problématique agri environnementale dans le contexte étudié, le modèle TEB a été conçu sous forme d’un programme général qui calcule l’écobilan pour les différents éléments retenus et offre la possibilité à l’utilisateur de focaliser l’étude sur trois sous modèles : le modèle « Eau » (WEB), le modèle « Azote » (NEB) et le modèle « Sels » (SEB). Ces trois sous modèles permettent de quantifier et d’analyser les flux de matières respectivement pour les éléments « Eau », « Azote » et « Sels » à l’échelle d’une exploitation ou d’un périmètre pour la période de calcul considérée.
Le modèle global TEB a été testé, vérifié et validé sur un réseau optimisé d’exploitations agricoles représentatives de la zone d’étude. Pour mieux caractériser le domaine étudié et préciser davantage les principaux paramètres et inputs requis par ce modèle, ce réseau a fait l’objet d’un suivi cultural sous forme d’enquêtes, de mesures in situ et d’analyses au laboratoire d’échantillons d’eau et de sol durant trois campagnes agricoles (2002-2003, 2003-2004 et 2004-2005).
Le sous modèle WEB permet de quantifier un total de 15 flux entre ces compartiments qui sont de deux types : des « flux majeurs » et des « flux mineurs ». Le suivi lysimétrique mené dans deux exploitations contrastées du réseau de suivi a permis de conclure que ce modèle est fiable avec un risque d’erreur de 17 à 26 %. L’efficience d’utilisation de l’eau d’irrigation demeure globalement faible avec une moyenne de 40 % ne dépassant 50 % que chez 25 % des agriculteurs du réseau de suivi alors que le taux de valorisation de l’eau d’irrigation dans la production est de 56 % en moyenne. D’où la nécessité de consentir plus d’efforts en matière d’éco conseil pour améliorer l’efficience et rationaliser l’utilisation de l’eau d’irrigation. L’analyse de la sensibilité du modèle a démontré que le fait de varier ce taux de 5 % et 10 % induit une variation respectivement de 17 % et de 36 % sur le résultat final représenté principalement par le taux d’infiltration vecteur de la pollution azotée et de lessivage des sels. En définitive, le modèle WEB est un outil qui peut être utilisé par le gestionnaire pour améliorer l’éco conseil en matière de valorisation et d’utilisation rationnelle des eaux agricoles en irrigation. De même la quantification des indicateurs présentés permettrait d’aider le gestionnaire à faire le bon choix des cultures qui valoriseraient le mieux l’eau d’irrigation.
Le sous modèle NEB permet de quantifier 17 flux entre l’exploitation et son environnement dont le flux de lixiviation potentielle de l’azote principal indicateur du risque de pollution de la nappe phréatique. Ce flux est en moyenne de 77,8 kg N ha-1 à l’échelle du réseau de suivi écobilan avec un maximum de 105 kg N ha-1 et un minimum de 35 kg N ha-1. Le suivi lysimétrique réalisé a montré que 14 % et 13 % de l’azote minéral résiduel ont été lessivés respectivement durant la campagne 2003-2004 et la campagne 2004-2005. D’où la nécessité de consentir plus d’efforts pour améliorer l’éco conseil en matière d’utilisation rationnelle des engrais azotés. L’analyse de sensibilité du modèle a montré que le fait de varier le taux de minéralisation de 5 % et de 10 % a engendré une variation double du flux « lixiviation potentielle de l’azote » respectivement de 10 et de 19 %. Le modèle NEB est d’une grande utilité pour le gestionnaire pouvant renseigner sur l’azote minéral potentiellement lessivable et sur les quantités d’engrais azotés apportés inutilement par comparaison aux doses recommandées.
Le sous modèle SEB quantifie 8 flux principalement les sels véhiculés par les eaux d’irrigation et les sels de lessivage. Sur l’ensemble des exploitations agricoles du réseau de suivi, ce flux de sels potentiellement lessivables est en moyenne de 4210 kg ha-1 avec un coefficient de variation de 52 %. Le suivi lysimétrique réalisé a montré que 18 % et 12 % des sels ont été lessivés respectivement durant la campagne 2003-2004 et la campagne 2004-2005. D’où la nécessité de réfléchir à des mesures de réhabilitation dans le cadre d’une démarche inter disciplinaire visant le maintien de la durabilité des systèmes de production. L’analyse de sensibilité du modèle a montré que le fait de varier la conductivité électrique des eaux d’irrigation de 5% et de 10 % a engendré une variation double du flux « Sels de lessivage » respectivement de 8 et de 16 %. L’analyse des résultats du modèle SEB en rapport avec le modèle NEB dans les 10 exploitations étudiées a montré que, compte tenu de la qualité des eaux et des sols, le raisonnement de la fertilisation azotée, devrait être réfléchi en fonction du calendrier et de l’efficience de l’irrigation qui dépendent le processus de lixiviation des sels mais aussi en fonction du stage végétatif de la plante pour une meilleure valorisation de l’azote minéral du sol.
En définitive, une politique d’éco conseil efficace et adaptée à la problématique environnement de la région d’étude passe inévitablement par la prise en compte des trois éléments « eau », « azote » et « sels ». Le programme EcoTadla tel qu’il a été élaboré dans le cadre de la présente étude pourrait constituer l’un des outils fondamentaux de celle politique.
L’ensemble de ces résultats imposent de penser à des stratégies d’appui technique visant à mettre en place des dispositifs de suivi sur le terrain, de renforcer les capacités de prise de mesures ciblées pour valider et vérifier les modèles développés et encourager le travail en inter disciplinaire en développant la coopération sous forme de projets intégrés visant la préservation de la durabilité des systèmes de production agricole. C’est en précisant davantage les paramètres utilisés comme inputs que ces modèles deviendraient plus performants et plus fiables.
Commission universitaire pour le Développement - CUD
Ecobilans appliqués à l’agriculture et formation de conseillers agricoles en environnement: EFCA
Researchers ; Professionals ; Students

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