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Journée d’information « cultures dédiées »
Stéphane Cadoux
Journée d’information « cultures dédiées »
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Agriculture et biocarburantsGénéralités et recherches menées à l’INRA
Fête de la ScienceAmiens – 17/11/09
Unité Agro-Impact
F. Ferchaud, H. Boizard , S. Cadoux et B. Mary
Journée d’information « cultures dédiées »
Stéphane Cadoux
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Sommaire
Présentation de l’INRA et de l’unité Agro-Impact
Le contexte : climat, énergie, alimentation et environnement
Les biocarburants : de la 1ère à la 2ème génération
Travaux de recherche menés à l’INRA sur la biomasse pour les biocarburants de 2ème génération
Journée d’information « cultures dédiées »
Stéphane Cadoux
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Présentation de l’INRA
Journée d’information « cultures dédiées »
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Journée d’information « cultures dédiées »
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Trois champs d’intervention majeurs...
Agriculture - Alimentation - Environnement
1. le développement d’une agriculture durable
2. l’alimentation et son rôle sur la santé humaine
3. l’environnement et les territoires
L’Institut National de la Recherche Agronomique
Journée d’information « cultures dédiées »
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Organisation nationale21 centre de recherches régionaux
150 implantations sur tout le territoireEnviron 8500 Agents
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Le centre de Lille
>> Création en 1976
>> Le Centre de Lille, c’est :> 3 régions> 5 sites> 180 personnes
Villeneuve d’AscqTechnologie alimentaire
Administratif
ArrasAnalyse des sols
Estrées-MonsGénétique et amélioration des plantes
AgronomieDomaine expérimental (163 ha)
LaonAgronomie
ReimsFractionnement des
Agro-ressources
Nord – Pas de Calais
Picardie
ChampagneArdenne
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2 sites : Laon et Estrées-Mons
Composée de 24 agents titulaires dont 8 chercheurs et ingénieurs, et de 7 agents contractuels dont 3 bourses de thèse
Activité principale : recherche finalisée sur les impacts environnementaux relatifs aux cycles du carbone et de l'azote en lien avec les pratiques agricoles
Nos missions : Évaluer les impacts environnementaux en lien avec les pratiques
culturales Améliorer les connaissances sur les cultures énergétiques
L’unité Agro-Impact
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Le contexte
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Biocarburants
Défi climatique : +2°C à +6°C en 2100 (GIEC 2007)
Défi énergétique :diminution des réserves
fossiles
Défi alimentaire :compétition “food / non food”
Défi environnemental :impacts environnentaux
(globaux et locaux)
Le contexte global
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Sources :
Defipourlaterre.org
Manicore.com
L’effet de serre
CO2
CH4
N2O
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Source : GIEC 2007
Évolution des concentrations en GES dans l’atmosphère terrestre
Dioxyde de carbone (CO2)
Méthane (CH4)
Protoxyde d’azote (N2O)
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Émissions de GES par secteur d’activité en France
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E N V I R O N N E M E N TSource : GIEC 2007
Le changement climatique : observations
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Source : GIEC 2007
Le changement climatique : prévisions
Scénarios d’évolution du climat jusqu’en 2100
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Évolution de la consommation énergétique mondiale
Source : manicore.com
Mill
ions
de
tep
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La diminution des réserves fossiles
Type de ressourceGtep en ressources
prouvéesAnnées à consommation
constante (2005)
Charbon et lignite 460 160
Pétrole 160 43
Pétrole non conventionnel 80 -
Gaz naturel 160 65
Total 860 95
Source : manicore.com
La fin du pétrole, c’est pour quand ?
De fortes incertitudes…
… mais des réserves loin d’être inépuisables.
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Trois axes majeurs pour inverser la tendance
Économiser l’énergie fossile (= le plus efficace) Développer les énergies renouvelables Stocker le carbone (reforestation, pratiques
agricoles, stockage géologique…)
… MAIS pas de solution unique ou miracle !
