ALDEBERT Audrey CASTEL Aurélien LEHOUX Hugo LUCAS Corentin
MICRO-PROJET : LA BETTERAVE ET LE BORE Les essais de fertilisation micro-localisée en bore de la société BORONX montrent des problèmes d’avortement sur les semences. Des problèmes de toxicité de Bore sont soupçonnés sur ces parcelles de betteraves sucrières. Notre bureau d’étude propose des explications et des pistes d’améliorations à travers une simulation sur Visual Minteq. BORON society’s tests of micro-located boron fertilization show abortion problems for half the seeds. Boron toxicity is suspected in these sugar beet fields. Our research office proposes explanations and ways of improvement through a basic simulation on Visual Minteq..
RECHERCHE DOCUMENTAIRE Le Bore est un oligoélément à considérer en priorité pour la betterave sucrière car il participe au transport des sucres depuis les feuilles jusqu’à la racine. L’apparition de carences ou d’excès a des conséquences très pénalisantes (chute du rendement ou de teneur en sucre). La carence se manifeste par la « maladie du cœur noir », tandis qu’un excès (teneur supérieure à 40ppm soit 0,037mol/L de solution du sol) provoque une perte prématurée des feuilles. L'intervalle de concentration de Bore entre carence et toxicité est très faible, c’est pourquoi sa teneur doit être surveillée fréquemment. La betterave sucrière, comme son nom l’indique, est principalement cultivée pour sa production de sucre. La France est le premier producteur européen avec une production annuelle de 34 millions de tonnes. Cette culture est présente dans 29 départements français, principalement situés au Nord, et couvre 2.1% de la SAU (Lafeuille, 2009). On peut donc facilement se représenter la nécessité de l'étude de la toxicité du Bore sur la betterave. Production de betterave sucrière en France (Institut de la betterave, 2010)
Pour simuler l'apport d'engrais BORONX et d'évaluer les risques de toxicité, nous avons étudié le comportement du Bore dans le sol. Sa disponibilité dans la solution du sol dépend de plusieurs facteurs : pH de la solution du sol, teneur en Matière Organique, Capacité d'Echange Cationique (CEC), teneur en argile, teneurs en oxydes de fer et d'aluminium, ainsi que l’humidité du sol. Tous ces paramètres influent sur les phénomènes de spéciation du Bore et d’adsorption/désorption. Les engrais boratés sont apportés sont la forme de tétraborate de sodium appelé aussi borax. En présence d'eau, le borax se transforme en acide borique assimilable (H3BO3). (1)
H4B4O92- + H+ + 3H2O ↔ 4 H3BO3
L’ion borate est la seconde forme majoritaire assimilable (2) H3BO3 + OH- = H2BO3- + H2O
pKa = 9,2
L’acide borique est majoritaire jusqu’à pH 8,5 et l’ion borate l’est pour des pH plus alcalins.
Concentration dans la solution du sol (mol/L)
Spéciation du Bore en solution 1,2 1 H3BO3
0,8
H10(BO3)4-2 H2BO3-
0,6
H5(BO3)20,4
H8(BO3)3-
0,2 0 0
2
4
6
8
10
12
14
pH de la solution du sol Schéma de spéciation d’une mole de Bore en solution aqueuse (hors phénomènes biogéochimiques).
MODELISATION Pour notre modélisation nous avons choisi de simuler le comportement du Bore pour des sols calcaires typiques du Nord de la France sur le logiciel Visual Minteq 2.61. On utilise une densité de 125 000 pieds/ha, avec une fertilisation micro-localisée à 17kg/ha de fertilisant contenant 11% de B. On considère que chaque graine reçoit un granulé de Borax. CONCENTRATION INITIALE DE BORE
Chaque granulé déposé à proximité de la plante contient alors : mB = 17 x 0,11 / 125000 x 106 = 15 mg de B/ pieds MB = 10,81 g/mol Soit en quantité de matière
= 1,387.10 -3 mol
On calcule ensuite la concentration en bore dans la solution du sol. On tient compte de la distance par rapport à la graine (1, 2 ou 5cm) et de la teneur en eau du sol (Réserve utile = 1mm/cm dont on fera varier le niveau de remplissage). On considère une concentration homogène dans la sphère de diffusion de l'engrais.
Le volume de solution du sol pour le calcul de la concentration vaut : é à
é
Semence de betterave Distance Granulé-Graine 5cm Distance 2cm Distance 1cm
Schéma de modélisation entré dans MINTEQ
La distance et le remplissage de la RU permettent de donner la valeur initiale de la concentration en B dans la solution du sol, que l’on entre dans Visual MINTEQ. Distance Granulé-Graine (cm) 100% RU 75% RU 50% RU 25% RU 10% RU 5% RU
1 3,31 4,42 6,63 13,25 33,13 66,26
2 0,41 0,55 0,83 1,66 4,14 8,28
5 0,03 0,04 0,05 0,11 0,27 0,53
mol/L mol/L mol/L mol/L mol/L mol/L
PHENOMENES D’ADSORPTION D’après Shafiq et al. , le modèle le plus adapté entre Freundlich et Langmuir correspond à une isotherme de Freundlich sur l’ensemble de la gamme de concentrations. Les valeurs que nous avons choisies correspondent à celles d’un sol semblable en composition et comportement à ceux du Nord de la France (cf. annexe 1). On utilise la formule de Freundlich n = Kf x Cm Avec Kf = 3,33 et m = 0,623 (Elrashidi et O’connor, 1982)
Sorties de l'isotherme de Freundlich 7
B adsorbé (mol/L)
6 5 4 3 2 1 0 0
10
20
30
40
50
60
70
B dissout(mol/L)
Les valeurs obtenues sont quasiment toutes au-dessus du seuil de toxicité de 0,037 mol/L dans la solution de sol. Selon notre modèle, l’hypothèse de toxicité par le Bore est plausible. Cependant le manque d’informations et l’approximation de certains paramètres font que ce modèle est imparfait. On peut ainsi proposer plusieurs pistes de recherches.
