Broadbalk :  une expérimentation britannique de 180 ans sur la fertilisation et l’évolution de la fertilité des sols

Mise en place par Lawes et Gilbert, deux agronomes de l’époque à l’automne 1843, avec une première mesure de récolte à l’été 1844, Broadbalk est l’une des plus anciennes expériences agronomiques continues au monde. Le blé est cultivé chaque année sur tout ou partie de l’expérimentation. Établies pour tester les effets de diverses combinaisons d’engrais inorganiques (N, P, K, Na et Mg) et de fumiers organiques sur le rendement du blé d’hiver, bon nombre des modalités se poursuivent encore aujourd’hui. Ainsi, une parcelle assez longue a été divisée en différentes bandes ou « parcelles » (2 - 20) recevant les différents traitements d’engrais et de fumier chaque année. La plupart des bandes ont été établies en 1852 avec quelques recalibrages et subdivisions pour des raisons expérimentales. Ce dispositif ne comporte pas de répétition ; cependant, la taille des bandes et les différenciations qui s’affirment nettement dans le temps se passent allégrement de traitements statistiques. Retour sur 180 ans d’expérimentation !

Évolution des modalités azote

Au cours du temps et en fonction des parcelles, il y a eu des variations des niveaux des apports d’azote mais aussi des modes d’application. Il faut bien intégrer que les agronomes de l’époque étaient face à de fortes innovations et beaucoup d’inconnues. Ainsi, ils ont testé dans un premier temps une approche « tout à l’automne » comme un engrais de fond. Elle a été revue au bout de quelques années et transformée en une légère application à l’automne et le reste au printemps. Puis, avec l’évolution des connaissances, le mode d’application centrale est passé tout au printemps avec fractionnement. En fonction des parcelles (subdivision de l’expérimentation), les doses totales apportées allaient de 48 kg/ha/an à 192 kg/ha/an avec plusieurs gradients à la mise en place. Entre 1926 et 1967, les modalités se sont resserrées, allant toujours de 48 kg/ha/an à seulement 144 kg/ha/an avec 24 kg de N appliqué à l’automne et le solde au printemps.

Depuis 1968 et la croissance des rendements, qui peuvent assez facilement atteindre 10 t/ha et même les dépasser, dans cette zone très céréalière de l’Angleterre, les doses d’azote ont été modifiées et revues à la hausse pour aller chercher le potentiel maximun. Elles s’échelonnent depuis lors de 48, 96, 144, 192, 240 et même 288 kg de N/ha/an sous la forme d’ammonitrate appliqué en une fois à la mi-avril (équivalent mi-mars pour une partie de nos régions). Pour ce qui est du fumier, il s’agit de fumier de bovin appliqué à hauteur de 35 t/ha/an, soit un apport total de 225 kg de N/ha/an d’azote organique mais aussi de carbone. Si certaines bandes ou subdivisions ont reçu du fumier à un moment pour tester et mesurer l’association fertilisation minérale et fertilisation organique, une bande (fumier) n’a été fertilisée qu’avec du fumier chaque automne depuis la mise en place de l’expérimentation en 1943 juste à côté de la bande (rien) qui n’a reçu ni fertilisation organique ni fertilisation minérale sur l’ensemble de la période.

Et les autres engrais minéraux

À ce stade, il est important de se remettre dans le contexte de l’époque. Les agronomes découvraient la puissance de la fertilisation minérale qui n’était pas encore vraiment arrivée dans les fermes, même les plus avancées. Le phosphore a été apporté sous la forme de super-phosphate pour 35 kg de P annuellement à l’automne. Cependant, les applications ont été stoppées sur la grande majorité des parcelles en 2000 étant donné le niveau important des teneurs dans les sols. La potasse, quant à elle, a été apportée à 90 kg/ha/an sous la forme de sulfate de potasse avec une tentative de 180 kg de K2O/ha/an entre 2001 et 2005. Une subdivision de bande est conduite également avec maintenant du chlorure de potassium depuis 2001. La fertilisation minérale était complétée par 16 kg/ha/an de sodium sous la forme de sulfate de sodium. Cet apport de sel a été aussi arrêté en 1973 et 2000 pour la dernière parcelle. 12 kg/ha/an de magnésium encore sous la forme de sulfate de Mg étaient appliqués pour les modalités minérales.

Des variantes ont été mises en place à partir de 1968 (24 et 30 kg de Mg/ha/an). Elles ont été abandonnées depuis. Seuls 12 kg de Mg/ha/an subsistent encore aujourd’hui. Enfin, et pendant les 180 années d’expérimentation, les générations de chercheurs qui se sont relayées ont eu accès à différents produits et engrais et se sont permis quelques écarts en fonction des opportunités et des modes. Ainsi et dans les quelques fertilisants introduits, on peut citer une parcelle qui a été fertilisée de 1852 à 1926 avec du tourteau de colza pour un apport d’azote de 92 kg/ ha/an. C’était certainement un moyen habile de recycler un sousproduit de cette culture qui se déployait alors dans le pays pour fournir de l’huile. C’était avant que les vaches et les cochons n’entrent en jeu !

