MATIERES ORGANIQUES
Encadré 3.8.2-1. Equations de calcul classiquement utilisées pour estimer la quantité de carbone restituée au sol par les résidus de culture
3.8.3. Cultures intermédiaires et intercalaires Auteur : Eric Ceschia
3.8.3.2. Effet des cultures intermédiaires sur le stockage de carbone dans les sols agricoles La séquestration de C dans les sols, associée à l'apport répété de matière organique via l’enfouissement des CI,
représente le supplément de C stocké dans le sol résultant de cette pratique par rapport à la pratique de référence (sans CI). Elle a été étudiée soit lors d'incubations au laboratoire au cours desquelles on mesure les émissions de CO2 issues des résidus de CI en décomposition, soit en conditions de champ dans des essais permettant de mesurer les variations de stocks de C organique du sol.
Les travaux en laboratoire indiquent que la contribution des résidus de CI à la séquestration de C dans le sol peut être conséquente car 1) la proportion de C issu des résidus de parties aériennes de CI qui se stabilise dans le sol est comparable à celle de résidus de végétaux mûrs (Jensen et al., 2005 ; Justes et al., 2009) et 2) l’apport relatif de biomasse racinaire par rapport à la biomasse aérienne est plus important pour les couverts jeunes (ex. les CI) que pour des cultures plus âgées (McDaniel et al., 2014), et son facteur de conversion est plus élevé (Balesdent et Balabane, 1996 ; Kätterer et al., 2011).
Concernant les expérimentations in situ, cette synthèse s’appuie pour l’essentiel sur les articles identifiés via les méta-analyses de Justes et al. (2013), de McDaniel et al. (2014), de Poeplau et Don (2015) ainsi que l’article de Lal (2015) et d’autres études récentes listées dans le Tableau 3.8.3-1. L’objectif étant d’évaluer un potentiel de stockage de C par les CI pour la France métropolitaine, nous n’avons retenu que les études relatives aux zones tempérées contrairement à Justes et al. (2013) et Poeplau et Don (2015)16. Les différences observées entre essais menés en zones tempérée et tropicale seront toutefois discutées. De plus, certaines informations ayant permis d’estimer l’effet des CI sur le stockage de C dans ces méta-analyses n’ont pu être retrouvées dans les articles sources et quand les densités apparentes manquaient pour pouvoir calculer le stockage de C, elles ont été estimées à partir de la relation établie par Poeplau et Don (2015) entre teneur en C organique dans le sol (en %) et densité apparente. Nous avons considéré au total 87 essais ou modalités (ayant entre 1 à 54 ans) dont 57 ayant plus de 5 ans comparant des systèmes de culture avec ou sans CI.
Comme dans les précédentes études de Justes et al. (2012) et Popleau et Don (2015), les résultats montrent que les CI conduisent généralement à un stockage additionnel de C (seuls 8% déstockent et 2% ne varient pas en climat tempéré) par rapport à une situation classique de « sol nu » durant l’interculture (Tableau 3.8.3-1). Ce stockage additionnel par rapport à la pratique de référence sans CI résulte d’un apport répété de matière organique via l’enfouissement des CI qui peut être très variable, avec des biomasses de CI comprise entre 0,2 et 14 tMS.ha-1.an-1 (estimation réalisée à partir des données recueillies par Allison et al. (2012) et Justes et al. (2012)). Sur une durée moyenne de 10 ans d’expérimentation, la présence répétée des CI (pas forcément chaque année), conduit à un stockage additionnel de 366 ± 459 kgC.ha-1.an-1 en climat tempéré. En ne retenant que les essais de plus de 5 ans, nous avons estimé que les CI menaient à un stockage de C de 313 ± 313 kgC.ha-1.an-1.
Ce stockage s’avère être très efficace puisque le facteur de conversion, 33 ± 10%, est similaire voire supérieur à celui des résidus de type paille de céréales (Justes et al., 2012). En climat tropical, les CI engendrent des stockages de C plus importants qu’en zone tempérée (506 vs 292 kgC.ha-1.an-1 ; Justes et al., 2012) principalement à cause des plus fortes productions de biomasse des CI permises par ces conditions climatiques. Le facteur de conversion est en revanche plus faible (17% contre 33% ; Justes et al., 2012).