LIMITES DU MODELE Notre modèle permet de donner une première idée du comportement du Bore dans un sol aux caractéristiques proches de ceux du Nord de la France. Cependant de nombreux paramètres ont été estimés, simplifiés ou proviennent de la littérature. La teneur initiale en Bore dans le sol est considérée nulle. Nous n’avons pas simulé le phénomène de dissolution de l’engrais. La concentration initiale entrée dans Visual Minteq 2.61 correspond ainsi à notre calcul d'apport en engrais entièrement dissout. Le choix de la température à 15°C correspond à la température moyenne en plaine de Caen (14) en période de semis. Le top-soil subit directement les variations de température de l’atmosphère. Pour notre calcul, la densité de semis et la dose d'engrais apportée sont issues de la littérature (Berger, 1950) et ne peuvent correspondre exactement aux pratiques réelles. La réserve utile choisie correspond à la RU moyenne des sols argilolimoneux calcaires français et par définition ne correspond aux RU des sols concernés. On a considéré que la diffusion était homogène au sein d’une sphère pour pouvoir approximer une concentration de la solution du sol. Il serait nécessaire de considérer un gradient de diffusion tenant compte de la tortuosité des sols et éventuellement de la mobilité du Bore. Pour la simulation, le choix de la formule de Freundlich est critiquable. Langmuir pourrait être plus pertinent sur certains sols car il considère un nombre maximum de site d'adsorption. Par ailleurs, un Modèle de Capacité Constante serait plus complet (cf. annexe 2). Les paramètres Kd et m pour l'équation de Freundlich ont été trouvés dans la littérature (Elrashidi et O'Connor, 1982) pour un sol calcaire semblable à ceux du Nord de la France. Nous avons ajouté du Ca2+ dans l’objectif d’équilibrer le bilan de charges et de permettre au modèle de converger vers une solution. En réalité, l'équilibre des charges est assuré par les cations adsorbés. Le seuil de toxicité de la concentration en Bore dans la solution du sol provient de la littérature (Oligoéléments,19) et n’est pas détaillée.
PISTES DE RECHERCHES Si nous obtenons la possibilité de réaliser cette étude, nous pourrions perfectionner l’analyse. Phase I Nous étudierons les pratiques culturales des exploitants de la région (pratiques de fertilisation, densité de semis, rendements moyens, profondeur de semis, matériel de semis, ferti-irrigation, apports de fumures organiques…) pour ajuster nos conseils de fertilisation micro-localisée. Phase II Nous déterminerons les caractéristiques des sols de la région pour pouvoir simuler le comportement du Bore (teneur en B natif, texture, pH, CEC, CaCO3, MO, FeOH, AlOH, Réserve Utile). Phase III Parallèlement, des essais de toxicité seront menés sur les betteraves sucrières de plein champ. Nous déterminerons ainsi une teneur en B disponible dans la solution du sol qui provoque un avortement des graines. Des essais en laboratoire permettront de déterminer la formulation la plus adaptée, en tenant compte des coefficients de dissolution et de diffusion dans les sols. Phase IV Nous modéliserons finalement le comportement du Bore à partir de toutes les données dans un Modèle de Capacité Constante (Constant Capacity Model) mis au point par Sabine Goldberg (Goldberg, 2004). Ce modèle permettrait d’évaluer les risques réels de toxicité par le Bore sur la gamme de sols de la région, en étudiant les comportements d’adsorption en faisant varier le pH et la concentration en Bore simultanément. Ce modèle tient compte de manière précise des réactions d’adsorption sur les argiles, la MO, le calcaire, les oxydes de fer et d’aluminium. Si vous donnez suite à notre proposition, la formulation finale de l’engrais pourra être reconsidérée et ajustée aux pratiques des agriculteurs.
BIBLIOGRAPHIE
SHAFIQ ET AL. Comparison of freundlich and Langmuir Adsorption equations for boron adsorption on Calcareous soils.
GOLDBERG Modeling Boron Adsorption Isotherms and Envelopes Using the Constant Capacitance Model.
NILS OLOF BOSEMARK OCDE La betterave à sucre
M. A. ELRASHIDI AND G. A. O'CONNOR2 Boron Sorption and Desorption in Soils1
JUAN J. CAMACHO-CRISTOBAL, JESUS REXACH ET AGUST´IN GONZ´ALEZ-FONTES Boron in Plants: Deficiency and Toxicity