Observatoire de la lixiviation du nitrate en agriculture biologique Réseau ABAC (bassin de la Seine)

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1 Observatoire de la lixiviation du nitrate en agriculture biologique Réseau ABAC (bassin de la Seine) M. Benoit*, J. Garnier, G. Billen, B. Mercier, A. Martinez, A. Azougui UMR Métis, UPMC 4 ème séminaire du DIM Astréa sur la recherche en agriculture biologique en Ile-de- France 29 mars 2016

2 Le basin de la Seine : un lieu de production La production d eau Bassin Seine 3 millions m 3 d eau prélevé par an 56% eau potable, 18% energie, 23% industrie, 3% agriculture Directive nitrate: 11 mg N l -1 ( = 50 mg NO 3- l -1 ) Condamnation de la France (2013, 2014) La production agricole conventionnelle 90% SAU en grandes cultures céréalières 34% production nationale de céréales 50% blé dans les rotations (Agreste, 2012) Zone Vulnerable Carte des zones vulnérables françaises (Nitrate directive, EU 2012) Blé (au choix) Blé ou Orge betterave maïs colza pois 2 Majeurs rotations conventionnelles (d après Schott et al, 2011) Comment concilier production agricole et préservation de la qualité de l eau?

3 L agriculture biologique en grandes cultures France 4,1% SAU (2014) 4 ème surface bio pays européen Bassin de la Seine Bassin Seine Surface Agricole Utile (SAU) <1% 1-2 % 2 4% 4-6% 6-10% > 10% SAU bio < 2 % SAU 94 % grandes cultures (Agreste, 2012) rotation avec 30-50% légumineuses (± fertilisation organique) désherbage mécanique Europe Littérature scientifique: bio & environnement biodiversité, activités biologiques, matières organiques, eau controverses pour les fuites d azote (N) 0 pesticide 0 azote minérale Fall Blé Leg CC Organic farming in France 8 ans 6 ans An 1 Cer Cer Luz1 Luz2 Blé An 3 An 2 Leg CC Blé Cer Cer CC Leg Blé (Stolze et al. 2000; Mondelears et al. 2009) Les deux rotations biologiques typiques en Ile-de-France Luz : luzerne Cer : céréale, Leg : légumineuse (Rotab, 2010) 3 Quelles sont les fuites d azote des agrosystèmes biologiques dans le bassin de la Seine?

4 Les différentes phases du réseau ABAC Phase 1 ( ) - Initialisation dans une exploitation agricole mixte (AB/AC) Mesures des émissions de protoxyde d azote (N 2 O) et de la lixiviation du nitrate (NO 3 ) dans une exploitation mixte du bassin de l Orgeval (Seine-et-Marne) pendant trois années climatiques. Phase 2 ( ) Lancement du réseau ABAC Comités de pilotage du réseau ABAC Etude de huit systèmes biologiques et conventionels sur une année climatique Phase 3 ( et ) Agrandissement du réseau ABAC Comparaison des fuites d azote de quatorze systèmes sur deux années climatiques Réseau de mesures en cours 4

5 Le réseau ABAC : lixiviation d azote dans des exploitations agricoles Objectifs : quantifier les fuites d azote dans différents systèmes de cultures Carte lithologique du bassin de la Seine Classification des systèmes de cultures par pôles Pôles AB AC mixte (AB/AC) S&M_Orgeval AB1 AC1, AC2 AB2/AC3 S&M_Provins AB3 AC4, AC5 Oise Paris S&M_Orgeval S&M_Provins Oise AB4 AC6 AB5/AC7 Yonne AB6 AC8 Total 6 8 argileux calcaire crayeux sableux Agriculture Conventionnel Yonne Agriculture Biologique Systèmes Agriculture Biologique (AB) Rotations avec luzerne ± intercultures (IC) Fertilisation organique (0 à 30 kgn/ha/an) Avec labour 5 Systèmes Agriculture Conventionnelle (AC) Rotations 2-4 ans ± intercultures (IC) Fertilisation minérale (solution azotée, ammonitrate) ± organique (110 à 200 kgn/ha/an) Avec/sans labour

