Modeling the impact of decomposing mulch on pesticide dynamics in conservation agriculture - INRAE - Institut national de recherche pour l’agriculture, l’alimentation et l’environnement Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2013

Modeling the impact of decomposing mulch on pesticide dynamics in conservation agriculture

Résumé

Crop residues in the form of mulch on soil surface greatly modify fate of pesticides in conservation agriculture systems. Their chemical composition and weather patterns can further influence mulch impact on pesticide dynamics. However, modelling pesticide fate in mulch can be used for risk assessment in these farming systems being adopted at a fast rate because of their sustainability. The study was made with an objective to propose and test a model that can predict pesticide dissipation in mulch. Different experimentations followed during this PhD helped to estimate the parameters of pesticide degradation and sorption in order to test the proposed model. In addition, these experimentations also served to test different hypotheses regarding impact of mulch on pesticide behavior. Our results showed that residue composition is very important in determining the fate of pesticides in conservation agriculture. Decomposition resulted in an increase of hydrophobicity and aromaticity and decrease of polarity of the crop residues. These modifications greatly increased sorption of non-ionic molecules. Sorption of glyphosate, an ionic molecule, was less affected by these changes in composition of residues. Moreover, this study suggests that outdoor conditions are also important and should be considered when predicting pesticide sorption on crop residues. Changes in chemical composition of residues during decomposition also affected microbial activities. Degradation of glyphosate was influenced due to co-metabolic process and was faster in fresh residues compared to partially decomposed mulch residues. Rainfall regimes further influenced pesticide dissipation in mulch. Mulch soluble compounds and pesticides were leached more under infrequent rain regime with stronger rain events. Frequent rains with weak intensity could not result in greater pesticide leaching. This regime, however, affected degradation of mulch HEM, CEL and LIG compounds more than in infrequent regime. Similarly, dissipation of s-metolachlor was faster in this regime. However, two rain regimes did not affect glyphosate dissipation in mulch. Metabolites of both molecules were more mobile and leached deep into soil in infrequent regime. Adapted model, PASTISmulch, was coupled with pesticide module and was tested in order to simulate pesticide dynamics in mulch. Model was able to predict degradation, wash-off and NER formation of both herbicide molecules (glyphosate and S-metolachlor). Model simulations indicated that 43-49% of pesticide remained intercepted by mulch even after 84 days of rain evaporation cycles. Model sensitivity analysis indicated that saturation index of mulch humidity, a model parameter and timing of first rainfall after pesticide application are the most sensitive to model outputs. This study proposes that model should be further applied in a field study in order to evaluate the ecological impact of the mulch on pesticide fate in conservation agriculture systems
En agriculture de conservation, les résidus de récolte laissés en mulch à la surface du sol peuvent modifier fortement le devenir des pesticides. Leur composition chimique et les conditions climatiques sont des facteurs déterminants de l'impact du mulch sur la dynamique des pesticides. La modélisation du devenir des pesticides dans le mulch peut servir à l'évaluation des impacts environnementaux de ces systèmes de cultures qui en raison de leur durabilité proclamée sont actuellement adoptés à un rythme rapide dans plusieurs régions du monde. L’objectif de ce travail était de proposer et de tester un modèle capable de prédire la dissipation des pesticides dans des mulchs formés par des résidus de cultures en agriculture de conservation. Différentes expérimentations ont permis d'estimer les paramètres de dégradation et de rétention des pesticides afin de paramétrer la description de ces processus dans le modèle développé. En outre, ces expérimentations ont également permis de tester différentes hypothèses concernant l'impact du mulch sur le comportement des pesticides. Nos résultats ont montré que la composition des résidus joue un rôle déterminant dans le devenir des pesticides. La décomposition des résidus végétaux entraine une augmentation de l'hydrophobicité et l’aromaticité et une diminution concomitante du caractère polaire de la matière organique. Ces modifications augmentent considérablement la rétention de pesticides non-ioniques. La rétention du glyphosate, une molécule polaire et ionique, est moins affectée par ces changements dans la composition des résidus. En outre, cette étude suggère que les conditions extérieures sont également importantes et doivent être considérées lors de la prédiction du devenir des pesticides dans les mulchs et le sol qu’ils recouvrent. En particulier, la décomposition des mulchs affectent aussi les activités microbiennes impliquées dans la dégradation des pesticides. Nous avons constaté que la dégradation du glyphosate est plus rapide dans les résidus frais que dans les résidus décomposés; ce que nous avons attribué à des processus de co-métabolisme. Les régimes de pluie (intensité et fréquence) influencent le devenir des pesticides dans le mulch. Le lessivage des composés solubles des résidus végétaux et des pesticides et leurs métabolites polaires est accentué lors d’évènements pluvieux intenses mais espacés dans le temps par rapport à un régime de pluies régulières mais de faible intensité. Dans le cas de ce régime de pluies régulières, une humidité plus élevée est maintenue dans le mulch. Ceci entraine une plus forte décomposition des résidus végétaux, observée via la dégradation des fractions biochimiques HEM, CEL et LIG du mulch. De même, la dissipation de s-métolachlore a été plus rapide dans ces conditions plus humides. Cependant, ces deux régimes de pluie n'ont pas affecté la dissipation de glyphosate dans le mulch. Le modèle PASTISmulch (Findeling et al., 2007) a été couplé avec le module pesticide (Saffih-Hdadi et al., 2003) et a été testé afin de simuler la dynamique des pesticides dans le mulch. Le modèle était capable de prédire la dégradation, le lessivage et la formation des résidus non-extractibles de deux molécules des herbicides (glyphosate et S-métolachlore). Les simulations ont indiqué que 43-49% des pesticides sont interceptés par le mulch et y persistent même après 84 jours de cycles d'évaporation et de la pluie. L’analyse de sensibilité de modèle indique que les sorties du modèle telles que la quantité de pesticides lixiviées sont sensibles à la teneur en eau seuil du mulch qui contrôle la diffusion du pesticide vers l’eau de pluie traversant le sol. Le temps d’arrivée de la première pluie après l’application des pesticides est également un paramètre très important. Cette étude suggère que le modèle doit encore être appliqué dans une étude sur le terrain afin de tester sa capacité à évaluer l'impact des mulchs sur le devenir des pesticides utilisés dans des systèmes en agriculture de conservation.
Fichier non déposé

Dates et versions

tel-02807351 , version 1 (06-06-2020)

Identifiants

  • HAL Id : tel-02807351 , version 1
  • PRODINRA : 221087

Citer

Sohaib Aslam. Modeling the impact of decomposing mulch on pesticide dynamics in conservation agriculture. Life Sciences [q-bio]. AgroParisTech, 2013. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-02807351⟩
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