Émissions azotées au champ et performances des machines lors de l'épandage de boues issues du traitement des eaux usées

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Submitted on 15 May 2020

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Émissions azotées au champ et performances des

machines lors de l’épandage de boues issues du

traitement des eaux usées

M. Pradel, Thomas Pacaud, M. Cariolle

To cite this version:

M. Pradel, Thomas Pacaud, M. Cariolle. Émissions azotées au champ et performances des machines lors de l’épandage de boues issues du traitement des eaux usées. [Rapport de recherche] irstea. 2011, pp.116. �hal-02596022�

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Marilys PRADEL (Cemagref), Thomas PACAUD (Cemagref) et Michel CARIOLLE (ITB)

Programme PRECODD

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Livrable du projet

Avertissement, MISE EN GARDE

Ce Rapport Scientifique a été rédigé dans le cadre du projet ECODEFI financé par l’ANR (Agence Nationale de la Recherche) – Programme Ecotechnologies et Développement Durable (PRECODD) – et correspond à un des livrables prévus contractuellement. L’objectif de ce type de rapport est de présenter de façon synthétique l’avancement des travaux et les premiers résultats obtenus sur chacun des axes du projet.

Il parait important de préciser que ce projet s’étend sur 4 ans (février 2007 à février 2011) et que certains des points abordés dans ces rapports peuvent avoir un caractère non finalisé au stade d’avancement où ils sont écrits. Par exemple, certains des modèles proposés ou des hypothèses adoptées correspondent à l’état des connaissances disponibles au sein du projet à la date de rédaction du rapport. Celles-ci pourront (devront) bien évidement être révisées à la lumière des avancées scientifiques du projet (liés en particulier aux travaux de thèse et aux publications scientifiques).

Le choix de diffusion externe de ce rapport a donc été décidé afin d’assurer la transparence sur l’avancement des travaux engagés ; mais précisons bien qu’il ne saurait se substituer aux publications scientifiques présentes et futures des membres du projet.

Pour le comité de direction du projet Dominique Didelot

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Avant propos

Ce document est un rapport de synthèse des travaux réalisés dans le cadre du projet Ecodefi sur l'estimation des émissions azotées lors de l'épandage de boues issues du traitement des eaux usées en lien avec les performances technologiques des machines utilisées à cet effet. Ce livrable est une compilation de deux rapports techniques internes qui constitueront les deux parties de ce rapport:

• RTI31 – FERTILISATION DES SYSTEMES DE CULTURES PAR DES BOUES DE STATION D’EPURATION : DESCRIPTION DES SYSTEMES ET CALCUL DES DOSES DE FERTILISANTS A APPORTER -Marilys PRADEL, Thomas PACAUD (Cemagref) et Michel CARIOLLE (ITB)

o consacré à la description des systèmes de cultures étudiés et à la méthode de calcul des doses de boues pour fertiliser ces systèmes

• RTI40 – ESTIMATION DES EMISSIONS AZOTEES AU CHAMP ET LIEN AVEC LES PERFORMANCES DES MACHINES D'EPANDAGE –UTILISATION DE MODELES DE SIMULATIONS – DESCRIPTION DES PROTOCOLES, ANALYSE DES RESULTATS ET PRISE EN COMPTE DES CARACTERISTIQUES MACHINES DANS LE CALCUL DES EMISSIONS - Thomas PACAUD, François THIRION (Cemagref), Michel CARIOLLE (ITB), Marilys PRADEL (Cemagref)

o consacré à la méthode d'estimation des émissions azotées à partir des caractéristiques technologiques des machines d'épandage

Remerciements

Les auteurs remercient les experts qui ont participé aux groupes de travail réunis en 2007 en début de projet. Ces trois groupes de travail se sont réunis deux fois et ont permis d'identifier (i) les risques agroenvironnementaux liés à l'épandage des boues issues du traitement des eaux usées au regard des émissions et des pertes de substances directes et indirectes et (ii) les modèles pertinents pour le calcul de ces émissions et pertes (azotées notamment).

Groupe « Fertilité » : Jean Luc Julien – CG02

François Laurent – Arvalis Institut du Végétal Jean Pierre Cohan – Arvalis Institut du Végétal

Annie Duparque – Agro-Transfert ressources et territoires Djilali Heddadj – CRA Bretagne

Groupe « Sol » : Jean François Ouvry – Association Areas Jean Joël Gril – Cemagref

Brigitte Langevin – Cemagref Hubert Boizard – INRA Mons Djilali Heddadj – CRA Bretagne

Groupe « Air et eau » Sylvie Hacala – Institut de l’élevage Laurence Guichard – INRA Grignon

Chloé Malaval – Arvalis Institut du Végétal François Thirion – Cemagref

José Martinez – Cemagref Djilali Heddadj – CRA Bretagne

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Les auteurs remercient les experts sollicités pour la validation des calculs, la relecture du document et la réalisation de la première partie de ce rapport:

• Sébastien Minette, Chambre régionale d’Agriculture de Poitou Charentes

• Hubert Boizard et Charles Le Forestier, INRA de Mons

• Rémy Duval et Michel Cariolle, ITB

• Djilali Heddadj et Bertrand Decoopman, Chambre régionale d’agriculture de Bretagne

• Aurélie Rio et Ludovic Lagadec, site de Kerlavic, CA du Finistère

• Jean François Ouvry, Association AREAS

• Frédéric Chabot, Brigitte Langevin, François Thirion, Cemagref

et les experts sollicités dans le cadre de la réalisation de l'étude présentée en deuxième partie du rapport pour la mise à disposition des modèles de simulation et des données relatives aux sites de référence :

• Hubert Boizard et Jean-Marie Machet, INRA Mons

• Sophie Génermont, INRA Grignon

• Ludovic Lagadec et Aurélie Rio, site de Kerlavic, CA du Finistère

• Xavier Le Bris, site de La Jaillière, Arvalis-Institut du Végétal

• Philippe Martin, INRA Grignon

• Sébastien Minette, Chambre Régionale d'Agriculture Poitou-Charentes

• Jean-François Ouvry, Association AREAS

• Virginie Parnaudeau, INRA Rennes

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Sommaire

Avant propos _____________________________________________________________ 3 Remerciements ___________________________________________________________ 3 Sommaire _______________________________________________________________ 5 Table des illustrations _____________________________________________________ 8

Table des tableaux ____________________________________________________________ 8 Table des figures ____________________________________________________________ 10 Table des schémas ___________________________________________________________ 10 Table des graphes ___________________________________________________________ 10

Introduction ____________________________________________________________ 12 Partie I – Fertilisation des systèmes de cultures par des boues de station d’épuration – Description des systèmes et calcul des doses de fertilisants à apporter ______________ 14 I.1. Description des systèmes de cultures choisis _______________________________ 14