6 Des apports d azotes avec différentes intensités Agriculture Biologique Carte lithologique du bassin de la Seine Apports d azote (kg N ha -1 an -1 ) Faible 110 Moyen 160 Fort Oise Légumineuses 3 S&M_Orgeval + Azote organique 2 1 Paris Agriculture Biologique S&M_Provins Agriculture Conventionnelle argileux calcaire Yonne Apports d azote (kg N ha -1 an -1 ) Faible 110 Moyen 160 Fort crayeux sableux Azote minéral 1 2 Agriculture Conventionnel Agriculture Biologique + Azote organique 1 4 Une large variabilité d intensité de fertilisation azotée pour les deux systèmes 6

7 Les étapes annuelles du réseau ABAC 2. Installation des bougies poreuses et prélèvements de sol 1. Contact Agriculteur 3. Prélèvements des échantillons d eau 6. Rapports Et communications 4. Analyses des données 7 5. Retrait des bougies poreuses

8 Les étapes annuelles du réseau ABAC 1. Contact Agriculteur 2. Installation des bougies poreuses et prélèvements de sol 63 parcelles équipées soit environ 400 bougies 3. Prélèvements des échantillons d eau 6. Rapports Et communications 4. Analyses des données 8 5. Retrait des bougies poreuses

9 Les étapes annuelles du réseau ABAC 2. Installation des bougies poreuses et prélèvements de sol 1. Contact Agriculteur 3. Prélèvements des échantillons d eau moy. 9 prélèvements soit 4000 analyses 6. Rapports Et communications 4. Analyses des données 9 5. Retrait des bougies poreuses

10 Les étapes annuelles du réseau ABAC 2. Installation des bougies poreuses et prélèvements de sol 1. Contact Agriculteur 3. Prélèvements des échantillons d eau Rapports Et communications 5. Retrait des bougies poreuses 4. Analyses des sols reliquats entrée et sortie d hiver 3 profondeurs

11 Les étapes annuelles du réseau ABAC 2. Installation des bougies poreuses et prélèvements de sol 1. Contact Agriculteur 3. Prélèvements des échantillons d eau 6. Rapports Et communications 4. Analyses des données Retrait des bougies poreuses

12 mgno3 l -1 Lixiviation pendant la période de drainage Période de drainage Décembre à mars : 4 mois Flux sous les cultures d hiver ou intercultures (cultures printemps) Impacts direct fertilisation organique + minéralisation automnale Fertilisation organique Fertilisation minérale Sept Dec Mars Aout-Sept Mars Aout-Sept C. d hiver Interculture C. printemps Période de drainage 1 Période de drainage 2 Chronologie des itinéraires techniques par rapport aux périodes de drainage Mesures dans les bougies poreuses 6 bougies verticales dans le rang Coefficient de variations 56% Mise en relation avec les lames d eau d j f m mg NO 3 l n d j m a Evolution des concentrations sous-racinaires sur une parcelle en et

13 Lixiviation pendant la période de drainage Période de drainage Données climatiques locales Caractéristiques du sol par pôle structure, réserves utiles de 190 à 240 mm fonction de pédotransfert (Bruand et al., 2004) Initialisation à l installation des bougies (Stics) Equipement de l ensemble de la rotation dans l exploitation Lames drainantes (LD) sur période drainage Variations inter-sites Variations interannuelles LD : < sauf Orgeval Lixiviation = Concentrations sous-racinaires (CSR) x Lame drainante (LD) Lame d eau sur la période de drainage avec 13

14 Résultats des concentrations sous-racinaires selon les rotations types Présentation des résultats 1. Approches par cultures rotations typiques Approches par pratiques agricoles gestion automnale des cultures 3. Approches par exploitation agricole analyse systémique

15 Résultats des concentrations sous-racinaires selon les rotations types (a) 200 Agriculture biologique mg NO 3 l luzerne 1 (n=9) luzerne 2 (n=4) luzerne 3 (n=4) blé d'hiver (n=10) céréales 2nd (n=8) cultures printemps (n=19) blé d'hiver (n=12) céréales 2nd (n=11) 15

16 Résultats des concentrations sous-racinaires selon les rotations types Agriculture biologique Agriculture conventionnelle (a) 200 (b) 200 mg NO 3 l mg NO 3 l luzerne 1 (n=9) luzerne 2 (n=4) luzerne 3 (n=4) blé d'hiver (n=10) céréales 2nd (n=8) cultures printemps (n=19) blé d'hiver (n=12) céréales 2nd (n=11) 0 colza (n=3) blé (n=10) cultures printemps (n=19) blé (n=7) céréales 2nd (n=4) 16

