Système de culture à rotation voandzou - IRD

UNIVERSITE D’ANTANANARIVO
ECOLE SUPERIEURE DES SCIENCES AGRONOMIQUES (ESSA)
THESE
Présentée pour l‘obtention de diplôme de DOCTORAT EN SCIENCES AGRONOMIQUES
Par
Andry ANDRIAMANANJARA
« SYSTEME DE CULTURE A ROTATION VOANDZOU – RIZ
PLUVIAL (ORYZA SATIVA) SUR LES HAUTES TERRES DE
MADAGASCAR. ROLE DU VOANDZOU ( VIGNA SUBTERRANEA )
SUR LA BIODISPONIBILITE DU PHOSPHORE DANS LES
FERRALSOLS »
Soutenue le 17 juin 2011 devant le jury composé de :
Jean RASOARAHONA
Thierry BECQUER
Neupomuscène RAKOTOZANDRINY
Alice ANDRIANJAKA
Lilia RABEHARISOA
Dominique MASSE
Professeur
ESSA, Université d‘Antananarivo
Directeur de Recherche
IRD, Madagascar
Professeur titulaire
ESSA, Université d‘Antananarivo
Professeur
Faculté des Sciences, Université d‘Antananarivo
Professeur
ESSA, Université d‘Antananarivo
Directeur de Recherche
IRD, Sénégal
Président
Rapporteur
Rapporteur
Examinateur
Directeur de thèse
Co-directeur de thèse

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ii
Celui qui a fait de moi ce que je suis, qui a été, qui est et qui sera toujours mon
mentor jusqu‘à la fin de ma vie et encore plus dans l‘au-delà. Je Lui suis
éternellement reconnaissant pour la vie, le souffle et l‘espoir qu‘il a mis en moi. A
Lui seul soit l‘honneur, la puissance et la gloire. Amen.
Au terme de ce travail, je n‘oserai pas omettre de remercier tous ceux qui ont contribué de
près ou de loin à l‘élaboration de cette thèse.
Mes pensées les plus sincères s‘adressent au Professeur Lilia Rabeharisoa, qui a bienvoulu
accepté d‘être mon directeur de thèse lors de mon premier contact en arrivant à Madagascar
après l‘obtention de DEA. Vous m‘avez d‘abord imprégné le goût de la recherche sur le
phosphore et qui ne cessait de se multiplier au fil de ces trois dernières années où j‘ai eu
l‘occasion de découvrir une autre facette de cet élément. Votre soutien et encouragement
m‘ont été un véritable support moral surtout durant les périodes difficiles sans financement où
la pensée d‘arrêter me traversait l‘esprit.
Mes profondes reconnaissances vont aussi à l‘encontre de Dr Dominique Masse qui a accepté
d‘être mon co-directeur de thèse dés l‘élaboration du projet de recherche. J‘ai pu bénéficier de
votre expérience et de votre qualité de chercheur par l‘esprit d‘analyse et de critique auxquels
vous m‘aviez toujours appelé à développer et à s‘approprier. Vous aviez toujours cru en moi
et vous n‘aviez ménagé ni votre force, ni votre temps, ni votre moyen pour m‘aider à réussir
dans cette voie. J‘espère que les années à venir sauraient mettre en valeur le résultat de l‘effort
que vous aviez déployé en moi.
J‘adresse également mes remerciements au Pr. Rasoarahona Jean, président de jury, Pr.
Rakotozandriny Jean de Neupomuscène et Dr. Thierry Becquer, rapporteurs ainsi qu‘au Pr.
Alice Andrianjaka, examinateur, d‘avoir accepté de participer à la commission d‘examen de
cette thèse. Qu‘ils trouvent ici l‘expression de mes sincères reconnaissances.
