Greenhouse gas emissions and soil carbon stocks associated with crop residues and organic fertilizers mixtures in sugar cane cropping systems

par Vladislav Dimitrov Kyulavski

Thèse de doctorat en Biogéochimie

Sous la direction de Laurent Thuriès et de Patricia Garnier.

Le jury était composé de Thomas Eglin, Sylvie Recous, Sabine Houot, Jean-Marie Paillat.

Les rapporteurs étaient Sandro José Giacomini, Tiphaine Chevallier.

  • Titre traduit

    Émissions de gaz à effet de serre et flux de carbone du sol associés aux mélanges de résidus de récolte et de produits résiduaires organiques dans la culture de la canne à sucre


  • Résumé

    Dans le contexte environnemental actuel il est nécessaire d’optimiser l’utilisation des ressources pour réduire les déchets et les émissions de gaz à effet de serre (GES). L’utilisation de ressources renouvelables et le recyclage sont au cœur du modèle d’économie circulaire, selon lequel le déchet est une ressource mobilisable, transformable, réutilisable et par conséquent non limitée. En agriculture, le cercle vertueux de l’économie circulaire peut être mis en place à travers le recyclage des matières organiques en tant que fertilisants et l’adoption d’une approche agroécologique qui privilégie les services écosystémiques pour lutter contre les nuisibles, protéger le sol et augmenter ses stocks de carbone, dont un des exemples est le paillage. Dans la culture de canne à sucre, la paille laissée à la surface du sol, est aussi de plus en plus convoitée par les industriels pour la production d’agrocarburant de seconde génération. L’émergence d’une telle concurrence d’usage de la biomasse et les enjeux environnementaux sous-jacents imposent d’évaluer à la fois les avantages et les inconvénients agronomiques et environnementaux du recyclage conjoint du paillis de canne à sucre et des fertilisants organiques. Les objectifs de ce travail sont donc i) de comparer l’effet des fertilisants de qualité physicochimique contrastée, sur la décomposition d’un paillis de canne à sucre, et ii) d’évaluer les potentialités d’émission de GES des mélanges paillis-fertilisant en fonction de la quantité de paille laissée et de la qualité des fertilisants apportés. La stratégie de recherche adoptée visait dans un premier temps à détecter des interactions carbone/azote lors du recyclage conjoint de la paille et des fertilisants organiques. Nous avons ainsi testé la prédictibilité des dynamiques de minéralisation du C et du N des matières organiques seules, ou en mélange (paille/fertilisant) en laboratoire, par un modèle additif simple et un modèle mécaniste de transformation du carbone et de l’azote dans le sol – CANTIS. Nos résultats ont montré que les deux modèles ont surestimé la minéralisation du C et n’ont pas prédit correctement la minéralisation du N des deux mélanges. Cette interaction antagoniste pour les mélanges a pu être corrigée par l’application d’un facteur de contact dans CANTIS, qui reflète la diminution de la biodisponibilité du C et du N, due à des hétérogénéités de distribution à une échelle fine du sol. Dans un deuxième temps, nous avons effectué des essais au champ (en condition réelles) pour suivre à la fois la décomposition de la paille de canne à sucre en mélange avec des fertilisants organiques et les émissions de GES. La quantité de paille décomposée a été proportionnelle à la quantité initiale laissée et n’a été affectée ni par la quantité de paille initiale, ni par le type de fertilisant apporté. Cette proportionnalité est transposable aux potentialités de stockage de carbone dans le sol et devrait être considérée lors de la mise en place de programmes de séquestration de carbone dans le sol ou lors de l’exportation de la paille pour une utilisation par ailleurs. Le type de fertilisant a un rôle clef sur les émissions de GES à court terme après la fertilisation. Les flux d’émissions moyens de CO2 et de N2O les plus élevés ont été obtenus en appliquant du lisier de porc, qui a une forte teneur en eau et est riche en N minéral. A l’inverse, les cinétiques des émissions de GES des fertilisants solides ont été régis par des facteurs environnementaux, dont certains pourraient être contrôlés, tels que l'apport en eau ou la quantité de fertilisant. L’utilisation de fertilisants organiques est bénéfique lorsqu’ils sont riches en N organique et pauvres en teneur en eau, comme la boue de station d’épuration sèche, mais la minéralisation de l’azote dans ce cas est progressive et nécessite l’élaboration de plans d’épandage spécifiques pour répondre aux besoins des cultures.


  • Résumé

    In the current environmental context, it is crucial to optimize the use of resources to reduce waste and greenhouse gas (GHG) emissions. Renewable resources use and recycling lies at the heart of the circular economy model, in which a waste is a mobilizable, transformable, reusable and therefore renewable resource. In agriculture, the “virtuous circle” of circular economy can be achieved through the recycling of organic wastes as fertilizer and the adoption of an agroecological approach that favors ecosystem services for pest control, soil protection and carbon stocks increase, one of the examples of which is mulching. In sugarcane cropping systems straw left on the soil surface is also increasingly coveted by industrial sector to produce second-generation agrofuels. The emerging competition for biomass use and the underlying environmental issues make it necessary to assess both, the agronomic and the environmental advantages and disadvantages of joint recycling of sugarcane mulch and organic fertilizers. Therefore, the objectives of this work are i) to compare the effect of fertilizers of contrasting physicochemical quality, on the decomposition of a sugarcane mulch, and ii) to evaluate the potential of GHG emissions from mulch-fertilizer mixtures, according to the quantity of straw left and the quality of the fertilizers applied. The research strategy adopted in a first step aimed to detect carbon/nitrogen interactions during the combined recycling of straw and organic fertilizers. We have thus tested the predictability of the mineralization dynamics of C and N of the organic materials alone, or in mixture (straw/fertilizer) in the laboratory, by a simple additive model, and a mechanistic model of carbon and nitrogen transformation in the soil - CANTIS. Our results showed that both models overestimated the C mineralization and did not correctly predict the N mineralization of the mixtures. This antagonistic interaction for the mixtures was corrected by the application of a contact factor in CANTIS, which reflects the bioavailability decrease of C and N, due to distribution heterogeneities at a fine scale within the soil. In a second step, we conducted field trials (under real conditions) to measure both the decomposition of sugarcane straw mixed with organic fertilizers and GHG emissions. The amount of straw decomposed was proportional to the initial amount left and was affected neither by the amount of straw nor the type of fertilizer provided. This proportionality is transposable to the potential for carbon sequestration in the soil and should be considered when setting up carbon sequestration or when exporting the straw for alternative use. The type of fertilizer plays a key role in GHG emissions in the short term after fertilization. The highest average CO2 and N2O emission fluxes were obtained by applying pig slurry, which has a high water content and is rich in mineral N. Conversely, the kinetics of GHG emissions from solid fertilizers have been governed by environmental factors, some of which could be controlled, such as water intake or fertilizer quantity application. The use of organic fertilizers is beneficial when they are rich in organic N and poor in water content, such as dry sewage sludge, but the mineralization of nitrogen in this case is gradual and requires elaboration of a specific application strategies to meet crop needs. A better integration of the interactions between the different N and C sources should be considered, in order to develop modeling as a precise tool for the management of an agroecosystem.

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