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Agriculture : le défi de l’alimentation
Source :
Prospective Agrimonde (INRA-CIRAD)
Augmentation de la population mondiale : 6,3 milliards en 2003, près de 9 milliards en 2050
Évolution des régimes alimentaires
Consommation alimentaire par habitant en 2003 :
Pays de l’OCDE Pays d’Asie
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Agriculture : le défi environnemental
Grenelle Environnement : « développer une agriculture à haute performance environnementale »
Exemples d’objectifs : Réduire de 50 % l’usage
de produits phytosanitaires d’ici 2012
Réduire les pertes de nitrates pour limiter les impacts négatifs sur les écosystèmes
Échouage d’algues vertes en Bretagne
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Les biocarburants : De la 1ère à la 2ème génération
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Les énergies renouvelables
Hydraulique et énergie des marées Éolien Solaire thermique ou photovoltaïque Géothermie et pompes à chaleurs Biomasse
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La Biomasse et ses débouchés énergétiques
Définition : ensemble de la matière organique végétale et animale
Débouchés énergétiques : Biocarburants Biogaz (méthanisation) Chaleur (combustion) Électricité + Chaleur (co-génération)
Définition des biocarburants (JO 22 juillet 2007) : Carburants constitués de dérivés industriels tels que les gaz, alcools, éthers, huiles et esters obtenus
après transformation de produits d’origine végétale ou animale.
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Rayonnementsolaire
EauÉléments minéraux (N, P, K, …)
PluieAzote de l’air
La biomasse comme source de carbone renouvelable
CO2
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CO2
RaffinageConversion
CollecteStockage
Valorisation
Logistique
Carbone fossile
10-100années10-100années
1-10 millionsd’années
1-10 millionsd’années
HydrocarburesHydrocarburesCarbohydratesCarbohydrates
Biomasse ©IN
RA
–J.
Cor
mea
u
La biomasse comme source de carbone renouvelable
Besoin de raisonner sur l’ensemble de la filière : analyses de cycle de vie (ACV)
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Le secteur des transports est le premier secteur émetteur de gaz à effet de serre en France : réduire les émissions de gaz à effet de serre
Le secteur des transports dépend à plus de 98% du pétrole, un secteur en expansion (km parcouru et nombre de véhicules) : réduire les dépendances vis-à-vis des pays producteurs de pétrole
Le secteur du transport à besoin d’un carburant liquide : trouver rapidement un produit de substitution
Pourquoi les biocarburants en France ?
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Source : IFP
Les biocarburants de première génération : les filières de production
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Source : DGEMP
Les biocarburants de 1ère génération
Part dans la consommation d’énergie primaire en France
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Des surfaces requises importantes
Des bilans énergétiques et environnementaux mitigés
Rendements (t/ha)
Biocarburants produit (tep/ha)
Betterave 70 6.13
Blé 7.2 2.04
Colza 2.9 1.18
Tournesol 2.2 0.96
Source : ADEME / E. Poitrat
Limites des biocarburants de 1ère génération
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Utiliser toute la plante : transformer l’ensemble du végétal et/ou valoriser des co-produits (pailles…)
Élargir le choix des plantes candidates pour trouver des espèces : Productives Adaptées à différentes conditions pédoclimatiques Permettant d’améliorer les bilans environnementaux
Optimiser les pratiques culturales en fonction du milieu et pour concilier production et impacts environnementaux
Vers les biocarburants de deuxième génération
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La LignocelluloseDu macro ...
... au nano
Cellulose
[≈ 50 %]
Lignine
[≈ 20–30 %]
Hémicellulose
[≈ 20–30 %]Bois
Fibre
Cellule
Paroi
Paroi secondaire
Macrofibrilles
Bois, cultures
et résidus
lignocellulosiques
Niveaux
d’intégration
Cellulose
Glucose
Paroi primaire
Lamelle moyenne
Microfibrilles
Source : Cormeau et Gosse 2007
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Source : IFP
Les biocarburants de deuxième génération : les filières de production
Ces technologies sont en cours de développement dans les laboratoires et les premiers pilotes industriels (ex. : projet Futurol).
