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
3.8.6. Autres pratiques : fertilisation minérale, irrigation, chaulage Auteur : Jérôme Balesdent
Principaux enseignements de cette section :
• La fertilisation azotée des systèmes limités en azote conduit à un faible stockage additionnel de carbone,
et ce uniquement si les résidus aériens sont restitués. Cependant une surfertilisation conduit à un déstockage.
• En France, la fertilisation azotée des grandes cultures est généralement excédentaire. Il n’y a pas de
marge de manœuvre pour une augmentation des stocks de C par augmentation de la fertilisation.
• Le chaulage des sols acides tend à augmenter légèrement les stocks de carbone, notamment via
l'augmentation de la production primaire. Il y a cependant un risque d'important déstockage de carbone par chaulage de certains types pédologiques naturellement riches en matières organiques en raison de leurs phases minérales (Acrisols, Umbrisols), y compris en profondeur.
• L’irrigation influence la dynamique du carbone du sol via deux processus ayant un effet opposé sur le
stockage : l’augmentation de la production primaire, et donc des restitutions de C au sol, et l’augmentation de la vitesse de minéralisation.
• L'irrigation des systèmes très déficitaires en eau conduit à un stockage additionnel de carbone. Fertilisation, irrigation et chaulage ont été décrits comme affectant significativement le stockage de carbone. Il ne s'agit pas de pratiques binaires (présence/absence), mais d'intensité variable, correspondant à des quantités variables d'intrants dans les itinéraires techniques.
Ces trois pratiques affectent le stockage par plusieurs processus agissant dans des directions opposées, typiquement en augmentant la production primaire et donc les restitutions au sol, mais aussi en affectant la minéralisation des matières organiques. Il en résulte que l'effet dépend des doses et des conditions. Il n’est donc pas possible de fournir des valeurs de stockage moyen associé. Le fait que la littérature mentionne des effets dans les deux directions ne doit pas amener à conclure que le stockage moyen est nul ou négligeable. Il peut y avoir stockage dans certaines conditions et déstockage dans d'autres.
3.8.6.1. Fertilisation minérale azotée
On considère ici uniquement le cas de la fertilisation minérale. La fertilisation organique est traitée dans le cadre de la section précédente (section 3.8.5). En plus d’un apport d’azote, et d’autres éléments minéraux, la fertilisation organique a un effet direct de stockage par apport conjoint de carbone (section 3.8.5).
Processus
Plusieurs processus ayant un effet « stockant » ou « déstockant » peuvent être influencés par l’apport d’azote minéral : • Une augmentation de la production primaire restituée au sol (effet stockant), modérée par une diminution relative de l'enracinement et de la rhizodéposition, (Kuzyakov et Domanski, 2000 ; Kuzyakov et Schneckenberger, 2004 ; Lu et al., 2011).
• Une légère accélération de la vitesse de biodégradation des résidus (effet déstockant, négligeable sur le long terme)
• Une diminution de la biomasse microbienne (Lu et al., 2011), une accélération de la minéralisation des matières organiques par les microorganismes (Li et al., 2017; Zang et al., 2016), éventuellement l'acidification du sol associée à la nitrification d'apport sous forme de sels l'ammonium ou d'urée ont été décrits comme ayant un effet déstockant
• Une stabilisation à long terme des composés azotés des matières organiques, notamment en présence d'argiles (Bol et al., 2009 ; Kleber et al., 2007) (effet stockant).
La fertilisation globale des écosystèmes naturels par les dépôts azotés atmosphériques (la pollution azotée globale) contribue au stockage actuel de carbone dans les écosystèmes de la planète, y compris les sols (Tipping et al., 2017).
Quantification
Le Tableau 3.8.6-1 résume les résultats de cinq méta-analyses. La fertilisation, comparée à l'absence de fertilisation, tend à stocker du carbone, mais faiblement (plus quelques % relatifs en 10 à 30 ans) et moins qu'en proportion des augmentations de rendement. Alvarez (2005) rapporte que le gain de la fertilisation est nul dans les traitements sans restitution des résidus.
