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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1 Effets du travail du sol sur les cycles biogéochimiques (azote et carbone) Jean-Pierre COHAN ARVALIS Institut du végétal et Bruno MARY INRA

2 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)

3 Nutrition N des cultures Avec l eau = 1 er facteur limitant de la production (hors légumineuses) Enjeu de l estimation des fournitures N par le sol Prix recomposés à partir de sources diverses. Des différences peuvent apparaître sur le terrain 1) Problématique Sources : ARVALIS, OEA, ODA Recours aux engrais minéraux Tendance haussière des prix Nécessité de trouver des alternatives pour assurer la production

4 Etapes de la culture (mécanisation +intrants) Travail du sol et entretien de la parcelle Semis Fertilisation NPK Protection phytosanitaire Récolte 1) Problématique Transfert de NO 3 - dans les aquifères 5 ème programme de la Directive Nitrates Colza - Blé tendre d'hiver - Orge de printemps (Beauce) 3% 1% 2% 2% Emission de NH 3 et NOx dans l atmosphère Directive NEC/Plan particules Emissions de gaz à effet de serre (kg équivalent CO2/ha) (part dans l'émission totale) Colza Blé tendre hiver Orge printemps 93% Sources : CITEPA 2013 Emissions de gaz à effet de serre Agriculture émettrice de 84% du N 2 O en France (CITEPA 2011; fort poids de la fertilisation N) Mais aussi stockeuse de C dans les sols Sources : ARVALIS MALAVAL PA 339

5 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

6 Définitions 1) Problématique 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?

7 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 pour Boigneville NS 5% (méthode des couples Effet sur la minéralisation d azote : Température en sortie hiver/printemps : 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? Mh = Vp * JN Grandes interrogations terrain 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 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

8 2) Travail du sol et flux d azote 22) Pertes par lixiviation du nitrate 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 Pb d implantation NS 5% (méthode des couples Revue biblio. Le Souder et al. 2007

9 2) Travail du sol et flux d azote 23) Pertes par volatilisation d ammoniac Sommers et Hutchings 2001 CASDAR Volat NH3 Cohan et a HS 5% (méthode des couples 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. 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)

10 2) Travail du sol et flux d azote 24) Efficacité d absorption de l azote minéral par la plante Biblio + essais ARVALIS-ITCF-CETIOM NS 5% (méthode des couples Précocification des apports en TCS = - 2 q/ha (S 5%) 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) Cohan et al essais OP et OH ARVALIS, CA21 et GEDA de la Tille

11 3) Travail du sol et stockage de carbone Un effet sans doute positif mais qui reste controversé Le leitmotiv des années : 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 Stock absolu t C/ha

12 3) Travail du sol et stockage de carbone Années : 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

13 Comparaison des 3 méta-analyses récentes Angers et al (2008) Luo et al (2010) Virto et al (2011) Sélection Nb de sites Nb de traitements Nb moyen années Résultats Supplément de stock en semis direct SOC (t/ha) Effet Sol non non Effet Climat non non non Effet Durée oui non non Effet apports C oui oui Effet Profondeur FIT>NT FIT>NT 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!

14 Distribution relative du carbone dans le profil de sol Profondeur (cm) Différence relative (NT-FIT)/FIT Différence absolue (t C/ha) -100% -50% 0% +50% +100% Angers et al (2008) Luo et al (2010) Stockage de C en surface (0-10 cm) mais déstockage en profondeur (15-50 cm)

15 Quels facteurs de stockage? 1. La durée de travail réduit continu 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

16 Quels facteurs de stockage? 2. La différence de restitutions de résidus de récolte Stocks (NT-FIT)/FIT Restitutions de C (NT-FIT)/FIT Luo et al (2010) Rôle favorable du semis direct lorsque les rendements sont accrus et réciproquement

17 Quid des références en France? Un petit nombre d essais de longue durée Un essai particulièrement important : Boigneville - Essai A «travail du sol» ans - Essai B «travail du sol irrigué» ans - Essai C monoculture de maïs ans - Essai D monoculture de blé ans - Essai E «environnement» ans Suivi dans le temps Forte densité d échantillonnage

18 Essai D Boigneville Essais «travail du sol» Essai C Rotation (M/B) Essai A Rotation (BS/B/FH/OP) Essai E Environnement Essai B

19 Boigneville Evolution des stocks de C (0-30 cm) pendant 41 ans Essai A Dimassi et al (2014) Une augmentation modérée des stocks au cours du temps Des variations autour de cette tendance : réelles ou non? (Dimassi et al, 2014)

20 SOC (t ha-1) Boigneville Evolution du stockage de C dû à la réduction du travail du sol (écart par rapport à la conduite en labour) 6 Travail ST-FIT superficiel 6 NT-FIT Semis direct 4 Travail superficiel 4 Semis direct 2 0 SOC (t ha-1) -2-2 Essai A Essai A -4-4 Essai B Essai B Essai E 1991, début essai E 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

21 Variation de stock (t C/ha/an) Boigneville Le stockage/déstockage dû au semis direct dépend du climat Espagne (Blanco-Moure et al, 2013) 0.5 Boigneville (Dimassi et al, 2014) Pluviométrie (mm/an) (NT-FIT)/FIT 0.40 Dimassi et al (2014) Pluviométrie annuelle (mm) En année sèche, le travail réduit stocke du C En période humide, il déstocke du C Abscisse : pluie + irrigation

22 soil mass (t/ha) 600 (~0-5 cm) 700 (~5-10 cm) 2640 (~10-Y cm) 4060 (~0-Y cm) 4700 (~0-35 cm) Alternance du mode de travail du sol Boigneville, essai E : 6 ans après conversion SOC stocks (t/ha) * NT NFIT Après 6 ans de conversion semis direct labour, Dimassi et al (2013) 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

23 4) Travail du sol et émission de GES Trois principaux GES d origine agricole : CO 2 CH 4 N 2 O Concentration actuelle (ppm) Pouvoir de réchauffement

24 Emissions de CO 2 Quel lien entre émissions de CO 2 et variations de stock de C? Plantes annuelles : Flux net CO 2 = - SOC + C restitué Différence NT-FIT : CO 2 = - SOC + C restitué Pour un rendement identique, l émission de CO 2 est le complément du C stocké dans le sol

25 Emissions de N 2 O Facteurs de nitrification : Aération du sol Quantité ammonium Facteurs de dénitrification : Humidité du sol Compactage Température Nitrate ph acide Résidus en mulch C organique en travail réduit en travail réduit en travail réduit en semis direct en travail réduit

26 Tous Meta-analyse de van Kessel et al (2012) : effet ancienneté < 10 ans > 10 ans Climat humide Climat sec < 10 ans > 10 ans < 10 ans > 10 ans Emissions de N 2 O En climat humide peu de différence entre TCS et labour En climat sec travail réduit N2O à court terme N2O à long terme Variation relative par rapport au labour

27 Bilan GES à Boigneville Emissions en kg CO2/ha/an Labour Travail superf. Semis direct N2O sol CO2 sol CO2 méca Bilan

28 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 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

29 Conclusions sur les impacts du travail du sol sur le bilan GES Les émissions de N 2 O 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 N 2 O 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