SOURCES AGRICOLES DE GAZ À EFFET DE SERRE

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1 SOURCES AGRICOLES DE GAZ À EFFET DE SERRE Philippe Rochette, Ph. D. Chercheur scientifique en agrométéorologie Centre de recherche et de développement sur les sols et les grandes cultures Agriculture et Agroalimentaire Canada (AAC), Sainte-Foy M. Philippe Rochette est chercheur scientifique au Centre de recherche et de développement sur les sols et les grandes cultures d Agriculture et Agroalimentaire Canada à Sainte-Foy. Il s intéresse à la mesure et à la prédiction des émissions de gaz dans les écosystèmes agricoles. M. Rochette a agi à titre de conseiller sur la méthodologie d inventaire des émissions de gaz à effet de serre et sur les recommandations visant leur contrôle ou leur réduction.

2 SOURCES AGRICOLES DE GAZ À EFFET DE SERRE INTRODUCTION L atmosphère et la biosphère ne sont pas des systèmes fermés. Les cycles du carbone et de l azote comportent tous les deux d importants réservoirs atmosphériques et de grandes quantités de ces éléments sont échangées annuellement d un système à l autre sous forme gazeuse (200 millions de tonnes d azote et 100 milliards de tonnes de carbone). Certains de ces gaz sont inertes (N 2 ) alors que d autres ont des impacts significatifs sur la chimie ou la physique de l atmosphère. Cet exposé décrit les sources et les puits agricoles d une famille importante de gaz dont la présence influence le bilan radiatif et la température de la terre: les gaz à effet de serre. Nous verrons où et comment sont produits le gaz carbonique (CO 2 ), le protoxyde d azote (N 2 O) et le méthane (CH 4 ) sur les fermes canadiennes et comment le choix des pratiques d élevage et de culture peuvent contribuer à en réduire les émissions. EFFET DE SERRE La température moyenne de l air est déterminée par le bilan énergétique à la surface de la terre. Ce bilan est en grande partie déterminé par la différence entre les quantités de radiation reçues et celles émises par la surface terrestre. Certains gaz atmosphériques comme le dioxyde de carbone (CO 2 ), le protoxyde d azote (N 2 O) et le méthane (CH 4 ) ont la propriété d intercepter la radiation infrarouge émise par la terre et d en réémettre une partie vers la surface terrestre. Ils contribuent ainsi à augmenter la radiation nette reçue et la température à la surface de la terre. Leur action sur les échanges radiatifs s apparente à celle des parois d une serre, d où leur appellation "gaz à effet de serre" (GES). La température annuelle moyenne de la terre est de 15 C. En absence de gaz à effet de serre dans son atmosphère, la terre serait environ 34 C plus froide. À cette température, l eau n existerait pas sous forme liquide. L effet de serre est donc un phénomène naturel essentiel au maintien de la biosphère. Il y a cependant une inquiétude sans cesse croissante au sujet d une augmentation de l effet de serre attribuable au rejet, par les activités humaines, de grandes quantités de GES. Les processus naturels des cycles du carbone et de l azote produisent et consomment ces GES. L être humain perturbe l équilibre naturel en émettant des quantités additionnelles de GES que les puits naturels de la biosphère ne peuvent absorber. Il en résulte une augmentation de la concentration atmosphérique de ces gaz qui menace de réchauffer la température de la terre et de provoquer des changements climatiques qui auront des répercussions importantes sur nos sociétés (augmentation 2

3 du niveau des mers, nouveaux patrons de précipitations, plus grande variabilité climatique). Les préoccupations politiques internationales sur cette question ont amené les pays à s entendre, en décembre 1997 à Kyoto, sur un protocole de réduction des émissions anthropiques de GES. GAZ À EFFET DE SERRE EN AGRICULTURE Les principaux gaz à effet de serre produits par l être humain sont le CO 2, le N 2 O et le CH 4. Pratiquement toutes les activités humaines génèrent des gaz à effet de serre. La contribution relative des principales sources au Canada est présentée à la figure 1. L agriculture, avec environ 10 % des émissions totales, produit moins de GES que plusieurs autres secteurs de notre économie tels que les secteurs de l énergie, de la transformation manufacturière et du transport. Elle demeure cependant une source appréciable pour laquelle on doit explorer les possibilités de réduction afin que l agriculture contribue à l effort national pour atteindre les objectifs fixés par l accord de Kyoto. Une des particularités de l agriculture comme source de GES réside dans les proportions des différents gaz produits. En effet, l agriculture ne produit qu une fraction insignifiante (< 1 %) du CO 2, le gaz à effet de serre le plus important au Canada (responsable de 76 % de l augmentation de l effet de serre). En revanche, le secteur agricole est responsable de plus de 50 % du N 2 O et de 30 % du CH 4 produits. Ces gaz sont chacun responsables d une part à peu près égale de l augmentation de l effet de serre au Canada (11 à 12 %). 3