Par ailleurs, l'essai de très longue durée des Morrow Plots aux USA (Khan et al., 2007) montre clairement une perte de carbone due à une surfertilisation de +37 kgN.ha-1an-1, y compris en dessous de 30 cm.
Ainsi plusieurs titres d'articles rapportent que les stocks de carbone augmentent peu avec la fertilisation et diminuent avec la surfertilisation :
- "The myth of Nitrogen fertilization for soil carbon Sequestration" (Khan et al., 2007).
- "Minor stimulation of soil carbon storage by nitrogen addition: A meta-analysis" (Lu et al., 2011)
- “Synthetic nitrogen fertilizers deplete soil nitrogen: A global dilemma for sustainable cereal production,” (Mulvaney et al., 2009)
- "Decadal Nitrogen Fertilization Decreases Mineral-Associated and Subsoil Carbon" (Shahbaz et al., 2017) - "The net effect of N fertilizer on SOC is positive when N fertilizer is not applied in large excess" (Russell et al., 2009; David et al., 2010; Powlson et al., 2010)
Tableau 3.8.6-1. Effet net de la fertilisation azotée sur le stockage de carbone en cultures annuelles : moyenne et dispersion
de méta-analyses d'essais de longue durée en conditions contrôlées. Valeurs moyennes suivies de la dispersion.
SD = écart-type. CI95 = Intervalle de confiance à 95% de la moyenne. "nd" = non disponible.
Source couples Nb de Région/Climat Profondeur (cm) Durée (an) (kg N/ha) Contrôle Fertili- sation (kg N /ha) ∆C = Cfertilisé – Ccontrole (tC/ha) ∆C/Ccontrole (%) (tC/ha/an) ∆C/t
D'après les données de Alvarez, 2005 112 Canada USA MAT 8,5 ± 4,4 °C Pann 658 ±216 mm 27,5 ± 4,8 (SD) 14 ± 10 (SD) 0 105 ± 71 +2,6 ± 4,4 (SD) nd +0,19 ± 0,56 (SD) D'après les données
de Lu et al., 2011 189 Monde Latitudes 40 à 60° nd; (Co-variable) nd 0 nd nd +4,3% ±8,4% (SD) D'après les données
de Lu et al., 2011 151 Monde Latitudes 0 à 40° nd; (Co-variable) nd 0 nd nd +2,8% ±10,8% (SD) D'après les données
de Khan et al., 2007 11 Tempéré US, UK, Canada 0-30 27 ± 17 (SD) 76 ±15 (SD) 157 ± 38 (SD) +2,3% ±4,9% (SD) Zhao et al., 2015 78 Chine 0-30 25 ± 12 (SD) 0 nd (NPK) +2,1 ± 0,5 (CI95) +0,08
En résumé, la fertilisation azotée des systèmes limités en azote conduit à un faible stockage additionnel de carbone, et ce uniquement si les résidus aériens sont restitués. Le stockage additionnel de carbone est moindre que ce qui pourrait être attendu compte tenu de l'augmentation des restitutions de carbone. La surfertilisation déstocke du carbone organique. La synthèse des méta-analyses tend à indiquer un optimum de stockage de carbone à un niveau de fertilisation sous-optimal pour le rendement, comme cela a été décrit pour les prairies. Modélisation
Les modèles courants prennent en compte l'effet de la fertilisation sur les restitutions de résidus de récolte, mais tendent à surévaluer le stockage, car ils ne prennent pas toujours en compte l'impact du niveau de fertilité azotée sur la répartition du carbone entre parties aériennes et racinaires, ni les effets sur les microorganismes.
