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Submitted on 15 May 2020
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Volatilisation de l’ammoniac et épandage de fertilisants
organiques et minéraux : état des lieux des
connaissances et perspectives de recherche
Thomas Pacaud, M. Pradel
To cite this version:
Thomas Pacaud, M. Pradel. Volatilisation de l’ammoniac et épandage de fertilisants organiques et
minéraux : état des lieux des connaissances et perspectives de recherche. [Rapport de recherche] irstea.
2010, pp.122. �hal-02593494�
Volatilisation de
l'ammoniac et
épandage de fertilisants
organiques et minéraux
Etat des lieux des connaissances
et perspectives de recherche
Version finale – 20 septembre 2010
Thomas PACAUD, Marilys PRADEL
Unité de recherche "Technologie et Systèmes
d'information pour les agrosystèmes"
Site de recherche et d'expérimentation du Cemagref – Centre de
Clermont-Ferrand
Domaine des Palaquins
03150 Montoldre
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d'Irstea
/ Cemagref
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Avant-propos
Ce rapport constitue le rapport final d'une étude financée par le Ministère de l'Alimentation, de
l'Agriculture et de la Pêche représenté par la Direction Générale des Politiques Agricoles et
Agroalimentaires et des Territoires dans le cadre de la convention 2009 "Agriculture et gestion
durable de l'eau". Le descriptif détaillé de l'action proposée est présenté en Annexe 1. Cette
étude a fait l'objet d'une journée de restitution le 6 juillet 2010 à Montoldre (Allier) auprès des
commanditaires du MAAP/DGPAAT, des représentants de la recherche, du développement
agricole et de l'agrofourniture. Le compte rendu de cette journée ainsi que les présentations des
différents intervenants se trouve en Annexe 6.
L'étude a mobilisé des membres de l'unité de recherche Technologies et Systèmes d'information
pour les agro-systèmes du site de recherche et d'expérimentation de Montoldre (Allier) sur une
durée totale de 6 mois. Elle porte sur la thématique des émissions d'ammoniac lors de
l'épandage de fertilisants organiques et minéraux avec un double objectif annoncé :
• Proposer des préconisations opérationnelles à destination des acteurs de terrain pour
limiter ces émissions ;
• Proposer de nouvelles pistes de recherches qui permettront d’améliorer la quantification
des émissions d’ammoniac lors de chantiers d'épandage afin d'appuyer et d'améliorer
ces préconisations.
Les auteurs remercient toutes les personnes rencontrées lors de la réalisation de l'étude pour
l'expertise apportée sur ce travail, ainsi que les participants à la journée de restitution qui ont
contribué à enrichir le débat et pour leurs retours sur les fiches de préconisations présentées en
Annexe 5.
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Table des matières
AVANT-PROPOS ... 3
TABLE DES MATIERES ... 5
TABLE DES FIGURES ... 6
TABLE DES TABLEAUX ... 6
1. CONTEXTE ET ENJEUX DE L'ETUDE ... 7
2. VOLATILISATION DE L'AMMONIAC A L'EPANDAGE DE FERTILISANTS : ETAT DES CONNAISSANCES ... 8
2.1.
M
ETHODOLOGIE EMPLOYEE ET BIBLIOMETRIE GLOBALE
...8
2.2.
L
E PROCESSUS DE VOLATILISATION DE L
'
AMMONIAC COMME OBJET D
'
ETUDE
...9
2.2.1.
L
ES ETUDES BIBLIOGRAPHIQUES
... 9
2.2.2.
L
ES TRAVAUX DE MODELISATION
... 10
2.3.
L'
EXPERIMENTATION AVEC POUR PRINCIPALE CIBLE LES PRODUITS A FORT POTENTIEL DE VOLATILISATION
...11
2.3.1.
R
EPARTITION GLOBALE DES PUBLICATIONS PAR TYPE DE FERTILISANTS
... 11
2.3.2.
C
OMPARAISONS DES EMISSIONS POUR L
'
EPANDAGE DE DIFFERENTS FERTILISANTS
... 11
2.4.
