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Pôle régional de recherchesur les systémes irrigués
en Afrique soudano-sahélienne
Lutte contre la Dégradation des solsdans la vallée du fleuve Sénégal
Synthèse sur l'évolution desSols sous culture (Sénégal)
Claude HAMMECKER
Jean Luc MAEGHT
Institut de recherchepour le développement
Agnculture irnguée durabledans la vallée du Sénégal
B.P. 1386 Dakar SénégalFax:(22J)8324307Teléphone: 8 32 34 80
Mai 1999
Evolution des sols sous cultureDans la vallée du fleuve Sénégal
Plusieurs sites ont été étudiés dans la vallée du fleuve Sénégal, en particulier situés dans la région de Fodor,
(moyenne vallée aval) ainsi que dans le Delta. Dans la moyenne vallée les études se sont concentrées plus
particulièrement sur les sites de Donaye IT 1 (thèse F. Favre) ainsi que sur le site expérimental de Fanaye (ISRA
-ADRAü) (thèse R. Samba Diene, 1997). Dans le delta les études ont porté sur le site expérimental de
l'ADRAü à Ndiaye (R Samba Diene, 1997)
1. Site de Donaye, périmètre ITl
La parcelle étudiée est localisée dans un périmètre villageois non drainé, sur un sol vertique à texture argileuse
(à plus de 65% d'argiles), généralement exploitée en double riziculture. Ce site est caractérisé par la présence
d'une nappe dont le toit oscille entre 1 et 2.5 m. Cette nappe présente un faciès chimique chloruré sodique et
sulfaté, témoignant de la présence d'anciennes intrusions marines. Le niveau de la nappe est gouverné
essentiellement par les variations de hauteur d'eau dans le fleuve ainsi que par l'irrigation dans une moindre
mesure.
Un réseau de piézomètres ainsi que deux sites de mesure tensiométriques sont installés sur la parcelle (figure 1).
La quantification des flux hydriques est assurée par un suivi plus ou moins intense de ce dispositif de mesure
depuis 1994. Le suivi des solutions (eaux d'irrigation, lame d'eau superficielle, bougies poreuses) a été assuré de
manière continue pour l'hivernage 97 et la contre saison chaude 98. Les bougies poreuses ont été placées à 2040
et cm de profondeur. Pour la culture d'hivernage 97, en compléments des mesures normales, les transferts d'eau
ont été bloqués à différentes hauteurs (20 et 40 cm) par la mise en place de bâches plastiques, de manière à
déterminer l'influence des transferts sur l'évolution du chimisme de l'eau.
Les résultats sont présentés par leur évolution en fonction du temps lorsque le nombre de mesures est suffisant et
lou dans des triangles de Piper.
Pour la saison d'hivernage 97, il apparaît que la solution du sol se concentre dans les horizons supérieurs alors
que l'eau de surface reste à une concentration constante tout au long de la culture. Ce phénomène est d'autant
plus marqué lorsque les flux sont bloqués par les bâches en plastique. Ceci suggère la présence de sels dans ces
horizons se dissolvant progressivement au cours de la campagne, qui normalement migrent progressivement en
profondeur. Les ions qui semblent les plus abondamment concentrés dans les horizons superficiels sont les
carbonates + bicarbonates (alcalinité), le sodium, et le Magnésium. Pour le calcium cette tendance est moins
marquée si ce n'est que l'on observe une lente concentration en profondeur (60 cm). D'un autre côté les sulfates
2
présentent une concentration très basse en surface alors qu'ils sont largement dominant et augmentent en
profondeur. Par ailleurs il est intéressant de noter que le dans les horizons supérieurs la teneur en sulfate
augmente au cours du temps dans les bougies libres à 20 et 40 cm alors que dans les bougies bloquées par la
bâche plastique, les sulfates restent à des valeurs extrêmement faibles. Dans ce cas il semble que le profil soit
alimenté en sulfates par la base, en l'occurrence par la nappe. Pour les chlorures la tendance est à la baisse pour
les horizons supérieurs, alors que l'on observe une augmentation à 60 cm. Cette observation suggère la présence
de minéraux ou de solutions chlorurées accumulées dans les horizons supérieurs pendant l'inter-culture, qui se
dissolvent ou se dilue pendant la saison culturale, pour migrer en profondeur. On est donc en présence d'une part
d'un flux descendant pour les chlorures et la plupart des cations alors que l'on observe un flux ascendant pour les
sulfates ce qui suggère un phénomène de diffusion moléculaire prépondérant sur le processus de transport de
masse. Cette hypothèse étant étayée par le fait que les transferts d'eau sont extrêmement faibles (de l'ordre de
0.1 mm/j) lorsque la lame d'eau est bien établie (Hammecker et al,1998, 1999).
