Soutenance mémoire
Gain en azote minéral au sein du système Sol-Plante
La triple liaison covalente entre les deux atomes d’azote rend la molécule de diazote N2 extrêmement stable et indisponible pour la plupart des organismes vivants. En conséquence, seuls certains organismes procaryotes sont capables d’utiliser l’atmosphère comme source d’azote [17]. Ces bactéries réduisent le diazote N2 en ammoniac NH3, assimilable par la suite sous forme d’ammonium NH4 + . Il s’agit de la fixation biologique de l’azote, principal phénomène naturel permettant l’entrée d’azote au sein du système sol-plante. Cette transformation repose sur l’action d’un complexe enzymatique appelé nitrogénase selon la réaction de réduction suivante.
Pertes d’azote vers l’extérieur du système Sol-Plante
La volatilisation ammonicale est une première cause de perte d’azote. En solution aqueuse, ammonium NH4 + et ammoniaque NH3 forment un couple acide-base NH4 + /NH3 caractérisé par une constante de dissociation acide pKa=9,25. Cela signifie qu’à pH=9,25, les deux formes sont présentes en proportions égales et l’on peut considérer qu’à pH<6,5, seule la forme NH4 + subsiste. Par conséquent, dans des sols à pH élevé et en condition de sécheresse, l’ammonium peut être transformé en ammoniac puis volatilisé.
D’autre part, l’azote minéral peut être perdu par le phénomène de lixiviation, plus couramment appelé lessivage. Les ions nitrates de même que la plupart des particules de sols argilo-limoneux sont des espèces chargées négativement. Pour cette raison, les NO 3 -ne sont pas retenus par le sol mais se solubilisent très facilement dans l’eau. Ainsi, contrairement aux ions NH4 + , les ions NO3 -sont naturellement drainés en profondeur vers les nappes phréatiques. Les sols à granulométrie plus fines sont généralement moins sujets au lessivage car le drainage de l’eau y est plus lent et la dénitrification plus probable [16]. La présence dans le sol de macropores, crées par exemple par une sécheresse ou le passage de lombrics ou racines, peut aussi avoir un important impact sur le lessivage. En effet, après fertilisation, cette porosité constitue un moyen privilégié pour l’eau de pluie ou d’irrigation chargée en nitrate de contourner rapidement les pores les plus fines [32]. Les conditions climatiques et saisonières sont un autre facteur déterminant du lessivage des nitrates. Le phénomène est davantage marqué durant l’automne et l’hiver des régions tempérées, quand il y a moins d’évapotranspiration et des précipitations plus importantes. Enfin, c’est bien évidemment la quantité d’azote apportée par l’Homme à la parcelle qui détermine le plus les pertes par lessivages. Si la dose dépasse les besoins des plantes, le surplus non-absorbé s’accumulera dans le sol et sera drainé par l’eau des précipitations ou de l’irrigation.
Fertilisation azotée dans l’Agriculture moderne
Chiffres et pratiques communes
Plusieurs estimations révèlent qu’en 2000, plus de 40% de la population mondiale dépendait des engrais azotés issus du procédé Haber-Bosch (cf. partie 1bi) pour produire sa nourriture [34] [35]. Une autre étude affirme que, malgré l’évolution des méthodes de culture, l’augmentation de la mécanisation, la sélection végétale et les modifications génétiques des plantes, les engrais azotés de synthèse seraient responsables de 30 à 50% de l’augmentation spectaculaire des rendements constatée ces dernières décennies (Figure 7) [36]. Aujourd’hui, la consommation mondiale actuelle des fertilisants azotés s’élève à environ 100 Mt/an [4].
Efficacité de la fertilisation azotée
Le premier objectif visé par l’introduction des fertilisants de synthèse en agriculture était d’augmenter le rendement surfacique des récoltes. Comme l’épandage d’engrais azotée représente généralement le coût d’intrants le plus élevé, ces engrais sont parfois employés avec le facteur financier comme seul critère d’optimisation des quantités épandues [41]. Il se pose donc la question de la réelle efficacité d’une telle pratique de fertilisation azotée.
Plusieurs études soulignent que seulement 30 à 50% de l’azote apporté est effectivement utilisé par la culture [42][43][44]. Autrement dit, plus de 50% de la fertilisation azotée est perdue par lessivage, dénitrification, volatilisation ou consommée par les micro-organismes. En 2005, environ 100 Tg d’azote issu du procédé Haber-Bosch a été utilisé en agriculture au niveau mondial alors que seulement 17 Tg d’azote a été consommé par l’Homme sous forme de produits laitiers, viandes ou produits issus des récoltes. On ne peut que const ater le manque d’efficacité d’utilisation de l’azote, même en tenant compte des produits non-alimentaires (transport, cuir, laine…) [34].