Déploiement à l’échelle industrielle envisagé à l’horizon 2015
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Cultures annuelles
Cultures pérennes forestières
Résidus derécolte
Cultures pérennes agricoles
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RA
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RA
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RA
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FOC
EL
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© IN
RA
© IN
RA
Exemple du sorgho Exemple du miscanthus
©
INR
A/A
.Gav
alan
d
Exemple des TCRde peupliers
© B
iofo
rêt
Exemple des pailles et
des plaquettes forestières
Coproduits des biocarburants G1
Algues Agroforesterie
Résidus urbains
Exemple des photoréacteurs
© IN
RA
© IN
RA
Exemple des cultures associées peupliers/céréales
© G
reen
fuel
Tec
h C
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RTH
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SIC
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Exemples des cagettes
et des palettes
© U
SIC
A
Exemple des pulpesde betterave
© B
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rof.
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La ressource lignocellulosique
Cormeau et Gosse 2007
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Quelles ressources pour la production de biocarburants 2G ?Les recherches sur les plantes dédiées
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Les divers coproduits et résidus constituent une ressource limitée : besoin de cultures dédiées en complément
Recherche de systèmes productifs avec peu d’intrants Azote : faible exportation d’azote par rapport à la biomasse
produite ou fixation d’azote atmosphérique (légumineuses) Phytosanitaires : cultures rustiques
Intérêt d’un large panel d’espèces pour : s’adapter aux contraintes pédoclimatiques satisfaire les différents débouchés faciliter l’insertion dans les systèmes agricoles actuels
Pourquoi des recherches sur les cultures dédiées ?
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Triticale (Triticosecale Wittmack) Sorgho (Sorghum bicolor (L.) Moench)
Plante C3
Issue croisement entre blé et seigle
Plante C4
Plusieurs types (grain, fibre, sucre)
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RA
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ille
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Exemples d’espèces annuelles
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Fétuque (Festuca arundinacea)
Pérennité 3 à 5 ans
Plantes C3
Luzerne (Medicago sativa L.)
Légumineuse : pas d’apports d’azote
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Exemples d’espèces pluriannuelles
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Switchgrass (Panicum virgatum L.)
Plantes pérennes C4 (10-20 ans)
Miscanthus (Miscanthus giganteus)
Origine USA
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Origine Asie
Exemples d’espèces pérennes Espèces herbacées
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TCR
Plantes pérennes (10-20 ans)
TtCR
Récoltes tous les 7 à 10 ans
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Récoltes tous les 2 à 3 ans
Espèces ligneuses
Exemples d’espèces pérennes
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Le dispositif « Biomasse et Environnement » implanté en 2006 à Estrées-Mons (80)
© IN
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Comparer le comportement des différentes espèces sur le long terme
N- N+ Précoce Tardive
Triticale 60 120
Sorgho fibre 0 120
Fétuque 120 (4*3) 240 (80*3)
Luzerne 0
Switchgrass 0 120 octobre février
Miscanthus 0 120 octobre février
TTCR Peuplier 0 120
Fertilisation (kgN/ha/an) Date de récolte
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Résultats du dispositif « Biomasse et Environnement » d’Estrées-Mons (2007 et 2008 = années 2 et 3)
Comparer le comportement des différentes espèces sur le long terme
(rapport projet REGIX 2008 )
Production de biomasse aérienne comparée
0
5
10
15
20
25
30
N- N+ N- N+ N- N+ N- N+ N- N+ N- N- N+ N- N+ N- N+
MiscanthusOctobre
MiscanthusFévrier
Sw itchgrassOctobre
Sw itchgrassFévrier
Fetuque Luzerne Sorgho Triticaleim m ature
Triticale
Pro
du
cti
on
(tM
S/h
a)
Production MSa 2007
Production MSa 2008
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Sensibilité des espèces dédiées aux stress hydriques et azotés
( D’après Cherney et al. 1991 et Heaton et al. 2004)
