Rapport final - projet AIL4WaterQuality

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Monitoring the temporal evolution of soil structure of three innovative production systems in the field

editorial reviewedAlternative agricultural practices emerge to provide more sustainable productions systems and to meet tomorrow's diets. These practices and varying climatic conditions will have impacts on soil structure and thus on soil hydraulic properties. However, most models do not consider the temporal variability of soil hydraulic properties, which can lead to poor decision making. Thus, quantifying the temporal evolution of hydraulic properties is essential to better understand the impact of emerging agricultural practices on soil structure (Chandrasekhar et al., 2018). In most studies, temporal variation of soil hydraulic properties is investigated using punctual measurements in the field or in the laboratory (Alskaf et al., 2021; Geris et al., 2021). Results are often inconsistent between studies due to the timing and type of measurement performed (Chandrasekhar et al., 2018; Strudley et al., 2008). In addition, most research focuses on the topsoil layers and does not consider the longer term effects on the deeper layers of the soil (Wahren et al., 2009). In this research, temporal evolution of the hydraulic properties of three innovative production systems is continuously monitored up to 90 cm depth. The three systems are designed to disrupt current agronomic trials and aim to produce the ingredients of tomorrow’s diets. They are pesticide-free and have long-term rotations of 8 years with intercrops. These systems are implemented on 8 parcels of the University of Gembloux Agro-Bio Tech on a typical loamy soil in Belgium. The innovative systems were instrumented with 24 Teros 12 water content and 24 Teros 21 water potential sensors from MeterGroup. Both types of sensor are robust and highly accurate. The Teros 12 probes also measure soil temperature and salinity. Potential probes can measure potential over a wide range of values from -9 to -2000 kPa. All probes are connected to MeterGroup's ZL6 data loggers which allow real-time data collection. The water content and potential probes are placed in parallel in the first three soil layers at 30, 60 and 90 cm depth in 8 plots. Intact soil cores are also taken every two months to determine bulk density and total soil porosity. The simultaneous determination of both water content and water potential over time under natural conditions allows the temporal evolution of the hydrodynamic properties to be captured at the level of the first three horizons. This monitoring will make it possible to quantify the temporal evolution of the structure of a loamy soil under the effect of alternative agricultural practices and varying climate conditions. The firsttwo years were contrasted in climatic conditions with a wet and a dry year. In addition, a diverse range of agricultural practices with different crops such as beet, camelina, corn, rapeseed and winter wheat were grown in both years. The results of these first two years of monitoring will be presented at the EGU 2023 General Assembly and compared to theoretical properties that would be obtained using classical PTF.AIL4WaterQualit

Soil structure changes over time, and it matters!

The emergence of alternative agricultural practices aims to create sustainable production systems to meet future dietary needs. These practices and climate changes (Linnerooth-Bayer et al., 2015) will affect soil structure and hydraulic properties (Chandrasekhar et al., 2018). However, most models do not consider changes in hydraulic properties over time, leading to incorrect decisions. Therefore, understanding these changes is crucial. This study aimed to monitor the temporal evolution of hydraulic properties in three innovative production systems up to 90 cm depth. The project focuses on the value and resilience of innovative rotation systems (vegan, agro-ecological, off-soil). For this purpose, different theoretical water retention curves (WRCs) such as pedotransfer functions (PTFs) (HYPRES and ROSETTA 1,2,3 and EUHYDI) were evaluated and compared. The EU-HYDI WRC were then compared with i) experimental WRC determined by an evaporation method (Schindler et al., 2006); ii) continuous measurements taken in situ. Results showed that theoretical EU-HYDI WRCs were overestimated, and there were technical limitations in visualizing soil dynamics below the sensor threshold. Continuous measurements were analysed for each plot's three horizons (30, 60 and 90 cm) at different time scales, highlighting the impact of annual rainfall on the soil retention profile and the influence of agronomic itineraries. A comparative analysis of WRC and yield was performed. The communication will present the first results

Les choix méthodologiques influencent-ils les résultats ? Application aux essais de lixiviation en colonne de sol

