Définitions

3.1.1.1. Stock de carbone du sol

Profondeur

La quantité de sol prise en compte est typiquement la masse de sol comprise dans la couche 0-30 cm des systèmes labourés. Dans les comparaisons de pratiques où la densité du sol diffère, la comparaison concerne des masses de sol identiques. En général, sous forêt ou prairie, cette profondeur est supérieure à la profondeur des systèmes labourés.

Prise en compte de la totalité du sol

S'il est demandé de quantifier le potentiel de stockage dans l'épaisseur totale du sol, on propose de multiplier le stockage de la couche de référence 0-30 cm par 1,2. Ce chiffre correspond à une quantité de matières organiques jeunes (susceptibles d'évoluer en quelques décennies) trouvée en dessous de 30 cm dans des systèmes céréaliers ou forestiers, égale à 17% des matières organiques jeunes totales du sol (O'Brien et Stout, 1978 ; Elzein et Balesdent, 1995 ; Balesdent et al., 2000).

Carbone considéré

Est considéré comme carbone du sol le carbone organique :

- dans ou posé sur le sol, mulchs, litières forestières et mats racinaires prairiaux compris, - à l'exclusion des parties aériennes vivantes ou sur pied de la végétation,

- organes végétaux souterrains non récoltés compris, à l'exclusion des parties racinaires des espèces arborescentes, comptabilisées par ailleurs dans la biomasse ligneuse.

Les litières ne doivent pas être exclues du bilan. En effet, elles peuvent représenter en forêt 30% du carbone des horizons A (Nys et al., 1995). Le temps moyen de résidence du carbone peut y être de plusieurs décennies.

3.1.1.2. Pratiques et usages agricoles

Concernant les usages des terres et les productions, les définitions de la statistique agricole (Ministère de l'Agriculture, de la Pêche et de l'Alimentation, 1999) seront utilisées.

En ce qui concerne les usages non répertoriés dans cette statistique (travail du sol réduit, etc.), et les systèmes d'exploitation, une définition est précisée en tant que besoin dans les paragraphes concernés.

3.1.2. Règles de comptabilité : mode d'expression des flux nets moyens

annuels de carbone des sols associés aux pratiques et usages

Le stockage net moyen annuel associé à des pratiques agricoles est infiniment varié et complexe. Son expression nécessite plusieurs simplifications :

1. le flux de stockage peut être calculé par unité d'espace. Cependant les transferts horizontaux (importations et exportations de carbone d'un espace à un autre ; par exemple l'épandage de fumier ou l'érosion) doivent être considérés sans risque de biais.

2. le stockage dépend de la durée d'application des pratiques et il faut exprimer des règles de dépendance de la durée.

3. il y a une multitude de pratiques possibles, qui peuvent être combinées entre elles et comparées à autant d'autres combinaisons de pratiques. Il faut choisir des règles de comparaison.

4. le potentiel de stockage associé à une pratique donnée varie en fonction du climat, du sol, des usages locaux, de la productivité carbonée des systèmes. Il est nécessaire d'une part de dégager des moyennes territoriales. Il est nécessaire également de mettre en évidence les facteurs ou conditions affectant le stockage de carbone.

3.1.2.1. Comptabilisation des transferts horizontaux de carbone et unité spatiale de comptabilisation

Pour répondre au point 1, nous ne raisonnons dans un premier temps que sur les pratiques qui n'impliquent pas de transfert horizontal de carbone. L'unité d'espace peut être la parcelle ; dans ce cas le stockage associé à l'importation/exportation de fumiers, déchets ou amendements organiques, n'est pas comptabilisé. L'unité d'espace peut être une exploitation ou une région avec élevage ; dans ce cas, le stockage associé aux transferts internes de carbone est comptabilisé de façon implicite.

Les transferts horizontaux de carbone pouvant être incorporé au sol (importation/exportation des résidus de l'agriculture, importation de déchets carbonés) font l'objet d'une comptabilité à part sur la base des quantités de carbone de ces produits, et non pas des surfaces. Il s'agit des sections 3.2.2 (gestion des résidus), 3.2.8 (gestion des effluents d'élevage) et 3.2.9 (déchets organiques). On n'y comparera pas sur une parcelle le stockage de carbone dû à l'épandage d'un déchet par rapport au non- épandage, mais on compare l'épandage du déchet par rapport à une autre utilisation de ce déchet, par exemple son incinération, ou bien on comparera l'épandage dans différents milieux.