Comme dans les précédentes méta-analyses nous n’avons pas pu analyser de manière précise (faute d’information suffisament précise) l’effet de la durée d’implantation des CI (entre la levée et la destruction) sur leur capacité à favoriser le stockage de C. Toutefois, sur la base des informations que nous avons pu recueillir concernant les itinéraires techniques (date de semis et de destruction, parfois approximatives) nous avons estimé que le stockage de C augmentait avec la durée d’implantation des CI selon la relation :
Stockage de C (en kgC.ha-1.an-1) = 76,3 * durée d’implantation des CI (en mois) avec un R2 = 0,38. Cet effet durée est probablement lié à la quantité de biomasse de CI produite au cours du temps. Béziat et al. (2009) et Ceschia et al. (2010) avaient aussi estimé que la réduction des périodes de sol nu pouvait favoriser la fixation nette annuelle de CO2 par les parcelles en grandes cultures. Ainsi, une plus grande durée et/ou une plus grande fréquence de réalisation des CI permettrait de fixer davantage de CO2 mais aussi de stocker davantage de C dans le sol.
Cette capacité des CI à favoriser le stockage de C dans le sol est toutefois limitée dans le temps. En utilisant le modèle RothC, Poeplau et Don (2015) ont estimé qu’un potentiel de stockage (asymptotique) à 16 700 kgC.ha-1
pouvait être atteint au bout de 150 ans (tous climats confondus). 80% de ce stockage potentiel serait atteint au bout d’une 50aine d’années. Sur la base de simulations réalisées avec le modèles STICS sur 5 sites localisés dans le Sud Ouest de la France, Tribouillois et al. (2018) ont estimé un potentiel de stockage compris entre 2 500 et 8 000 kgC.ha-1 avec un état d’équilibre atteint au bout de 34 à 45 ans. Si l’essentiel de l’effet stockage de C semble donc devoir être atteint une 50aine d’années après l’introduction des CI, la différence de potentiel de stockage entre ces deux études s’explique probablement par les différences de contextes climatiques considérées.
16 Toutes les études référencées dans Poeplau et Don (2015) n’ont pu être intégrées dans ce chapitre même si elles correspondaient à des climats tempérés car certains articles étaient rédigés en allemand.
Tableau 3.8.3-1. Taux de séquestration du carbone issu des CI.
Tout comme dans les précédentes méta-analyses, nous n’avons pas pu mettre en évidence d’effet espèce (incluant à la fois des différences de biomasse produite et de composition biochimique) sur le stockage de C, à cause d’un nombre insuffisant de données et parce que ces effets sont climat et sol dépendant. Notons toutefois que McDaniel et al. (2014) ont démontré que les CI de légumineuses constituaient un levier efficace pour augmenter les stocks de C et de N dans les sols : augmentation moyenne du stock de C de 8,5% sur une durée moyenne de 18 ans ce qui, pour un stock moyen de 50 tC.ha-1, représente une vitesse de stockage de 236 kgC.ha-1.an-1. Cependant, ni Poeplau et Don (2015), ni Tribouillois et al. (2018) n’ont pu mettre en évidence de différence significative entre légumineuses et non-légumineuses sur l’effet stockage de C dans les sols.