I.1.1. Généralités ____________________________________________________________ 14 I.1.2. Système de référence de Montoldre ________________________________________ 15 I.1.3. Système de référence de Kerlavic – rotation blé-maïs _________________________ 16 I.1.4. Système de référence de Kerlavic – rotation herbe-maïs-blé ____________________ 17 I.1.5. Système de référence de Mons en chaussée __________________________________ 18 I.1.6. Système de référence de Poitou-Charentes __________________________________ 19 I.1.7. Système de référence du Pays de Caux _____________________________________ 20

I.2. Calcul de la dose d’azote à apporter pour chacun des systèmes étudiés __________ 21

I.2.1. Méthode de calcul utilisée ________________________________________________ 21 I.2.2. Doses à apporter pour chacun des systèmes étudiés ___________________________ 22 I.2.2.1. Calcul des besoins de la culture _________________________________________________ 22 Besoins des cultures en kg d'N/ha ____________________________________________________ 22 I.2.2.2. Calcul de la fourniture des sols __________________________________________________ 23 Reliquat d'azote minéral à l'ouverture du bilan (ou reliquat sortie hiver) ______________________ 23 Minéralisation supplémentaire par arrière-effet, due à l’apport régulier d’amendements organiques 23 Minéralisation nette de l'humus______________________________________________________ 23 Minéralisation supplémentaire due au retournement des prairies ____________________________ 25 Coefficient pour tenir compte du temps d’occupation du sol par la culture ____________________ 25 Minéralisation nette des résidus de récolte du précédent cultural ____________________________ 25 Reliquat d'azote minéral après récolte de cette même culture_______________________________ 26 Fourniture des sols en kg d'N/ha _____________________________________________________ 27 I.2.2.3. Calcul de la dose d’azote à apporter pour chaque système de culture ____________________ 28

I.3. Calcul de la dose de phosphore et potassium à apporter pour chacun des systèmes étudiés _________________________________________________________________ 28

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I.3.2. Calcul de la dose de phosphore et potassium à apporter pour chaque système de culture _____________________________________________________________________ 30

I.3.2.1. Besoin des cultures pour chaque système cultural ___________________________________ 30 I.3.2.2. Calcul de la dose de P2O5 et K2O à apporter pour chacun des systèmes étudiés ____________ 31

I.4. Calcul de la quantité de boue à apporter pour chacun des systèmes étudiés au regard des éléments considérés ___________________________________________________ 31

I.4.1. Valeurs agronomiques des différents types de boues issues du traitement des eaux usées ______________________________________________________________________ 31 I.4.2. Utilisation du Coefficient d’équivalence engrais de l’azote _____________________ 32 I.4.3. Utilisation du Coefficient d’équivalence engrais du phosphore et du potassium ____ 33 I.4.4. Calcul de la quantité de boue à apporter pour chaque système étudié au regard des éléments considérés __________________________________________________________ 34

I.4.4.1. Calcul de la quantité d’azote directement assimilable par les cultures ____________________ 34 I.4.4.2. Calcul des quantités de phosphore et de potassium assimilables par les cultures ____________ 34 I.4.4.3. Calcul de la quantité de boue à apporter pour chaque système de culture _________________ 35 Calcul de la quantité de boue à apporter au regard de sa composition en azote _________________ 35 Calcul de la quantité de boue à apporter au regard de sa composition en phosphore _____________ 35 Calcul de la quantité de boue à apporter au regard de sa composition en potassium _____________ 35 Choix de la dose de boue à apporter en fonction de l’élément limitant N, P2O5 et K2O ___________ 37

I.5. Vérification des quantités de boues à apporter au regard de la réglementation ____ 38

I.5.1. Arrêté du 8 janvier 1998 et Décret n°97-1133 du 8 décembre 1997 ______________ 38 I.5.2. Vérification des conditions pour l’épandage des boues au regard de la réglementation

___________________________________________________________________________ 40 I.5.2.1. Conditions d’épandage au regard de la teneur en métaux lourds des boues ________________ 40 Conditions générales requises pour les boues selon la réglementation ________________________ 41 Conditions générales requises pour les composts de boues selon la réglementation _____________ 41 Conditions requises pour l’épandage des boues liquides __________________________________ 41 Conditions requises pour l’épandage des boues solides chaulées ____________________________ 42 Conditions requises pour l’épandage des boues séchées___________________________________ 42 Conditions requises pour l’épandage des boues compostées _______________________________ 43 I.5.2.2. Conditions d’épandage au regard des teneurs limite d’épandage d’azote (décret 96-163) _____ 43 I.5.2.3. Conditions d’épandage au regard de la quantité de MS de boue à apporter sur une période de 10 ans ______________________________________________________________________________ 43 I.5.2.4. Récapitulatif des quantités de boues à épandre au regard de la réglementation et de l’élément limitant __________________________________________________________________________ 44

Quantités de boues liquides à apporter par système de culture étudié_________________________ 44 Quantités de boues solides chaulées à apporter par système de culture étudié __________________ 45 Quantités de boues séchées à apporter par système de culture étudié _________________________ 45 Quantités de boues compostées à apporter par système de culture étudié______________________ 45

I.6. Elément limitant, choix final des quantités de boues apportées et calcul des

compléments en engrais minéral pour chaque système étudié_____________________ 46 I.7. Synthèse ____________________________________________________________ 49

I.7.1. Quantités d’engrais organiques et minéraux à apporter pour chaque système étudié 49 I.7.2. Vérification des contraintes des périodes d’épandage et du choix des cultures

réceptrices selon le type de boue épandue ________________________________________ 50 I.7.2.1. Choix des cultures réceptrices___________________________________________________ 50 I.7.2.2. Contraintes des périodes d’épandage _____________________________________________ 50 I.7.2.3. Vérification des contraintes des périodes d’épandage en fonction des systèmes étudiés ______ 51

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Partie II – Estimation des émissions azotées au champ et lien avec les performances des machines d'épandage _____________________________________________________ 52 II.1. Le recours à des modèles de simulations : objectifs et enjeux _________________ 52

II.1.1. Objectifs initiaux et choix des modèles par rapport aux processus étudiés _______ 52 II.1.2. Rappels sur les processus générateurs d'impacts environnementaux ____________ 52 II.1.2.1. Volatilisation d'ammoniac _____________________________________________________ 53 II.1.2.2. Lixiviation des nitrates _______________________________________________________ 53 II.1.2.3. Dénitrification ______________________________________________________________ 54 II.1.3. Description des modèles utilisés___________________________________________ 54 II.1.3.1. STICS : Simulateur multidisciplinaire pour les cultures standards ______________________ 54 II.1.3.2. DEAC ____________________________________________________________________ 55 II.1.3.3. Volt'air ____________________________________________________________________ 57 II.1.3.4. DIAR (DIagnostic Agronomique de Ruissellement) _________________________________ 58