L’intensification de l’agriculture avec l’utilisation importante de pesticides a eu des répercussions néfastes sur l’environnement avec des pollutions au niveau des sols, de l’air et des masses d’eau. A ce jour, l’agriculture est devenue une des pressions majeures qui pèsent sur la qualité des eaux. En effet, une grande partie des pesticides appliquée au sol n’atteint pas sa cible et est volatilisée, adsorbée, dégradée en métabolites ou lixiviée à travers le profil de sol. Pour cette raison, la recherche scientifique sur le devenir de ces composés dans l’environnement s’est grandement développée. En effet, les connaissances en terme du transfert de pesticides au sein d’un profil de sol sont encore très limitées. Or, une meilleure compréhension du devenir de ces derniers est indispensable afin d’en améliorer la gestion et d’assurer la protection de l’environnement. Afin d’étudier le devenir des pesticides au sein d’un profil de sol, plusieurs types d’expériences sont retrouvés dans la littérature. Les expériences les plus proches de la réalité sont les longues expériences de terrain avec l’application de pesticides aux sols agricoles. Cependant, ces expériences sont généralement très onéreuses et ne peuvent être réalisées partout. Il est alors utile d’acquérir des informations grâce à des expériences en laboratoire. Les expériences en laboratoire sont généralement des expériences en batch, de chromatographie en couche mince ou en colonne de sol. Afin d’obtenir des informations pertinentes sur la mobilité potentielle des pesticides dans les sols et de bien simuler les flux d’eau, les expériences en colonnes de sol sont massivement rencontrées dans la littérature (USEPA, 2008). Elles permettent de comparer la mobilité des pesticides entre eux ainsi que d’étudier leurs comportements de lixiviation dans différents sols. Les expériences en colonne servent également à analyser les mécanismes qui sous-tendent les mouvements de ces pesticides en colonne (Katagi, 2013). La courbe d’élution des pesticides ainsi que la distribution des pesticides adsorbés au sein de la colonne peuvent alors être étudiées et permettent d’obtenir les paramètres de sorption et de dégradation des pesticides. Cependant, au sein de la littérature traitant des expériences de lixiviation en colonne de sol, les modalités des colonnes utilisées sont très variables, empêchant les résultats obtenus d’être comparés ou transposés à d’autres cas. Une première modalité variant fortement dans la littérature est la structure du sol mise dans les colonnes. Les expériences de mobilité des pesticides sont généralement réalisées avec du sol remanié, à savoir préalablement séché, tamisé puis tassé uniformément dans la colonne. Ces colonnes remaniées ont l’avantage d’être plus reproductibles que des colonnes non remaniées (Isensee et al., 1992). Les colonnes de sol non perturbées, prélevées directement sur le terrain, offrent quant à elles l’avantage de se rapprocher des conditions réelles et d’investiguer les flux préférentiels, l’effet de l’amendement, du travail du sol ou encore des cultures. Une deuxième modalité très variable est la taille de la colonne. Le diamètre de la colonne ainsi que la longueur de cette dernière varient fortement d’une expérience à l’autre sans justifications. Ainsi, l’objectif de cette étude est d’analyser l’impact des choix méthodologiques sur le comportement de lixiviation au sein d’une colonne de sol. Cette recherche vise à comparer l’effet de la structure du sol, du diamètre et de la hauteur des colonnes sur le comportement de lixiviation d’un soluté au sein d’une colonne de sol. Un pulse de CaCl2 a été appliqué à 15 colonnes de sol limoneux agricole prélevé à Gembloux. Des colonnes de sol remanié et non remanié, de 8,4 et de 24 cm de diamètre ainsi que de 20 et de 35 cm de hauteur ont été réalisées. Une hauteur d’eau de 2,21 cm a été appliquée régulièrement à la surface des colonnes. Le pH, la conductivité électrique et le volume de l’eau percolée ont été mesurés. Les résultats montrent une grande influence de la structure du sol sur la lixiviation du CaCl2. La courbe d’élution des colonnes remaniées montre un pic plus haut et plus fin que la courbe d’élution des colonnes non remaniées (figure 1). Le CaCl2 est rapidement lixivié des colonnes remaniées avec 65,9% de la masse de CaCl2 qui ressort après 10 cm d’eau percolé alors qu’il est plus longtemps retenu dans les colonnes en structure conservée où seulement 47,7% ressort après 10 cm d’eau percolé. De plus, après 16 cm d’eau percolé, 100% du CalCl2 est lixivié à travers la colonne contre 80,1 % pour les colonnes non remaniées. De plus, l’avantage des colonnes remaniées mis en avant dans la littérature est la plus grande reproductivité de ces colonnes. Or, les écarts-types des colonnes non remaniées sont en moyenne plus faible que les écarts-types des colonnes remaniées (40,5 mg L-1 pour les colonnes non remaniées contre 67,8 mg L-1 pour les colonnes remaniées). Le diamètre de la colonne a une influence moindre sur la lixiviation des solutés. La courbe d’élution des colonnes de 24 cm de diamètre et des colonnes de 8,4 cm de diamètre se suivent globalement (figure 1). Cependant, un plus grand effet de dispersion est observé dans les colonnes de 24 cm de diamètre avec un pic légèrement plus aplati et plus large. Ainsi, après 12 cm d’eau percolé, 91,5% de CaCl2 est ressorti pour les colonnes de 8,4 cm de diamètre contre 84,4% pour les colonnes de 24 cm de diamètre. La variation de la hauteur de la colonne de sol n’a pas une grande influence sur la courbe d’élution du CaCl2 excepté au niveau du pic, plus important pour les colonnes de 20 cm. En effet, le CaCl2 sort plus rapidement des colonnes de 20 cm que des colonnes de 35 cm. Après 10 cm d’eau percolé, 69,2 % du CaCl2 est ressorti des colonnes de 20 cm de haut contre 63,7% pour les colonnes de 35 cm de haut. La hauteur de la colonne de sol ainsi qu’une potentielle semelle de labour dans les colonnes de 35 cm pourraient également expliquer ces résultats. Afin de déterminer la dispersion du CaCl2 au sein des colonnes et l’influence de la semelle de labour, une modélisation des colonnes sur le logiciel Hydrus sera nécessaire.AIL4WaterQualit