Pays Type de sol Couvert intermédiaire Profondeur Séquestration
(WRB/US soil tax.) cm Kg C/ha/an
Canada Regosol Blé Trèfle 30 15 - 113 Campbell et al. 1991 Canada Orthic brown chernozem Blé Lentille 9 15 2.5 200 Curtin et al. 2000 Canada Orthic brown chernozem Blé Lentille 9 15 2.5 156 Curtin et al. 2000 Canada Rego humic gleysol - Orge 1 5 8 640 Hermawan & Bomke, 1997 Canada Rego humic gleysol - Seigle 1 5 8 400 Hermawan & Bomke, 1997 Canada Rego humic gleysol - Ray-grass 1 5 8 640 Hermawan & Bomke, 1997 Denmark Alfisol Blé Ray-grass 18 20 - 212 Thomsen & Christensen, 2004 Denmark Alfisol Blé Ray-grass 18 20 - 210 Thomsen & Christensen, 2004 Denmark Alfisol Blé Ray-grass 18 20 - 208 Thomsen & Christensen, 2004 France Haplic luvisol Blé/orge/pois Moutarde 16 28 3 63 Constantin et al. 2010 France Haplic luvisol Blé/orge/pois Moutarde 16 30 3 56 Constantin et al. 2010 France Dystric cambisol Blé/maïs Ray-grass 14 30 6 307 Constantin et al. 2010 France Rendzina Pois/blé/betterave Radis 14 30 3 114 Constantin et al. 2010 France Rendzina Pois/blé/betterave Radis 14 23.5 3 143 Constantin et al. 2010 France Rendzina Blé/orge/betterave Radis 17 23.5 3 118 Constantin et al. 2010 Italy Typic xerofluvent Maïs Mélange 15 30 6 80 Mazzoncini et al., 2011 USA Fragiudalf Maïs/soja Mélange 15 30 - 80 Drinkwater et al., 1998 USA Fragiudalf Maïs/soja Mélange 15 30 - 44 Drinkwater et al., 1998 USA Kandiudult Chanvre/trèfle/maïs Chanvre/trèfle 3 2.5 2.5 444 Hubbard et al., 2013 USA Kandiudult Chanvre/sol nu/maïs Chanvre 3 2.5 2.5 606 Hubbard et al., 2013
Japon Loam - - 54 20 - 306 Ishikawa et al., 1988
USA Aquic xerofluvent Maïs ensilage Seigle 6 30 6 418 Kuo et al., 1997 USA Aquic xerofluvent Maïs ensilage Pois 6 30 6 283 Kuo et al., 1997 USA Aquic xerofluvent Maïs ensilage Ray-grass 6 30 6 527 Kuo et al., 1997 USA Aquic xerofluvent Maïs ensilage Vesce 6 30 6 273 Kuo et al., 1997 USA Aquic xerofluvent Maïs ensilage Colza 6 30 6 228 Kuo et al., 1997 USA Typic hapludult Sorgho Blé 3 20 6 323 McVay et al., 1989 USA Typic hapludult Sorgho Trèfle 3 20 6 534 McVay et al., 1989 USA Typic hapludult Sorgho Vesce 3 20 6 107 McVay et al., 1989 USA Rhodic paleudult Maïs Blé + résidus maïs 3 20 7 1867 McVay et al., 1989 USA Rhodic paleudult Maïs Trèfle + résidus maïs 3 20 7 2476 McVay et al., 1989 Suède Eutric cambisol - Mélange 35 15 - 329 Poeplau & Don, 2015 USA Orthic luvisols Tomate & maïs Vesce 6 20 8 415 Sainju et al., 2002 USA Orthic luvisols Tomate & maïs Vesce 6 20 8 310 Sainju et al., 2002 USA Orthic luvisols Tomate & maïs Vesce 6 20 8 357 Sainju et al., 2002 USA Rhodic kandiupults Tomate & maïs Seigle 5 20 7 380 Sainju et al., 2002 USA Rhodic kandiupults Tomate & maïs Vesce 5 20 7 100 Sainju et al., 2002 USA Rhodic kandiupults Tomate & maïs Trèfle 5 20 7 120 Sainju et al., 2002 Japon Textute SCL Asperges Orge 3 15 - 87 Araki et al., 2012 Japon Textute SCL Asperges Seigle 3 15 - 93 Araki et al., 2012 Japon Textute SCL Asperges Blé 3 15 - 10 Araki