II.2. Les scénarios simulés _________________________________________________ 60

II.2.1. Sites de référence et rotations ____________________________________________ 60 II.2.2. Formalisation des scénarios d'épandage____________________________________ 62

II.3. Protocoles de simulation ______________________________________________ 63

II.3.1. Choix de la fenêtre temporelle de simulation________________________________ 63 II.3.2. Paramétrage des modèles : données d'entrée, hypothèses et simplifications ______ 64 II.3.2.1. Données d'entrée relatives aux sites de référence ___________________________________ 64 Caractéristiques des sols ___________________________________________________________ 64 Choix des conditions climatiques ____________________________________________________ 65 II.3.2.2. Représentation des boues et de la cinétique de minéralisation de l'azote dans le sol ________ 65 Caractéristiques chimiques _________________________________________________________ 65 Paramétrage de la cinétique de minéralisation de la matière organique dans le sol ______________ 66 II.3.2.3. Représentation des pratiques culturales ___________________________________________ 71 Pratiques culturales et représentation du matériel d'épandage ______________________________ 71 Date d'épandage des boues _________________________________________________________ 71 Dose épandue ___________________________________________________________________ 72 Date et modalités d'enfouissement ___________________________________________________ 72 II.3.3. Exécution des simulations _______________________________________________ 73 II.3.3.1. Choix des années climatiques de référence ________________________________________ 73 II.3.3.2. Mise en œuvre des simulations dans DEAC _______________________________________ 74 Fichiers climatiques ______________________________________________________________ 76 Cultures ________________________________________________________________________ 76 Fenêtre temporelle de simulation et initialisations _______________________________________ 76 II.3.3.3. Principes de mise en œuvre des simulations dans STICS _____________________________ 76 Fichier technique _________________________________________________________________ 77 Fichiers climatiques ______________________________________________________________ 77 Fichier sol ______________________________________________________________________ 77 Fichier plante____________________________________________________________________ 79 Initialisation des simulations ________________________________________________________ 79 II.3.3.4. Simulations Volt'air __________________________________________________________ 79

II.4. Analyse des résultats _________________________________________________ 80

II.4.1. Résultats des simulations avec Volt'air_____________________________________ 81 II.4.2. Résultats des simulations avec DEAC______________________________________ 84 II.4.3. Résultats des simulations avec STICS _____________________________________ 85 II.4.3.1. Volatilisation _______________________________________________________________ 85 II.4.3.2. Lixiviation _________________________________________________________________ 86 II.4.3.3. Dénitrification ______________________________________________________________ 88

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II.5. Intégration des caractéristiques de la machine et estimation des émissions réelles 91

II.5.1. Définition des types d'émissions __________________________________________ 91 II.5.2. Calcul des flux liés au contexte pédoclimatique et à la boue apportée ___________ 92 II.5.2.1. Calcul des flux sans apport de boue F0___________________________________________ 92 II.5.2.2. Calcul des flux induit par un épandage en conditions "parfaites" ∆F1, avec un épandeur n'ayant aucun impact sur les émissions ________________________________________________________ 93 II.5.3. Calcul des flux induits par les caractéristiques de la machine __________________ 94 II.5.3.1. Méthode de calcul ___________________________________________________________ 94 II.5.3.2. Flux induit par les performances de répartition _____________________________________ 95 II.5.3.3. Flux induit par le respect du dosage _____________________________________________ 98 II.5.3.4. Flux induit par le tassement des roues ____________________________________________ 99 Démarche globale ________________________________________________________________ 99 Evaluation de l'impact du passage du convoi sur le tassement du sol _________________________ 99 II.5.3.5. Flux induits par les ornières liées au passage des roues _____________________________ 102 II.5.3.6. Flux induits par les performances d'enfouissement _________________________________ 102 II.5.3.7. Flux global induit par les performances de la machine ______________________________ 102 II.5.4. Prise en compte du sous-dosage à travers le calcul de surfaces pour compenser les pertes de rendement_________________________________________________________ 106

II.6. Intégration des résultats dans le calculateur d'ACV simplifié : concrétisation du lien entre indicateurs de performances technologiques et émissions au champ _________ 107

II.6.1. Simulations et formules empiriques : 2 démarches complémentaires difficiles à associer ___________________________________________________________________ 107 II.6.2. Une utilisation des résultats de simulations très partielle _____________________ 110

Discussion, conclusions et perspectives______________________________________ 112

De nombreuses avancées pour une démarche innovante… _________________________ 112 Malgré tout, quelques points à améliorer… _____________________________________ 113

Références bibliographiques ______________________________________________ 114

Table des illustrations

Table des tableaux

Tableau 1 : Systèmes de cultures proposés par les experts du T2 suite aux réunions d’octobre et novembre

2007 ...14

Tableau 2 : Besoins des cultures pour chaque système de culture étudié...22

Tableau 3 : Reliquat d’azote minéral à l’ouverture du bilan pour chaque système de culture étudié...23

Tableau 4 : Minéralisation supplémentaire par arrière effet pour chaque système de culture étudié...23

Tableau 5 : Minéralisation nette de l’humus pour chaque système de culture étudié ...24

Tableau 6 : Minéralisation supplémentaire due au retournement des prairies pour chaque système de culture étudié...25

Tableau 7 : Coefficient du temps d’occupation des sols pour chaque système de culture étudié ...25

Tableau 8 : Minéralisation nette des résidus de récolte pour chaque système de culture étudié ...25

Tableau 9 : Reliquat d’azote minéral après récolte pour chaque système de culture étudié ...26

Tableau 10 : Fourniture des sols pour chaque système de culture étudié ...27

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Tableau 12 : Niveau de biodisponibilité pour le phosphore ...29

Tableau 13 : Niveau de biodisponibilité pour le potassium...29

Tableau 14 : Besoins des cultures et des successions culturales en P2O5 et K2O ...30

Tableau 15 : Doses de P2O5 et K2O à apporter pour chaque succession culturale étudiée (en kg/ha)...31

Tableau 16 : Valeur agronomique des différents types de boues apportées pour chaque système de culture étudié...31

Tableau 17 : Coefficient d’équivalence engrais de l’azote des différents types de boues apportées pour chaque système de culture étudié ...33

Tableau 18 : Coefficient d’équivalence engrais du phosphore et du potassium des différents types de boues apportées pour chaque système de culture étudié...33

Tableau 19 : Teneur en N directement assimilable pour les différents types de boues apportées ...34

Tableau 20 : Teneur en P2O5 directement assimilable pour les différents types de boues apportées ...34

Tableau 21 : Teneur en K2O directement assimilable pour les différents types de boues apportées ...34

Tableau 22 : Première évaluation des quantités de boues apportées pour chaque système de culture étudié pour atteindre la dose requise N ...35

