Gestion des résidus végétaux

Gestion des résidus végétaux

Un système à bout de souffle

La croissance démographique et la prospérité industrielle que l’humanité a pu connaitre durant le XXème siècle sont en grande partie apportés par une amélioration considérable des rendements de production alimentaire. L’agriculture (du latin agricultura, composé à partir de ager, champ et colere, cultiver), peut être définie comme « le processus par lequel les humains aménagent leurs écosystèmes et contrôlent le cycle biologique d’espèces domestiquées, pour produire des aliments et des ressources utiles à leurs sociétés »1. L’agriculture est donc par définition une activité qui transforme les écosystèmes naturels en agroécosystèmes, dont la qualité et la productivité dépendent à la fois des conditions environnementales et de la gestion par l’humain. Les plantes en tant que producteurs primaires sont des organismes autotrophes qui transforment des molécules minérales en structures biologiques. Comme pour tout organisme vivant, leurs constituant majeurs sont l’eau, le carbone, l’azote, le phosphore et dans une moindre mesure le potassium. Historiquement l’agriculture s’est développée dans des régions où les apports d’eau sont assurés soit par la proximité d’une source en eau pour l’irrigation, soit par une pluviométrie suffisante. Le carbone est présent dans l’atmosphère, sous forme de CO2, d’où il est anabolisé par photosynthèse. Les autres macroéléments, l’azote, le phosphore et le potassium, sont quant à eux prélevés sous forme de solutés dans la solution aqueuse du sol. Il est évident donc, que les rendements agricoles dépendent d’un ensemble de facteurs pédoclimatiques, spécifiques de la physiologie de la culture, dont la connaissance et la compréhension ont permis d’améliorer la gestion des systèmes agricoles.

La fertilisation en N, P et K représentant un des piliers principaux pour l’amélioration des rendements, de grands efforts ont été consacrés pour assurer la disponibilité de ces ressources. Les gisements de phosphore et de potassium, découverts depuis le 19ème siècle ont permis d’assurer un apport constant en culture annuelle, sans périodes de jachère jusque-là nécessaires pour reconstituer le statut fertile du sol. L’azote a été apporté principalement par les déjections animales comme les fumiers obtenus des élevages et épandus dans les champs sous cette forme de fertilisant organique (FO). Pourtant, au début du XXème siècle, l’agriculture a connu un tournant majeur lorsque Fritz Haber en 1909 réussit à condenser l’azote atmosphérique en ammoniac dans des conditions contrôlées. Cinq ans plus tard, l’équipe de Carl Bosch met au point le procédé industriel de synthèse d’ammoniac basé sur les travaux de recherche de Haber. Le procédé Haber-Bosch voit alors le jour et inspire largement la chimie industrielle moderne, qui à son tour révolutionne l’agriculture. La production d’engrais minéraux azotés alors possible, les limites naturelles des agrosystèmes sont en grande partie levées et les rendements des principales céréales cultivées en Europe (blé, maïs, orge) triplent en 10 ans après la fin de la deuxième guerre mondiale (Agreste 2008). De plus la mécanisation du travail agricole, la sélection variétale et l’amélioration génétique des cultures ont contribué à une capacité de production accrue sans précédent, ce qui a inscrit le 20ème siècle dans une dynamique de croissance effarante, grâce à cette « révolution verte ».

L’agriculture est aujourd’hui responsable d’environ ¼ des émissions de gaz à effet de serre (GES), directement dues à la mécanisation du travail et à l’utilisation de carburants fossiles, ou indirectement dues à la déforestation (IPCC 2014). L’augmentation de la population mondiale exerce une pression sur la sécurité alimentaire, et engendre l’intensification du changement d’usage des terres, en particulier par la déforestation. Ceci abouti à l’appauvrissement des sols et à la minéralisation du carbone stocké (et donc l’émission de CO2) dans la biomasse et dans le sol (Fargione et al. 2008, Potma Gonçalves et al. 2018). L’impact anthropique est déterminant dans les cinétiques de transformation et de stockage de l’azote et du carbone. C’est pourquoi le devenir de ces éléments, régi désormais aussi par les activités humaines, est sujet d’étude depuis plusieurs décennies (Delwiche 1970). Ces études ont fait ressortir les problématiques de pollution des écosystèmes en dépit de la production alimentaire et du progrès industriel. En effet, si une plus grande concentration d’azote réactif dans le sol, c.à.d. non inerte comme le N2, peut assurer la productivité des agroécosystèmes, les déséquilibres chimiques, et l’acidification des écosystèmes qui découlent d’une surfertilisation, peuvent au contraire, l’inhiber (Bolan et al. 2005, Sprogis et al. 2017, Ge et al. 2018). L’excès d’azote réactif impacte non seulement sur la biodiversité, mais présente des risques majeurs pour la santé humaine (EPA 1998).