Étudier le comportement des plantes face aux stress hydriques et azotés
Facteur limitanteau
Facteur limitantazote
Miscanthus +++ -/+
Switchgrass + / ++ +
Fétuque ++ +++
Luzerne ++ --
Sorgho + / ++ +
Maïs +++ ++
Triticale ++ ++
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(projet REGIX, 2007, non publié)
Étudier les caractéristiques de la biomasse produite
0
20
40
60
80
100
miscanthusoctobre
miscanthusfévrier
switchgrassoctobre
switchgrassfévrier
fétuque luzerne sorgho fibre triticaleimmature
triticale TCRpeuplier
TtCRpeuplier
Co
mp
osi
tion
(%
MS
)
lignine cellulose hémicellulose amidon protéines sucres solubles cendres
Composition biochimique
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Quels impacts environnementaux ?Les recherches sur les impacts de la production de biomasse
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Du local au global Impacts locaux : ressource en eau, qualité de l’eau (nitrates…),
qualité du sol (teneur en matière organique…), etc. Impacts globaux : bilans énergétiques et bilans GES
Par la quantification des flux de polluants
Évaluation des impacts environnementaux
SOL
ATMOSPHERE
N2O NH3, NOX …Intrants :- Azote- Carburants- Phyto …
CO2
NO3-
Stock de carbone
organique
CO2
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Acquérir des références sur des dispositifs expérimentaux à long terme
Ex. : suivi en continu des émissions de N2O (Estrées-Mons)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
m a m j j a s o n d j
fertilisé
non fertilisé
Flu
x cu
mu
lés
de
N2O
(g
N h
a-1)
2008
Résultats préliminaires
Miscanthus
© IN
RA
- L
ille
© IN
RA
- L
ille
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Ex. : impact de l’exportation des pailles sur les stocks de carbone organique dans le département de l’Aisne
Mettre au point des modèles pour évaluer différents scénarios
(Projet Cartopaille, 2006)
+ 0,7 %
- 1,6 %
- 4,4 %
≈ 220 000 t/an
Simulations sur 50 ans avec le
modèle AMG et à partir d’une base de données de
parcelles agricoles du département
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Perspectives concernant les recherches sur les impacts environnementaux
Intérêt potentiel des cultures dédiées pérennes pour les bilan de GES et les autres impacts environnementaux
Faible consommation d’intrants (azote, phyto …) Stockage de carbone organique (par rapport aux cultures annuelles) ?
Nécessité de mieux quantifier l’impact du choix des espèces, des pratiques culturales et des conditions locales de production
Expérimentation au champ Modélisation
Ces connaissances devront être intégrées dans les évaluations globales de filières (Analyses de Cycle de Vie)
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La biomasse : une contribution au panel des énergies renouvelables
Vers une 2ème génération de biocarburants : diminuer la pression sur les surfaces et améliorer les bilans énergétiques et GES
Des enjeux pour la recherche finalisée : Conversion de la biomasse : mettre au point des procédés viables
à l’échelle industrielle Production de la biomasse : définir des systèmes de culture
adaptés et optimisés (production, environnement, qualité), organiser les bassins de production
Évaluation globale des filières (ACV)
Conclusion générale et perspectives
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FIN…
…Des questions ?
Journée d’information « cultures dédiées »
Stéphane Cadoux
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Le changement climatique : prévisions
Journée d’information « cultures dédiées »
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Source :
Perarnaud et al. 2005
Le changement climatique : prévisions
Évolutions régionalisées pour le scénario B2 en France (changements entre la période 2070-2099 et 1960-1989)
°C mm/j
Températures en été Précipitations en été
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Production et répartition mondiale en 2007
ETHANOL: 52 GL en 2007 (38.2 GL in 2006)
BIODIESEL: 10 GL en 2007 (6.2 GL in 2006)
Source : F.O. Lichts In FAO, 2008
Les biocarburants de 1ère génération
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ACV et bilan de GES des biocarburants
(FAO, 2008)
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ACV et bilan de GES des biocarburants
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Gain net des émissions des gaz à effet de serre (GES) pour différentes filières de biocarburants
Tonne de CO2
évitée par hectare
Canne à sucre
avec et (sans) bagasse
8.7 (3.9)
G1 ou G2 ?