Tableau 23 : Première évaluation des quantités de boues apportées pour chaque système de culture étudié pour atteindre la dose requise P2O5...35

Tableau 24 : Première évaluation des quantités de boues apportées pour chaque système de culture étudié pour atteindre la dose requise K2O...36

Tableau 25 : Première évaluation des quantités de boues apportées pour respecter l’élément limitant N, P2O5 ou K2O pour chaque système de culture étudié...37

Tableau 26 : Teneurs maximales en ETM et CTO requises par la réglementation pour les boues ...41

Tableau 27 : Teneurs maximales en ETM et CTO requises par la réglementation pour les composts de boues ...41

Tableau 28 : Teneurs en ETM et CTO des boues liquides à différents pas de temps...41

Tableau 29 : Teneurs en ETM et CTO des boues solides chaulées à différents pas de temps ...42

Tableau 30 : Teneurs en ETM et CTO des boues séchées à différents pas de temps ...42

Tableau 31 : Teneurs en ETM et CTO des boues compostées à différents pas de temps...43

Tableau 32 : Quantité de boues (en t MS) apportées pour chaque système de culture étudié (hors boue compostée) ...44

Tableau 33 : Quantités de boues liquides à apporter pour chaque système de culture étudié après vérification des conditions d’épandage...44

Tableau 34 : Quantités de boues solides chaulées à apporter pour chaque système de culture étudié après vérification des conditions d’épandage...45

Tableau 35 : Quantités de boues séchées à apporter pour chaque système de culture étudié après vérification des conditions d’épandage...45

Tableau 36 : Quantités de boues compostées à apporter pour chaque système de culture étudié après vérification des conditions d’épandage...45

Tableau 37 : Quantités d’engrais minéraux nécessaires en complément des boues liquides pour chaque système étudié ...46

Tableau 38 : Quantités d’engrais minéraux nécessaires en complément des boues solides chaulées pour chaque système étudié ...47

Tableau 39 : Quantités d’engrais minéraux nécessaires en complément des boues compostées pour chaque système étudié ...47

Tableau 40 : Quantités d’engrais minéraux nécessaires en complément des boues sèches pour chaque système étudié...48

Tableau 41 : Synthèse des quantités d’engrais organiques et minéraux à apporter pour chaque système de culture étudié ...49

Tableau 42 : Types de boues conseillées en fonction des cultures réceptrices ...50

Tableau 43 : Période d’interdiction d’épandage ...50

Tableau 44 : Vérification de la validité des systèmes selon le type de boue épandue et la période d’épandage ...51

Tableau 45 : Les différentes périodes d'application des modèles de DEAC ...56

Tableau 46 : Valeurs des paramètres de caractérisation des boues retenues pour les simulations dans STICS ...65

Tableau 47 : Définitions et valeurs par défaut des paramètres de décomposition et d'humification des différents types de résidus organiques dans STICS...68

Tableau 48 : Modalités d'épandage des boues pour chacun des systèmes de cultures ...72

Tableau 49 : Quantités de boues apportées pour chacun des systèmes de culture ...72

(11)

Tableau 51 : Codes des stations climatiques des sites de référence ...74

Tableau 52 : Récapitulatif des noms de parcelles utilisés dans DEAC...75

Tableau 53 : Récapitulatif des espèces utilisées dans DEAC ...76

Tableau 54 : Récapitulatif des unités de simulation utilisées dans STICS...78

Tableau 55 : Récapitulatif des espèces utilisées pour les simulations dans STICS ...79

Tableau 56 : Modèles et types d'émissions estimées ...81

Tableau 57 : Valeurs moyennes d'émissions d'azote par lixiviation des 45 scénarios pour les 2 modèles STICS et DEAC ...88

Tableau 58 : Exemple de calcul de ∆F2 répartition à partir des résultats de simulation et des caractéristiques de la machine ...96

Tableau 59 : Hypothèses retenues pour les simulations dans Compsoil...100

Tableau 60 : Choix des modèles Compsoil selon les sites de référence...100

Tableau 61 : Exemple de calcul de ∆F2 tassement à partir des résultats de simulation et des caractéristiques de la machine ...101

Tableau 62 : Calcul du ∆F2 (répartition + dosage + tassement)...103

Tableau 63 : Résultats de calcul du "land-use" pour les différents scénarios ...107

Tableau 64 : Comparaison des 2 méthodes d'estimation des émissions ...108

Tableau 65 : Comparaison des valeurs d'émissions calculées à partir des 2 méthodes pour les 5 épandeurs des scénarios d'épandage...109

Tableau 66 : Types d'émissions étudiées par catégorie de service rendu selon les 2 méthodes ...110

Tableau 67 : Comparaison des 2 méthodes de calcul des surfaces nécessaires pour compenser les pertes de rendement résultant des sous-dosages ("land-use") ...111

Table des figures

Figure 1 : Description des différentes étapes pour la réalisation d'Analyses du Cycle de Vie de chantiers d'épandage et livrables associés ...13

Figure 2 : Formalisme utilisé dans DEAC et différentes étapes du bilan azoté ...56

Figure 3 : Principe de fonctionnement de DEAC (Jolivel 2003) ...57

Figure 4 : Modèle de volatilisation utilisé dans l'outil Volt'air, principes de communication des différents sous-modèles (d'après Genermont, Cellier 1997) ...58

Figure 5 : Représentation temporelle des scénarios d'épandage au sein des successions culturales...61

Figure 6 : Schéma global de définition des scénarios ...62

Figure 7 : Modèle conceptuel des flux de carbone et d'azote pendant la décomposition des résidus de culture et positionnement des paramètres de STICS dans les processus (Nicolardot, Recous et al. 2001) ...66

Figure 8 : Cinétique de minéralisation de l'azote pour différents types de boues ...70

Figure 9 : Définition des types d'émissions calculées à partir des résultats de simulation ...91

Figure 10 : Exemple de sortie obtenue grâce au simulateur d'épandage : cartographie de la dose relative apportée au champ, nappe de l'épandeur, coefficient de variation, répartition transversale et histogramme des classes de dosage dans la parcelle...96

Table des schémas

Schéma 1 : Calcul des émissions liées aux performances de répartition des épandeurs ...95

Schéma 2 : Calcul des émissions liées aux performances de dosage des épandeurs ...98

Schéma 3 : Schéma de calcul des émissions liées au tassement des roues des épandeurs...99

Schéma 4 : Schéma de calcul de la surface nécessaire pour compenser les pertes de rendement dues aux zones de sous-dosage ("land-use")...106

Table des graphes

Graphe 1 : Volatilisation d'ammoniac suite à un épandage de boue liquide selon la dose de boue apportée, scénario Mt1 ...82

Graphe 2 : Volatilisation d'ammoniac suite à un épandage de boue liquide selon la densité apparente de l'horizon de surface au moment de l'épandage, scénario Ms1...82