Durant les conduites expérimentales, j‘ai pu bénéficier de la collaboration des différentes
institutions de recherche notamment le Laboratoire des Radioisotopes Madagascar qui est le
laboratoire d‘origine représenté par le Pr. Lilia Rabeharisoa avec tous les personnels du
laboratoire où j‘ai pu réaliser pleinement mes expérimentations au champ, sous serre et les
analyses de laboratoire ; l‘INRA UMR Eco&Sols Ecologie fonctionnelle et Biogéochimie des
Sols et des Agroécosystèmes Montpellier France, laboratoire d‘accueil dirigé par Dr Jean Luc
Chotte où mes travaux étaient sous la supervision de Dr. Jean-Jacques Drevon avec les
appuies de toute l‘équipe : Mme Hélène Payré, Mme Cathérine ; l‘UMR INRA-ENITA
Transfert sol-plante et cycle des éléments minéraux dans les écosystèmes cultivés Bordeaux-
France, laboratoire d‘accueil dirigé par le Dr. Sylvain Pellerin où j‘étais sous la supervision de
Dr. Christian Morel avec l‘aide de toute l‘équipe du laboratoire. Je vous remercie de m‘avoir
soutenu et de me faire profiter de vos expériences enrichissantes tout au long de ma
formation.
A

iii
Mes remerciements aussi au Centre National de la Recherche Appliquée au développement
Rural (FOFIFA) pour nous avoir fourni les semences de voandzou utilisés dans nos études.
Mes pensées vont aussi aux amis et thésards du LRI : Narivo, Marie Paule, Tantely, Noro,
Hery vavy, Hery lahy, Ando, Tovo, Nantenaina ainsi que les amis de Montpellier et de
Bordeaux : Georg et Benoît, Rhym, Nora, Lamia, Mahamadou, Nadeem. Le temps que j‘ai
passé avec vous restera graver à jamais dans ma mémoire.
Mes sincères gratitudes à ma famille de m‘avoir soutenu jusqu‘au bout de cette étude.
Enfin, mes tendres pensées à ma femme Vola Fanoharana d‘avoir été toujours là pour moi
avec une totale compréhension que je ne saurai même pas expliquer. Je te dédie cette thèse en
témoignage de mon amour.
A Andry et Salomé...

iv
RESUME
Face à la pression démographique et la paupérisation sévissant les pays en développement comme le cas de
Madagascar, atteindre la sécurité alimentaire n‘est plus une option mais une étape que les agriculteurs et les
chercheurs devraient franchir afin d‘affronter la compétition nationale et mondiale. La valorisation des « tanety »
peu exploités de type Ferralsols qui représentent la majeure partie des terrains potentiellement cultivables dans
les hautes terres malgaches est actuellement une des meilleures alternatives pour sécuriser les agriculteurs et la
population de la grande île. En collaborant étroitement avec les agriculteurs, les chercheurs notamment les
agronomes devraient proposer un nouveau système agricole qui intègre les contraintes d‘ordre agronomique à
savoir d‘une part, les déterminants socio-économiques, mais également les déterminantes biophysiques du
système sol-plante. Concernant les cycles de nutriments, la contrainte majeure des Ferralsols concerne le cycle
du phosphore (P) et les risques de fixation de cet élément dans ces sols réduisant sa disponibilité pour les plantes.
Les légumineuses, par le biais de leur capacité de fixation de l‘azote peuvent avoir un rôle sur l‘augmentation de
la biodisponibilité du P dans les Ferralsols. Dans ce cadre, l‘hypothèse principale est que l‘introduction de
plantes légumineuses est nécessaire dans les systèmes de culture. Le voandzou ou Vigna subterranea, pourrait
jouer ce rôle comme culture de redressement capable d‘améliorer la productivité du système de culture de riz
pluvial qui se développe sur les ferralsols.
Les objectifs spécifiques de la thèse sont : i) évaluer l‘effet du système de culture à rotation voandzou-riz pluvial en
termes de rendement rizicole et de biodisponibilité du P ; ii) étudier l‘efficacité de la fertilisation organique, minérale et
organo-minérale par une analyse comparative ; iii) évaluer l‘aptitude de voandzou en termes d‘efficience d‘utilisation de P
(EUP) pour la fixation symbiotique de l‘azote (FSN) ; et iv) identifier les cultivars et écotypes contrastantes en EUP pour la
FSN.