How does soil water retention change over time? A three‐year field study under several production systems

peer reviewedAgricultural practices and meteorological conditions affect soil structure and soil hydraulic properties. However, their temporal evolution is rarely studied, and even less in the field. Thus, their dynamics are rarely taken into account in models, often leading to inconsistent results and poor decision making. In this study, the temporal evolution of water retention properties and soil structure was monitored over a 3‐year period under several contrasting production systems. Soil Water Retention Curves (SWRCs) obtained directly in the field (with soil water content and potential sensors) were compared with theoretical SWRCs predicted by pedotransfer functions (PTFs) and laboratory SWRCs measured on undisturbed samples. Bulk densities were measured every 2 months. Results indicate a high degree of variability in SWRCs over time and between production systems. The results suggest that variations in the soil water retention behaviour can be induced by crop differentiation, weed control, crop residue management, compaction during harvest, or the introduction of temporary grassland. Contrasting climatic conditions between 2021 (water excess), 2022 (severe drought) and 2023 (intermediate) provided a unique opportunity to study the resilience of the crop systems to extreme climatic conditions. Different soil drying dynamics were observed and some agricultural practices were identified as influencing the soil water retention behaviour for at least 2 years. Comparison of SWRCs showed that the theoretical curves obtained from PTFs are not a good representation of the field SWRCs, especially for less conventional agricultural practices. The laboratory curves are closer with similar trends. However, these SWRCs are not optimal for investigating the temporal evolution of water retention properties. This research also shows that agricultural practices and crops can be levers for contributing to greater food resilience against future climatic conditions. Therefore, to assess the relevance of production systems for tomorrow's needs, studies should focus on the impact of multi‐cropping systems on water retention dynamics in the field.AIL4WaterQualit

Prévention des contaminations des eaux souterraines : étude de la lixiviation des pesticides au sein d’un sol limoneux typique de Wallonie

