Effet de l'apport de produits résiduaires organiques sur le cycle biogéochimique de l’azote en culture de canne à sucre à la Réunion

The Effect of organic fertiliser application on the nitrogen biogeochemical cycle of sugarcane crops in Réunion Island

• Auteur / Autrice : Daniel Mika-Nsimbi Poultney
• Direction : Laurent Thuriès
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Agronomie
• Date : Soutenance le 09/04/2021
• Etablissement(s) : La Réunion
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Technologies et Santé (Saint-Denis, La Réunion)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de coopération internationale en recherche agronomique pour le développement (France). Direction régionale (Réunion et Mayotte)
• Jury : Président / Présidente : François Gastal
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Antoine Versini, Astrid Oberson Dräyer, Elizabeth Meier, Laurent Laï Kan Thon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Paul Laclau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Plantes -- Effets de l'azote

Cultures

Canne à sucre

Engrais azotés

Lixiviation

La Réunion (France ; île)

Engrais organiques

Mots clés libres

Azote

Efficience d’utilisation de l’azote

Engrais organiques

Canne à sucre

Lixiviation

Bilan d’azote

Nitrogen

Nitrogen Use Efficiency

Organic fertilisers

Sugarcane

Leaching

Nitrogen budget

Résumé

Les engrais azotés ont contribué de manière substantielle à la sécurité alimentaire et à la nutrition mondiales. Toutefois, l’azote qu’ils contiennent peut être accumulé en quantités excessives dans les écosystèmes ou dans l'atmosphère ; il entraîne alors des impacts environnementaux négatifs. Il existe souvent une grande disparité entre ce qui est fourni par la fertilisation et ce qui est utilisé par les cultures, ce qui entraîne de faibles rendements d'efficience de l'utilisation de l'azote (NUE) des engrais. Le recyclage des résidus organiques dans les agroécosystèmes pourrait être une alternative ou un complément prometteur aux engrais synthétiques, et un moyen de promouvoir une durabilité économique et agricole circulaire. L'objectif général de cette thèse de doctorat était dans un premier temps de dresser un bilan complet et dynamique des entrées et sorties d'azote dans un site expérimental fortement instrumenté cultivé en canne à sucre. Dans un second temps, il a s'agit d’étudier le devenir de l'azote apporté avec deux types d’engrais organiques (lisier de porc et boues d'épuration méthanisées chaulées séchées) dans ce système sol-plante en comparaison d’un apport d'engrais de référence (urée), pour la canne à sucre à la Réunion. L’évolution de la biomasse et de la minéralomasse de N a été mesurée au pas de temps mensuel au cours des 24 mois de l’étude dans les 4 traitements distincts (non fertilisé, urée, lisier de porc, boues de STEU). Les résultats a révélé que la part de l’azote de la plante contenu dans les racines pouvait être considérable et représenter jusqu’à 65 % et 104 % de l’azote mesurée dans la biomasse aérienne des traitements non-fertilisé et fertilisé. Un ensemble de méthodes peu destructives a été proposé afin d’estimer le NUE tout au long du cycle de croissance de la canne à sucre. Les contributions respectives de différentes sources de N pour la nutrition de la canne ont été déterminées à l’aide de microplacettes enrichis en 15N. Le paillis et les apports précédents d'engrais présentaient une contribution constante mais inférieure à 5 %, les engrais, qu’ils soient minéraux ou organiques, représentaient environ 4.4-17.8 % ; c’est donc le sol qui représentait de loin (>74 %) la principale source de N. Des calculs de NUE ont été élaborés avec deux méthodes, par différence et isotopique, mettant en évidence 1/ un écart de résultats entre méthodes, 2/ une baisse au cours des 6 derniers mois avec l’approche isotopique uniquement suggérant un déficit de 15N qu’il reste à élucider, 3/ une efficience faible autour de 9.2 – 16.1% pour l’engrais de référence en raison notamment d’un fort niveau de volatilisation. La lixiviation de l’azote apporté avec les engrais a été étudiée grâce à un dispositif de bougies poreuses à trois profondeurs du sol et dans les 4 traitements, et des sondes TDR pour la modélisation des flux hydriques. Les pertes estimées à 100 cm n’ont pas dépassé 18.3 kgN/ha quel que soit le traitement. Ce résultat est probablement à mettre au compte d’une capacité des sols à retenir les nitrates mais surtout à la dynamique de croissance de la canne. Un bilan complet des flux d'azote à l'échelle de l'agroécosystème a été établi pour chaque traitement fertilisant, et a montré des niveaux élevés de perte d'azote pour l'urée et le lisier de porc par volatilisation (36 % et 63 % respectivement), ainsi qu'un niveau élevé d'immobilisation pour les boues de STEU (70 % de l'azote apporté). En conclusion, ces travaux ont mis en évidence le rôle central du sol en tant que pourvoyeur de N. Ils ont mis en lumière le rôle de premier plan du compartiment racinaire ainsi que la nécessité d’améliorer l’efficience d’utilisation des fertilisants en abaissant le niveau de volatilisation à la Réunion. Le recours à des engrais organiques en substitution partielle des engrais minéraux apparait comme un bon moyen de nourrir les cultures et d’amender les sols, tout en limitant les pollutions environnementales.

