Effets du travail du sol sur les cycles biogéochimiques

Effets du travail du sol sur les cycles biogéochimiques (azote et carbone)

Jean-Pierre COHAN ARVALIS – Institut du végétal

et Bruno MARY INRA

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Colloque Faut-il travailler le sol ?, 3 avril 2014 – Paris

Plan de l’exposé

1) Problématique 2) Travail du sol et flux d’azote (sol, plante,

eau, atmosphère) 3) Travail du sol et stockage de carbone dans

le sol 4) Travail du sol et émissions de GES (gaz à

effet de serre) ARVALIS - I

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1) Problématique Nutrition N des cultures

Avec l’eau = 1er facteur limitant de la

production (hors légumineuses) Enjeu de l’estimation des fournitures N

par le sol

Sources : ARVALIS, OEA, ODA

Prix recomposés à partir de sources diverses. Des différences peuvent apparaître sur le terrain

Recours aux engrais minéraux

Tendance haussière des prix Nécessité de trouver des alternatives

pour assurer la production

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1) Problématique Transfert de NO3

- dans les aquifères 5ème programme de la Directive Nitrates

Sources : CITEPA 2013

Emission de NH3 et NOx dans l’atmosphère

Directive NEC/Plan particules

Colza - Blé tendre d'hiver - Orge de printemps (Beauce)

2%

2%

93%

1%

3%

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000

Travail du sol et entretien de la

parcelle

Semis

Fertilisation NPK

Protection phytosanitaire

Récolte

Etapes de la culture

(mécanisation

+intrants)Emissions de gaz à effet de serre (kg équivalent CO2/ha)

(part dans l'émission totale)

Colza

Blé tendre hiver

Orge printemps

Sources : ARVALIS – MALAVAL PA 339

Emissions de gaz à effet de serre

Agriculture émettrice de 84% du N2O en France (CITEPA 2011; fort poids de la fertilisation N)

Mais aussi stockeuse de C dans les sols

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1) Problématique Effets potentiels du travail du sol sur les conditions à la base

des processus des cycles N et C

Effets directs sur : • Broyage et/ou Enfouissement des matières organiques et minérales exogènes (résidus végétaux, Produits organiques…) • Structuration / Déstructuration des agrégats et micro-agrégats du sol

Effets indirects sur : • L’humidité et la température du sol • La porosité : circulation des solutés et des gaz (anoxie…) • L‘enracinement des cultures • La macro-faune du sol ARVALIS

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u vég

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1) Problématique Définitions • FIT = Full inversion tillage = labour avec inversion • RT = Reduced tillage = TCS • NT = No tillage = semis direct Questions • La réduction du travail du sol modifie-t-elle la mise à

disposition d’azote minéral aux cultures et est-elle bénéfique vis-à-vis de la réduction des pertes N et des émissions de GES ?

• Quels mécanismes sont mis en jeu ? • Quelles certitudes ? ARVALIS

- Ins

titut d

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2) Travail du sol et flux d’azote 21) Minéralisation nette de l’azote organique

Vp (kg N/ha/JN)

Dispositif ARVALIS Oorts et al. 2007 pour Boigneville

Effet sur Vp : •Court terme : pas de différence la plupart du temps, quelque fois en faveur de l’un ou l’autre •Moyen/long terme : pas de différence

Mh = Vp * JN

Vp = vitesse potentielle de minéralisation (kg/ha/JN) JN = nombre de jours normalisés sur la période de calcul de la méthode des bilans

Effet sur la minéralisation d’azote : • Température en sortie hiver/printemps : - 0.5 °C (15/02-30/06) 6 kg N/ha minéralisé en moins (Vp = 1 kg/ha/JN) • Effet sur l’humidité estivale ? • Saisonnalité des différences apparentes ?

Grandes interrogations terrain

NS 5% (méthode des couples

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2) Travail du sol et flux d’azote 22) Pertes par lixiviation du nitrate

Pb d’implantation

Revue biblio. Le Souder et al. 2007

Des résultats diversifiés • Ecarts de faible ampleur • Si écart significatif, souvent en faveur du TCS • Effet des CIPAN toujours bien supérieur au changement de Wsol


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2) Travail du sol et flux d’azote

23) Pertes par volatilisation d’ammoniac Sommers et Hutchings

2001 Pertes potentielles plus grandes en TCS •Effet de l’enfouissement des résidus et des engrais/PRO •Modifications des conditions de surface (hum., T°, pH…) •Augmentation des flux en cas d’épandage sur résidus abondants.