editorial reviewedL’utilisation intensive des pesticides ces dernières décennies a détérioré la qualité des eaux souterraines. Afin d’assurer une meilleure protection de la ressource, de nombreux outils de modélisation ont vu le jour et permettent de rapidement déterminer les risques potentiels liés à l’utilisation de pesticides sur les sols agricoles. Ces modèles utilisent principalement deux paramètres nécessaires à la modélisation du transport de pesticides, qui sont le coefficient de sorption (Kd) et le temps de demi-vie (DT50). Ces paramètres sont donnés par les fabricants des produits phytosanitaires mais la littérature démontre que pour refléter les conditions de terrain, ils doivent être ajustés. Une des stratégies possibles et utilisée ici est de déterminer ces paramètres par modélisation inverse des courbes d’élution sur base d’expériences de lixiviation en colonnes de sol. Quinze colonnes de sol de 8,4 cm de diamètre et de 30 cm de haut ont été prélevées sur un sol limoneux agricole typique de Wallonie à Gembloux. Trois colonnes de chaque horizon (0-30 cm, 30-60 cm et 60-90 cm) et de chaque parcelle cultivée (betteraves, maïs, caméline) ont été réalisées. Un pulse de 8 pesticides (Chlortoluron, Flufenacet, Terbuthylazine, Metamitron, Metazachlore, Metolachlore, Ethofumesate et Bentazone) a été appliqué à une concentration correspondant à la dose agréée au-dessus de chacune des colonnes. Les colonnes ont été éluées avec de l’eau distillée. Les concentrations en pesticides des percolats ont été mesurées par UPLC-HRMS par le CRA-W. Les résultats préliminaires montrent que les courbes d’élution sont majoritairement asymétriques dû aux flux préférentiels présents au sein du profil de sol. L’allure des courbes peut être très variée en fonction des pesticides, montrant leurs différents comportements d’adsorption et de dégradation. Au niveau de l’horizon 1, entre 10 à 20% des quantités de pesticides appliqués ont été lixiviées des colonnes prélevées dans les parcelles en betteraves et en caméline et moins de 10% pour les colonnes prélevées sur les parcelles en maïs. Au niveau des horizons 2 et 3, de plus grandes quantités de pesticides ont été lixiviées avec des valeurs aux alentours des 50% pour l’horizon 2 et entre 40 et 60% pour l’horizon 3. Les quantités de bentazone sont les plus élevées avec environ 70% de la quantité initiale lixiviées pour l’ensemble des colonnes. Les quantités de métamitron récupérées sont également plus élevées que celles des autres pesticides avec environ 30% pour l’horizon 1, et plus de 60% pour les horizons 2 et 3. Ainsi, les premiers résultats sont très prometteurs et cohérents avec la littérature. A partir de ces résultats la modélisation inverse pourra être réalisée afin d’obtenir les caractéristiques de sorption et de dégradation des 8 pesticides étudiés, pour les trois horizons et pour les trois cultures. Ces résultats permettront d’obtenir des valeurs adaptées aux sols agricoles wallons et de mieux gérer l’utilisation des pesticides afin de protéger les eaux souterraines.AIL4WaterQualit

Communication plateforme EcoFoodSystem et projet AIL4WaterQuality

EcoFoodSystem, ce sont quatre systèmes de productions innovants, implantés depuis plus de deux ans dans les parcelles expérimentales de Gembloux Agro-Bio Tech. Ces systèmes se veulent en rupture par rapport aux pratiques conventionnelles : rotations longues, cultures diversifiées, absence d’herbicides, pâturage des parcelles ou encore système vegan. Chaque système est une option possible pour produire une alimentation suffisante tout en préservant les ressources naturelles. Une trame de biodiversité fait partie du dispositif et différents suivis de base sont réalisés dans tout l’essai (rendements, sol, …) Le projet AIL4WaterQuality a pour objectif de réaliser un monitoring hydrologique de ces systèmes, tant pour mesurer leur résilience face à des sécheresses ou à de l’eau en excès que pour mesurer leur impact sur la qualité de l’eau. Ce projet est financé par la SPGE et se réalise en partenariat avec le CRA-W, Greenotec et Protect’eau.AIL4WaterQualit

Suivi de l'évolution temporelle de la structure du sol de trois systèmes de production innovants sur le terrain