Les hypothèses de recherche qui sous tendent ces objectifs ont été :
- La rotation Vigna subterranea-riz pluvial est possible et durable sur les terres de « tanety » des Hautes Terres
malgaches.
- La légumineuse (Vigna subterranea) améliore la disponibilité du phosphore dans les sols acides de type Ferralsol.
- Une variabilité génotypique de la FSN pour l‘EUP existe chez différents cultivars et écotypes de Vigna subterranea.
Des séries d‘expérimentations ont été conduites à l‘échelle rhizosphérique à travers des essais in situ et en
mésocosme afin d‘évaluer la potentialité de voandzou comme culture pouvant améliorer la disponibilité de P.
Une forte potentialité de voandzou a été confirmée au cours de l‘essai au champ de longue durée où le système
de culture à rotation a été comparé avec le système monocultural du riz pluvial avec une fertilisation organique
et/ou minérale. Les résultats obtenus ont montré l‘efficacité du système de culture à rotation comparé avec le
système monocultural en termes de rendement et de mobilisation de phosphore par une meilleure efficience
d‘utilisation en P spécifiquement sous traitement organique combiné avec le TSP.
L‘expérimentation en pots sous condition semi-contrôlée a montré que la légumineuse a utilisé plus efficacement
le phosphore du sol spécifiquement sous apport organique combiné avec le TSP comparé à la céréale notamment
le riz. Cette forte potentialité a été marquée par une meilleure teneur en P plante (augmentation de 20 à 50% du
riz pluvial), statut phosphaté et efficience d‘utilisation du P.
L‘expérimentation de criblage variétal des 54 cultivars-écotypes de voandzou de Madagascar, de Niger et du
Mali sous culture hydroaéroponique ont permi de montrer l‘existence de variabilité génotypique sur le voandzou
et d‘identifier les lignées contrastantes ou les cultivars à forte potentialité à la fixation symbiotique de N2 (FSN)
pour l‘efficience d‘utilisation du phosphore (EUP). Les cultivars et écotypes de Madagascar ont présenté une
forte potentialité par rapport à ceux du Niger et du Mali en termes de nodulation et de biomasse végétale. A
l‘issu de cette présélection, quatre cultivars-écotypes ont présenté une meilleure efficience d‘utilisation de la
symbiose rhizobienne. Parmi eux, les deux cultivars-écotypes les plus contrastants ont présenté une meilleure
consommation d‘O2 des racines nodulées sous P déficient marqué par une forte perméabilité nodulaire à la
diffusion en O2, 4 fois plus élevées comparées au P suffisant, et un changement de structure des cellules
corticales couplé avec une expression de gène phytate suite à une analyse d‘imagerie sur coupes nodulaires.
L‘analyse des sols rhizosphériques et non rhizosphériques, issus d‘une culture en rhizotron, par la méthode
d‘échange isotopique 32P a pu mettre en évidence l‘influence de l‘effet rhizosphérique sur la dynamique des ions
«phosphate» diffusibles (Pd) entre la phase solide et la solution du sol sous disponibilité limitant en P. Ce qui se
traduit par une forte capacité de réapprovisionnement de la solution du sol en Pd suivant le temps d‘échange
induisant ainsi à une meilleure nutrition phosphatée du voandzou spécifiquement chez le cultivar 1. Les
mécanismes rhizosphériques impliqués dans la mobilisation des ions «phosphate» sont la diffusion par le Pd,
l‘acidification par la baisse de pH, la complexation par les anions organiques induisant une faible teneur en Al et
Fe et la minéralisation de P organique via la phosphatase.
Les résultats de cette étude nous ont permi de montrer la forte potentialité de voandzou exprimée sous faible
disponibilité en P avec l‘existence des lignées contrastantes capables d‘influencer la mobilisation de P du sol et
d‘intégrer le voandzou dans le système de culture paysanne productif et durable pour l‘amélioration et la
restauration de la fertilité des Ferralsols dans les pays tropicaux comme Madagascar.
Mots clés : voandzou, Biodisponibilité du phosphore, effet rhizosphérique, système de culture à rotation,
Ferralsols, tanety, rhizotron, hydroaéroponique.