Graphe 3 : Volatilisation d'ammoniac cumulée suite à un épandage de boue liquide selon le délai d'enfouissement après épandage, scénario Ms1 ...83

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Graphe 4 : Volatilisation d'ammoniac cumulée suite à un épandage de boue liquide selon la profondeur

d'enfouissement après épandage, scénario Ms1 ...83

Graphe 5 : Emissions d'azote par lixiviation en fonction de la dose de boue liquide apportée pour le scénario Ms1 – modèle DEAC...84

Graphe 6 : Emissions d'azote par lixiviation en fonction de la dose de boue liquide apportée pour le scénario Pt1 – modèle DEAC ...85

Graphe 7 : Emissions d'azote par lixiviation en fonction de la densité apparente de l'horizon de sol de surface pour un apport de boue liquide - scénario Ms1 – modèle DEAC ...85

Graphe 8 : Emissions d'azote par volatilisation en fonction de la dose de boue liquide apportée pour le scénario Pt1 – modèle STICS...86

Graphe 9 : Emissions d'azote par volatilisation en fonction de la densité apparente de l'horizon de surface du sol pour une boue compostée apportée à une dose optimale pour couvrir les besoins de la culture - scénario Pt1 – modèle STICS ...86

Graphe 10 : Emissions d'azote par lixiviation en fonction de la dose de boue liquide apportée pour le scénario Cx1 – modèle STICS...87

Graphe 11 : Emissions d'azote par lixiviation en fonction de la densité apparente de l'horizon de surface du sol pour une boue séchée apportée à une dose optimale pour couvrir les besoins de la culture - scénario Cx1 – modèle STICS...87

Graphe 12 : Emissions d'azote par dénitrification en fonction de la dose de boue liquide apportée pour le scénario Kl3 – modèle STICS ...88

Graphe 13 : Emissions d'azote par dénitrification en fonction de la dose de boue liquide apportée pour le scénario Pt1 – modèle STICS...89

Graphe 14 : Emissions d'azote par dénitrification en fonction de la densité apparente de l'horizon de surface du sol pour une boue séchée apportée à une dose optimale pour couvrir les besoins de la culture - scénario Cx1 – modèle STICS ...89

Graphe 15 : Emissions d'azote par dénitrification en fonction de la densité apparente de l'horizon de surface du sol pour une boue séchée apportée à une dose optimale pour couvrir les besoins de la culture - scénario Pt1 – modèle STICS ...90

Graphe 16 : Flux de base par type d'émission pour les différents scénarios d'épandage...92

Graphe 17 : Flux induits par un épandage "parfait" par type de boue ...93

Graphe 18 : Flux induits par les performances de répartition des épandeurs...97

Graphe 19 : Flux induits par les performances de dosage des épandeurs...98

Graphe 20 : Flux induits par le tassement de l'épandeur ...101

Graphe 21 : Flux induits par la répartition, le dosage et le tassement de l'épandeur par type d'émissions...104

Graphe 22 : Flux totaux d'azote induits par 1) la répartition, 2) la répartition & le dosage et 3) la répartition, le dosage et le tassement ...105

(13)

Introduction

Ce rapport fait suite au livrable T2a sur les indicateurs de risques agro-environnementaux. Il a pour objectif (i) de calculer les doses de fertilisants (boues issues du traitement des eaux usées) à apporter dans 9 conditions pédoclimatiques différentes (appelés systèmes de références) et (ii) d'estimer les émissions azotées générées par l'épandage de ces boues au regard des performances des machines d'épandage utilisées pour chacun des systèmes de références définis.

Le travail présenté dans ce livrable constitue une étape charnière du projet Ecodefi (cf. Figure 1), à l'interface entre différentes tâches puisqu'il doit permettre à la fois de faire le lien entre les indicateurs de performances environnementales des machines et l'estimation des émissions azotées, de servir de base à l'estimation des émissions azotées calculées dans le logiciel ACV3E mais également de fournir des valeurs d'émissions azotées pour la réalisation des ACV de chantiers d'épandage de boues issues du traitement des eaux usées. Dans le cadre de ce travail, nous nous sommes efforcés de répondre à deux questions :

• Quelle(s) méthode(s) est(sont) la(les) plus appropriée(s) pour calculer des doses de boues à apporter dans un objectif de fertilisation des cultures?

• Comment estimer des émissions azotées générées par l'épandage de ces boues en lien avec les indicateurs de performances des machines d'épandage développés dans le cadre du projet Ecodefi et référencés dans le livrable T3c?

Le présent rapport est scindé en deux parties distinctes, chacune présentant la méthodologie mise en place pour répondre à ces deux questions.

Une première partie est consacrée (i) à la description des systèmes de références, (ii) à la description des caractéristiques agronomiques des boues qui seront appliquées pour chacun de ces systèmes de référence et (iii) à la présentation de la méthode de calcul des doses de fertilisants (boues de station d’épuration) à apporter dans chacun de ces systèmes.

La deuxième partie est consacrée (i) à la description des différents modèles retenus pour l'estimation des émissions azotées, (ii) au protocole mis en œuvre pour les simulations, (iii) à l'analyse des résultats des simulations et enfin (iv) à la méthode d'estimation du lien entre émissions et performances des machines.

Outre la richesse apportée par les résultats de quantification des émissions, nous verrons que cette démarche d'estimation par modélisation présente un intérêt méthodologique important puisqu'elle permet de calculer des émissions azotées à l'échelle de la parcelle en intégrant des données caractérisant les machines d'épandage. Le lien direct avec les indicateurs de services rendus des machines d'épandage reste, par contre, encore difficile à établir.

(14)

Mesures des indicateurs technologiques et de service rendus pour chaque machine testée

Etude de la faisabilité de calcul des indicateurs et de la pertinence des échelles de notation

Mise en place des tests sur les deux épandeurs de produits solides au CEMOB et au champ et sur l’épandeur de produit liquide aux Cormiers Etape 1. Calculer les doses de

produit à apporter pour chaque système de référence en fonction des besoins des plantes au moment de l'épandage

Etape 2. Constitution de scenarios d’épandage incluant les paramètres couple

machine/produit (5) * systèmes de référence (9) soit au maximum 45 scénarios d'épandage en fonction des types de chantiers les plus couramment rencontrés sur le terrain

1. Description détaillée des systèmes de références

2. Calcul de la dose d’azote à apporter sur la culture destinataire

3. Calcul de la dose de boue à apporter en fonction du CAU et de l’élément limitant contenu dans la boue, complément éventuel avec des engrais minéraux

1. Vérification des conditions réglementaires d’épandage de boues dans les systèmes de références définis

2. Choix d’une machine d’épandage « classique » compatible avec le type de boue épandu (liquide, pâteux, compostée ou séchée) = 4 machines pour 4 produits 3. Réalisation des scénarios en fonction de la

dose de boue à apporter calculée dans l’étape 1 : choix des conditions logistiques et d’épandage, complément éventuel avec engrais minéraux