et al., 2012 Espagne petrocalcic calcisol Asperges Vesce/avoine 4 30 6 475 Garcia-Franco et al., 2015 Espagne petrocalcic calcisol Asperges Vesce/avoine 4 30 6 50 Garcia-Franco et al., 2015 Espagne petrocalcic calcisol Asperges Vesce/avoine 4 30 6 -550 Garcia-Franco et al., 2015 USA Plinthic paleudults Coton/Sorgho Seigle/vesce 3 30 6 733 Sainju et al., 2006 Chine Siltry loam Concombre Maïs récolté 3 20 4 397 Tian et al., 2010 Chine Siltry loam Concombre Maïs enfoui 3 20 4 463 Tian et al., 2010 Chine Siltry loam Concombre Haricots récoltés 3 20 4 30 Tian et al., 2010 Chine Siltry loam Concombre Haricots enfouis 3 20 4 263 Tian et al., 2010 Chine Siltry loam Concombre Chrysanthème/amaranthe 3 20 4 363 Tian et al., 2010
Chine Anthrosols Riz Colza 28 15 - 54 Yang et al., 2013
Chine Anthrosols Riz Vesce 28 15 - -5 Yang et al., 2013
Chine Anthrosols Riz Ray-grass 28 15 - -4 Yang et al., 2013 Danemark Orthic Haplohumod Blé/orge Ray-grass 23 20 - 150 Berntsen et al., 2006 USA Mesic Aquic Xerochrept Maïs fourrager Seigle 10 30 - 470 Kuo and Jellum, 2000 USA Mesic Aquic Xerochrept Maïs fourrager Ray-grass 10 30 - 270 Kuo and Jellum, 2000 USA Mesic Aquic Xerochrept Maïs fourrager Vesce 10 30 - 200 Kuo and Jellum, 2000 USA Sandy loam Maïs fourrager Seigle 10 25 - 700 Ding et al., 2006 USA Sandy loam Maïs fourrager Seigle/vesce 10 25 - 460 Ding et al., 2006 Canada Orthic Brown Chernozem Blé Seigle 30 15 - 150 Campbell et al. 2000 Canada Orthic Brown Chernozem Blé Mélange 17 15 - 194 Campbell et al. 2007 Suède - Céréales/colza Mélange 37 - 360 Gerzabek et al., 1997 USA Typic Endoaquolls Maïs/soja Seigle 3 25 7 -163 Fronning et al., 2008 USA Typic Fragiudalf Maïs/seigle/soja/vesce Seigle/vesce 12 75 5 478 Olson et al., 2014 USA - Coton/coton/maïs Seigle - 20 - 825 Sainju et al., 2008
USA - maïs/soja Trèfle - 7.6 - 1545 Liebig et al., 2002
USA Typic Fragiudalf maïs/soja Mélange 12 75 - 0 Olson et al., 2010 USA - Maïs fourrager/ensilage Seigle - 10 - 0 Dell et al., 2008
Madrid - Maïs Orge/vesce 4 - 240 Soldevilla et al., 2014
USA - - - 11 20 - 450 Franzluebbers et al., 2010
USA - - - 20 - 530 Franzluebbers et al., 2005
Japan Typical Andosol Riz/soja Vesce 9 30 - 557 Higashi et al., 2014 Japan Typical Andosol Riz/soja Seigle 9 30 - 1188 Higashi et al., 2014 Japan Typical Andosol Riz/soja Seigle 9 30 - 1149 Higashi et al., 2014 Japan Typical Andosol Riz/soja Seigle 9 30 - 1611 Higashi et al., 2014 France Haplic Luvisol Blé/maïs Avoine/vesce 8 56.1 - 425 Dimassi et al., 2014
J u s te s e t a l. 2 0 1 5 la l e t a l. , 2 0 1 5 P o e p la u & D o n , 2 0 1 5 ( 1 1 a rt ic le s ) Références A u tr e Durée d'implantation du CI (estimée en mois) Périodes d'observation (années) Rotation de culture de rente
De cette synthèse, on peut donc dégager les 2 conclusions suivantes :
- Le stockage additionnel de C permis par les CI est fort. En moyenne, pour les essais de plus de 5 ans présenté dans le Tableau 3.8.3-1, il représente 313 ± 313 kg C.ha-1.an-1,