L'érosion des sols et la lixiviation de carbone dans les eaux superficielles sont d'autres sources de variation des stocks organiques. Dans l'état actuel des connaissances, il n'est pas possible de déterminer le devenir (atmosphère, océan profond, voire karst, etc.) du carbone perdu des sols par érosion. Dans ce chapitre de l'expertise, les flux de carbone par érosion sont a priori exclus. Les études expérimentales de variations de stock de carbone sélectionnées correspondent à des sites sans érosion.

3.1.2.2. Dépendance du temps et de la durée

• Evolutions temporelles des pratiques ou du climat

S'agissant de comparer le stockage sous une pratique B à celui sous une pratique A, entre t0 et t, de nombreux paramètres afférents à la pratique ou au milieu peuvent évoluer.

Dans ce chapitre nous calculons des flux,

- les pratiques, rendements, etc., restant les mêmes qu'à t0, typiquement 1990, - le climat moyen restant le même qu'à t0,

A l'exclusion de :

- climat évoluant,

- pratiques A et B évoluant spontanément,

- pratiques A et B évoluant sous une contrainte liée au changement climatique. Ce dernier aspect sera traité dans le chapitre 4.

• Moyenne temporelle

Le stockage de carbone dans les sols est fini, le stockage moyen annuel diminue avec le temps. Deux modes d'approximation de la cinétique du stockage sont possibles (Figure 3-1.). Celui utilisé par le GIEC (2000) est une approximation linéaire, dont le résultat est exprimé par un flux net moyen annuel et une durée de ce stockage, au-delà de laquelle on ne stocke plus. Cette présentation présente un fort risque, celui d'oublier la durée de stockage maximum et, en conséquence, soit de comparer les pratiques en termes des seuls flux moyens annuels, soit de projeter le stockage au-delà de sa durée maximale.

Nous utilisons dans tout ce chapitre une approximation exponentielle, où le stockage est déterminé par deux paramètres :

- une amplitude ∆ qui est la différence de stock à l'équilibre CeqB-CeqA - une constante de vitesse k du stockage.

Le flux moyen annuel F peut être calculé pour une durée de scénario T choisie : F = ∆*[1-exp(-kT)]/T

Par rapport à l'approximation linéaire, cette représentation exponentielle par deux paramètres présente les avantages suivants.

(i) Cette expression est plus proche des cinétiques réelles observées.

(ii) Ce calcul ne présente pas de risque de surestimation du stockage par extrapolation sur des durées trop longues.

(iii) Il peut être appliqué à n'importe quelle durée de scénario de comptabilisation choisie a posteriori. L'approximation exponentielle peut être convertie en approximation linéaire, a posteriori.

(iv) Les questions de soutien/abandon des pratiques et de symétrie (réversibilité) peuvent être facilement exprimées dans ce cadre mathématique.

(v) Ce mode d'expression est similaire à celui du modèle de Hénin et Dupuis, largement documenté en France pour la gestion du carbone organique en terres labourables (Hénin et Dupuis, 1945 ; Rémy et Marin-Laflèche, 1976).

L'expérience indique que la constante de vitesse dépend en général de l'usage B dans un changement d'usage AÆB.

Réalité Réalité, corrigée de la variabilité inter-annuelle Approximation linéaire Approximation exponentielle t0 t

Différence de stock de carbone entre la pratique B et la pratique A

Figure 3-1. Deux modes d'approximation de la cinétique du stockage de carbone, dans le cas où une pratique B

succède à une pratique A. L'approximation linéaire bornée est dangereuse. L'approximation exponentielle sera utilisée ici.

• Soutien, abandon de la pratique, réversibilité du stockage, influence du précédent

Il est nécessaire d'exprimer si une pratique doit être soutenue (continue) pour stocker efficacement ou non du carbone. De même, il faut exprimer le stockage de pratiques qui ne seraient pas soutenues. On dira qu'il y a SYMETRIE si le passage AÆB et le passage BÆA mettent en jeu des flux de carbone identiques au signe près.