L’évaluation de l’efficacité de l’azote peut se faire au moyen de l’indicateur « Efficacité d’Utilisation de l’Azote », plus connu en anglais sous le nom Nitrogen Use Efficiency (NUE). Sa définition la plus simple correspond à la biomasse totale de la production (rendement en grain) rapportée à la quantité d’azote disponible dans le sol, en incluant la dose d’engrais apportée [41]. Le NUE varie de manière complexe en fonction de la disponibilité de l’azote dans le sol et de la façon dont les plantes l’assimilent et le remobilisent au cours de leur vie [8]. Les principales sources de variations du NUE peuvent être regroupées dans trois catégories : le génotype de l’espèce, les facteurs environnementaux et la gestion des cultures.
Premièrement, il est évident que chaque espèce et variété de plantes disposent de ses propres caractéristiques morphologiques et fonctionnelles (racines, feuilles, etc…) qui influencent directement sa capacité à absorber l’azote du sol et son efficacité à exploiter cet azote pour se développer [45]. En second lieu, les facteurs environnementaux tels que la température, les précipitations ou la texture du sol affectent le NUE car ces paramètres influencent la croissance des plantes et la disponibilité de l’azote du sol via les processus de minéralisation ou de lessivage. Par exemple, les sols sablonneux sont marqués par des vitesses de percolation plus importantes facilitant le phénomène de lessivage au contraire de sols argileux disposant d’une meilleure capacité de rétention de l’eau. Les conditions climatiques et géographiques (bassin versant) ont également un impact crucial sur l’intensité du lessivage de l’azote [46]. Un autre facteur environnemental décisif pour l’assimilation des nutriments par les plantes est la disponibilité des micro- et macroéléments dans le sol et en particulier les rapports massiques entre ces éléments. Ainsi, même à un niveau raisonné de fertilisation azotée et avec une teneur en azote suffisante dans le sol, une carence en phosphore ou potassium limite l’assimilation de l’azote par les plantes et pourra entraîner des pertes en azote [47].
Enfin, l’amélioration du NUE est étroitement liée à la gestion de la culture qui doit adapter la fertilisation aux besoins réels des plantes, localement et au cours du temps. La dose d’engrais et la méthode d’apport ont bien sûr un rôle primordial mais d’autres facteurs moins évidents comme l’arrangement spatial et la densité des cultures interviennent également [48].
Le moment de l’apport doit être choisi judicieusement en fonction du stade de croissance de la plante et des prévisions météorologiques pour minimiser les pertes par lessivage. La forme d’azote apportée joue un rôle important dans la régulation des pertes d’azote et influence donc le NUE. L’ammonium et l’urée sont moins susceptibles de lessiver que les nitrates mais sont sujets aux pertes par volatilisation. Les engrais à libération contrôlée offrent une bonne option pour réduire les pertes d’azote car ils facilitent la synchronisation de la disponibilité de l’azote avec la demande des plantes [49].
Conséquences environnementales et sur la santé de la fertilisation
Les pratiques agricoles modernes, et notamment la fertilisation, ont engendré un dérèglement du cycle de l’azote au niveau mondial. Le cycle de l’azote au sein des écosystèmes préindustriels demeurait remarquablement fermé, malgré la grande mobilité de l’azote dans l’atmosphère et l’hydrosphère. Autrefois, le bétail nourri par les cultures locales fournissait le lisier qui était le principal agent assurant le transfert de l’azote vers les terres cultivées.
Aujourd’hui, l’emploi des engrais de synthèse et les moyens de transports à bas coût autorisent un découplage géographique entre zones de cultures céréalières et zones d’élevage. Certains territoires sont devenus spécialisés dans l’agriculture intensive basée sur la fertilisation de synthèse alors que les territoires d’élevage sont maintenant dépendants des importations de nourriture. L’urbanisation de la moitié de la population mondiale engendre également une augmentation des échanges commerciaux de biens agricoles. Les restes issus de l’alimentation humaine et animale, loin des lieux d’agriculture, ne peuvent plus être recyclés facilement dans le secteur agricole. Les flux d’azotes atmosphériques et hydrologiques ne se compensent plus et sont causes de pollution des systèmes hydrologiques [50] [51].