Cependant l'évolution des chlorures dans la partie supérieure du profil pose problème car la diminution de la
concentration au cours du temps affecte également les bougies pour lesquelles les transferts sont bloqués.
Plusieurs hypothèses sont actuellement envisagées sans qu'aucune ne soit démontrée (Favre et al. 1999).
Composition de la nappe à Donaye
Cl
0.71
S04
4.3
ale.
0.67
Ca
meq/I
Mg
0.89
Na
4.1
K
0.09
Complexe d'échange à Donaye
Ca
12.27
Mg
8.39
Na
meq/lOOg
0.47
K
0.57
CEC
21.7
3
Evolution géochimique.
Il apparaît clairement que sur ce site deux faciès géochimiques bien distinct sont présents: Carbonaté calcique et
magnésien dans les niveaux supérieurs (qui correspond à j'eau de surface plus concentrée) et sulfaté - chloruré
sodique en profondeur (Favre et Boivin, 1998).
Sur l'ensemble du profil l'alcalinité résiduelle calcite est positive et augmente au cours de la culture. Ce
phénomène est d'autant plus marqué lorsque les transferts sont bloqués. L'alcalinité résiduelle calcite + silicate
magnésien (ou carbonate de magnésium) est également très largement positive sauf pour le niveau à 60 cm lors
de la culture de contre saison 98. Il faut préciser que lors des campagnes de contre saison la nappe est
généralement moins haute que lors de la campagne d'hivernage pendant laquelle elle répond directement à la
remontée de niveau d'eau dans le fleuve. Pendant cette période le profil en général moins marqué par le faciès
« marin» que pendant la contre saison.
Il existe donc un stock d'alcalinité dans les horizons supérieurs, dont l'origine est indéniablement due aux
différents cycles d'irrigation qu'a subit le sol. Ce stock est essentiellement exprimé par la présence de calcite (cf.
diagramme Q/K calcite) dans ces horizons. Cependant malgré la présence de solutions de sol potentiellement
alcalinisantes le pH ne varie pas de manière sensible et les solutions restent dans un domaine où le risque
d'alcalinisation est faible (diagramme Riverside). Il semble en particulier que l'activité racinaire contribue en
partie à tamponner le pH à des valeurs autour 7.5 - 8 dans la rhizospère. Après chaque saison de culture le faciès
marin imposé par les niveaux inférieurs semble redevenir prédominant par remontées capillaires, sans toute fois
arriver à saturation par rapport au gypse, le calcium étant fortement contrôlé par la précipitation de calcite.
L'évolution vers un pôle alcalin se trouve ainsi atténuée tant que le stock de sels laissé en place par lors des
anciennes transgressions marines est suffisant. Par ailleurs, le complexe d'èchange représente un tampon
extrêmement important permettant de fournir d'importantes quantités de calcium et de magnésium à la solution.
Comme le montrent les résultats pour les saisons d'hivernage où la nappe alimentée par le fleuve atteint des
côtes élevées, permettant d'évacuer les sels d'origine marine très solubles. En outre les cartes de répartition de la
salinité établies au conductivimètre électromagnétique (EM38) à différentes périodes, montre qu'il y a
indéniablement une diminution de la charge saline à l'échelle de la parcelle. Celle-ci, principalement due à la
présence des sels d'origine marine, est donc amenée à se résorber à plus ou moins longue échéance et donc de
laisser l'avantage au faciès alcalin imposé par l'eau d'irrigation.
La menace d'alcalinisation risque donc de s'exprimer à long terme lorsque comme dans l'office du Niger la
nappe aura acquis un faciès alcalin marqué.
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2. Site de Ndiaye
Il s'agit du site expérimental de l'ADRAü à Ndiaye, situé dans le delta de fleuve Sénégal Le sol est
essentiellement argileux sur les 60 premiers centimètres pour prendre une texture sablo-argileuse puis argilo
sableuse vers 110 cm. Dans ce profil de sol, la trace de la mangrove est encore très nette et elle se manifeste par
la présence cristaux de gypse, d'iron-pipe et de jarosite. Ce site est également caractérisé par la présence d'une
nappe salée proche de la surface (typique du Delta). L'eau d'irrigation prélevée dans le Lampsar est alcaline et
légèrement chlorurée alors que l'eau de nappe présente un faciès marin sulfaté chloruré sodique et magnésien.
Lors de l'irrigation on observe un gradient ascendant des chlorures, sulfates, du sodium, magnésium et calcium
depuis la nappe et les horizons intermédiaires vers la surface, suggérant une remontée depuis la nappe, puis on
observe une descente de ces ions lors de périodes d'inter-culture. Pour l'alcalinité élément essentiel dans les
apports par irrigation la tendance est moins nette. Il semble donc que la composition de l'irrigation n'a aucun
effet chimique sur l'évolution du sol dans ce site. L'irrigation n'a qu'un effet physique conduisant à la remontée
de la nappe, qui elle impose son faciès chimique en surface.