F(B,A) = - F(A,B)

exemple : A = restituer les pailles, B = brûler les pailles

Dans le cadre de l'expression exponentielle, cette condition est vérifiée si, et seulement si, la constante de vitesse k du passage AÆB est la même que celle du passage BÆA. Ce sera entre autres le cas de toutes les pratiques qui influencent en premier lieu le flux de carbone arrivant au sol.

Il y a plusieurs corollaires à ce cas de symétrie :

Dans le cas de pratiques non soutenues (interrompues pendant l'exercice), le calcul du stockage peut être calculé au prorata temporis des durées d'application des pratiques A ou B pendant l'exercice.

- Le stock final par AÆB pendant n années, suivi de BÆA pendant m années est le même que le stock final par AÆB pendant m+n années plus le stockage BÆA de m années.

AÆB pendant n années : C = ∆[1-exp(-kn)]

AÆB pendant n années suivi de BÆA m années : C = ∆[1-exp(-kn)] exp(-km) C = ∆[1-exp(-k(m+n))] –∆[1-exp(-km)]

Le calcul peut être extrapolé pour un état initial quelconque : C = (CeqB-Cinitial)[1-exp(-k(m+n))] –∆[1-exp(-km)]

- On peut assigner à toutes les pratiques où le stock de carbone évolue avec la même constante de vitesse, une valeur de flux de stockage dans l'absolu, indépendamment de son précédent, par rapport à une pratique de référence, soit F(ref,A),F(ref,A). L'intégration temporelle et spatiale des flux associés à ces pratiques est sans biais à partir de la seule évolution des superficies portant ces pratiques.

Réalité mesurée

Réalité corrigée des variations saisonnières et interannuelles Approximation linéaire Approximation exponentielle

Il y a ASYMETRIE si les constantes de vitesse du stockage différent dans AÆB et BÆA. C'est le cas par exemple du passage prairie Æ culture et vice-versa.

Dans ce cas, les changements d'activité AÆB et BÆA doivent être traités séparément, les effets de la réversion de la pratique sont plus difficilement calculables.

Si les constantes de vitesses sont proches, on choisit d'assigner une constante commune moyenne, ce qui a l'avantage pragmatique de permettre une intégration sans biais et une évaluation du soutien de la pratique et ou de la réversibilité du stockage.

3.1.2.3. Pratiques de référence, combinaison de pratiques

Afin de ne pas traiter toutes les combinaisons possibles de changements d'activité deux à deux, les pratiques sont comparées dans la mesure du possible à une même référence, et si possible le stockage associé à des pratiques combinées est calculé par sommation si leurs stockages sont additifs.

On dira qu'il y a ADDITIVITE si F(A,B) + F(B,C) = F(A,C)

exemple : A = cultiver en prairie permanente ; B = cultiver en céréales pailles enfouies ; C = cultiver en céréales pailles brûlées

On peut montrer qu'il y a additivité des flux si les constantes de vitesse des changements à combiner sont identiques.

3.1.2.4. Variation spatiale

Le stockage de carbone peut varier largement en France en fonction du sol, du climat, des usages locaux, de la productivité carbonée des systèmes.

Dans cette partie du rapport, une donnée moyenne nationale de flux est fournie. (i) La nature de ce chiffre moyen sera indiqué :

- moyenne pondérée du territoire national,

- moyenne pondérée des territoires où le changement de pratique peut être appliqué, - moyenne arithmétique des données de la littérature,

- mode des données de la littérature, etc.

(ii) Un intervalle de confiance est donné également. Il peut s'agir d'un intervalle de confiance à 95% sur la moyenne ou d'un intervalle de confiance à dire d'expert si les données publiées ou accessibles ne permettent pas un intervalle statistique.

(iii) La nature des principaux facteurs explicatifs de la variabilité spatiale est mentionnée.

Dans le cadre d'une politique active de stockage, un choix des régions à fort potentiel de stockage peut être pertinent. De façon générale, les variations dues au climat sont les suivantes. Les régions de montagne ont en France des stocks de carbone importants. Le climat froid ralentit la biodégradation et la pluviométrie importante permet une productivité végétale relativement élevée. Le bilan est que le potentiel de stockage est plus élevé, mais que la cinétique de stockage est plus lente qu'en plaine. Dans le cadre d'un scénario long, le flux moyen annuel de stockage peut être plus élevé en montagne qu'en plaine, ce qui ne serait pas forcément vrai dans un scénario court.