Les conséquences environnementales d’une fertilisation azotée excessive sont nombreuses. Tout d’abord, le lessivage des nitrates du sol engendre une pollution des nappes phréatiques et mettent ainsi en danger la santé humaine. La consommation d’une eau polluée par les nitrates est jugée particulièrement nocive pour les enfants de moins d’un an. En effet, les nitrates peuvent interférer dans le transport de l’oxygène dans le sang et engendrer la méthémoglobinémie ou « syndrome du bébé bleu ». Cette maladie, pouvant être mortelle, se caractérise par des troubles respiratoires pouvant être associés à des vomissements et diarrhées voire à des pertes de conscience et des crises convulsives dans les cas extrêmes [52]. Toutefois, si plusieurs cas de méthémoglobinémie causée par les nitrates de l’eau ont été reportés dans les années 1940 et 1950, ils sont plus rares aujourd’hui [16].
L’eutrophisation des eaux douces et marines est la principale conséquence environnementale de l’agriculture. Elle est causée par les écoulements de surface, l’érosion et l’infiltration de l’eau chargée en nitrates des champs agricoles vers les points d’eau. Au sein de l’union européenne, il a été estimé que l’agriculture est responsable de 40 à 80% des entrées d’azote dans les eaux de surface [53]. La présence dans ces eaux d’une quantité anormalement importante de nutriments d’origine agricole entraîne une forte prolifération de certains types de plantes et d’algues. Cette prolifération engendre un bouleversement de l’écosystème au bénéfice des algues et plantes à croissance rapide et au détriment des espèces végétales à croissance lente. Globalement, les eaux eutrophiques sont donc marquées par une diminution de la biodiversité [54].
Aux problèmes d’eutrophisation s’ajoutent la volatilisation ammoniacale et l’émission des oxydes d’azote par dénitrifrification (cf. partie 1bii) qui contribuent respectivement aux problèmes de pluies acides et au réchauffement climatique de la planète [12].
Réglementation de la fertilisation azotée
Afin de se prémunir des conséquences de l’agriculture sur la santé et l’environnement, une réglementation a été mise en place au niveau européen et transposée en droit français. Il s’agit de la directive n°91/676/CEE dite « nitrates » adoptée en décembre 1991. Son principal objectif est de réduire la pollution des réserves d’eau de surface et de sous-sol par le lessivage des nitrates issu des activités agricoles.
Pour atteindre cet objectif, la directive exige des Etats membres qu’ils désignent l’ensemble des territoires affectés par la pollution ou qui pourraient l’être si aucune action n’est prise pour l’éviter. Ces territoires, les « zones vulnérables aux nitrates » (ZVN), sont soumis à un programme d’actions obligatoires propres à la gestion des fertilisants. Par exemple, l’épandage d’azote provenant des effluents d’élevage dans les ZVN est limité à 170 kg/ha. La réglementation fixe également des périodes d’interdiction d’épandage de fertilisant azoté en ZVN. Elle demande aux agriculteurs de tenir à jour et conserver pendant 5 ans des documents d’enregistrements des pratiques de fertilisation réalisées sur leurs parcelles [55] [56]. Dans certaines régions, des mesures spécifiques par arrêtés préfectoraux imposent aux agriculteurs de réaliser chaque année une analyse de sol pour la détermination du reliquat azoté [57].
Cette politique semble porter ses fruits puisque la superficie dans laquelle la charge critique pour l’eutrophisation était dépassée concernait 84% des écosystèmes en 1990 contre 63% en 2010 (Figure 12)[58]. Les estimations pour l’année 2020 montrent toutefois que le nord-ouest de la France resterait touché par l’eutrophisation.
Mesure de fluorescence de la chlorophylle
Une autre approche de mesure de la teneur en chlorophylle des feuilles est basée sur la mesure de fluorescence. L’énergie lumineuse absorbée par la chlorophylle peut subir trois mécanismes : elle peut être utilisée comme moteur de la photosynthèse (photochimie), elle peut être dissipée sous forme de chaleur, ou être réémise à une plus grande longueur d’onde (fluorescence) (Figure 17). La fluorescence de la chlorophylle, dans l’infrarouge proche (NIR) ne représente que 1 à 2% de ces mécanismes mais elle est facilement mesurable [91].