Assiette et freins à l’adoption de pratiques stockantes par modification de la fertilisation azotée
En France, la fertilisation azotée des grandes cultures est généralement excédentaire. Il n’y a pas de marge de manœuvre pour une augmentation des stocks de C par augmentation de la fertilisation. Le frein principal à la diminution de la surfertilisation est le risque de perte de rendement. Ce frein a été largement étudié pour d'autres problématiques. L'absence de données chiffrées scientifiquement bien établies sur la relation triple entre dose, rendement et stockage de carbone dans le sol est un frein supplémentaire à l'utilisation de ce levier dans le but de stocker du carbone.
3.8.6.2. Chaulage des sols acides
Le chaulage est une pratique d'amendement, souvent à base de chaux, de calcaire ou de dolomite, destinée à augmenter le pH du sol et à apporter les éléments Ca ou Mg. On distingue généralement deux types de pratiques : - Le "chaulage d'entretien", qui consiste à prévenir la tendance naturelle à l'acidification des sols alcalins, neutres ou faiblement acides (typiquement dont le taux de saturation de la capacité d'échange cationique est >80%). Ces catégories représentent 98% des terres cultivées en France métropolitaines (GisSol 2011, "L'état des sols en France"). Il n'est pas attendu que le chaulage d’entretien modifie les stocks de carbone des sols.
- Le "chaulage de correction des sols acides", qui consiste à remonter le pH des sols dont le taux de saturation est <80%. Deux pour cent des terres actuellement cultivées en France sont potentiellement concernées. Cependant, dans le cas de changement d'usage des terres, la majorité des sols forestiers ou de prairies permanentes convertis en cultures est potentiellement concernée.
Processus
La pratique du chaulage a un effet « stockant » ou « déstockant » par deux processus principaux :
- l'augmentation de la production primaire et donc des restitutions de carbone au sol. Les mécanismes sont multiples: augmentation de la disponibilité en Ca, Mg, P ; amélioration des états physiques du sol ; levée de la toxicité aluminique ou métallique de certains sols acides ;
- la modification des temps de résidence du carbone. Ici aussi les mécanismes sont multiples et peuvent jouer dans les deux sens. Plus que le rôle direct du pH sur les microorganismes, qui n'est pas univoque, on note la modification de l'état physique et de la protection, l'augmentation du calcium et de la sorption des matières organiques, ou inversement la déstabilisation des minéraux alumineux ou mal cristallisés fixant le carbone (Paradelo et al., 2015; Rasmussen et al., 2018). Le chaulage des sols acides (pH < 5) peut par ailleurs modifier très significativement la répartition verticale des matières organiques au sein des 30 ou 40 premiers cm, en permettant la colonisation éventuelle par les vers de terre.
Quantification
Le chaulage est une pratique modifiant le sol durablement, de façon lentement réversible (amendement): il n'est donc pas à considérer comme ayant un effet annuel, mais sur plusieurs années. L'étude de Paradelo et al. (2015) a fait la synthèse et la méta-analyse des effets nets résultant sur le carbone de nombreuses expérimentations en sols cultivés, prairiaux et forestiers. Le Tableau 3.8.6-2 résume le sous-ensemble des sols sous culture.
Tableau 3.8.6-2. Effet du chaulage sur le stockage de carbone en cultures annuelles : moyenne et dispersion
de méta-analyses de 13 essais. Valeurs moyennes suivies de la dispersion. SD = écart-type.
source couples Nb de Région/ Climat Prof moyenne (cm) Durée moyenne (an) pH contrôle ∆pH (chaulé - contrôle) ∆C/Ccontrole (%) ∆C/t (%/an) D'après les données de
Paradelo et al., 2015 12 variés 17 ±3 (SD) 26 (7 à 125) 4,8 ±0,6 (SD) + 1,0 ±0,6 (SD) + 4,1% ±10,2% (SD) -0,008%(*) ±0,77% (SD) (*) Les tendances différentes entre moyenne du changement de stock (∆C) et moyenne du stockage annuel (∆C/t) correspondent à un déstockage à court terme (essais courts < 10 ans) et un stockage à long terme (essais longs > 15 ans).