Les régions méditerranéennes chaudes et sèches ont un potentiel de stockage plus faible, pour les raisons inverses du cas des montagnes. Cependant, concernant les autres bénéfices environnementaux du stockage, le bénéfice en région méditerranéenne peut être plus important.

3.1.2.5. Flux de GES et consommation d'énergie fossile associés aux pratiques et usages

Sont répertoriés l'origine éventuelle d'autres flux de GES, ainsi que les postes de consommation d'énergie fossile associés au changement de pratique. Les informations ici sont qualitatives, les valeurs de flux ne sont pas indiquées.

3.1.3. Fiche type résumé du stockage/déstockage de C dans le sol

associé à une modification de pratique agricole

Dans plusieurs sections des paragraphes 3.2, 3.3 et 3.4, une fiche-résumé synthétise les informations sur le potentiel de stockage associé à un changement de pratique.

La partie 1 de cette fiche définit la pratique et la pratique de référence utilisée pour le calcul.

La partie 2 donne les valeurs du potentiel de stockage : stockage maximal ∆ et constante de vitesse k. En effet, dans le mode d'expression retenu, le stock de carbone évolue sous l'effet du changement soutenu de pratique B en lieu et place de la pratique A selon une loi temporelle de type :

CB-CA = ∆*[1-exp(-kt)]

Il s'agit du mode ou de la moyenne pour le territoire français métropolitain. Les valeurs sont assorties d'un intervalle de confiance à 95% sur ces valeurs. Il s'agit de la confiance des experts, qui peut être éventuellement la confiance dans la moyenne de données sélectionnées de la littérature. Les paramètres de cette partie sont indépendants de la durée du scénario comptable.

La partie 3 donne une valeur modale ou moyenne de flux net de stockage dans le cadre d'un scénario comptable à 20 ans (moyenne du flux net des 20 premières années d'application). Les valeurs de la partie 4 sont calculées à partir de celles de la partie 3.

F =¨*[1-exp(-20k)]/20

3.2. Effets des pratiques agricoles en sols cultivés

3.2.1. Travail du sol réduit

(J. Balesdent, T. Chevallier, B. Mary, G. Richard, J. Roger-Estrade)

3.2.1.1. Définitions

Dans le rapport du GIEC (Chapitre 4, partie 4.4.2.2), les pratiques correspondantes sont regroupées sous le vocable "conservation tillage" : travail du sol de conservation. Est considéré comme "conservant le sol" tout mode de travail du sol et/ou d'implantation des cultures qui permet de maintenir au moins 30% des résidus de la culture à la surface du sol après le semis. Les auteurs soulignent les avantages environnementaux de l'agriculture de conservation, concept élaboré à l'origine pour lutter contre l'érosion hydrique et éolienne : qualité de l'eau, stockage accru du carbone, réduction de la consommation d'énergie fossile. Cette définition regroupe une très large gamme de techniques culturales ou d'itinéraires techniques, dont le point commun est la suppression du labour.

En France, on parle plutôt de techniques culturales simplifiées ou plus directement de suppression du labour. Mais là également, la diversité des pratiques que recouvrent ces vocables est très importante. Il est important de considérer deux aspects : l'effet des pratiques sur le stockage et le résultat sur l'évolution du stock de la réintroduction du labour.

3.2.1.2. Principes théoriques

La réduction du travail du sol peut entraîner une modification de rendement et donc des apports de carbone au sol, le plus souvent à la baisse, car cette technique peu développée en Europe n'est pas toujours optimisée. Cependant l'effet qui prime est le ralentissement des vitesses de biodégradation. Ceci n'est pas attesté que par les essais de travail du sol, mais également par les effets de la mise en culture en général : la mise en culture de terres en prairie ou forêt conduit à une baisse importante des réserves de carbone du sol, alors que les intrants de carbone ne sont pas systématiquement inférieurs, et que la fertilisation ne peut pas toujours être invoquée.