Nitrogen fertilisers have contributed substantially to global food security and nutrition. However, when accumulated in excessive amounts in ecosystems, and the atmosphere, they lead to significant negative environmental impacts. There is frequently a large disparity between what is supplied by fertilisation and what is used by crops, leading to low nitrogen use efficiencies (NUE) of fertilisers. The recycling of organic residues in agroecosystems could be a promising alternative or complement to synthetic fertilisers, and a means to promote circular economic and agricultural sustainability. The overall aim of this PhD thesis was to evaluate and provide a detailed quantitative and temporal account of N inputs and outputs into and from a highly monitored experimental site cultivated with sugarcane. Secondly, it was to determine the fate of N from two types of organic fertilisers (pig slurry and methanised, limed, pelleted sewage sludge) as compared to mineral fertiliser, in the soil-sugarcane system. The evolution of sugarcane biomass and total N mass accumulation was measured monthly over 24 months for the four distinct fertiliser types: unfertilised, urea, pig slurry, and sewage sludge. The results revealed that the proportion of plant N contained in the roots could be considerable, representing up to 65 and 104 % of aboveground N mass in the urea and unfertilised treatments respectively.A combination of minimally destructive methods is proposed to determine the NUE throughout the sugarcane growth-cycle. Microplots containing 15N labelled urea or mulch were assessed over the two experimental years to study the respective contributions of different fertiliser sources to sugarcane N content. The mulch and previous fertiliser applications provided a constant but low contribution of less than 5 %, with mineral and organic fertilisers contributing 9.6-17.8 % and 4.4-7.1 % of the sugarcane N respectively. The soil was by far the largest source of N, providing a minimum of 74 % of the sugarcane N content. Calculations of fertiliser NUE were evaluated on a monthly basis with the difference and isotopic dilution methods, highlighting 1/ a difference between the values calculated using the two methods, which is reduced when the root component is considered, 2/ a pronounced decrease in the NUE over the last 6 months of the sugarcane growth-cycle when using the isotopic method suggesting a deficit in 15N which should be further interrogated, 3/ a particularly low NUE of 9.2 – 16.1 % for the reference fertiliser urea, partly as a result of a particularly high level of N loss via volatilisation. The N output from the sugarcane-soil system studied in detail was the leaching of fertiliser N. The N content in soil solutions and the corresponding water flux was studied using TDR probes and porous cups at three soil depths for the four fertiliser treatment types. The estimated losses at a depth of 100 cm did not exceed 18.3 kgNha-1 for the different fertiliser treatments. This result is probably in part as a result of the soil’s capacity to retain nitrates, as well as importantly due to the effective N uptake of the sugarcane after fertiliser N application, A complete budget of N flux at the scale of the agroecosystem was established for each fertiliser treatment, and revealed high levels of N loss for the urea and pig slurry fertilisers (36 % and 63 % respectively), as well as a particularly high level of immobilisation for the sewage sludge treatment (70 % of applied N). In conclusion, this thesis highlights 1/ the central role of soil as a major source of N, and 2/emphasised the important role of the root component of sugarcane, and 3/ the need to improve the efficiency of fertiliser use by lowering the level of volatilisation in Réunion. The use of organic fertilisers as a partial substitute for mineral fertilisers appears to be a good means to supply additional N to sugarcane and to the soil, while limiting environmental pollution.