17 Résultats des concentrations sous-racinaires selon les rotations types Agriculture biologique Agriculture conventionnelle (a) 200 (b) 200 mg NO 3 l mg NO 3 l luzerne 1 (n=9) luzerne 2 (n=4) luzerne 3 (n=4) blé d'hiver (n=10) céréales 2nd (n=8) cultures printemps (n=19) blé d'hiver (n=12) céréales 2nd (n=11) 0 colza (n=3) blé (n=10) cultures printemps (n=19) blé (n=7) céréales 2nd (n=4) Concentrations sous-racinaires < 50 mgno 3 /l (norme de potabilité) : - sous couverts de luzerne - colza - intercultures qui précédent les cultures de printemps 17 Absorption racinaire automnale

18 Résultats des concentrations sous-racinaires selon les rotations types Agriculture biologique Agriculture conventionnelle (a) 200 (b) 200 mg NO 3 l mg NO 3 l luzerne 1 (n=9) luzerne 2 (n=4) luzerne 3 (n=4) blé d'hiver (n=10) céréales 2nd (n=8) cultures printemps (n=19) blé d'hiver (n=12) céréales 2nd (n=11) colza (n=3) Concentrations sous-racinaires > 50 mgno 3 /l (norme de potabilité) : blé (n=10) cultures printemps (n=19) blé (n=7) céréales 2nd (n=4) - Blé post-luzerne et post-légumineuses - Cultures fertilisées à l automne via des engrais organiques Apports des légumineuses - Blé post-colza Gestion automnale -18 Céréales secondaires

19 Résultats des concentrations sous-racinaires selon les rotations types Agriculture biologique Agriculture conventionnelle (a) 200 (b) 200 mg NO 3 l mg NO 3 l luzerne 1 (n=9) luzerne 2 (n=4) luzerne 3 (n=4) blé d'hiver (n=10) céréales 2nd (n=8) céréales 2nd (n=11) cultures printemps (n=19) blé d'hiver (n=12) 0 colza (n=3) blé (n=10) cultures printemps (n=19) blé (n=7) céréales 2nd (n=4) Moyennes à l échelle des rotations typiques Rotation typique AB : 38 ± 24 mg NO 3.l -1 AC : 52 ± 35 mgno 3.l -1 19

20 Résultats des concentrations et lixiviation par pôles Rendements moyens (tdm ha -1 an -1 ) and N récoltés (kgn ha -1 an -1 ) dans les rotations AB et AC typiques en AB Rendements N récolté tdm ha -1 an -1 kg N ha -1 an -1 Luzerne ± 51 Luzerne ± 97 Luzerne ± 0 Blé ± 30 Céréales 2 nd ± 16 IC + légumineuses ± 41 Blé ± 17 Céréales 2 nd ± 24 AC Rendements N récolté tdm ha -1 an -1 kg N ha -1 an -1 Blé ± 22 Maïs ± 35 Colza ± 21 Betterave ± 3 Orge ± 25 Moyenne ± 34 Moyenne ± 21 Pas de différence significative d azote récolté, mais AB 73% en fourrage 20

21 Les impacts des produits résiduaires organiques sur les concentrations concentrations sous-racinaires (mg NO 3 l -1 ) 250 Sans intercultures résidue de méthanisation 200 lisier fumier composté fiente et compost engrais organiques avant IC 50 avec intercultures N apporté (kg N ha -1 ) Mesures des concentrations sous-racinaires (mgno 3 /L) en fonction des doses et des types de produits organiques résiduaires (PRO) (kgn/ha) apportés à l automne avec/sans présence d interculture (IC). Pertes azotés varient en fonction des pratiques automnales (AB/AC) : - Type de PRO : digestat, lisier > fiente > compost - Date d application (août, septembre) - Présence d intercultures

22 Résultats des concentrations et lixiviation par pôles Concentrations sous-racinaires Moyenne EA et AB : 37 ± 9 mgno 3 l kgn ha -1 AC : 48 ± 19 mgno 3 l kgn ha -1 soit une diminution de -23% en AB 22

23 Quantification des flux de nitrate pour réconcilier production agricole et qualité de l environnement Rapport AB/AC (%) à différentes échelles spatio-temporelles Lixiviation NO 3-28 % Une exploitation mixte (3 ans) -23 % Réseau ABAC (2 ans) -38% Littérature UE Sources Korsaeth et al. 2000; ; Kristensen et al. 1994; Berg et al. 1998; Haas et al. 2002; Stopes et al. 2002; Hansen et al AB réduit en moyenne les pertes d azote entre 23% et - 38 % dans l environnement 23 23