Vers un vent nouveau

Les progrès démographiques et économiques réalisés grâce à l’industrialisation de l’agriculture, se sont construits en négligeant les dynamiques de production et de consommation des ressources. Toutes ces avancées ont eu des conséquences adverses sur l’environnement, dont les risques aujourd’hui identifiés, pèsent dans la conscience collective et remettent en question tout le système économique et sociétal moderne. Force est de constater que ce même modèle de développement a été appliqué à tous les secteurs économiques, dont l’agriculture est juste un des exemples. Le modèle économique linéaire adopté depuis la révolution industrielle est basé sur le « produire, consommer, jeter » (A. Frosch and E. Gallopoulos 1989, Esposito et al. 2017, Korhonen et al. 2018, Millar et al. 2019). Ce paradigme, pourtant confortable a atteint ses limites dans de nombreux domaines et met en danger la capacité de production de denrées et d’énergie pour les populations futures (FAO 2019). Face à la nécessité d’optimiser l’utilisation des ressources, de limiter les déchets et de réduire les émissions de GES, et d’azote réactif dans l’environnement, un nouveau modèle s’impose, qui doit être diamétralement opposé à l’actuel, souvent qualifié de « modèle de gaspillage »2 . La notion de recyclage des matières et de réutilisation des objets, et services entre personnes est au coeur d’un nouveau modèle, vers lequel les sociétés devraient tendre afin de limiter l’épuisement des ressources finies. Un modèle pour lequel le déchet est une ressource, mobilisable, transformable, réutilisable et par conséquent non limitée (Fig. 2). C’est notamment le concept de l’économie circulaire, formalisé dès 2002 par William McDonough et Michael Braungart (McDonough and Braungart 2011).

En agriculture, le cercle vertueux de l’économie circulaire peut être mis en place à travers l’utilisation de fertilisants organiques issus de gisement locaux, ainsi qu’en mobilisant une approche agroécologique optimisant les services écosystémiques pour la lutte contre les nuisibles, et en limitant le travail mécanisé par des machines à moteurs thermique (Tilman et al. 2002, Pretty 2008). Dans le contexte environnemental actuel il est crucial de proposer et d’évaluer les leviers d’action pour lutter contre le réchauffement climatique. La croissance démographique soulève de nombreuses questions sur la capacité du système actuel à maintenir cette dynamique socio-économique et impose une transition vers les approches de gestion durable dans tous les domaines. Face aux enjeux sociaux qui découlent de la dégradation de l’environnement, il est urgent de proposer des approches scientifiques pour accompagner les politiques de transition écologique et pour proposer des pistes pour une meilleure gestion des ressources par l’ensemble des acteurs publiques et privés. L’agriculture apparait comme un des piliers de la lutte contre le réchauffement climatique, car le sol représente le second puits de carbone après les océans et contient déjà 2 à 3 fois plus de carbone que l’atmosphère. L’initiative 4 pour 1000, lancée par la France pendant la COP 21 en 2015, incite à adopter des mesures concrètes pour séquestrer 0,4% de plus de carbone par an dans les 40 premiers centimètres du sol. Une telle démarche est possible seulement en adoptant des modes de gestion en phase avec les concepts agroécologiques. Il est évident, qu’on devrait rechercher le meilleur compromis entre les entrées et les sorties de matières organiques au sein des systèmes agricoles, tout en mobilisant les efforts pour trouver des alternatives aux énergies fossiles.