L'effet global du chaulage peut être résumé ainsi.
Le chaulage des sols acides tend à augmenter légèrement les stocks de carbone, notamment via l'augmentation de la production primaire. Il y a cependant un risque d'important déstockage de carbone par chaulage de certains types pédologiques naturellement riches en matières organiques en raison de leurs phases minérales: Acrisols, Umbrisols, y compris en profondeur (Bonnard, 2013 ; Rasmussen et al., 2018).
Modélisation
Les modèles courants ne prennent pas en compte l'effet du chaulage sur le carbone organique. Assiette et freins à l’adoption de pratiques stockantes par chaulage
En France les surfaces redevables d’un chaulage de correction ne représentent qu’environ 2% des sols cultivés. Il n’y a pas de frein majeur à la mise en œuvre de cette pratique qui, en plus d’autres intérêts agronomiques, favorise
un stockage additionnel de C. A noter qu’un chaulage de correction peut concerner 50% des transitions d'usages depuis la forêt ou les prairies permanentes vers la culture. Lors des changements d'usage des terres (conversion de prairies permanentes en cultures ou fourrages annuels, déforestation), le poids du chaulage sur la perte de carbone, qui peut être très importante, mériterait des études complémentaires.
3.8.6.3. Irrigation
En France la surface irrigable (équipée pour l’irrigation) représente de l’ordre de 2,7 millions d’hectares. Cette pratique recouvre une grande diversité de modalités de mise en œuvre, à la fois en terme d’équipement utilisé (asperseur, rampe, goutte à goutte…), de dose et de calendrier d’apports.
Processus
En situation de déficit hydrique, l’apport d’eau par irrigation influence la dynamique du carbone via deux processus majeurs ayant un effet opposé sur le stockage :
- l’augmentation de la production primaire, et donc des restitutions de C au sol par les racines et les résidus de culture, du fait du meilleur statut hydrique de la culture (mais, ici encore, il est attendu que l'augmentation relative des apports au sol par les racines soit inférieure à celle des rendements)
- l’augmentation de la vitesse de minéralisation du carbone organique. Les effets de l'humidité étant multiplicatifs avec ceux de la température, l'humidité estivale est un déterminant majeur des temps de résidence du carbone. Les dessiccations et réhumectations ont des effets additionnels complexes.
Quantification
L’effet résultant de l’irrigation sur le stockage de carbone (Tableau 3.8.6-3) dépend de l’importance relative de ces deux effets. Zhou et al. (2016) rapportent globalement un bilan légèrement positif de l’irrigation sur le stockage de carbone dans le sol et l'interprète comme une compensation presque parfaite entre augmentation de la production primaire et l’augmentation de la vitesse de minéralisation. Le nombre d'essais en sols agricoles reste cependant faible. Il est certain qu'une irrigation sans augmentation notable de la production végétale déstocke du carbone. Dans le cadre du changement climatique, l'impact de la pluviométrie et des sécheresses sur le cycle du carbone est à l'origine d'un nombre croissant d'études aux échelles globales, mais reste mal compris et représenté (Carvalhais, 2014, Mathieu et al., 2015, Sierra et al., 2015).
Tableau 3.8.6-3. Effet net résultant de l'irrigation sur le stockage de carbone: méta-analyse.
Valeurs moyennes suivies de la dispersion. SD = écart-type.
source couples Nb de Région/Climat (cm) Prof Durée (an) Cfrrigué∆C = – Ccontrole
(tC/ha)
∆C/Ccontrole
(%) (%/an) ∆C/t
Zhou et al., 2016 30 Tous écosystèmes na 5 (1 à 35) na + 1,27% ±15% (CI95) na
Zhou et al., 2016 3 croplands na Na na +10% ±5% (CI95) na
L'effet global d'irrigation peut être résumé ainsi :
L'irrigation des systèmes très déficitaires en eau conduit à un stockage additionnel de carbone. Le stockage de carbone est cependant moindre que ce qui peut être attendu compte tenu de l'augmentation des rendements et restitutions de carbone. Il est attendu des différents processus en jeu qu'il y ait un optimum de stockage de carbone à un niveau d'irrigation sous-optimal pour le rendement.