24 Bilan du réseau ABAC Les facteurs de variations des pertes d azote par lixiviation PRATIQUES AGRICOLES Cultures et intercultures (IC) Gestion des légumineuses (Benoit et al., 2014; Angalde et al., 2014) Implantation des IC (date de semis, retournement, variétés) (Justes et al, EsCo INRA) Un développement précoce des cultures (luzerne, colza, IC) Possibilité de limiter les pertes par une adaptation des successions de cultures Fertilisation organique et minérale Apports précoce (août) ou tardif (mars) permettent de limiter les risques Apports selon les cultures (IC > blé) Limiter les pertes par une meilleure gestion des apports organiques + minéraux La gestion des légumineuses Dates de destruction, résidus laissés au sol 24

25 Bilan du réseau ABAC CONTEXTES PÉDOCLIMATIQUES Les sols peu profond et % sable augmentent les risques de lixiviation (Beaudoin et al., 2005) Lame drainante faible concentrations élevées (hyp. faible dilution) Lame drainante forte lixiviation élevée (flux d eau important) Evolution des CSR obs (bleue) et simulée à la base du profil de sol ou horizon bougies (Stics) LIMITES & PERSPECTIVES Représentativité des exploitations suivies Modifications des pratiques par les agriculteurs Modélisation à l échelle du bassin de la Seine (PIREN-Seine) 25

26 Application du modèle au bassin de la Seine et aux bassins côtiers normands 1. Une simulation de la situation de référence, avec les apports diffus de l agriculture et les apports ponctuels des stations d épurations de la période étudiée 2. Des scénarios avec : - une agriculture raisonnée (application des préconisations du COMIFER et implantation de CIPAN, avant les cultures de printemps - une agriculture Bio prenant en compte les concentrations sousracinaires mesurées, sur tout le bassin de la Seine - une agriculture Bio sur les aires d alimentation de captage (AAC) 26

27 conc lessivage, mgn/l Présentation Matériels & méthodes Résultats Conclusions & perspectives Les données d entrées au modèle : les concentrations sous-racinaires Concentrations sous-racinaires = concentration de recharge des nappes Référence Agri raisonnée Agri Bio Loc biologique Dem 0 Lame d eau moyenne Des effets différenciés selon les régions Une diminution notable avec la réglementation, mais > 11 mgn/l L agriculture biologique conduit à une qualité de l eau au dessous de la norme partout

28 Le bassin de la Seine, les bassins côtiers normands et les AAC 28

29 La Seine à Poses : simulations par le modèle Riverstrahler - Des effets semblables sur les eaux de surface - L agriculture Bio sur les AAC améliore encore la qualité de l eau par rapport à l agriculture raisonnée, mais les AAC ne représentent que % en moyenne 29

30 Merci pour votre attention! 4 ème séminaire du DIM Astréa sur la recherche en agriculture biologique en Ile-de- France 29 mars 2016

31 Références bibliographiques Benoit M., J. Garnier, J. Anglade, G. Billen (2014). Nitrate leaching from organic and conventional arable crop farms in the Seine Basin (France). Nutrient Cycling in Agrosystems Benoit M., J. Garnier, G. Billen, J. Tournebize, E. Gréhan, B.Mary (2015). Nitrous oxide emissions and nitrate leaching in an organic and a conventional cropping system. Agriculture, Ecosystems & Environment Benoit M., J. Garnier, N. Beaudoin, G. Billen (accepté). A network of organic and conventional crop farms in the Seine Basin (France) for evaluating yield and nitrate leaching. Cropping system Billen G., J. Garnier, M. Benoit, J. Anglade (2013). La cascade de l azote sur les territoires de grandes cultures dans le nord de la France. Cahier Agriculture, 22 : Garnier J., G. Billen, G. Vilain, M. Benoit, P. Passy, G. Tallec, J. Tournebize, J. Anglade, C. Billy, B. Mercier, P. Ansart, M. Sebilo, C. Kao (2014). Curative vs. preventive management of nitrogen transfers in rural areas: lessons from the case of the Orgeval watershed (Seine River basin, France). J. Environmental Management. Site de présentation du réseau ABAC 4 ème séminaire du DIM Astréa sur la recherche en agriculture biologique en Ile-de- France 29 mars