4 Figure 1 : Sources de gaz à effet de serre au Canada. Méthane (CH 4 ) Electricité 18.9% Transport 11.4% Autres 2.9% Institutions 12.3% Manufactures 18.9% Mines 3.8% Energie 17.1% Pates & Papier 4.7% Agriculture 10% (13% en incluant l utilisation des combustibles fossiles sur les fermes) Source R.L. Desjardins Le méthane a une efficacité 21 fois plus grande que celle du CO 2 pour intercepter la radiation infrarouge. Il est produit par la décomposition biologique de la matière organique et par la réduction du CO 2 sous des conditions hautement anaérobiques, c est-à-dire en absence d oxygène. En agriculture, on retrouve ces conditions dans le système digestif des ruminants et dans les fosses à lisier qui sont respectivement responsables de 83 et 17 % des émissions agricoles de CH 4 au Canada (Figure 2). Les quantités de CH 4 produites par les ruminants agricoles sont importantes. Une vache laitière en lactation, par exemple, peut produire plus de 600 litres de CH 4 par jour! Ces émissions représentent près de 25 % de tout le CH 4 de sources anthropiques au Canada. Les facteurs qui influencent la production de CH 4 par les ruminants sont nombreux. Sous les conditions canadiennes d élevage, les pratiques agricoles qui sont proposées pour réduire le CH 4 produit visent principalement à augmenter la productivité des animaux afin d obtenir les quantités de produits agricoles nécessaires avec un troupeau réduit. Ces pratiques visent donc à améliorer la productivité par une meilleure génétique, une plus grande digestibilité des aliments, un taux de reproduction plus élevé et une incidence de la maladie plus faible. D autres actions sont à l étude telles que l utilisation de vaccins pour modifier la flore du rumen et l ajout d additifs alimentaires (antibiotiques ionophores, huiles comestibles) pour réduire l action des organismes méthanogènes. 4

5 Figure 2 : Sources agricoles de méthane (CH 4 ) au Canada. Les pourcentages indiquent la contribution relative de chaque source aux émissions agricoles canadiennes. 83% CH 4 18%?% - 1% RUMEN Décomposition de la Lisier matière organique en absence d oxygène humide CH 4 sec Le CH 4 est produit dans les fosses à lisier par la fermentation biologique des solides déposés au fond de la fosse. Les pratiques agricoles permettant de réduire le CH 4 produit dans les fosses à lisier ont pour objectif de réduire les quantités de matières fermentescibles ou de diminuer l intensité de la fermentation. La réduction des matières fermentescibles entreposées peut être obtenue par une séparation des phases liquide et solide du lisier avant l entreposage, par la réduction des quantités de litière utilisées dans les bâtiments ou par l amélioration de la conversion alimentaire des aliments. L intensité de la fermentation peut, quant à elle, être diminuée i) par un entreposage dans une fosse partiellement enfouie où la température est généralement plus basse que dans une fosse hors-terre et ii) par une réduction de la durée de la période d entreposage par des épandages plus fréquents. En effet, la production de CH 4 dans les lisiers arrête dès qu ils sont appliqués au sol où les conditions bien aérées ne sont pas favorables à la fermentation. Paradoxalement, la solution la plus attrayante au problème des émissions de GES à partir des lisiers propose de stimuler la fermentation et la production de méthane à l aide de bio-réacteurs. Le méthane produit peut être capté et utilisé pour subvenir, en partie, aux besoins énergétiques de la ferme. On gagne alors sur deux tableaux : la combustion transforme le CH 4 en CO 2, un GES beaucoup moins nuisible, et les quantités de combustibles fossiles utilisées à la ferme s en trouvent diminuées d autant. Le Centre de recherche d Agriculture et Agroalimentaire Canada de Lennoxville poursuit des travaux pour mettre au point cette technique. 5