Les diagrammes d'équilibre montrent que la solution du sol est à l'équilibre avec la calcite dans les horizons
supérieurs alors que les horizons plus bas sont proches de la saturation par rapport au gypse (l'écart à la
saturation étant du à l'utilisation de l'équation de Debye Huckel pour le calcul des coefficients d'activité ionique,
probablement inappropriée alors que la force ionique des solutions est de l'ordre 0.4 ). La représentation des
solutions de ce site dans le diagramme de Riverside indique une évolution typique en voie saline neutre, bien que
certains points dans le profil (essentiellement à 30 cm) indique également un risque sodique probablement lié à
une dilution de la solution saline lors de l'irrigation. Cependant le risque principal est un risque de salinisation
par accumulation de sels dans la rhizosphère. Il faut toutefois signaler que les travaux menés par l 'ADRAü
montrent qu'en général sur les parcelles en riziculture la salinité globale diminue.
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3. Le site de Fanaye
Le second site expérimental de l'ADRAO-ISRA est situé à Fanaye dans la moyenne vallée, et les parcelles sont
irriguées à partir de l'eau du Ngallenka.. Le sol y est argileux (48 % d'argiles en surface et 55 % en
profondeur) et se caractérise par un micro-relief en gilgaï en surface. On observe également une grande
homogénéité sur près de 2 m le long desquels on ne distingue aucune transition nette. Les premiers centimètres
de sol présentent une structure polyédrique, devenant massive et compacte vers le bas. Les conditions
hydrodynamiques sont particulières dans la mesure où l'aquifère est profond (il n'a pas été atteint lors des
sondages à la tarière à 6 m).
L'eau du Ngallenka présente un faciès carbonaté calci-magnésien très marqué. L'alcalinité résiduelle calcite est
toujours positive et l'alcalinité calcite + silicate (ou carbonate) magnésien est souvent positive également.
Comme pour le site de Donaye il existe donc un risque d'alcalinisation potentiel.
Lors de l'irrigation l'alcalinité, le calcium, le magnésium, les sulfates et le pH s'élèvent dans les horizons
supérieurs, alors que les chlorures ont tendance à migrer vers le bas pour reprendre des valeurs élevées pendant
l'inter-culture. L'alcalinité résiduelle calcite montre un gradient ascendant, mais c'est à 20 cm que l'alcalinité
résiduelle calcite + silicate magnésien est la plus forte. Bien que les solutions des 30 premiers centimètres de sol
soient systématiquement à saturation par rapport à la calcite et la magnésite, les valeurs de pH n'excèdent jamais
8.5. Par ailleurs les compositions des solutions du sol placées dans le diagramme de Riverside sont situées dans
un domaine où théoriquement le risque sodique et faible. En effet, la capacité d'échange semble également jouer
le rôle d'un tampon chimique important fournissant du calcium et du magnésium en grande quantité à la
solution. En outre, l'absence de nappe permet une infiltration plus profonde de l'eau d'irrigation, limitant de ce
fait sa concentration en surface et en même temps le risque d'alcalinisation.
En conclusion, bien que l'eau d'irrigation possède des propriétés alcalinisantes fortes, ce phénomène est limité
d'une part par les propriétés physico-chimiques de ces sols qui développent une surface réactive extrêmement
importante et d'autre part par les conditions hydrodynamiques permettant un écoulement libre des solutions vers
la profondeur, sans remontées capillaires notables pendant les périodes d'inter-culture.
Complexe d'échange sur le sol de Fanaye.
Ca
12.3
Mg
8.22
Na
meq/IOOg
1.94
K
0.3
CEC
21.53
17
4. Conclusions
Les trois sites étudiés présentent des conditions hydrodynamiques et chimiques bien distinctes. Dans le delta le
site Ndiaye est caractérisé par la présence d'une nappe, d'une part très proche de la surface et d'autre part dont le
faciès chimique est extrêmement marqué par les dépôts marins. La contribution alcaline de l'eau d'irrigation est
sans aucun effet sur l'évolution chimique du profil à court ou moyen terme. L'irrigation a un simple rôle
mécanique permettant faire remonter le niveau de la nappe. Sur le site de Fanaye dans la moyenne vallée,
malgré l'usage d'une eau d'irrigation très alcaline, l'absence de nappe permettant aux solutions de filtrer vers le
bas et la forte capacité d'échange de ces sols, principalement saturée en calcium et magnésium, permet d'écarter
à court terme le risque d'alcalinisation. Cependant si les conditions d'évolution géochimiques de ces sols risque
de changer si toute fois au fil des années d'irrigation une nappe superficielle venait à s'installer.
