ASSISES EA 2015 Département Environnement et Agronomie ENJS4 : BOUCLAGES DES CYCLES N ET P, STOCKAGE DU CARBONE DANS LES SOLS Safya Menasseri, Sabine Houot Dominique Patureau, Arnaud Hélias, Virginie Parnaudeau, Olivier Thérond Q2 : Quelles nouvelles questions de recherche pose l approche territoriale et/ou par filière du recyclage? Introduction : le recyclage agricole aujourd hui Les effluents d élevage, boues d épuration, déchets organiques urbains et effluents industriels constituent des sources d'éléments fertilisants et de matière organique pour fertiliser ou amender les sols agricoles. Les effluents d élevage sont largement majoritaires et leur épandage sur les terres agricoles est une pratique traditionnelle pour fertiliser les sols. Cette pratique s est étendue à d autres sources de matières organiques exogènes au sol et d origine résiduaire provenant d activités urbaines et industrielles. Cette pratique permet le retour au sol et la valorisation par les cultures des éléments minéraux que contiennent ces matières d origine résiduaire. La grandes majorité de ces matières sont de nature organique, regroupées sous l appellation de Produits Résiduaires Organiques (PRO) et peuvent contribuer à l entretien des stocks de matière organique dans les sols, améliorant les propriétés des sols liées à leur teneur en matière organique. La valorisation en agriculture de ces matières pourrait donc participer au bouclage des cycles biogéochimiques des éléments majeurs et contribuer à la mise en place d une économie circulaire territoriale. Il faut néanmoins s assurer de l innocuité de la pratique et veiller à ce que les flux de contaminants minéraux, organiques ou biologiques ne constituent pas des trade-off aux intérêts du recyclage. Actuellement, on évalue à 121 millions de tonnes de matières brutes de PRO épandus sur 25% de la SAU (soit une pression de 17 t MB/ha SAU an) et 148 millions de tonnes de matières brutes d effluents d élevage constituant les émissions directes au pré. La pression d épandage est donc forte et représente déjà 39% du N, 70% du P et 82% du K apportés en fertilisation. Les effluents d élevage représentent 94% des PRO épandus et on constate une forte hétérogénéité de distribution sur le territoire national avec des régions en excédent structurel (grand Ouest par exemple) et des régions déficitaires en ressource (Bassin Parisien par exemple). Concernant les ressources de PRO classiquement recensées, le recyclage agricole représente déjà 15 à 100% des ressources disponibles. Evolution du contexte Aujourd hui, l agriculture évolue vers l agroécologie et on cherche à développer l économie circulaire confirmant l intérêt du recyclage en vue de se substituer potentiellement aux engrais de synthèse (N) ou de sources non renouvelables (P). Le plan EMAA (Energie Méthanisation Autonomie Azote) incite au développement de la méthanisation pour produire de l énergie, générant un sous-produit riche en éléments fertilisants : les digestats. Le retour au sol de matières organiques peut contribuer à l augmentation des stocks Institut National de la Recherche Agronomique Centre de Recherche Val de Loire 2163 av. de la Pomme de Pin CS 40001 Ardon - 45075 ORLEANS cedex 2 Courriel : departea@orleans.inra.fr www.ea.inra.fr
de matière organique des sols, participant ainsi à la compensation des excès d émission de gaz à effet de serre. De nouvelles matières apparaissent avec le développement des énergies renouvelables et l incitation au recyclage : digestats mais aussi cendres de biomasse bois, sédiments de curage Cette approche d économie circulaire se fait à l échelle territoriale, nécessitant de prendre en compte les contraintes du milieu physique, les éléments du fonctionnement socio-économiques du territoire (acteurs, activités économiques, flux intra et aux bornes du territoire). Par ailleurs des nouveaux modes de valorisation et recyclage se développent avec des produits bio-sourcés et le développement de la bioraffinerie environnementale : utilisation des différentes ressources pour différents usages (production d énergie, recyclage en tant que matières fertilisantes, Synthèse de molécules d intérêt On voit se dessiner différentes filières de valorisation des ressources plus ou moins concurrentes (molécules ou retour au sol ) ou exister de façon conjointe (énergie et recyclage). Les 2 approches par filière ou territoriale ne sont pas indépendantes et interagissent. Nouvelles questions de recherche liées à l approche filière Jusqu à récemment, les travaux sur les PRO/ MAFOR (matières fertilisantes d origine résiduaire englobant les matrices organiques mais également minérales comme les cendres) étaient segmentés : travaux sur les éléments fertilisants, sur les contaminants, sur les stocks de MO, les émissions gazeuses Les travaux concernent des types de PRO/MAFOR se rapprochant des études de cas. Par ailleurs, les travaux sur les procédés de traitement en amont visaient essentiellement à traiter les matrices déchets ou éventuellement de produire