6 Les sols minéraux cultivés sont rarement une source mesurable de CH 4 en raison de la qualité de leur drainage. Au contraire, ils sont habituellement un puits pour le CH 4 atmosphérique, car certaines bactéries du sol peuvent réduire le CH 4 pour leurs besoins énergétiques et carbonés. Cette consommation est cependant faible et elle ne devient significative que lorsque de très grandes surfaces de sol sont considérées. Par exemple, il faut entre 300 et 400 hectares de sol bien drainé pour consommer le CH 4 produit par une vache laitière en un an. Des études récentes sur des fermes britanniques ont montré cependant que les sols de certaines zones de la ferme pourraient être des sources appréciables de CH 4. En effet, des émissions considérables ont été mesurées dans des sols humides présents près des structures d entreposage des fumiers et dans les fossés. Des études devront être faites pour déterminer l importance de ces sources sur les fermes canadiennes. Protoxyde d azote (N 2 O) Le protoxyde d azote est un gaz à effet de serre très puissant. En effet, l émission de un kilogramme de N 2 O dans l atmosphère augmente l effet de serre d une valeur comparable à l émission de 310 kg de CO 2. Les activités agricoles produisent plus de la moitié (50 à 80 %) de tout le N 2 O émis par les activités humaines au Canada. En agriculture, le N 2 O est produit lors de deux transformations biologiques de l azote minéral : la nitrification, qui transforme l azote ammoniacal (NH ) en nitrate (NO 3 ), et la dénitrification, qui réduit le nitrate en azote moléculaire (N 2 ). Les quantités de N 2 O produites par ces réactions sont principalement contrôlées par la disponibilité des substrats (NH + 4 et NO - 3 ) et par les conditions environnementales. En agriculture, l azote atmosphérique (N 2 ) entre dans le système sol-plante par la fixation symbiotique, les engrais minéraux et les dépôts atmosphériques. La forme + NH 4 peut être utilisée directement par les plantes. La majeure partie du NH + 4 est toutefois rapidement transformée en NO - 3 en entraînant une faible émission de N 2 O. Une partie du NO - 3 qui n est pas utilisée par les plantes et les microorganismes pourra être dénitrifiée, c est-à-dire réduite en N 2 et relâchée dans l atmosphère. Le N 2 O est un intermédiaire métabolique de la dénitrification qui, pour cette raison, produit environ 10 fois plus de N 2 O par unité d azote transformée que la nitrification. À ce grand cycle de l azote dans le système sol-plante-atmosphère s ajoute un cycle interne sol-plante où l azote des débris organiques (résidus de culture : feuilles, tiges et racines) est minéralisé (transformé en NH + 4 ), nitrifié, réabsorbé par les plantes, reminéralisé, etc. Une partie de l azote minéral libéré dans ce cycle interne est elle aussi source de N 2 O lorsque l azote est nitrifié ou dénitrifié. En plus des sols, les transformations de l azote se produisent durant l entreposage du fumier sous forme solide et dans les bouses déposées au pâturage (Figure 3). Il est intéressant de souligner que les lisiers ne sont pas une source de N 2 O durant leur entreposage. En effet, les conditions anaérobiques de la fosse ne permettent pas la nitrification du NH + 4 produit par l hydrolyse de l urée. 6