En fin sur le site de Donaye, on observe qu'à la faveur des cycles d'irrigation qu'a subi le sol, un stock
d'alcalinité s'est constitué en surface. Cependant les rôles couplés de la nappe permettant de remonter des
solutions au faciès salin neutre vers la surface et de la forte capacité d'échange de ces sols, jouent un rôle de
tampon chimique dans le processus d'alcalinisation. Il faut néanmoins préciser que la réserve saline neutre tend à
être évacuée (probablement vers le fleuve lors des grandes crues d'hivernage) et que de ce fait la menace d'une
évolution vers un processus d'alcalinisation serait à envisager sérieusement.
18
10.0000
IRD • AD RAO
1.0000
2-+--ir ation
CT ------- urface.,g 10cm
Ü___ 20 cm_____ 30 cm
0.1000
23108/9615/0519605/02/9628110/9520107/9511/0419501/01/9523109/94
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15/06/94
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IRD -ADRAO
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15/06/94
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15/06/94 23109/94 01101/95 11/04/95 20107/95 28110195 05102/96 15/05/96 23108/96
19
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1 IRD-ADRAü
4.5
4
3.5
3
:20<Il
5 2.5<Ilo
15
0.5
o15106/94
10
23/09/94
IRD -ADRAü
01101195 11/04/95 20107195 28110/95 05102196 15105/96 23/08/96
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10cm~20cm
1__ 30cm
~<Il
5<IlZ
0.1
••
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10cm
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--tl-30cm
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15/06/94
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23/09/94 01/01/95 11/04/95 20107/95 28110195 05102196 15105196 23/08/96
IRD -ADRAü
0.1
15106/94 23/09/94 01/01/95 11/04/95 20107195 28110/95 05/02/96 15105/96 23/08/96
20
23/0819615/051960510219628110/952010719511/04/9501/0119523109/94
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10
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"~
0
151 194 23/0 196
-1
1-2
10
1IRD -ADRAO
23/0819615/0519605102/9628110/9520/0719511/0419501101/9523/09/94
5
9
4
15/06/94
8
-+-lrngabm~surface
I 7 10cma.--'-20cm-lI-30cm
6
21
16
IRD -ADRAO
14
12
IQ.N+ro 10oOî..Q
B -
6
4
-4
1.00E+D1
1.00E+OO .
1.00E-01
1.00E-02
.irrigalÎon
• surface
10 cm
lC20cm
K30cm
-35 -3
• •• • • ••• •
-2.5 -2 -1.5
log (pC02) + Iog(H20)
• irrigation
• surface
10cm)(20cm
:1130 cm
-1
GYPSE
•
-05
IRD -ADRAü
o
100E-03
1.00E-04
1.00E-05
li lKlI( ~)( li: .. j(
~ )(YxI .-)C.!....... "••
1.00E-06 .,...---_---_---_---_---_----
1.00E-06 1.00E·05 1.00E-04 100E-03 1.00E-02 1mE-Ol 1.00E +00
[504]
16
IRD -ADRAO
14
12 •• • •• • • ••I •Q. •N • •+ •- 10~ • • •Oî..Q
B
.~rigalon
• surface
6 10cm •)(20 cm
·:.lem
4
-4 -3.5 -3 -25 -2 -1.5 -1 -0.5 0
log (pC02) + log (H20)22
Mg
xxx»(
x~
x
x
•
••
Ca S04 Na
• irrigation• surface
la cm)(20 cmX:lJcm
x
la
conductivité électrique (dS/m)
100
• t , 1
Diagramme de RiversideFanaye
CI
.Irrigalion
• su~aœ
10em)(20cm
1130cm
IRD -ADRAO
IRD -ADRAO
C5-S2C4-S1
Alc
RISQlE SALIN
faible moyen élevé !rés élavé30
~~ Cl-S4'"~
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20
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23
Références bibliographiques:
FAVRE F. et P. BorVIN - Evolution physico-chimique des sols irrigués en moyenne vallée du fleuve Sénégal.Compte rendu de la réunion de comité de pilotage de F. Favre Uanvier, 1998)
FAVRE F., P. BOIVIN, D. TESSIER ET C. HAMMECKER (1999) - Ion transfers , iron reduction and mineralogicalimplications in fields: new results for soil and water quality management. Conférence Internationale surl'Irrigation, Lausane
HAMMECKER C. et J.L. MAEGHT (1998) - Rapport d'activité PSI 1998
C. HAMMECKER, A. C. D. ANTONINO, J.L. MAEGHT, P. BOIVIN (1999) - Experimental study and numericalmodelling of the water transfers in an irrigated plot in Northern Senegal : evidences of air entrapment. Enpréparation pour Soil Science
SAMBA DIENE R. (1998) - Riziculture et dégradation des sols en vallée du fleuve Sénégal: analyse comparée desfonctionnements hydrosalins des sols du delta et de la moyenne vallée en simple et double riziculture.
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Références bibliographiques:
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