D
ES EMISSIONS ENCORE FORTEMENT DEPENDANTES DES CONDITIONS PEDOCLIMATIQUES
...13
2.5.
P
RINCIPAUX LEVIERS D
'
ACTION IDENTIFIES POUR REDUIRE LES EMISSIONS D
'
AMMONIAC DU STOCKAGE A L
'
EPANDAGE
...13
2.5.1.
R
EDUCTION DES EMISSIONS DE
NH
3PAR TRAITEMENT DU PRODUIT EPANDU
... 13
2.5.2.
R
EDUCTION DES EMISSIONS DE
NH
3PAR DES CHANGEMENTS DE PRATIQUES D
'
EPANDAGE ET
/
OU DE STOCKAGE
... 14
3. LEVIERS D'ACTION TECHNOLOGIQUES POSSIBLES ET LIMITATION DE LA VOLATILISATION PAR LES
PRATIQUES DE TRAVAIL DU SOL ... 15
3.1.
E
FFLUENTS D
'
ELEVAGES SOLIDES
:
DELAI ET MODE D
'
INCORPORATION
...15
3.2.
F
ERTILISANTS MINERAUX
:
INCORPORATION OU IRRIGATION
...17
3.3.
E
FFLUENTS D
'
ELEVAGE LIQUIDES
:
UN LEVIER TECHNOLOGIQUE ENCORE PREPONDERANT
...18
3.3.1.
A
PPORTS SUR PRAIRIES
... 18
3.3.2.
S
UR TERRES ARABLES
... 22
4. QUELS ENJEUX POUR QUELLES PERSPECTIVES DE RECHERCHE... 25
4.1.
Q
UID DES AUTRES ETAPES DE GESTION DES EFFLUENTS
? ...25
4.1.1.
E
MISSIONS PENDANT LES PHASES DE STOCKAGE ET DE COMPOSTAGE
... 25
4.1.2.
E
MISSIONS PENDANT LES ETAPES DE TRANSPORT
,
CHARGEMENT
,
BRASSAGE
... 26
4.1.3.
L'
EPANDAGE CONSIDERE DANS LA FILIERE DE GESTION DES EFFLUENTS
... 27
4.2.
F
ERTILISANTS ORGANIQUES SOLIDES ET LIQUIDES
:
QUELLES PERSPECTIVES DE RECHERCHE POUR L
'
AMELIORATION DES TECHNOLOGIES
ET DES PRATIQUES
?...28
4.3.
F
ERTILISANTS MINERAUX
:
DES PERSPECTIVES DANS L
'
EVOLUTION DES PRATIQUES COMBINEES A L
'
AMELIORATION DES
TECHNOLOGIES
?...30
5. CONCLUSIONS ... 31
6. REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES ... 32
7. ANNEXES... 45
7.1.
A
NNEXE
1
:
C
ONVENTION
2009
–
A
GRICULTURE ET GESTION DURABLE DE L
'
EAU
–
A
CTION
5.
V
OLATILISATION DE L
'
AMMONIAC
LIEE A L
'
EPANDAGE DES ENGRAIS
...45
7.2.
A
NNEXE
2
:
EQUATION BIBLIOGRAPHIQUE PRINCIPALE
...47
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7.3.
A
NNEXE
3
:
EXEMPLE DE FICHE DE LECTURE
–
PUBLICATIONS SCIENTIFIQUES
...48
7.4.
A
NNEXE
4
:
T
ABLEAUX RECAPITULATIFS DES PUBLICATIONS SCIENTIFIQUES TRAITANT DE LA VOLATILISATION DE
NH
3A L
'
EPANDAGE
...50
7.5.
A
NNEXE
5
:
F
ICHES DE PRECONISATIONS FERTILISANTS ORGANIQUES SOLIDES
,
FERTILISANTS ORGANIQUES LIQUIDES ET FERTILISANTS
MINERAUX
...76
7.6.