7 En absence de nitrification, la dénitrification n est pas alimentée en NO 3 - et émis vers l atmosphère. et très peu de N 2 O est produit Figure 3 : Sources agricoles de protoxyde d azote (N 2 O) au Canada. Les pourcentages indiquent la contribution relative de chaque source aux émissions agricoles. Emissions indirectes 20% N 2 O NH 3 26% Fumiers Fumiers (9%) Résidus de cultures (17%?) Légumineuses (2%?) Fertilisants N (27%) Transformations biologiques de l azote minéral NH 4 + aéré N 2 O NO - 3 N humide 2 Les processus de minéralisation, de nitrification et de dénitrification sont réalisés par des microorganismes. Ce seront donc les conditions prévalant à l échelle cellulaire qui contrôleront ces processus. Les facteurs régissant la nitrification sont les quantités de NH + 4, l oxygène et le CO 2, alors que ceux contrôlant la dénitrification sont la disponibilité en NO - 3, en oxygène et en carbone métabolisable. La quantité d oxygène est critique pour ces trois processus; la nitrification étant un processus aérobie stricte et la dénitrification étant inhibée par la présence d oxygène. Le climat (précipitations, évaporation) et la régie agricole (fertilisation, drainage, irrigation, gestion des résidus de culture et des fumiers, travail du sol) affectent ces facteurs et ont ainsi une influence marquée sur les transformations de l azote et les émissions de N 2 O. Le flux d azote dans le système sol-plante-atmosphère est un cycle naturel et on conçoit qu une certaine quantité de N 2 O serait quand même produite si les surfaces cultivées étaient laissées à la végétation naturelle. On estime que la part des émissions attribuables à l agriculture est proportionnelle aux quantités d azote ajoutées aux surfaces cultivées. Le Groupe d'experts Intergouvernemental sur l Évolution du Climat (GIEC), organisme créé par l Organisation Mondiale de Météorologie pour étudier les questions reliées aux changements climatiques, suggère que 1,25 % 7

8 de l azote ajouté aux systèmes agricoles par la fixation symbiotique, les engrais minéraux, les fumiers et les résidus organiques est perdu vers l atmosphère sous forme de N 2 O. Aux émissions de N 2 O à partir des surfaces cultivées s ajoutent les émissions venant d écosystèmes non agricoles mais alimentés par de l azote d origine agricole. On estime qu au Canada, environ 20 % des émissions attribuables à l agriculture sont émises hors des terres agricoles à partir de nitrates lessivés et exportés vers les cours d eau et à partir d ammoniac volatilisé à la surface des terres et redéposé ailleurs. La contribution substantielle des émissions agricoles de N 2 O en milieu naturel souligne l importance, pour l agriculture, de bien contrôler ses stocks d azote si elle veut contribuer aux objectifs nationaux de réduction des émissions de GES. Les fortes émissions de N 2 O se produisent par épisodes. Le plus souvent, elles surviennent lorsque la faible concentration d oxygène dans le sol favorise la dénitrification. Ces conditions sont observées après une pluie alors que la diffusion des gaz dans la couche superficielle du sol est réduite par la présence d eau dans les macropores du sol, les gaz diffusant environ fois moins vite dans l eau que dans l air. L oxygène consommé par l activité biologique du sol ne peut alors être renouvelé par l oxygène atmosphérique, et les conditions anaérobies se développent rapidement. Une activité biologique intense causée, par exemple, par l ajout de matières organiques fertilisantes (fumier) peut aussi induire des conditions anaérobies localisées. Les pratiques agricoles permettant de diminuer le N 2 O produit dans les sols agricoles visent à réduire les volumes d azote dénitrifié. On vise donc essentiellement à éviter l accumulation de nitrates libres et le développement de conditions anaérobies. La gestion des nitrates dans le sol peut être optimisée en synchronisant la disponibilité des nitrates avec les besoins nutritifs des plantes. On peut atteindre cet objectif en évitant les doses excessives d engrais et de fumier (analyses de sol, grilles de fertilisation, précédents culturaux), en les appliquant au moment opportun (printemps plutôt qu automne) ainsi qu en fractionnant (semis et post-levée plutôt qu une application unique) et en localisant (en bandes plutôt qu à la volée) leur application. Le semis de cultures de couverture, après les récoltes, et la réduction de la pratique de la jachère d été (région des prairies) sont aussi de bonnes mesures pour éviter la présence de niveaux élevés de nitrates dans le sol. Le risque de développement de conditions anaérobies dans le sol peut, quant à lui, être réduit par un drainage adéquat et une gestion efficace de l irrigation. La pratique du travail minimal du sol, par contre, augmente la densité apparente et peut, dans certains sols, réduire l aération et conduire à des émissions accrues de N 2 O. Plusieurs projets de recherche sont en cours au Centre de recherche d Agriculture et Agroalimentaire Canada à Sainte-Foy pour quantifier les sources de N 2 O associées aux pratiques culturales québécoises et proposer les meilleurs choix de mode de production pour en limiter les émissions. 8