Les mécanismes de l'effet du travail du sol sur les vitesses de biodégradation du carbone ont fait l'objet d'une synthèse récente par Balesdent et al. (2000). Différents effets du microclimat du sol (température, humidité) en relation avec la profondeur où se trouve le carbone sont attendus, sans direction univoque sur le stockage. L'effet principal semble être une levée de la protection physique des matières organiques (Oades, 1995). Ce ne sont pas tant les outils de travail du sol qui dé-protègent le carbone, que deux autres effets, synergiques : la dilution de la matière organique par le labour abaisse la teneur superficielle et rend la structure du sol plus instable en surface. La déstructuration du sol par les intempéries dans les premiers cm est donc favorisée, d'autant plus que le sol est exposé longtemps (durée du sol nu), et que la préparation du lit de semence est fine. Les matières organiques sont alors rendues plus accessibles à la biodégradation. Le labour annuel expose une nouvelle couche de terre chaque année à ce processus, tendant à appauvrir en carbone tout l'horizon travaillé. L'essentiel du carbone en jeu est le carbone inclus dans les microagrégats organo-argileux (<50 micromètres) (Golchin et al., 1994). Il est attendu que le processus ne soit que lentement réversible (non symétrique), car les substances à l'origine de la stabilisation des microagrégats du sol, des

substances humiques principalement, ne sont générées à nouveau qu'à un rythme très lent. Un processus antagoniste est que l'injection directe du carbone dans le sol, par le labour, en rapprochant les matières organiques des argiles, tendrait à augmenter la protection physique. La validation de cette théorie est rendue délicate par les durées des expérimentations qui seraient nécessaires. Un corollaire attendu de la théorie, bien que non vérifié statistiquement, serait une forte interaction de l'effet du labour avec la texture du sol et la durée de la couverture végétale. Le travail superficiel du sol (dizaine de cm) aurait des effets assez similaires à ceux du non-travail.

3.2.1.3. Estimation du stockage potentiel dans la littérature

Les données bibliographiques issues des essais de longue durée comparant travail et non-travail présentent un fort risque de biais : souvent seuls les premiers 10 ou 15 cm sont comptabilisés, les changements de masse volumique du sol sont souvent ignorés. Ainsi la synthèse de Kern et Johnson (1993) fait état de 12 tC.ha-1 pour des essais de plus de 10 ans. Or il est attendu que le non-travail augmente le carbone en surface mais puisse le diminuer à la base de l'ancienne couche labourée. Notre synthèse fait état d'un stockage moyen annuel de 0,2 tC.ha-1.an-1 (Figure 3-2). La comparaison des différentes catégories de travail réduit (non-travail, travail superficiel, stubble much) n'a pas révélé de différence sur le stockage de carbone. Un inconvénient du non-labour pour la production, comme pour le ruissellement, est la compaction du sol (Guérif, 1994). L'utilisation d'outils de décompaction (sous- solage sans retournement du sol) doit être envisagée, l'impact de cette pratique sur le stockage de carbone restant à évaluer.

Figure 3-2. Synthèse bibliographique du stockage de carbone associé aux pratiques de travail du sol réduit ou de

non-travail. Il s'agit des différences de stock entre la pratique et le témoin en travail du sol conventionnel. Pour quelques études n'ayant pas chiffré le stockage mais annonçant ne pas observer de différence significative, la valeur zéro a été attribuée arbitrairement. La dispersion des valeurs observées rend compte de la variabilité réelle plus de la variabilité méthodologique, traduisant la difficulté d'une telle mesure. Modèle de stockage retenu dans la fiche-résumé (Courbe en gras) et limites de confiance à 95% dans ce modèle (courbes supérieure et inférieure). -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 0 20 40 60 Durée (années) Littérature internationale Données françaises Y/X moyen Modèle retenu modèle conf. 95%

3.2.1.4. Estimation et simulation du stockage potentiel à Boigneville

Nous disposons en France d'un remarquable essai "travail du sol" situé à Boigneville, au sud de Paris, conduit par l'Institut Technique des Céréales et des Fourrages depuis 1970 (Boisgontier, 1982 ; Monnier et al., 1994). Il compare 3 modalités de travail du sol : labour, travail superficiel et semis direct. L'essai principal (40 parcelles) est en rotation maïs-blé ; un essai secondaire comporte une

Dans le document Stocker du carbone dans les sols agricoles de France ? Rapport (Page 120-200)