A
NNEXE
6
:
C
OMPTE RENDU DE LA JOURNEE DE RESTITUTION DU PROJET
"V
OLATILISATION DE L
'
AMMONIAC LIEE A L
'
EPANDAGE DES
ENGRAIS
"
–
6
JUILLET
2010
–
M
ONTOLDRE
(A
LLIER
)...79
Table des figures
F
IGURE
1
:
L
E PROCESSUS DE VOLATILISATION D
'
AMMONIAC EN PARCELLE AGRICOLE
... 7
F
IGURE
2
:
R
EPARTITION DES SOURCES BIBLIOGRAPHIQUES PAR TYPE DE DOCUMENTS ET REPARTITION DES TYPES D
'
EFFLUENTS DANS LES
ETUDES EXPERIMENTALES
... 9
F
IGURE
3
:
E
XEMPLE DE DISPOSITIF D
'
INJECTION A PATINS
... 21
F
IGURE
4
:
E
XEMPLE DE DISPOSITIF D
'
INJECTION A DISQUES POUR PRAIRIES
... 21
F
IGURE
5
:
E
XEMPLE DE DISPOSITIF D
'
EPANDAGE EN BANDES PAR PENDILLARDS
... 22
F
IGURE
6
:
D
ISPOSITIF D
'
AERATION DU SOL DE LA TECHNOLOGIE
A
ERWAY
® ... 22
F
IGURE
7
:
E
XEMPLE DE DISPOSITIF D
'
INJECTION A DENTS POUR TERRE ARABLE
... 22
Table des tableaux
T
ABLEAU
1
:
R
ECAPITULATIF DES PUBLICATIONS ETABLISSANT DES COMPARATIFS SIMPLES DES EMISSIONS GENEREES PAR L
'
EPANDAGE DE
DIFFERENTS PRODUITS
... 12
T
ABLEAU
2
:
P
UBLICATIONS PORTANT SUR LA REDUCTION DES EMISSIONS D
'
AMMONIAC PAR DES CHANGEMENTS DE PRATIQUES
... 14
T
ABLEAU
3
:
P
UBLICATIONS PORTANT SUR LA REDUCTION DES EMISSIONS D
'
AMMONIAC PAR LE LEVIER TECHNOLOGIQUE ET LES
PRATIQUES DE TRAVAIL DU SOL
–
EFFLUENTS D
'
ELEVAGE SOLIDES
... 16
T
ABLEAU
4
:
P
UBLICATIONS PORTANT SUR LA REDUCTION DES EMISSIONS D
'
AMMONIAC PAR LES PRATIQUES DE TRAVAIL DU SOL
–
FERTILISANTS MINERAUX
... 17
T
ABLEAU
5
:
P
UBLICATIONS PORTANT SUR LA REDUCTION DES EMISSIONS D
'
AMMONIAC PAR LE LEVIER TECHNOLOGIQUE ET LES
PRATIQUES DE TRAVAIL DU SOL
–
EFFLUENTS D
'
ELEVAGE LIQUIDES SUR PRAIRIES
... 20
T
ABLEAU
6
:
P
UBLICATIONS PORTANT SUR LA REDUCTION DES EMISSIONS D
'
AMMONIAC PAR LE LEVIER TECHNOLOGIQUE ET LES
PRATIQUES DE TRAVAIL DU SOL
–
EFFLUENTS D
'
ELEVAGE LIQUIDES SUR TERRES ARABLES
... 24
T
ABLEAU
7
:
S
OURCES D
'
AMMONIAC DANS LES FILIERES DE GESTION DES EFFLUENTS D
'
ELEVAGE DANS DIFFERENTS PAYS EUROPEENS TOUS
EFFLUENTS CONFONDUS
(
ADAPTE DE
R
YAN
2005)... 27
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1. Contexte et enjeux de l'étude
La volatilisation est le transfert dans l'atmosphère du NH
3
présent à l'interface produit/sol
(Sommer et al. 2001) et se fait selon un gradient de concentration, de la plus forte vers la plus
faible (Genermont et al. 1997; Sommer et al. 2003). La présence d'azote ammoniacal dans une
solution en contact avec l'air conduit systématiquement à la volatilisation d'ammoniac du fait
d'un jeu d'équilibres à la fois physiques et chimiques (figure 1) (CORPEN 2006).