Betterave 5.6
Blé 2.2
Tournesol 1.9
Colza 1.6
D’après G. Gosse
Calculés à partir de "Well-to-Wheels analysis of future automotive fuels and powertrains in the European context", WTW Report, Version 2c, March 2007
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Importance de la partie agricole dans les émissions de GES
Etude ADEME/DIREME 2002
Le CO2 émis pendant la combustion des plantes n’est pas pris en compte mais les étapes de production consomment de l’énergie fossile et émettent des GES
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Conséquences pour la productionde biocarburants
Les surfaces disponibles seront un facteur limitant prépondérant pour le développement des biocarburants
Les filières devront répondre à de fortes exigences Bilans énergétiques et gaz à effet de serre (GES) positifs Faibles impacts environnementaux à l’échelle locale Faisabilité technique et économique
Vers de nouvelles filières pour les biocarburant 2G Élargir l’assiette de la biomasse mobilisable (co-produits….) Utiliser toute la plante pour augmenter la productivité par ha Élargir le choix des plantes candidates pour trouver des espèces
productives, adaptées à différentes conditions pédoclimatiques et permettant d’améliorer les bilans environnementaux
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Les cultures lignocellulosiques
C3 C4
Annuelles
Céréales à paille :
triticale, blé, seigle…
Plantes à fibre :
chanvre, kénaf, lin…
Annuelles d’été :
Sorghos, maïs
PluriannuellesGraminées fourragères :
fétuque, ray-grass, brome…
Légumineuses :
luzerne…
Pérennes
Roseaux :
phalaris, phragmite
Herbacées :
canne de Provence
Taillis à courte rotation :
saule, peuplier, robinier…
Herbacées :
miscanthus, switchgrass…
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- Flux de N2O
- Productivité aérienne et impact des stress
- Consommation en eau
- Bilans d’azote sol-plante- Flux de nitrates- Stockage de C et N
Dispositif « Biomasse & Environnement » d’Estrées-Mons
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0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
PARi (MJ.m-²)
Biomasse aérienne (g.m-²)
légumineuses
C 3
C 4
sorgho
14 t.ha-1
22 t.ha-1
35 t.ha-1
miscanthus luzerne(D’après Gosse et al. 1986)
Exemple à Estrées-Mons (80)
Production potentielle des espèces dédiées
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Source : Vandendriessche 2007
Effet de l'irrigation sur le rendement du miscanthusSeptembre, parcelles fertilisées
0
10
20
30
40
50
60
1993 1994 1994 1995
Lusignan Grignon
Localisation et année
Ren
dem
ent
bio
mas
se
(t.h
a-1) irrigué
non irrigué
Étudier le comportement des plantes face aux stress hydriques et azotés
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Impact du stress hydrique sur la production du miscanthus (production simulée pour une récolte en vert)
(Clifton-Brown et al. 2004)
Irrigué (production potentielle) Non irrigué (stress hydrique)
Étudier le comportement des plantes face aux stress hydriques et azotés
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Origine des émissions de N2O
Émissions de protoxyde d’azote (N2O)
SOL
ATMOSPHERE
D’après Firestone & David (1989) et Khalil (2005)
Activité microbienne et diffusion des gaz dans le sol
Azote minéral dans le solConditions du milieu
(O2, humidité, température, pH, C
organique …)
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0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
TCR saule TCR peuplier triticale-colza colza-seigle
kg N
-N2
O /h
a /a
n .