Modélisation
Les modèles courants prennent en compte l'effet de l'irrigation sur la production primaire et sur la minéralisation des matières organiques, mais risquent de surestimer l'apport de carbone souterrain par les racines.Les modèles simulant la dynamique du carbone du sol ont tous une paramétrisation de l'effet de l'humidité du sol sur la décomposition. En utilisant le modèle RothC, il a été montré que la compensation du déficit hydrique moyen naturel d'Ile-de-France, pendant 1 mois (juin), deux mois (juin-juillet) ou trois mois (juin juillet août) augmentait la vitesse annuelle de minéralisation de +5%, +18%, +32%, respectivement, ce qui, à flux de carbone entrant identique, tendrait à terme à réduire les stocks organiques d'autant.
Assiette et freins à l’adoption de pratiques favorisant le stockage de C par irrigation
Les freins à l’extension de l’irrigation sont le coût et la compétition croissante pour les usages de l'eau, en particulier en contexte de raréfaction de la ressource du fait du changement climatique.
3.8.6.4. Synthèse, et pistes pour des leviers à plus long terme
Au total l’analyse qui précède ne permet pas d’identifier d’autres pratiques agricoles ayant un effet avéré et majeur sur le stockage de C dans les sols et susceptibles d’être mises en œuvre sur des surfaces importantes en grande culture en France. La fertilisation azotée est en général excédentaire, ce qui ne permet pas d’envisager un stockage additionnel de C par augmentation de la production primaire et des retours au sol de C. L’augmentation du pH dans les sols acides aurait un effet bénéfique sur la production et donc sur le stockage de C mais les surfaces concernées en France sont faibles (2% des surfaces en grande culture). Enfin l’irrigation semble avoir un effet légèrement positif sur le stockage, mais les possibilités d’extension de cette pratique sont fortement contraintes par les disponibilités en eau. Quelques études récentes sur l’effet de pratiques agricoles non conventionnelles sur le carbone du sol suggèrent que d’autres leviers pourraient être mobilisés à l’avenir, en particulier dans un contexte de réduction voire d’abandon des pesticides. Dans le cadre d’une méta-analyse sur l'effet de l’agriculture biologique sur le stockage de C dans les sols, Gattinger et al. (2012) ont montré un stockage additionnel de C en agriculture biologique par rapport à l’agriculture conventionnelle non explicable par des apports additionnels de matières organiques. En France Autret et al. (2016) observent aussi dans le cadre d’un "essai système", un stockage de 3 tC/ha en 16 ans en agriculture biologique sans apports de matières organiques par rapport à l'agriculture conventionnelle. Ces observations suggèrent un temps de résidence plus long du carbone du sol dans les systèmes biologiques. Plusieurs mécanismes sont suspectés, comme l’effet de la disponibilité en azote sur les décomposeurs, la présence de légumineuses, les apports racinaires (Chirinda, 2012), la faune du sol. Les biocides (fongicides, insecticides) pourraient aussi augmenter la minéralisation des matières organiques en dérégulant les interactions entre champignons et bactéries, en réduisant la prédation des bactéries par les organismes supérieurs (protozoaires, nématodes) ou en réduisant l'association organo-minérale générée par les invertébrés du sol. Il est actuellement prématuré d’en déduire qu’une agriculture sans pesticides permettrait d’accroitre le stockage de C dans les sols mais dans un contexte de réduction de l’emploi des produits phytosanitaires l’étude des interactions entre les pratiques de maîtrise des bioagresseurs, la biodiversité tellurique et le stockage de C mérite un effort de recherche plus important.
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