de l énergie sans se préoccuper de l intérêt des matrices traitées par digestion anaérobie, compostage, chaulage, séchage. Evaluation multi- effets et multi-critères: Aujourd hui, la mise en place des sites d observation de longue durée du SOERE PRO permet une évaluation simultanée des effets liés au recyclage, de leurs effets sur la durée et leurs interactions. Les sites du SOERE PRO sont des exemples de systèmes de culture simplifiés. Ces sites permettent également d évaluer les dynamiques des contaminants. Ils permettent le calage de modèles, le développement de critères ou indicateurs d évaluation prenant en compte des mesures biophysiques (flux d éléments, cycles biogéochimiques, activités biologiques.) des critères techniques d itinéraires techniques. Il est nécessaire d agréger ensuite ces critères et effets par des outils d évaluation multi-critères : approche ACV qui permettent d évaluer les impacts environnementaux de la substitution des engrais ou de l augmentation des stocks de MO D autres méthodes de développement d indicateurs des différents services rendus par le recyclage ou les agrosystèmes peuvent être développées. L enjeu est de disposer d outils qui permettent ces évaluations multi-critères. Aujourd hui il est difficile de comparer les études qui n ont pas les mêmes approches ni définition des systèmes. Couplage des modèles et modélisation des filières : On cherche à associer traitement amont et qualité des PRO/MAFOR épandues et à optimiser à la fois le traitement tout en cherchant à produire des matrices d intérêt pour l agriculture donc répondant à des besoins recensés auparavant (lien avec approche territoriale). La modélisation des différents maillons de la chaine et leur couplage, la modélisation des interactions entre éléments constituent un autre enjeu de l approche par filière (interaction contaminant/mo, couplage C/N ). Ces questions de modélisation sont centrées sur l analyse de la dynamique des matières organiques au cours du traitement puis après apport. Ces enjeux de modélisation font apparaitre des nouvelles questions de représentation des compartiments organiques au sein des modèles avec la prise en compte de l état énergétique des sources organiques et l évolution de la qualité et nature chimique des compartiments au cours du traitement puis dans les sols. [2]
Approches typologiques des PRO/MAFOR : Il est nécessaire de définir des types de produits ayant des comportements similaires. Ces classes de produits doivent être définies sur la base de leurs caractéristiques voir même selon leur filière d origine. Ces classes doivent être pluri-élémentaires (C, N, P ). Les modèles de simulation doivent être documentés pour ces types de PRO/MAFOR. Optimisation des filières L enjeu est de prendre en compte à la fois le procédé et le PRO/MAFOR issu du procédé. Cette MAFOR n est pas un sous produit du traitement mais bien un produit issu de la filière. Les points clés à optimiser sont : la production énergétique en cas de filière de méthanisation, la qualité de la matière fertilisante issue du procédé (innocuité, valeur agronomique répondant aux besoins des cultures du territoire). Cela passe par l élaboration de «recettes» amont (mélanges de ressources), le pilotage du procédé et éventuellement le couplage de différentes étapes dans le procédé. Questions de recherche liées à l approche territoriale L enjeu est de relever le défi d un recyclage optimisé des matières organiques, adapté à chaque territoire, visant à la fois à maintenir une productivité économiquement intéressante, à contribuer à l atténuation du changement climatique et à maîtriser et réduire les impacts environnementaux négatifs. Cela passe par la nécessaire évaluation de l ensemble de la filière de recyclage dans une approche territorialisée. Bien que nous intéressant particulièrement à la filière de recyclage aboutissant à une valorisation agronomique, il conviendra, dans un premier temps, de considérer l ensemble des filières de recyclage susceptibles d être développées à l échelle d un territoire en fonction des enjeux et des gisements disponibles. Enjeux de description du territoire : ressource, milieu, acteurs, fonctionnement socio-économique Quelles limites du territoire considérer sachant qu elles sont variables selon l enjeu et la filière considérés (périmètre de captage d eau, bassin versant, bassin de production, ensemble d exploitations agricoles autour d un méthaniseur collectif, ) Quelles contraintes du territoire : milieu physique, contexte climatique, acteurs, fonctionnement socio-économique Caractérisation des ressources : Afin de contribuer à une évaluation comparative des performances des filières, quels outils, en amont, développer pour une quantification et une caractérisation plus précises et exhaustives des gisements de biomasse primaire (résidus de cultures, effluents d élevage, effluents urbains, agro-industriels ) vis-à-vis de leur efficience de valorisation et de leur accessibilité. Quelle conceptualisation des «unités fonctionnelles» au