De nombreux résultats qui nous ramènent aux fondamentaux

Comme il est toujours intéressant de refaire un peu d’histoire, l’expérimentation a été mise en place avec de longues bandes de la longueur du champ qui étaient désherbées à la main. Cela est finalement devenu peu pratique et l’expérience a donc été divisée en cinq sections perpendiculaires à la longueur dans les années 1920. Le manque de main-d’oeuvre pendant et après la guerre a certainement facilité ce changement. Ainsi, une mise en jachère régulière a été introduite pour mieux contrôler les mauvaises herbes. L’introduction d’herbicides sur l’ensemble du site en 1964 (à l’exception d’une bande perpendiculaire) a éliminé la nécessité de cette jachère. En 1968, des changements majeurs se sont produits avec l’introduction de variétés à pailles courtes dotées d’un plus grand potentiel de rendement et la division supplémentaire des bandes dans le sens de la longueur pour positionner des rotations sur certaines sections de l’expérimentation. Cette stratégie a permis d’introduire la comparaison des rendements du blé cultivé en continu ou en tant que premier blé après une pause de deux ans. Pour aller plus loin et le dispositif le permettant, une nouvelle rotation de cinq ans a été introduite à partir de 2018 avec deux premiers blés, l’un après une légumineuse, l’autre après une non-légumineuse (blé - blé - avoine - blé - féverole). Depuis 1979, des fongicides d’été sont utilisés afin d’exploiter les plus grands potentiels de rendements céréaliers des cultivars modernes.

À partir de 1985, deux autres niveaux de N plus élevés ont été testés (240 et 288 kg de N/ha/an). Logiquement, les meilleurs rendements proviennent généralement de la première culture de blé en rotation et souvent de la combinaison fumier + 96 kg N ha/an (144 kg N/ha/an depuis 2005, parcelle 2.1) plutôt que d’engrais inorganique seul. Ce résultat atteste de l’intérêt de l’orientation organique pour assurer des flux de fertilité et d’azote. Il confirme aussi le cruel manque de minéralisation précoce qui pénalise le potentiel des céréales d’hiver à la reprise de végétation. Seule la fertilisation minérale est capable de compenser. Pour le blé en continu, les meilleures parcelles NPK produisent plus que le fumier seul (parcelle 2.2) ou le PKMg + 144 kg/N/ha (parcelle 8). Les plus grands rendements annuels de blé jamais enregistrés sur Broadbalk ont été de 13,8 t/ ha en 2014 (variété Crusoé ; parcelle 17). Le rendement le plus élevé de l’année de sécheresse de 2022 a été de 12,22 t /ha (variété Zyatt ; un 2e blé sur la parcelle 2,1 fumier et azote minéral), le dixième rendement le plus élevé jamais enregistré sur site. Encore une belle preuve de l’intérêt de l’organique dans la gestion de l’eau, dans cette zone qui doit atteindre les 5 % de MO, et de la fertilité distribuée en flux pour passer des périodes compliquées. Notez que les meilleurs rendements ne sont pas toujours obtenus avec le niveau de fertilisation N le plus élevé (voir l’ensemble des données en libre accès sur https://www.era.rothamsted. ac.uk/Broadbalk). Les rendements de blé continu sans engrais ou fumier (parcelles de Rien 3) sont restés à environ 1 t/ha en général. Il s’agit certainement des rendements du Moyen-Âge dans cette région très propice à la production céréalière de l’Angleterre. Des niveaux sans fertilisation qui étaient encore plus bas dans nombre de nos régions où les conditions pédoclimatiques sont beaucoup moins favorables.

On remarque également que ni la génétique, ni le chaulage, ni l’emploi de fongicides n’ont rien changé dans l’évolution du rendement de cette parcelle : la fertilité disponible, et en premier l’azote, est le premier facteur limitant. Cependant, et en regardant de plus près cette courbe, les rendements ont chuté à la fin des années 1910 et au début des années 1920 en raison de l’infestation des mauvaises herbes résultant (au moins en partie) d’une maind’oeuvre réduite pendant et après la Première Guerre mondiale. Ils redescendent encore depuis les années 1980, peut-être en raison de la baisse des apports de N atmosphérique et peut-être de S également. Les rendements des parcelles de blé continu avec PKMg + 144 kg N/ha/an ont également diminué au cours des dernières années, tandis que les rendements du blé continu avec seulement des apports de fumier ont augmenté. Comme les points sont des moyennes de trois ans pondérés, il est possible d’y voir un impact du climat avec la sécheresse de 2022. Une preuve supplémentaire qu’une approche organique est la meilleure assurance et même plus, car elle permet de profiter, au moins en Angleterre, du surcroît d’énergie solaire et de le transformer en rendement.