La société FORCE-A (France) a mis au point un appareil, le Dualex, qui mesure la fluorescence chlorophyllienne pour déterminer la teneur en chlorophylle des feuilles, ainsi qu’en flavonols et anthocytanes de l’épiderme foliaire. Flavonols et anthocytanes sont deux types de polyphénols, des composés carbonés stockés au niveau des vacuoles des feuilles. Ils sont produits lorsque la plante souffre d’une carence en azote et peuvent donc servir d’indicateur du statut azoté de la plante [92]. Le Dualex dispose de deux longueurs d’onde d’émission spécifiques de l’absorption par les flavonols et les anthocyanes à respectivement 375nm (UV-A) et dans le vert. L’appareil émet également une troisième longueur d’onde, à 650nm (rouge), qui est uniquement absorbée par la chlorophylle. Il est muni d’un détecteur permettant la mesure de fluorescence chlorophyllienne dans l’infrarouge. Une excitation à une longueur d’onde spécifique d’un type de polyphénols sera d’autant plus absorbée que ce polyphénol est présent en concentration importante dans l’épiderme (Figure 18a). Les rayons non-absorbés par les polyphénols vont générer la fluorescence chlorophylienne au niveau du mésophylle. Une seconde excitation dans le rouge ne sera pas absorbée par les polyphénols et génèrera plus de fluorescence chlorophyllienne. Finalement, en comparant les deux niveaux de fluorescence mesurés par le détecteur, il est possible de remonter à la teneur en polyphénols. Contrairement aux capteurs de chlorophylle fonctionnants par mesure de transmittance, la réponse du capteurà la teneur en chlorophylle des feuilles est linéaire (Figure 18b).
Approches d’intégration système et positionnement du projet
Les technologies optiques de mesure de réflectance embarquée sont les plus matures mais elles reposent sur une mesure du couvert végétal et ne permettent par conséquent pas d’évaluer les reliquats azotés. Il est pourtant nécessaire de les prendre en compte lors de l’élaboration du bilan prévisionnel de l’azote. Parmi les autres systèmes d’analyse embarqués, les systèmes FIA tels que celui développé par Birrell et al. [120] présentent également le gros avantage de pouvoir sonder de manière automatique la totalité de l’azote du sol et pas seulement les espèces dissoutes dans la solution du sol, grâce à l’utilisation de solutions d’extraction. De plus, ce type de système pourra évoluer aisément vers l’analyse d’un plus grand nombre d’espèces ioniques à mesure que de nouveaux capteurs potentiométriques deviendront matures. Néanmoins, le manque de fiabilité mécanique de ce genre de systèmes est encore problématique.
Parmi tous les systèmes d’analyse automatique présentés dans ce chapitre, on peut distinguer essentiellement deux approches pour la mesure de l’azote sur site :
Mesure par un capteur en déplacement
Mesure par un réseau de capteurs autonomes communicants fixes
L’approche retenue lors de la conception d’un système aura un impact sur la résolution temporelle et spatiale de la grandeur mesurée ainsi que l’autonomie de la mesure du point de vue de l’utilisateur. Dans le cas des capteurs en déplacement, les résolutions temporelles et spatiales dépendent fortement du type de vecteur : piétons, tracteurs, drones, satellites (Figure 32). Ceci s’explique évidemment par le fait qu’il n’est pas réaliste pour un agriculteur de se déplacer à pieds quotidiennement en de multiples points de la parcelle pour effectuer une mesure alors qu’un satellite survolera automatiquement la parcelle au bout de quelques jours. Al’inverse, l’exemple de l’imagerie satellite permet de constater que les capteurs embarqués jouissant d’une bonne résolution temporelle souffrent souvent d’une moins bonne résolution spatiale.
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre 1 : Positionnement du projet INNOPERF-Blé et état de l’art des méthodologies d’analyse ionique du sol
Introduction : le blé, céréale essentielle à la nutrition de l’homme
1. L’azote au sein du système Sol-Plante
a. Métabolisme azoté de la plante : rôle et devenir de l’azote
b. Cycle de l’azote dans les sols cultivés
i. Gain en azote minéral au sein du système Sol-Plante
ii. Pertes d’azote vers l’extérieur du système Sol-Plante
2. Fertilisation azotée dans l’Agriculture moderne
a. Chiffres et pratiques communes
b. Efficacité de la fertilisation azotée
c. Conséquences environnementales et sur la santé de la fertilisation
d. Réglementation de la fertilisation azotée
3. Méthodologies d’analyse pour le suivi du cycle de l’azote au sein du système Sol-Plante
a. Méthodes conventionnelles en laboratoire
i. L’échantillonnage du sol
ii. Extraction de l’azote minéral
iii. Dosage de l’azote minéral par les techniques analytiques conventionnelles
iv. Avantages/inconvénients de l’échantillonnage du sol
b. Méthodologie d’analyse sur site : agriculture de précision, vers une agriculture raisonnée ?