sein du territoire et de leurs interactions aboutissant à la recherche du meilleur compromis entre différents acteurs (producteurs et utilisateurs de matières organiques, collectivités, consommateurs, ) et utilisation? Comment décrire et intégrer les processus et flux entre les ressources générées sur le territoire (bâtiments d élevage, unités de transformation et de stockage, ) et les besoins (dans les unités de traitement, dans les systèmes de culture). Cela, en considérant les impacts sur les compartiments diversifiés du milieu naturel (sols, réseaux hydrographiques, air) et les contraintes géographiques, socioéconomiques et institutionnelles. Enjeux liés à l optimisation territoriale du recyclage agricole Conception et optimisation des systèmes de culture intégrant les PRO/MAFOR. Cette insertion des PRO/MAFOR ne peut être déconnectée des autres leviers des systèmes de culture permettant de [3]
s affranchir du recours aux fertilisants minéraux : comparaison, synergie ou antagonisme avec l insertion de légumineuses? Quelles interactions avec le travail du sol? Quels outils d optimisation spatiale mettre en place qui prennent en compte la diversité des sols et des systèmes de cultures pour lesquels on aura identifié les services écosystémiques attendus, les fonctions et processus sous-jacents qu il conviendrait d accentuer, l ensemble permettant de définir quel type de matière organique restituer au sol (lien avec les modèles ou évaluations multi-critères décrits précédemment dans la partie filière). En fonction de la taille des gisements de matières organiques brutes ou transformées, comment modéliser et optimiser la stratégie de restitution à la parcelle? En fonction des ressources accessibles pour entretenir la fertilité des sols et des contraintes définies, modéliser les meilleures stratégies d épandages, en termes de quantité, de fréquence et de répartition spatiale à la parcelle : sur quels sols, à quel moments dans les itinéraires techniques. Comment prendre en compte les impacts environnementaux? Question de changement d échelle : dans quelle mesure la compréhension des processus considérés d importance à l échelle d une parcelle cultivée peut alimenter l approche d évaluation intégrée à l échelle du territoire. Des questions se posent sur les conséquences de l introduction de filières énergétiques sur les modifications des pratiques culturales et de gestion des résidus (fertilisation de CIVE, digestion de résidus de culture ), sur la qualité des matières recyclées (digestats/effluents bruts, digestats/résidus de culture), sur le fonctionnement des cycles biogéochimiques et les impacts environnementaux associés (lixiviation NO 3, émissions gazeuses ) Développement de stratégie de fertilisation prenant en compte l ensemble des éléments (C, N et P) et insertion dans les OAD. Interaction entre approche par filière et territoriale Les enjeux de gestion par filière ou territoriale nécessitent des approches pluridisciplinaires et l intervention des spécialistes des différents maillons de la filière. L exemple de la plateforme Apivale autour de la gestion des effluents d élevage démontre l intérêt de cette approche pluridisciplinaire et pluri-acteurs de la recherche. Elle vise à structurer les recherches de différentes UMR de l INRA des départements EA et PHASE, de l IRSTEA, de l ANSES et de l Université de Bretagne Sud, permettra d aborder ces différents processus de manière intégrée, en fournissant les infrastructures, les équipements et les compétences relatives à l étude des filières de valorisation des effluents organiques et plus particulièrement de la chaîne de production, de collecte, de transformation et de valorisation énergétique/agronomique des effluents. Ce qui permettra de se détacher de l approche «par maillon» souvent privilégiée et de pouvoir envisager un «pilotage» de l ensemble de la filière aboutissant à la production de types de matières organiques dont les caractéristiques biochimiques seraient maîtrisées et la maîtrise des impacts associés à la filière globale. Cette approche intégrera les interactions entre alimentation des animaux et qualité des effluents et les émissions associées à la conduite des élevages. Place des Sciences humaines et sociales Les composantes SHS sont très importantes dans l analyse des filières de recyclage des PRO/MAFOR, leur insertion dans un territoire et l insertion des PRO dans les systèmes de cultures. Même si ces filières constituent un moteur de développement et participent à la dynamique économique des territoires, la notion d acceptabilité par les différents acteurs du territoire devra être prise en compte, ainsi que les formes d organisation qui doivent accompagner le développement de ces filières, devront être pensées lors de la construction de scénarios.. L évaluation économique des filières de recyclage et l insertion dans les systèmes [4]
de culture conditionnent également l utilisation des PRO. Des outils d incitation économique à mettre en place pourront être proposés. [5]