Etape 3. Calcul des inventaires de flux pour chaque situation type (principales émissions considérées : N₂O, NO₃, NH₃) nécessite n é c e s s ite

1. Identification des modèles à utiliser

2. Identification des données d’entrées pour chaque modèle

3. Faire tourner les modèles pour chaque situation de référence

Etape 4. Modélisation des scénarios sous Simapro et calcul des données d’entrées et de sorties pour chaque process

Réalisation des ACV sur les différents scénarios modélisés

Lien entre indicateurs de services rendus et les flux d’émissions polluantes pour chaque système de référence à l’aide de modèles agronomiques

Comparaison des résultats avec les résultats obtenus avec l’outil d’ACV simplifié et validation de l’outil

nécessite

Figure 1 : Description des différentes étapes pour la réalisation d'Analyses du Cycle de Vie de chantiers d'épandage et livrables associés

Constitution des scénarios d’épandage (T3-T4-T6)

Mesures sur les machines (T3-T4)

Simulation à l’aide des modèles agronomiques (T2) Mise en œuvre des

ACV (T3-T4-T6) Validation du lien (T2-T3-T4) Livrable T3d Livrable T3d Livrable T3c Livrable T3c Livrable T2c

(15)

Partie I – Fertilisation des systèmes de cultures par des

boues de station d’épuration – Description des systèmes

et calcul des doses de fertilisants à apporter

I.1. Description des systèmes de cultures choisis

I.1.1. Généralités

Il a été fait appel à des groupes d’experts dans le cadre du projet Ecodefi pour permettre d’identifier les risques pour l’environnement résultant de l’épandage, i.e. les indicateurs de risques pertinents s’y référant (cf. livrable T2a), et de quantifier les différentes émissions liées à ces risques (ex : kg de NO3 lessivés en fonction de la quantité de boue apportée).

Suite à cette expertise, trois principales orientations sont apparues :

1. Il est apparu souhaitable de compléter les indicateurs classiques d’impact de l’ACV par des indicateurs intermédiaires plus lisibles par les acteurs de terrain.

2. L’attribution d’une valeur de seuil donnée « à dires d’experts » ou par un mode de calcul est validée mais aucune valeur d’émissions n’a pu être produite par les experts du fait de la complexité et de l’interdépendance des phénomènes mis en cause en fonction des conditions pédoclimatiques dans lesquelles elles se produisent.

3. Le recours à la modélisation est donc privilégié pour simuler les émissions liées à l’épandage sur des situations où les facteurs d’émissions interagissent afin de mieux saisir la sensibilité globale.

Ainsi, les experts ont proposé de faire tourner des modèles agronomiques ou physiques sur des systèmes agronomiques de référence correspondants à des situations réelles et à des sensibilités variables aux différents risques agro-environnementaux.

Ces systèmes de référence n’ont pas été choisis pour leur représentativité mais pour leur sensibilité aux risques agro-environnementaux identifiés.

Le Tableau 1 ci-dessous récapitule les 6 systèmes de références définis par les groupes d’experts et leurs principales caractéristiques.

Tableau 1 : Systèmes de cultures proposés par les experts du T2 suite aux réunions d’octobre et novembre 2007

(16)

I.1.2. Système de référence de Montoldre

Année 1 Année 2 Année 3 Année 4

janv-08 juil-08 oct-08 juil-09 oct-09 juil-10 juil-11 oct-01

Colza sol nu Blé sol nu orge Colza sol nu Blé

paille exportée epandage après blé épandage avant colza

Le système de référence de Montoldre (Allier – Auvergne) est basé sur une succession culturale colza-blé-orge avec deux périodes d’épandage possible : après blé ou avant colza. Ceci implique donc que le système de Montoldre soit divisé en deux sous-systèmes :

• Un sous-système basé sur une succession culturale colza-blé-orge avec épandage de boues fin juillet après blé

• Un sous-système basé sur une succession culturale colza-blé-orge avec épandage de boues en août avant colza Données sur les sols de Montoldre

Descriptif qualitatif: Sols lessivés hydromorphes Texture

Limon 18%

Sable 74% Total = 100%

Argile 9%

Autres

Matière organique totale 1,3 % de terre fine Teneur en CaCO 32,50 pour 1000 Eléments grossiers >2 mm 100 g/kg

P2O 0,34 pour 1000 de terre fine K2O 0,16 pour 1000 de terre fine Acidité (pH) 6,5 unité pH

Epaisseur (horizon) labourable 25 cm

CEC (Capacité d'échange Cationique) 4,5 méq/100 g (milliéquivalents pour 100g ou méq/100g ou centimoles+/kg)

Densité apparente 1,48 sec

Teneur en eau à la capacité au champ1 16% % masse (kg/kg)

1

(17)

I.1.3. Système de référence de Kerlavic – rotation blé-maïs

janv-08 juil-08 avr-09 oct-09 juil-10 avr-11 oct-11

Blé sol nu Maïs fourrage Blé sol nu Maïs Blé

epandage sur céréales epandage sur maïs

Le premier système de référence de Kerlavic (Finistère – Bretagne) est basé sur une succession culturale blé-maïs avec deux périodes d’épandage possible : sur céréales ou sur maïs. Ceci implique donc que le premier système de Kerlavic soit divisé en deux sous-systèmes :

• Un sous-système basé sur une succession culturale blé-maïs avec épandage de boues fin février sur blé

• Un sous-système basé sur une succession culturale blé-maïs avec épandage de boues en mars avant maïs Données sur les sols de Kerlavic

Descriptif qualitatif: Sols bruns lessivés Texture

Limon 43%

Sable 39,7% Total = 100%

Argile 17,3%

Autres

Matière organique totale 5,95 % de terre fine Teneur en CaCO3 <0,1 %

Eléments grossiers >2 mm - g/kg

P2O 0,41 g/kg

K2O - pour 1000 de terre fine Acidité (pH) 5,4 unité pH

CEC (Capacité d'échange Cationique) - méq/100 g (milliéquivalents pour 100g ou méq/100g ou centimoles+/kg)

(18)

I.1.4. Système de référence de Kerlavic – rotation herbe-maïs-blé

Année 1 Année 2 Année 3 Annéee 4

janv-08 avr-08 sept-08 avr-09 oct-09 juil-10 oct-10

Prairies Maïs Sol nu Maïs Blé sol nu Prairies

epandage labour

sur herbe

déchaumage

Le deuxième système de référence de Kerlavic (Finistère – Bretagne) est basé sur une succession culturale prairies-maïs-blé avec une seule période d’épandage possible : fin février sur prairies. Les données sur les sols sont identiques au premier système.