CASDAR Volat’NH3 Cohan et a. 2013

Surtout une problématique pour les épandages précoces avec cultures peu développées Impact plus restreint sur les apports d’engrais minéraux en pleine croissance des cultures (lien avec les CAU)

HS 5% (méthode des couples

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2) Travail du sol et flux d’azote

24) Efficacité d’absorption de l’azote minéral par la plante

Biblio + essais ARVALIS-ITCF-CETIOM 1982-2004

Effet sur les CAU en l’absence de pb d’implantation • Peu ou pas de différence sur l’efficacité mesurée

sur l’ensemble du cycle Effet sur les CAU en cas de pb de structure • Effet pénalisant potentiel sur les cultures les plus

sensibles

Que penser de l’anticipation des apports N en systèmes TCS ? •Remontées terrain fréquentes de cultures à démarrages difficiles en sortie d’hiver mais peu de diagnostics N correspondants •Au regard des résultats acquis, peu probable que ce soit un effet du Wsol sur les fournitures N •Autres raisons possibles : 1 - Pratique des couverts tardifs avec risque d’organisation N 2 - Effet de la température et l’humidité sur la croissance précoce (notamment racinaire) 3 essais OP et OH 2011-2013 ARVALIS, CA21 et

GEDA de la Tille


Précocification des apports en TCS = - 2 q/ha (S 5%)

Coha

n et

al.

2013

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3) Travail du sol et stockage de carbone

Un effet sans doute positif mais qui reste controversé Le leitmotiv des années 1980-2005 : le travail réduit augmente

le stockage de carbone dans le profil de sol Les normes IPCC (2006) : climat tempéré humide sur 20 ans

FIT RT NT Stock relatif 1.00 1.08 1.15 Stock absolu t C/ha 40.0 43.2 46.0

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Années 2005-2014 : des critiques sont formulées sur • le mode de calcul (à profondeur constante) • l’absence de mesure de densité apparente • la profondeur de mesure (insuffisante) • le taux de stockage en fonction du temps (constant) • l’absence de mesure au temps 0

Nouvelles analyses des données plus rigoureuses

3) Travail du sol et stockage de carbone

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Comparaison des 3 méta-analyses récentes

Peu ou pas de stockage selon Luo et al (2010), Virto et al (2011) Très grande variabilité des résultats : gamme de -68 à +70 t C/ha !

Angers et al (2008)

Luo et al (2010)

Virto et al (2011)

Sélection Nb de sites 23 29 37Nb de traitements 47 69 91Nb moyen années 16 13 15

Résultats Supplément de stock en semis direct ∆ SOC (t/ha) 4.9 -0.2 2.1Effet Sol non nonEffet Climat non non nonEffet Durée oui non nonEffet apports C oui ouiEffet Profondeur FIT>NT FIT>NT

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Distribution relative du carbone dans le profil de sol

Stockage de C en surface (0-10 cm) mais déstockage en profondeur (15-50 cm)

Luo et al (2010)

Différence absolue (t C/ha) -100% -50% 0% +50% +100%

Différence relative (NT-FIT)/FIT

Angers et al (2008)

Prof

onde

ur (

cm)

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1. La durée de travail réduit continu

Quels facteurs de stockage ?

Nombre d’années de semis direct continu

Angers et al (2008)

Pas d’effet significatif si on retire le dernier point Pas d’effet dans les autres méta-analyses

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2. La différence de restitutions de résidus de récolte

Quels facteurs de stockage ?

Restitutions de C (NT-FIT)/FIT

Stoc

ks (

NT-

FIT)

/FIT

Luo et al (2010)

Rôle favorable du semis direct lorsque les rendements sont accrus et réciproquement

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Un petit nombre d’essais de longue durée Un essai particulièrement important : Boigneville - Essai A « travail du sol » 1970-… 41 ans - Essai B « travail du sol irrigué» 1970-1982 12 ans - Essai C monoculture de maïs 1970-1994 24 ans - Essai D monoculture de blé 1970-… 28 ans - Essai E « environnement » 1991-… 20 ans Suivi dans le temps Forte densité d’échantillonnage

Quid des références en France ?

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Essais « travail du sol »

Essai E Environnement

Essai A

Rotation (BS/B/FH/OP)

Rotation (M/B)

Boigneville

Essai C

Essai D

Essai B

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Evolution des stocks de C (0-30 cm) pendant 41 ans – Essai A

Boigneville

Une augmentation modérée des stocks au cours du temps Des variations autour de cette tendance : réelles ou non ?