Table des matières

style= »text-align: justify; »>INTRODUCTION
1.Contexte de la recherche
1.1. Un système à bout de souffle
1.2. Vers un vent nouveau
1.3. L’agriculture – un levier pour la régulation du climat
1.4. Les déchets organiques à la Réunion
1.5. Valorisation des déchets organiques agricoles à la Réunion
1.6. La place de la canne à sucre dans la transition énergétique
2.Synthèse bibliographique
2.1. Les cycles du C et du N
2.2. La fertilisation
2.3. Gestion des résidus végétaux
2.4. Les effets des fertilisants sur la décomposition de la paille
2.5. Émissions de gaz à effet de serre
3.Projet de recherche
3.1. Objectifs 22
3.2. Question scientifique et hypothèses de recherche
3.3. Stratégie de recherche
4.Organisation du manuscrit
CHAPITRE 1 Étude des interactions entre la paille de canne à sucre et les fertilisants organiques recyclés ensemble dans le sol. Modélisation de la minéralisation C et N
1.Introduction
2.Materials and Methods
2.1. Characterization of Soil and Organic Materials
2.2. Experiment
2.2.1. Incubation Conditions and Treatments
2.3. Statistical Analyses
2.4. Simple Additivity Model
2.5. The CANTIS Model
2.6. Modelling Strategy
2.6.1. Calibration of the CANTIS Model
2.6.2. Prediction of the Mineralization from Mixture Treatments
2.6.3. Statistical Criteria for Model Calibration and Evaluation
2.6.4. Sensitivity Analysis
3.Results
3.1. Organic Materials Incubated Alone
3.1.1. Experimental Data
3.2. Calibration of the CANTIS Model: Single Set of Parameters
3.3. Organic Materials Incubated in Mixtures
3.3.1. Experimental Data
3.4. Additivity Modelling
3.5. CANTIS Modelling
3.6. Contact Factor Optimization in the CANTIS Model
3.7. Sensitivity Analysis
4.Discussion
5.Conclusions
CHAPITRE 2 Application de fertilisants N sur le paillis de canne à sucre : conséquences sur la dynamique de décomposition du paillis et sur les flux de CO2 et de N2O
1.Introduction
2.Materials and Methods
2.1. Site
2.2. Experimental Design
2.3. Mulch-C Decomposition Using Litterbags
2.4. N2O and CO2 Measurements Using Cylindrical Chambers
2.5. Analytical Methods
2.6. Calculations and Statistical Analysis
3.Results
3.1. Climatic Conditions
3.2. Mulch-C and N Dynamics
3.3. CO2 and N2O Emissions
3.3.1. Effect of N Fertilizer Treatments
3.4. Effect of Mulch Quantity
4.Discussion
4.1. Effects of the Type of Fertilizer N on Sugarcane Mulch Decomposition
4.2. Short-term Effects of N fertilizer + Sugarcane Mulch Mixtures on CO2 and N2O Fluxes
4.3. Effects of Sugarcane Mulch Quantity on Mulch Decomposition and CO2 and N2O Fluxes
5.Conclusion
CHAPITRE 3 Fertilisation de la canne à sucre avec des déchets organiques en présence de paillis : Comment la composition des fertilisants organiques et la quantité de paille influencent la dynamique du C et le N2O émis ?
1.Introduction
2.Materials and Methods
2.1. Site
2.2. Experimental Design
2.3. Measurement of Mulch Decomposition with a Litterbag Approach
2.3.1. Soil Sampling Under Litterbags
2.3.2. Soil Temperature Measurement
2.4. N2O and CO2 Emissions Using Cylindrical Chambers
2.5. Analytical Methods
2.6. Calculations and Statistical Analysis
3.Results
3.1. Mulch Decomposition
3.2. Evolution of the Biochemical Composition of the Mulch
3.3. N2O Emissions
3.3.1. Effect of Mulch Quantity
3.3.2. Effect of the C:N Ratio of the Mixtures
3.3.3. Effect of the Type of Fertilizer-N
3.4. CO2 Emissions
4.Discussion
4.1. Effect of the Type of Fertilizer-N
4.2. Effect of the C to N Ratio of the Mixtures
4.3. Effect of Initial Mulch Quantity
5.Conclusion
CHAPITRE 4 Conclusion générale
1.Approche méthodologique
2.Synthèse des résultats
3.Discussion générale
3.1. Décomposition de la paille
3.2. Émissions de GES
3.3. Quelques préconisations
4.Perspectives
4.1. Utiliser les données expérimentales dans une approche intégrative

4.2. Affiner les mécanismes
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