Equilibres
physico-chimiques
Ammoniac
gazeux
Transfert dans
l’atmo sphère
Azote
ammoniacal
disponible
Ammoniac
volatilisé
A
tm
o
sp
h
è
re
S
o
l
Azote
ammoniacal
total
Transferts entre les
couches de sol
En grais
de synthèse
Effluents
organiques
NH
4
+
s
NH
4
+
aq
NH
3aq
NH
3g
Figure 1 : Le processus de volatilisation d'ammoniac en parcelle agricole
(Source : S. Genermont, INRA Grignon)
En outre, elle est directement proportionnelle à la surface et au temps d'exposition entre le
produit et l'air. L'un des objectifs majeurs de la réduction des émissions d'ammoniac à
n'importe quelle étape de la chaine de gestion des fertilisants portera avant tout sur ces deux
paramètres et consistera à limiter la surface et/ou le temps d'exposition à l'air par différents
procédés.
Un certain nombre d'études ont été réalisées en France ces dernières années permettant
d'atteindre un niveau de connaissance conséquent, notamment en termes de facteurs
d'émissions pour les effluents d'élevage (Gac
et al.
2005; Gac
et al.
2006; Gac
et al.
2007) et de
leviers de réduction des émissions (CORPEN 2006), de la production des effluents à leur
épandage. Dans cette étude, un état de l'art recouvrant surtout les dix dernières années (2000 à
2010) a été réalisé et a permis de faire le point sur les nouvelles connaissances acquises, en
particulier concernant les mesures de réduction quelles qu'elles soient, pour tous les fertilisants
épandus, organiques et minéraux. Cet état de l'art constitue le chapitre 2.
Des travaux de recherche menés sur l'écoconception des technologies d'épandage (projet ANR
Precodd Ecodefi (2007-2011)) ont confirmé que le lien entre les technologies d'épandage et les
émissions azotées au champ pouvait être important (Pacaud
et al.
2009; Langevin 2010;
Langevin
et al.
2010) et que les technologies constituaient encore un levier d'abattement des
émissions d'ammoniac conséquent. Les différentes études bibliographiques réalisées dans ce
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domaine ont montré que la question de la volatilisation était la plupart du temps abordée sous
l'angle de la comparaison de technologies en phase opérationnelle au champ, ce qui a été
confirmé par l'état de l'art plus large réalisé dans le cadre de ce projet. Le chapitre 3 se focalise
quant à lui plus spécifiquement sur les mesures de réduction des émissions du point de vue du
tandem technologies-pratiques et propose de voir dans quelle mesure les techniques utilisées
peuvent contribuer à la réduction des émissions de NH
3
. Les phases de logistique des chantiers
d'épandage regroupant le transport des fertilisants et leur chargement, ou les phases propres à
l'épandage comme le trajet du produit depuis la sortie de la machine jusqu'au sol sont rarement
prises en compte dans les études sur la volatilisation de l'ammoniac. Le bilan environnemental
global de la substitution d'une technologie par une autre n'est également peu ou pas abordé.
Le chapitre 4 visera enfin à identifier et à hiérarchiser selon les enjeux mis en évidence de
nouvelles voies de recherche destinées à combler les vides identifiés dans cet état de l'art en
intégrant les avis des experts du domaine rencontrés pour l'étude. Dans ce rapport,
l'orientation globale est la réduction des émissions d'ammoniac mais il est important de ne pas
perdre de vue que les impacts environnementaux doivent être considérés dans leur globalité et
que des transferts de pollution sont toujours possibles.
2. Volatilisation de l'ammoniac à l'épandage de fertilisants : état
des connaissances
2.1.
Méthodologie employée et bibliométrie globale
Plusieurs niveaux de prospection dans les sources bibliographiques ont été engagés. D'une part,
une recherche a été effectuée dans les bases de données de publications scientifiques
classiquement utilisées (Scopus, Web of Science, bases prodINRA et Cemadoc, etc.). D'autre
part, l'exploration d'autres sources documentaires via les bases de données internet et la
rencontre d'experts du domaine a permis de collecter des rapports techniques de différents
pays, des mémoires d'étudiants, des plaquettes et brochures techniques édités par des
organismes de développement agricole et des articles de revues de vulgarisation agricole.