(19)

I.1.5. Système de référence de Mons en chaussée

janv-08 sept-08 oct-08 juil-09 oct-09 juil-10 avr-11 oct-11

Betterave Blé Sol nu orge sol nu Betterave sol nu

epandage labour cover crop

Le système de référence de Mons en Chaussée (Somme – Picardie) est basé sur une succession culturale betterave-blé-orge avec une seule période d’épandage possible : fin juillet après orge.

Données sur les sols de Mons en Chaussée

Descriptif qualitatif: Sol brun faiblement lessivé Texture

Limon 74%

Argile 19%

Autres

Matière organique totale 1,7 % de terre fine

Teneur en CaCO3 0,5 %

P2O - g/kg

K2O - pour 1000 de terre fine Acidité (pH) 7,6 unité pH

Epaisseur (horizon) labourable - cm

Teneur en eau à la capacité au champ 24 % masse (kg/kg)

(20)

I.1.6. Système de référence de Poitou-Charentes

janv-08 juil-08 sept-08 oct-08 juil-09 avr-10 sept-10 oct-10 sept-10

Colza sol nu Blé Sol nu Tournesol sol nu Blé Colza

maintien "partiel" des repousses colza, "sol nu" plutôt rare

epandage

Le système de référence de Poitou-Charentes (Poitiers – Vienne – Poitou-Charentes) est basé sur une succession culturale colza-blé-tournesol avec une seule période d’épandage possible : en août après le blé.

Données sur les sols de Poitiers3

Descriptif qualitatif: Rendzines/sols bruns calcaires Texture

Limon -%

Sable -% Total = 100%

Argile 30%

Autres

Matière organique totale 4 % de terre fine

Teneur en CaCO3 22,5 %

P2O - g/kg

K2O - pour 1000 de terre fine Acidité (pH) 7,2 à 8,2 unité pH

CEC (Capacité d'échange Cationique) 20 à 40 méq/100 g (milliéquivalents pour 100g ou méq/100g ou centimoles+/kg)

Teneur en eau à la capacité au champ - % masse (kg/kg)

(21)

I.1.7. Système de référence du Pays de Caux

Système de référence 6 : Pays de Caux

févr-08 août-08 sept-08 mars-09 oct-09 oct-09 juil-10 oct-10 août-10

Lin fibre CIPAN Betterave Blé sol nu orge sol nu (lin en février 2012)

epandage avant CIPAN labour

Le système de référence du Pays de Caux (Seine Maritime – Haute Normandie) est basé sur une succession culturale lin fibre+CIPAN-betterave-blé-orge avec une seule période d’épandage possible : en août-septembre après le lin fibre et avant la CIPAN.

Données sur les sols du Pays de Caux

Descriptif qualitatif: Sols bruns lessivés (Limons sur plateaux) Texture

Limon 65%

Argile 15%

Autres

Matière organique totale 1,48 % de terre fine

Teneur en CaCO3 1 %

P2O - g/kg

K2O - pour 1000 de terre fine

Acidité (pH) - unité pH

(22)

I.2. Calcul de la dose d’azote à apporter pour chacun des

systèmes étudiés

I.2.1. Méthode de calcul utilisée

Les calculs des doses d’azote à apporter sont basés sur la méthode du bilan prévisionnel azoté, issu des travaux de Rémy et Hébert (1977) et méthode la plus utilisée en France (Meynard et al, 1997).

L’apport d’une quantité d’azote à apporter pour fertiliser les cultures est basé sur l’équation suivante (Schvartz et al, 2005) :

Fertilisation azotée (X) = besoin en azote de la culture (B) - fourniture nette du sol (FS)

où B = Nf – Ne

avec Nf Besoin en azote à la fermeture du bilan

Ne Besoin en azote à l'ouverture du bilan (en général négligé) et FS = (Re+Mr+(Mhb+Mha+Mhp)t) – Rf

avec Re Reliquat d'azote minéral à l'ouverture du bilan

Mha Minéralisation supplémentaire par arrière-effet, due à l’apport régulier d’amendements organiques

Mhb Minéralisation nette de l'humus

Mhp Minéralisation supplémentaire due au retournement des prairies

t Coefficient pour tenir compte du temps d’occupation du sol par la culture

Mr Minéralisation nette des résidus de récolte du précédent cultural

Rf Reliquat d’azote minéral à la fermeture du bilan

La quantité de produit à apporter (X) peut donc être calculée à l'aide de la formule suivante :

X = (Nf - Ne) - (Re+Mr+(Mhb+Mha+Mhp)t) + Rf

Cette formulation du bilan azotée est fondée sur deux hypothèses :

1. Les apports azotés atmosphériques (fixation non symbiotique, déposition…) compensent les pertes azotées gazeuses (volatilisation, dénitrification…).

2. Les différents termes de fournitures sont évalués séparément avant de les additionner au final ce qui revient à supposer qu’ils sont indépendants les uns des autres.

(23)

I.2.2. Doses à apporter pour chacun des systèmes étudiés

I.2.2.1. Calcul des besoins de la culture

Les besoins des cultures peuvent se calculer en fonction des besoins unitaires (kg N/qx) et du rendement objectif (qx/ha) selon la formule suivante :

Besoins des cultures en kg d'N/ha = besoins unitaires (kg/qx ou TMS ou ha) * rendement (qx ou T ou TMS) Besoins des cultures en kg d'N/ha

Cultures

Besoins unitaires des cultures (kg d’N /qx)

(1)

Rendement des cultures (qx/ha)

(2)

Besoins des cultures (kg N/ha) (3) = (1)*(2)

Système 1 Orge 2,4 60 144

Système 1bis Colza 6,5 35 227,5

Système 2 Maïs F 14 kg/TMS 12 TMS/ha 168

Système 2bis Blé 3 75 225

Système 3 Maïs 2,15 85 182,75

Système 4 Betterave 220 kg/ha 80 t/ha 220

Système 5 Colza 6,5 30 195

Système 6 Betterave 220 kg/ha 80 t/ha 220

* Betterave à 16% de richesse en sucre

(24)

I.2.2.2. Calcul de la fourniture des sols

Reliquat d'azote minéral à l'ouverture du bilan (ou reliquat sortie hiver)

Précédent Cultures Re (kg N/ha) Système 1 Blé Orge 22 Système 1bis Orge Colza 15 Système 2 Blé Maïs F* 25 Système 2bis Maïs Blé* 25 Système 3 Prairies Maïs* 25 Système 4 Orge Betterave 34 Système 5 Blé Colza 18 Système 6 Lin fibre Betterave 41

* Communication personnelle de Djilali Heddadj

Tableau 3 : Reliquat d’azote minéral à l’ouverture du bilan pour chaque système de culture étudié

Minéralisation supplémentaire par arrière-effet, due à l’apport régulier d’amendements organiques