Nowadays, it becomes urgent to develop innovative production systems in order to meet tomorrow's diets while being more environmentally friendly. The impact of emerging alternative agricultural practices on soil structure and hydraulic properties is poorly known or studied. Hydraulic properties such as water retention curve and hydraulic conductivity are the basis for water status modelling in soils. These properties are generally obtained by one-time laboratory measurements on a soil sample. Thus, the retention curve which establishes a relationship between water content and water potential is usually considered as constant in time. However, this single retention curve cannot imitate the water retention characteristics of soils under natural conditions in dynamic situations. In this study, three innovative production systems are instrumented for hydrological monitoring. The three systems are designed to disrupt current agronomic trials and aim to produce the ingredients of tomorrow’s diets. The innovative systems are pesticide-free and have long-term rotations of 8 years with intercrops. The first system integrates the animal out of soil with only importations and exportations of animal products, the second in an agro-ecological interaction with grazing periods and the third is vegan. These systems are implemented in two different temporalities on the parcels of the University of Gembloux Agro-Bio Tech on a typical loamy soil of northern Wallonia. The innovative systems were instrumented with 24 Teros 12 water content sensors and 24 Teros 21 water potential sensors from MeterGroup. Both types of sensor are robust, highly accurate and require little maintenance. The Teros 12 probes also measure soil temperature and salinity. Potential probes can measure potential over a wide range of values from -9 to -2000 kPa. All probes are connected to MeterGroup's ZL6 data loggers which allow real-time data collection. The water content and potential probes are placed in parallel in the first three soil layers at 30, 60 and 90 cm depth in 8 plots. The simultaneous determination of both water content and water potential over time allows the temporal evolution of the hydrodynamic properties to be captured. Soil water retention and hydraulic conductivity curves will be measured over time under natural conditions for the three innovative systems. This monitoring system will then make it possible to quantify the temporal evolution of the structure of a loamy soil under the effect of agricultural practices and climate conditions. The data obtained will be used to diversify the agricultural practices represented in decision support models. The first year' s results of the innovative monitoring systems will be presented at the SSSB thematic day on soil structure and compaction.AIL4WaterQualit

Les choix méthodologiques influencent-ils les résultats ? Application aux essais de lixiviation en colonne de sol

Les pratiques agricoles sont une des pressions majeures qui pèsent sur la qualité des eaux, notamment en raison de l’utilisation intensive de pesticides. Le comportement de lixiviation des pesticides au sein d’un profil de sol n’est que peu connu et une meilleure connaissance de leur devenir est nécessaire afin d’en améliorer la gestion. Ainsi, les expériences de lixiviation des pesticides en colonnes de sol sont massivement rencontrées dans la littérature. En effet, elles permettent de collecter des informations pertinentes sur la mobilité potentielle des pesticides, plus facilement qu’avec des études de terrain longues et coûteuses. Cependant, les modalités des colonnes de sol utilisées dans la littérature sont très variables ce qui empêche les résultats obtenus d’être comparés ou transposés. Cette étudie vise à comparer l’effet de la structure du sol, du diamètre et de la hauteur des colonnes sur le comportement de lixiviation d’un soluté au sein d’une colonne de sol. Un pulse de CaCl2 a été appliqué à 15 colonnes de sol limoneux agricole prélevé à Gembloux. Des colonnes de sol remanié et non remanié, de 8,4 et de 24 cm de diamètre ainsi que de 20 et de 35 cm de hauteur ont été réalisées. Une hauteur d’eau de 2,21 cm a été appliquée régulièrement à la surface des colonnes. Le pH, la conductivité électrique et le volume de l’eau percolée ont été mesurés. Les résultats montrent une grande influence de la structure du sol sur la lixiviation du CaCl2. Le CaCl2 est rapidement lixivié des colonnes remaniées alors qu’il est plus longtemps retenu dans les colonnes non remaniées. Après 10 cm d’eau percolée, 65,7% du CaCl2 ressort des colonnes remaniées contre seulement 30% des colonnes non remaniées. Le diamètre de la colonne a une influence moindre sur la lixiviation des solutés. La courbe d’élution des colonnes de 24 cm et de 8,4 cm de diamètre se suivent globalement. Cependant, un plus grand effet de dispersion est observé dans les colonnes de 24 cm de diamètre. Ainsi, après 10 cm d’eau percolée, 65,7% de CaCl2 est ressorti pour les colonnes de 8,4 cm de diamètre contre 60,6% pour les colonnes de 24 cm de diamètre. La variation de la hauteur de la colonne de sol n’a pas une grande influence sur la courbe d’élution du CaCl2, excepté au niveau du pic, plus important pour les colonnes de 20 cm de haut. En effet, le CaCl2 sort plus rapidement des colonnes de 20 cm que des colonnes de 35 cm. Après 10 cm d’eau percolée, 62% du CaCl2 est ressorti des colonnes de 20 cm contre 47% pour les colonnes de 35 cm. La hauteur de la colonne de sol ainsi qu’une potentielle semelle de labour dans les colonnes de 35 cm pourraient expliquer ces résultats. Afin de déterminer la dispersion du CaCl2 au sein des colonnes et l’influence de la semelle de labour, une modélisation des colonnes sur le logiciel HYDRUS sera nécessaire.AIL4WaterQualit

Identification of pesticide-degrading strains of soil bacteria in an innovative cropping system in transition to zero pesticide

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