i. Définition et objectifs de l’agriculture de précision
ii. Techniques d’analyse sur site du statut azoté de la plante
iii. Techniques d’analyse sur site de l’azote du sol
c. Systèmes de détection des nutriments du sol sur site basés sur des capteurs électrochimiques à membrane ionosensible
d. Approches d’intégration système et positionnement du projet
Bibliographie
Chapitre 2 : Théorie des capteurs électrochimiques potentiométriques
1. Modèles théoriques de la réponse d’une membrane ionosensible
2. Modes de transduction Ion-Electron
a. L’Ion-Selective Electrode (ISE) conventionnelle
b. L’ISE à contact solide
i. Utilisation d’un polymère conducteur comme contact solide
ii. Augmentation de la capacité de double couche
c. Ion Sensitive Field Effect Transistor (ISFET)
3. Propriétés de détection
a. Sensibilité et limite de détection (LOD)
b. Sélectivité
i. Fixed Interference Method (FIM)
ii. Separate Solution Method (SSM)
iii. Separate Solution Method (SSM) II
4. Les constituants d’une membrane polymérique ionosensible
a. Matrice et plastifiants
b. Ionophore
i. Ionophores de l’ion ammonium NH4 +
ii. Ionophores de l’ion nitrate NO3
c. Additifs ioniques
Conclusion
Bibliographie
Chapitre 3 : Fabrication et caractérisation in vitro des microcapteurs électrochimiques
1. Fabrication des capteurs potentiométriques pour le projet INNOPERF-Blé
a. Présentation des dispositifs développés
i. Puce multi-capteur en technologie silicium
ii. Electrode planaire miniature
b. Principales étapes du procédé de micro-fabrication du dispositif multi-capteur en salleblanche
c. Assemblage du système multi-capteur
d. Procédé d’intégration des couches ionosensibles en fluoropolysiloxane (FPSX)
2. Caractérisations in vitro des MOSFET et pH-ISFET
a. Caractérisations électriques
i. Introduction et présentation des méthodes de caractérisation électrique
ii. Résultats
b. Propriétés de détection des pH-ISFET à grille alumine et nitrure de silicium en phase liquide
i. Sensibilité au pH
ii. Sélectivité des pH-ISFET aux ions alcalins
iii. Durée de vie des pH-ISFET en phase liquide
3. Développement et caractérisation in vitro des pNH4-ISFET et pNO3-ISFET
a. Définition des besoins de détection
b. Développement et caractérisation in vitro des pNH4-ISFET
i. Formulation et protocole de préparation des membranes ionosensibles
ii. Evaluation in vitro des propriétés de détection
c. Développement et caractérisation in vitro des pNO3-ISFET
i. Formulation des membranes ionosensibles
ii. Evaluation in vitro des propriétés de détection
4. Développement et intégration d’une électrode de référence miniature « tout solide »
a. Introduction
b. Fabrication de l’électrode Pt/Ag/AgCl/PDMS-KCl
i. Dépôt du film d’argent sur l’électrode de platine
ii. Formation d’une couche de chlorure d’argent en surface du film d’argent
iii. Dépôt d’une membrane polymérique dopée en KCl
c. Caractérisations in vitro des électrodes de référence miniatures
Conclusion
Bibliographie
Chapitre 4 : Application à l’analyse du sol
Introduction
1. Détermination du pH du sol par les pH-ISFET en conditions in situ
a. Influence de l’humidité et la texture du sol sur la réponse du pH-ISFET
b. Détermination du pH de sols argilo-limoneux en fonction de l’humidité du sol
c. Remarques sur les mesures dans les suspensions et extraits de sol
d. Etude de la durée de vie dans le sol des pH-ISFET
2. Evaluation de la réponse des pNO3-ISFET et pNH4-ISFET en conditions in situ
a. Analyse in situ du sol par les pNH4-ISFET
b. Analyse in situ du sol par les pNO3-ISFET
c. Durée de vie dans le sol des ISFET fonctionnalisés
3. Intégration de la technologie ISFET dans un système d’analyse multi-capteur autonome et communicant pour la suivi du cycle de l’azote dans le cadre de la culture du blé dur
a. Présentation du système d’analyse
b. Choix et étude d’une électrode de référence pour le système d’analyse
i. Introduction
ii. Caractérisation de l’électrode de référence WE200
c. Protocole de mise en place du système sur la parcelle
4. Caractérisation du système d’analyse multi-capteur
a. Présentation du banc d’essai
b. Première caractérisation du système d’analyse sur le banc d’essai
Conclusion
Bibliographie
Conclusion générale
Bibliographie
Annexes
Résumé
Summary