9 Dioxyde de carbone (CO 2 ) Le dioxyde de carbone ou gaz carbonique (CO 2 ) est de loin le gaz à effet de serre le plus abondant. Au Canada, la grande consommation des combustibles fossiles pour le chauffage des bâtiments, le transport, les procédés industriels et la production d électricité (Ouest canadien) engendre des émissions atmosphériques représentant plus de 75 % des émissions totales de GES. L activité agricole ne contribue que très peu à ces émissions car la consommation énergétique des fermes est relativement faible par rapport aux autres activités canadiennes. Les surfaces agricoles, tout comme les forêts, jouent cependant un rôle très actif dans les échanges de CO 2 entre l atmosphère et la biosphère. Le carbone dans les systèmes sol-plante agricoles se retrouve dans deux pools principaux : la biomasse végétale et la matière organique du sol (MOS). La photosynthèse nette des cultures agricoles fixe annuellement de grandes quantités de CO 2 atmosphérique. Elle peut atteindre jusqu à 8 tonnes de carbone par hectare par an pour une culture de maïs (entre 15 et 20 tonnes de matière sèche). La biomasse végétale ainsi produite ne représente cependant pas un pool de carbone durable comme le sont les arbres des forêts. En effet, les produits végétaux (grains, fourrages, denrées alimentaires) sont récoltés et exportés pour nourrir les animaux ou l être humain qui les oxydent et les retournent plus ou moins rapidement à l atmosphère sous forme de CO 2. Seuls les résidus de culture (paille et racines) sont laissés sur place où ils alimentent la MOS. Une fois retournés au sol, les résidus et amendements organiques sont soumis à l attaque des organismes décomposeurs. Les processus de décomposition, bien que dominés par les microorganismes du sol, sont le résultat d interactions complexes entre la faune, les champignons et les bactéries. Durant la décomposition, des molécules complexes sont brisées en molécules plus petites qui sont éventuellement oxydées en CO 2 pour produire de l énergie et du carbone pour la croissance de ces organismes. Le taux de décomposition est contrôlé par la qualité et la quantité des substrats organiques et par les conditions physicochimiques du sol comme la disponibilité de l azote, la température, l humidité, le ph et l aération. La contribution nette des écosystèmes agricoles aux émissions de CO 2 correspond aux changements de stocks de MOS, c est-à-dire à la différence entre les quantités annuelles de carbone ajoutées au sol par les résidus de culture et celles perdues par oxydation (Figure 4). 9

10 Figure 4 : Sources et puits agricoles de dioxyde de carbone (CO 2 ) au Canada. Photosynthèse CO 2 Produits = Résidus Matière organique du sol Décomposition La matière organique des sols représente le seul pool durable de carbone dans les écosystèmes agricoles. Ce pool n est cependant pas statique; il évolue en fonction des différences entre les quantités de matière organique ajoutées (résidus de culture, fumier et autres amendements) et celles perdues par décomposition. Lorsque les mêmes pratiques agricoles sont utilisées pendant une période prolongée, les processus de décomposition dans le sol atteignent un équilibre avec les quantités de résidus apportées, et le bilan net annuel de CO 2 entre le sol et l atmosphère est nul. On estime que les sols agricoles canadiens sont présentement très près de cet équilibre. C est la raison pour laquelle on attribue actuellement si peu d émissions de CO 2 au secteur agricole. Cet état est cependant relativement récent puisqu au cours des 100 dernières années, de grandes quantités de CO 2 ont été émises par le défrichement ou la mise en culture de grandes superficies de terre, principalement dans la région des Prairies. Ces pertes sont attribuables à la destruction de la biomasse végétale aérienne et aux conditions de sol plus favorables à la décomposition dans les sols cultivés par rapports aux écosystèmes naturels. Au Canada, on estime que l adoption de nouvelles pratiques agricoles permettrait de restaurer en partie la MOS perdue à la suite de la mise en culture, et de stocker par le fait même une certaine quantité de CO 2 atmosphérique. Les pratiques agricoles qui augmentent la MOS visent essentiellement à en diminuer le taux de décomposition ou à augmenter les quantités de résidus de culture retournés au sol. Le taux de décomposition de la MOS peut être diminué en réduisant les superficies en jachère d été, où les conditions de température et d humidité du sol sont habituellement plus favorables à l activité des décomposeurs que dans les sols en culture. Le travail minimal du sol est aussi fréquemment associé à une plus faible décomposition de la MOS. L efficacité de cette pratique varie cependant en fonction du type de sol et du climat. Ainsi, les bénéfices du travail minimal 10