La requête dans les bases de données de publications scientifiques a nécessité l'élaboration
d'une équation bibliographique à trois composantes dont les détails des terminologies
employées figurent à l'annexe 2 :
•
Une composante "substance émise" ou "processus d'émission" (exemple : NH
3
ou
volatilisation) ;
•
Une composante relative à l'action d'apporter un fertilisant (exemple : épandage) ;
•
Une composante relative au produit épandu (exemple : effluent).
En raison du temps imparti pour l'étude, l'essentiel des recherches bibliographiques est limité à
la période 2000-2010 en considérant que les études antérieures peuvent être retrouvées dans
les travaux de synthèse bibliographique de la période retenue tels que ceux qui sont listés au
paragraphe 2.2.1. Certaines études antérieures seront néanmoins mentionnées, notamment
lorsqu'il s'agira de traiter de mesures de réduction des émissions par les techniques d'épandage
pour lesquelles il n'y pas de publications récentes (chapitre 3 et 4).
Cette équation s'est avérée relativement pertinente puisqu'elle a permis d'obtenir, toutes bases
de données confondues, environ 200 articles scientifiques avec très peu de résultats hors-sujet.
Un premier tri a permis de sélectionner 140 documents dont environ 120 ont été finalement
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retenus pour une lecture plus approfondie qui a débouché sur la réalisation de fiches de lecture
facilitant la réalisation de l'état de l'art et dont un exemple figure à l'annexe 3. Les études
portant sur la comparaison de techniques expérimentales de mesures des émissions
d'ammoniac ont été systématiquement écartées. De même, la dimension "épandage" est
obligatoirement présente de telle sorte que les études portant uniquement sur la gestion des
effluents pendant les phases de production et de stockage n'ont pas été prises en compte. A
l'inverse, certaines études intègrent des données sur les émissions en bâtiments ou au stockage
en plus de celles ayant lieu pendant la phase d'épandage.
Parmi ces 120 références, les études expérimentales occupent une large majorité des
publications (69 %). Ces expérimentations avaient lieu principalement en plein champ dans des
conditions pédoclimatiques mesurées mais non maitrisées (80 % des situations). Dans les autres
cas, un dispositif expérimental est mis en place en laboratoire dans des conditions maitrisées
reproduisant partiellement les conditions réelles extérieures.
En dehors des publications scientifiques internationales, des données provenant de 15
documents correspondant à des mémoires, des rapports techniques ou des articles de
vulgarisation ont été relevées. Elles correspondent à des synthèses d'études expérimentales ou
à des rapports de référence rédigés par des groupes d'experts tels que le CORPEN
1
, les
membres de l'IPPC
2
ou de la FAO
3
.
Etudes expérimentales; Autres; 69%
effluents d'élévage solides 8%
effluents d'élevage liquides Etudes expérimentales :
38%
produits compostés 1%
plusieurs types de produits 11% boues résiduaires 3% fertilisants minéraux 9% Etudes bibliographiques 8% Modélisation 12%
Autres types de documents 10%
Figure 2 : Répartition des sources bibliographiques par type de documents et répartition des
types d'effluents dans les études expérimentales
2.2.
Le processus de volatilisation de l'ammoniac comme objet d'étude
2.2.1. Les études bibliographiques
Plus de 8 % des publications dépouillées sont des études bibliographiques au sens large.
Certaines aboutissent à la réalisation d'un inventaire d'émissions à l'échelle d'un pays
(Etats-Unis pour l'épandage de fertilisants (Goebes
et al.
2003), France (Gac
et al.
2007) et Danemark
(Hutchings
et al.
2001) pour la gestion des effluents ou à l'échelle mondiale pour les épandages
1
CORPEN : Comité d'ORientation pour des Pratiques agricoles respectueuses de l'ENvironemment
2