Évolution du stock de carbone organique

Vu l’ancienneté de cette expérimentation et son suivi précis par des générations de chercheurs britanniques, les bandes offrent des différenciations intéressantes sur la durée qui autorisent des analyses de différentes données autour de la fertilité des sols mais aussi de la qualité des récoltes. Le suivi du carbone organique est l’une de ses multiples composantes. Comme le montre le graphique ci-contre, il n’était que de 30 t de C/ha sur 23 cm (la profondeur de labour de l’époque) soit un taux de MO d’environ 2 % en 1843 (calcul approché pour une épaisseur de 30 cm de sol). Alors que l’on pourrait avoir tendance à penser que les sols étaient anciennement bien pourvus, et que c’est l’agriculture « moderne » avec les engrais et la mécanisation qui les a saccagés, ce n’est pas le cas ici comme en France à la sortie de la Révolution. À cette époque, les sols étaient plutôt « dégradés » et ce n’est que l’introduction des légumineuses pérennes (luzerne, trèfles et sainfoin), souvent associés à du chaulage et du drainage en fonction des régions, qui a permis d’intensifier l’élevage et de récupérer du fumier en retour pour les champs et les cultures. Ensuite, avec la révolution industrielle, la facilité des transports a donné accès à des engrais minéraux et puis l’énergie à de l’azote de synthèse. C’est en fait cette combinaison de facteurs qui a permis une croissance des niveaux organiques jusqu’à la sortie de la Seconde Guerre mondiale où la spécialisation des exploitations agricoles a changé la donne. Ainsi, et logiquement, c’est la parcelle qui reçoit du fumier à hauteur de 30 t depuis 1843 qui est la plus chargée en matières organiques avec 80 t de carbone/ ha, soit un taux voisin estimé de 5 %. Cette évolution d’environ 50 t/ha de C représente tout de même une moyenne de 300 kg C/ha/an séquestré. Chose remarquable est que ce stockage continue de croître depuis 1940 comme s’il suivait l’augmentation des rendements du blé et donc la croissance du retour du niveau de résidus.

Une autre modalité intéressante est celle de l’apport de fumier entre 1868 et 2000 : une génération de chercheurs mais aussi d’agriculteurs. La croissance est assez rapide sur la période avec une pente qui s’inverse progressivement. La courbe bleue, où les apports de fumier n’ont débuté qu’en 1885, est à peu près semblable pour la modalité « Fumier », malgré 40 ans de décalage avec le démarrage de ce dispositif expérimental. Si, au cours des années, la différence avec la modalité « Fumier » s’est estompée, une différence assez significative d’environ 10 t de C/ha continue de persister. Cette observation montre l’inertie des systèmes de culture au niveau organique : mieux vaut partir tôt dans la bonne direction, car l’ascension est longue. Elle est également rassurante par rapport à toutes les réflexions sur la séquestration du carbone dans les sols agricoles. Nous avons encore beaucoup de marge sur de longues années sans compter sur le carbone potentiellement intégrable, plus profond dans les sols, grâce aux vers de terre. Cette courbe montre également une réponse positive assez nette de l’apport supplémentaire d’azote depuis 1968 qui a permis une belle augmentation du rendement grain. Ainsi, Broadbalk atteste que l’azote minéral, lorsqu’il est bien géré, ne « brûle » pas la matière organique et permet même, en plus des gains de productivité, une croissance organique des sols. Une preuve supplémentaire que l’on ne stockera pas de carbone dans les sols agricoles sans immobiliser de l’azote de manière conséquente : point de vue que nous argumentons depuis longtemps dans la revue TCS. En complément, ces résultats confirment que nos approches ACS avec des couverts végétaux imposants, avec une bonne proportion de légumineuses, peuvent conduire à la même progression dans le temps que la modalité fumier ici. Il faudra certainement assurer en parallèle l’immobilisation des autres éléments. Ce sont nos petits-enfants agriculteurs qui pourront nous remercier !

Enfin, sans apport organique, c’est le calme plat sur la durée avec un léger bonus pour la partie fertilisée N P K Mg. Elle conserve, grâce au retour des pailles, environ 2 % de MO. On assiste même à une certaine dégradation du statut organique dans les versions sans aucune fertilité et sans azote avec un taux de MO qui chute aux environ de 1,6 % : un niveau qui n’est pas si éloigné des sols céréaliers classiques. Il est très compliqué d’analyser 180 années de données très diverses et nous nous sommes volontairement concentrés sur les principales et celles qui sont les plus pertinentes pour la compréhension que peuvent engendrer des choix de gestion de la fertilisation sur l’évolution à moyen et long terme de l’auto-fertilité des sols. Nous aurons certainement l’occasion de revenir sur cette pépite de l’expérimentation agronomique anglaise, d’autant plus qu’elle devrait intégrer certaines composantes de l’ACS. Nous pouvons donc déjà la remercier pour ces informations stratégiques mais également lui souhaiter longue vie.