0 kgN/ha/an 75 kgN/ha/an 150 kgN/ha/an
Impact de la fertilisation et du type de culture
Émissions moyennes annuelles de N2O (2 années de suivi en Allemagne) :
(Kavdir et al., 2008)
En non fertilisé : émissions faibles pour toutes les cultures
Avec fertilisation : émissions cultures annuelles > émissions TCR
Meilleure utilisation de l’azote par les TCR ?
Émissions de protoxyde d’azote (N2O)
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0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
Miscanthus 0 N Miscanthus 75 N Seigle 120 N
kg N
-N2
O /h
a
Émissions cumulées de N2O mesurées entre avril et novembre 1995 au Danemark :
(Jørgensen et al.., 1997)
Miscanthus non fertilisé : faibles émissions de N2O
Avec fertilisation : émissions miscanthus > émissions seigle
Sur-fertilisation pour miscanthus ?
Conditions plus favorables à la dénitrification sous miscanthus ?
Émissions de protoxyde d’azote (N2O)
Impact de la fertilisation et du type de culture
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Quel niveau d’équilibre entre apports de carbone organique
et minéralisation ?
Stockage/déstockage du carbone du sol
SOL
ATMOSPHERE
Stock de carbone organique
CO2
CO2Chute des feuilles
Résidus de récolte
Renouvellement racinaire rhizodépositions
Quantité et qualité de la biomasse restituée
Travail du sol
Conditions pédoclimatiques (température, humidité …)
CO2
min
éral
isat
ion
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-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
0 20 40 60 80 100 120
Durée d'application (années)
Sto
ckag
e de
car
bone
(T
C h
a-1)
culture -> forêtculture -> prairieforêt -> cultureprairie -> culture
Var
iatio
ns d
e s
tock
C
(T/h
a)
Changements d’usage des sols et stock de carbone Cultures annuelles / prairies ou forêts
(Arrouays et al., 2002 – valeurs modales pour le territoire français)
Stockage/déstockage du carbone du sol
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20
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0 5 10 15 20
% s
tock
"in
itia
l"
TCR Miscanthus switchgrass
-20
-10
0
10
20
30
40
0 5 10 15 20
% s
tock
"in
itia
l"
TCR miscanthus switchgrass
Cas de l’implantation d’espèces pérennes A partir de cultures annuelles / de prairies
Évolution du stock de carbone en fonction du nombre d’années après implantation. Résultats de plusieurs expérimentations en Europe ou aux USA :
(Garten et Wullscleger, 1999 ; Jug et al., 1999 ; Ma et al., 2000 ; Kahle et al., 2001 ; Frank et al., 2004 ; Hanson et al., 2004 ; Clifton-Brown et al., 2007)
Post-cultures Post-prairie
Stockage/déstockage du carbone du sol
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Quelles conséquences sur les exploitations agricoles et territoires ?Les recherches sur l’insertion de ces nouveaux systèmes de culture
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Des questions à différents niveaux
Conditions d’insertion dans les exploitations agricoles Économie de l’exploitation Consentement à produire
Conditions d’insertion dans les territoires Quelle réorganisation des territoires agricoles ? Impacts à l’échelle du paysage : biodiversité…
Conséquences pour l’approvisionnement des usines Concevoir des modèles d’approvisionnement intégrant les multiples contraintes
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Parcellaire … changeant
Contraintes … multiples (énergie, biodiversité, esthétique du paysage …)
Quelle réorganisation des territoires agricoles ? travaux débutant dans le cadre du projet Futurol (INRA SAD Mirecourt)
Comment seront localisées les cultures énergétiques (en particulier les cultures pérennes) dans les territoires agricoles ?
Comprendre le raisonnement technique à l’échelle de l’exploitation : critères de choix…
Intégrer les contraintes territoriales : logistiques d’approvisionnement, contraintes réglementaires…
Production d’un modèle de localisation permettant une évaluation ex ante de l’impact sur les territoires
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