(Dimassi et al, 2014)

Dimassi et al (2014)

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Evolution du stockage de C dû à la réduction du travail du sol (écart par rapport à la conduite en labour)

Boigneville

Travail superficiel Semis direct

Très bon accord entre les 3 essais Au cours du temps, on peut avoir stockage de C puis déstockage

Le stockage n’est pas du tout constant au cours du temps

-6

-4

-2

0

2

4

6

1968 1976 1984 1992 2000 2008∆

SOC

(t h

a-1)

NT-FIT

Essai AEssai BEssai E

-6

-4

-2

0

2

4

6

1968 1976 1984 1992 2000 2008

∆SO

C (t

ha-

1)

ST-FIT

Essai A

Essai B

Travail superficiel Semis direct

1991, début essai E

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Le stockage/déstockage dû au semis direct dépend du climat

Boigneville

-0.40

0.00

0.40

0.80

300 400 500 600 700 800 900(N

T-FI

T)/F

ITPluviométrie annuelle (mm)

Espagne (Blanco-Moure et al, 2013)

Boigneville (Dimassi et al, 2014)

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

450 550 650 750 850

Varia

tion

de st

ock

(t C

/ha/

an)

Pluviométrie (mm/an)

En année sèche, le travail réduit stocke du C En période humide, il déstocke du C


Abscisse : pluie + irrigation

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Boigneville, essai E : 6 ans après conversion

Alternance du mode de travail du sol

0 10 20 30 40 50 60

4700 (~0-35 cm)

4060 (~0-Y cm)

2640 (~10-Y cm)

700 (~5-10 cm)

600 (~0-5 cm)

soil

mas

s (t/

ha)

SOC stocks (t/ha)

NTNFIT*


Après 6 ans de conversion semis direct labour, le profil a changé mais le stock total de C est resté identique

Contrairement aux idées reçues, le passage semis direct labour n’entraîne pas de chute du stock de C

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4) Travail du sol et émission de GES

Trois principaux GES d’origine agricole : CO2 CH4 N2O Concentration actuelle (ppm) 400 1.82 0.33 Pouvoir de réchauffement 1 23 300

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Emissions de CO2

Quel lien entre émissions de CO2 et variations de stock de C ? Plantes annuelles : • Flux net CO2 = -∆SOC + C restitué • Différence NT-FIT : ∆ CO2 = - ∆ SOC + ∆ C restitué

Pour un rendement identique, l’émission de CO2 est le

complément du C stocké dans le sol

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Emissions de N2O

Facteurs de nitrification : • Aération du sol • Quantité ammonium Facteurs de dénitrification : • Humidité du sol ↗ en travail réduit • Compactage ↗ en travail réduit • Température • Nitrate

• pH acide ↗ en travail réduit • Résidus en mulch ↗ en semis direct

• C organique ↗ en travail réduit ARVALIS

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Variation relative par rapport au labour

Meta-analyse de van Kessel et al (2012) : effet ancienneté

Emissions de N2O

Tous < 10 ans > 10 ans

Climat humide < 10 ans > 10 ans

Climat sec < 10 ans > 10 ans

En climat humide peu de différence

entre TCS et labour

En climat sec travail réduit

↗ N2O à court terme ↘ N2O à long terme

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Emissions en kg CO2/ha/an

Bilan GES à Boigneville

-500

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

N2O sol CO2 sol CO2 méca Bilan

Labour

Travail superf.

Semis direct

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Conclusions sur Les impacts du travail du sol sur le stockage de C

• L’effet majeur du travail réduit est de créer une stratification de la matière organique dans le profil: - accroissement de carbone sur 0-10 cm - baisse de carbone sur 15-30 cm

• Le stock total de carbone est pas ou peu augmenté par les TCS • L’augmentation n’est pas définitive : elle peut s’annuler lors

d’années humides • La conversion TCS labour ne déstocke pas massivement ! Baker et al (2007) : “Il est prématuré de donner un potentiel de séquestration aux pratiques de

changement de travail du sol” ”Bien qu’il y ait de bonnes raisons d’utiliser les techniques de conservation,

elles ne conduisent pas forcément à séquestrer du carbone”

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Les émissions de N2O sont en moyenne peu affectées par le travail du sol

- elles sont accrues en travail réduit dans les premières années de conversion

- elles sont identiques voire un peu plus faibles qu’en labour après 10 ans de conversion

Cependant ces moyennes masquent une forte variabilité qui n’est pas forcément comprise

Ainsi à Boigneville sur 6 ans, les traitements en travail réduit ont émis davantage de N2O qu’en labour !

Le bilan GES est en moyenne peu affecté par le travail du sol Ce n’est pas un critère déterminant pour son adoption

Conclusions sur les impacts du travail du sol sur le bilan GES

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