Gérer les eaux de drainage souterraines afin d’optimiser la productivité des cultures, l’utilisation des nutriments et la disponibilité de l’eau en climat actuel et futur

La plupart des terres agricoles productives au Québec et en Ontario bénéficient de systèmes de drainage souterrain. Historiquement, ces systèmes ont été implantés pour évacuer l’excès d’eau au printemps et favoriser l’ensemencement précoce et les rendements des cultures.

Alors qu’environ 80% des eaux évacuées des champs vers les ruisseaux transitent par les voies souterraines, il a été démontré qu’une part importante des nutriments exportés était associée aux systèmes de drainage. Les études portant sur les changements climatiques annoncent par ailleurs des déficits hydriques plus importants, une saison de croissance plus longue, et une fonte de la neige plus précoce en climat futur.

Ce projet a examiné les bénéfices potentiels associés au drainage contrôlé, où des chambres de contrôle sont installées à l’exutoire des collecteurs des systèmes de drainage afin de bloquer l’écoulement des drains lorsque la nappe atteint un seuil critique. Les bénéfices attendus incluent l’atténuation du stress hydrique pour les cultures et les gains de productivité associés, de même qu’une réduction des pertes d’azote et de phosphore par le réseau de drainage souterrain.

• Évaluer en climat actuel et futur la faisabilité et les avantages agronomiques et environnementaux du drainage contrôlé sous un angle quantitatif (répondre aux besoins en eau des cultures et des collectivités) et qualitatif (évaluer l’effet des pertes d’azote et de phosphore dans les eaux de surface) au Québec et en Ontario.

À l’échelle de champs et d’un micro bassin versant :

• Acquisition de données hydrométriques, de qualité de l’eau et de rendements des cultures ;

• Production d’un bilan hydrique complet à partir des observations hydrolométriques ;

• Estimation des effets du drainage contrôlé sur le bilan hydrique, les cheminements de l’eau, la croissance des cultures et les exportations de sédiments, de phosphore et d’azote vers les drains.

Pour deux bassins versants agricoles (Rivière David au Québec et Medway Creek en Ontario) :

• Calage et validation du modèle hydrologique SWAT-MAC (IRDA, McGill) sur la base d’observations hydrométriques ;

• Couplage des modèles hydrologiques avec des scénarios climatiques futurs et des scénarios de drainage contrôlé (absent vs présent) pour évaluer les effets sur le bilan hydrique, la distribution des écoulements et la qualité de l’eau.

Les suivis des hauteurs des nappes d’eau de deux champs au Québec, de même que leurs débits et leurs flux respectifs de sédiments, d’azote et de phosphore au drain ont démontré une efficacité marginale du drainage contrôlé à retenir de l’eau dans le profil de sol en raison de la baisse hâtive du niveau de la nappe au printemps.

La présence de cours d’eau profonds dans la région à l’étude expliquerait le rabattement hâtif de la nappe sous le niveau des drains. Les drains s’avèrent une importante voie de transfert de phosphore (0,78-0.87 kg P/ha-an), qui se manifeste principalement en période d’écoulement de pointe, à la fonte du couvert de neige. L’écoulement de surface déficient (champ témoin) a exacerbé ces pertes en favorisant l’écoulement préférentiel vers les drains. La qualité du drainage de surface s’impose ainsi comme une condition préalable aux scénarios de gestion du drainage souterrain.

En ce qui a trait aux effets du drainage contrôlé sur la qualité de l’eau, il est apparu que les bénéfices étaient spécifiques aux sites à l’étude.

Concernant la faisabilité du drainage contrôlé en climat futur, malgré le réchauffement hâtif au printemps, la retenue de l’eau par la fermeture des collecteurs demeure limitée en raison de l’augmentation anticipée des précipitations hivernale et printanière en climat futur, qui accroissent les risques de ruissellement de surface. Les modèles prédisent cependant que la faisabilité de limiter le rabattement de la nappe, sans accroître le ruissellement, est dépendante du type de sol (Figure).

Figure: Hauteurs mensuelles prédites de ruissellement de surface (mm) en climat actuel et futur, pour deux types de sols contrastés en production de maïs grain, avec drainage (gris) et sans drainage (orange) souterrain (bassin versant de la rivière David, Montérégie).

Bien qu’il soit possible d’utiliser le drainage contrôlé uniquement en saison estivale, alors que le risque de ruissellement de surface est faible, cette période n’est pas propice aux pertes de nutriments par les drains. Le drainage contrôlé n’aura ainsi qu’un effet marginal sur ces charges en été.  Une implication pratique de ces observations est qu’une rétention efficace de la nappe en saison de croissance passerait aussi par des ouvrages de retenue au niveau du cours d’eau.

L’étude a par ailleurs démontré qu’il est peu probable que le drainage contrôlé ait un effet tangible sur la qualité de l’eau en climat futur, s’il n’est pas utilisé plus tôt en saison qu’il ne l’est présentement. Le recours au drainage contrôlé hors de la saison de croissance est cependant problématique, dans la mesure où il peut accroître le ruissellement de surface et détériorer la qualité de l’eau. Ces observations s’appliquent à une fermeture manuelle des drains.

Dans une perspective de «gestion de l’eau de précision», où les drains seraient ouverts ou fermés suivant des hauteurs variables de contrôle de la nappe selon la saison, le drainage contrôlé pourrait offrir un plus grand potentiel d’atténuer le stress hydrique des cultures sans accroître le ruissellement de surface.

La contribution d’Ouranos dans ce projet est en nature.

• Upper Thames Conservation Authority

• Club Lavallière

• Club agroenvironnemental Pro-Conseil

• OMAFRA