Conséquences de l’introduction de la méthanisation dans une exploitation de polyculture-élevage sur les cycles du carbone et de l’azote. Combinaison de l’expérimentation et de la modélisation à l’échelle de la ferme

Consequences of the anaerobic co-digestion of cattle effluents in a crop livestock farm on carbon and nitrogen cycles. Combination of experimentation and of modelling at the farm scale

• Auteur / Autrice : Victor Moinard
• Direction : Sabine Houot, Jean-Marie Paillat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'environnement
• Date : Soutenance le 18/11/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Agriculture, alimentation, biologie, environnement, santé (Paris ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : AgroParisTech (France ; 2007-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Biosphera (2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Écologie fonctionnelle et écotoxicologie des agroécosystèmes (2014-....)
• Jury : Président / Présidente : Yves Coquet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yves Coquet, David Fangueiro, Safya Menasseri, Anne Jamois-Tremier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : David Fangueiro, Safya Menasseri

Mots clés

Mots clés contrôlés

Céréaliculture

Lombric

Bovins -- Élevage

Déchets organiques en agriculture

Cycle de l'azote

Cycle du carbone

Biogaz

Aspect environnemental

Méthanisation

Mots clés libres

Méthanisation

Polyculture élevage

Cycles du carbone et de l’azote

Bilan environnemental

Modélisation

Ver de terre

Anaerobic digestion

Crop-livestock farm

Carbon and nitrogen cycles

Environmental assessment

Modelling

Earthworms

Résumé

La méthanisation agricole des effluents animaux est une pratique en fort développement en France. Elle produit de l’énergie renouvelable (biogaz). La valorisation des digestats au champ, comme celle des effluents non méthanisés, permet le retour au sol de nutriments et de matière organique, ce qui diminue le besoin en engrais minéraux et entretient les stocks de C des sols. Le traitement et l’épandage de ces produits peut aussi induire l’émission de gaz à effet de serre et de contaminants. La méthanisation agricole influence ces impacts : pour les maitriser, il faut comprendre comment la digestion des effluents avec des déchets importés modifie les cycles du C et du N à l’échelle de la ferme. Cette question a été traitée en s’appuyant sur un cas d’étude à l’INRAE de Nouzilly (Centre – Val de Loire) : une exploitation agricole avec un méthaniseur traitant les effluents de son élevage bovin et divers déchets organiques. Lors de l’essai au champ MétaMétha, nous avons comparé les flux d’azote au cours d’une rotation culturale fertilisée avec des engrais minéraux, des lisiers et fumiers bovins, ou des digestats issus de ces effluents. Les digestats se substituent bien aux engrais minéraux, mais ils sont sensibles à la volatilisation d’ammoniac (NH3). Les vers de terre peuvent être négativement impactés juste après l’épandage de digestat ou de lisier, mais les effets sont similairement positifs après 2 ans d’apports de matière organique. Nous avons ensuite évalué les modèles STICS et SYS-Metha pour simuler respectivement l’essai au champ et le traitement des digestats. Ces modèles ont été couplés pour simuler les flux de C et N à l’échelle de la ferme. Avec de forts imports de déchets, la méthanisation favorise la substitution des engrais minéraux, le stockage de C dans les sols, mais aussi les émissions de NH3. Ce travail permet de mieux évaluer les conséquences de l’introduction d’un méthaniseur dans une exploitation agricole et ainsi d’optimiser la filière.

The anaerobic digestion (AD) of animal effluents is strongly developing in France. It produces renewable energy (biogas). Like undigested effluents, the use of anaerobic digestates in the field enables the recycling of nutrients and organic matter in the soil, which decreases the need for synthetic fertilizers and maintains soil organic carbon stocks. However, the treatment and field application of those organic products can also cause greenhouse gas emissions and contaminants. The on-farm AD nfluences those impacts. In order to control them, we need to understand how the co-digestion of animal effluents with imported organic wastes influences C and N cycles at the farm scale. We studied this question with the support of a case study at INRAE in Nouzilly (Centre – Val de Loire, France): a crop and livestock farm where an anaerobic digester treats the cattle effluents together with imported wastes. During the MetaMetha field experiment, we compared N fluxes during a crop rotation that was fertilized with synthetic N fertilizers, undigested cattle slurry and farmyard manure, or digestates issued from their digestion. We found that digestates can substitute synthetic fertilizers, despite the risk of ammonia (NH3) emissions. Earthworms can be negatively impacted just after the application of digestate of slurry, but the input of organic matter induced similar positive impacts after two years. We then evaluated the STICS and SYS-Metha models to simulate the field experiment, and digestate treatment and storage, respectively. Both models were coupled to simulate C and N fluxes at the farm scale. The models showed that when large amounts of digested wastes are imported, AD promotes substitution of synthetic N fertilizers and storage of soil organic C, but also NH3 emissions. The study enabled us to better evaluate the consequences of the on-farm AD and therefore to optimize the sector.