11 du sol seraient plus grands dans la région des Prairies que dans le centre et l est du Canada. Le retour au sol des résidus de cultures peut, quant à lui, être accru par l augmentation des rendements (gestion de l eau, des éléments nutritifs, etc.), par une meilleure gestion du pâturage des prairies, par des choix de cultures (maïs-grain versus maïs à ensilage, ne pas récolter le paille, etc.), par l augmentation de la présence de cultures pérennes dans les rotations et par la diminution de la fréquence de la jachère et du brûlage des résidus. Le stockage de CO 2 atmosphérique dans les écosystèmes agricoles peut aussi être augmenté par la plantation de brise-vent, par la naturalisation de terres agricoles marginales et par l utilisation des résidus de cultures pour la fabrication de biens durables ("strawboard"). L éthanol produit à partir de biomasse agricole constitue un substitut aux combustibles fossiles et peut ainsi contribuer à une diminution nette des émissions de CO 2. Le Centre de recherche d Agriculture et Agroalimentaire Canada de Sainte-Foy contribue activement aux travaux canadiens dans le but de comprendre la dynamique de la matière organique du sol et de déterminer comment l adoption de certaines pratiques peuvent conduire à une augmentation de la teneur en matière organique des sols agricoles. CONCLUSION L agriculture canadienne émettait, en 1996, environ 10 % (55 à 70 Mt équiv.-co 2 ) des émissions nationales de gaz à effet de serre. On estime que l augmentation du nombre d animaux de ferme et l intensification de l agriculture résulteront en une augmentation de 20 % des émissions agricoles d ici 2010 si les pratiques actuelles sont maintenues. Or, si on considère que la cible d émissions de GES fixée pour la période par le protocole de Kyoto est de 6 % inférieure aux émissions de 1990, l agriculture devra, si elle veut contribuer à l atteinte de cet objectif, modifier de façon significative ses pratiques d élevage et de culture. Il s agit là d un défi de taille, en raison du grand nombre de producteurs agricoles, des contrastes entre les conditions environnementales (sol, climat) et des différences importantes entre les systèmes de production qu on retrouve dans les différentes régions du Canada. Les scénarios les plus optimistes laissent cependant envisager que l agriculture serait en mesure, surtout par le stockage de matière organique dans le sol, de rencontrer et même de dépasser cet objectif. Certains développements tels que la possibilité pour les agriculteurs de vendre des économies d émissions de GES réalisées sur leur ferme, viendront peut-être motiver les efforts du secteur agricole. Cependant, le meilleur allié dans cette démarche demeure vraisemblablement le fait que les actions envisagées pour réduire les émissions de GES sont, en grande partie, des pratiques qui résultent aussi en une production agricole plus efficace et plus respectueuse de l environnement. 11

12 RÉFÉRENCES DESJARDINS, R.L. et R. RIZNEK Bilan des gaz à effet de serre d origine agricole. McRae, T., C.A.S. Smith, et L.J. Gregorich (éd.). L agriculture écologiquement durable au Canada : rapport sur le Projet des indicateurs agroenvironnementaux Résumé, Agriculture et Agroalimentaire Canada, Ottawa. 14 pages. ENVIRONNEMENT CANADA Inventaire canadien des gaz à effet de serre , pratiques et méthodes d estimation des émissions et de l absorption. Direction des données sur la pollution, Direction générale de la prévention de la pollution atmosphérique, Environnement Canada. 98 pages. IPCC Greenhouse gas reference manual: revised 1996 IPCC guidelines for national greenhouse gas inventories. JANZEN, H.H. et autres La santé de l air que nous respirons. Direction Générale de la recherche, Agriculture et Agroalimentaire Canada. Ottawa. 100 pages. MINISTÈRE DE L ENVIRONNEMENT DU QUÉBEC Plan d'action québécois sur les changements climatiques. 12