Cultures Mha (kg N/ha) Remarque Système 1 Orge 15

Système 1bis Colza 15

Apport régulier de compost tous les 2 ans

Système 2 Maïs F 35 Système 2bis Blé 25

Apport régulier de fumier tous les 2 ans

Système 3 Maïs 20 Apport régulier de fumier tous les 3 ans

Système 4 Betterave 0 Système 5 Colza 0

Pas d’apport organique car fertilisation minérale dominante Système 6 Betterave 20 Apport régulier de fumier tous

les 6 ans

Tableau 4 : Minéralisation supplémentaire par arrière effet pour chaque système de culture étudié

Minéralisation nette de l'humus

La minéralisation nette de l’humus se calcule de la manière suivante : Mhb = [Ntotal]*masse de terre à l'hectare*K2*a Le coefficient K2 se calcule de la manière suivante :

K2 = ((1200)/((A+200)*(0,3CaCO3+200))*(0,2(t°-5))*fr Avec t° température moyenne annuelle de l'air

fr facteur de correction lié à la pratique de restitution des MO A teneur en argile à 1/1000

CaCO3 teneur en calcaire total exprimé en 1/1000 masse de terre profondeur de labour*surface*densité apparente

a 1,3, coefficient permettant la prise en compte de la minéralisation sur une partie de l'horizonsous-jacent au labour Ntotal MO%/(1,72*9)

(25)

Cultures MO (%) profondeur labour (m) surface densité apparente t°* fr A CaCO3 Système 1 Orge 1,3 0,25 10000 1,48 10 0,8 90 32,5

Système 1bis Colza 1,3 0,25 10000 1,48 10 0,8 90 32,5

Système 2** Maïs F 6 0,3 10000 1,24 12 0,8 173 10 Système 2bis** Blé 6 0,3 10000 1,24 12 0,8 173 10 Système 3** Maïs 6 0,3 10000 1,24 12 0,8 173 10 Système 4 *** Betterave 1,7 0,3 10000 1,08 10 0,8 190 50 Système 5 **** Colza 4 0,25 10000 1,1 11 0,8 300 225 Système 6***** Betterave 1,48 0,3 10000 1,2 10 0,8 150 10 * source : http://www.meteofrance.com/FR/climat/suiviClimatiqueCarte.jsp?&carte=annu&annee=2007&mois=01&type=mttme ** source : www.inra.fr/ea/fichier_these/These-Sophie-Guimont.pdf (page 54)

*** source : www.inra.fr/internet/Hebergement/afes///pdf/EGS_11_1_boizard.pdf?PHPSESSID=acfe40d4debe07151152b2 **** source : www.buxerolles.fr/IMG/pdf/FICHE_4.1_Milieu_physique.pdf - communication personnelle Sébastien Minette

***** source : biosol.esitpa.org/act/rennes2002r.pdf; http://www.persee.fr/web/revues/home/prescript/article/morfo_1266-5304_1997_num_3_2_911

Cultures K2 calculé a Masse de terre Ntotal Mhb (kg N/ha)

Système 1 Orge 0,0158 1,3 3700 0,08 64

Système 1bis Colza 0,0158 1,3 3700 0,08 64

Système 2 Maïs F 90** Système 2bis Blé 65** Système 3 Maïs 90** Système 4 Betterave 0,0114 1,3 3240 0,11 53 Système 5 Colza 0,0086 1,3 2750 0,26 80 Système 6 Betterave 0,0135 1,3 3600 0,10 60

** source : Djilali Heddadj, nouvelles grilles azote pour la Bretagne. Calcul non basé sur le K2.

(26)

Minéralisation supplémentaire due au retournement des prairies

Précédent Cultures Mhp (kg N/ha/an) Système 1 Blé Orge 0

Système 1bis Orge Colza 0 Système 2 Blé Maïs F 0 Système 2bis Maïs Blé 0 Système 3 Prairies Maïs 25 Système 4 Orge Betterave 0 Système 5 Blé Colza 0 Système 6 Lin fibre Betterave 0

Tableau 6 : Minéralisation supplémentaire due au retournement des prairies pour chaque système de culture étudié

Coefficient pour tenir compte du temps d’occupation du sol par la culture

Précédent Cultures t Système 1 Blé Orge 0,4 Système 1bis Orge Colza 0,4 Système 2 Blé Maïs F

Système 2bis Maïs Blé Système 3 Prairies Maïs

-* Système 4 Orge Betterave 1 Système 5 Blé Colza 0,4 Système 6 Lin fibre Betterave 1

* Le coefficient d’occupation du sol dans la culture est déjà pris en compte dans le calcul du Mhb (cf. grille azote Bretagne)

Tableau 7 : Coefficient du temps d’occupation des sols pour chaque système de culture étudié

Minéralisation nette des résidus de récolte du précédent cultural

Précédent Cultures Mr (kg N/ha) Système 1* Blé Orge 0 Système 1bis* Orge Colza 0 Système 2* Blé Maïs F 0 Système 2bis Maïs Blé -10 Système 3 Prairies Maïs 25 Système 4* Orge Betterave 0 Système 5** Blé Colza -20 Système 6* Lin fibre Betterave 0

* Paille exportée ** Paille restituée

Tableau 8 : Minéralisation nette des résidus de récolte pour chaque système de culture étudié

(27)

Reliquat d'azote minéral après récolte de cette même culture

Cultures Rf (kg N/ha) Système 1 Orge 25 Système 1bis Colza 25 Système 2 Maïs F 30 Système 2bis Blé 30 Système 3 Maïs 30 Système 4 Betterave 15 Système 5 Colza 20 Système 6 Betterave 15

Tableau 9 : Reliquat d’azote minéral après récolte pour chaque système de culture étudié

(28)

Fourniture des sols en kg d'N/ha

Le calcul de la fourniture des sols est calculé à l’aide de la formule suivante :

Fourniture des sols = (Re+Mr+(Mhb+Mha+Mhp)t) – Rf

Re Mha Mhb Mhp Mr Rf

Précédent Cultures

(kg N/ha) t

Fourniture des sols (kg N/ha)

Système 1 Blé Orge 22 15 64 0 0 25 0,4 28,6

Système 1bis Orge Colza 15 15 64 0 0 25 0,4 21,6

Système 2 Blé Maïs F* 25 35 90 0 0 30 120

Système 2bis Maïs Blé* 25 25 65 0 -10 30 75

Système 3 Prairies Maïs* 25 20 90 25 25 30

-*

155

Système 4 Orge Betterave 34 0 53 0 0 15 1 72

Système 5 Blé Colza 18 0 80 0 -20 20 0,4 10

Système 6 Lin fibre Betterave 41 20 60 0 0 15 1 106

* Le coefficient d’occupation du sol dans la culture est déjà pris en compte dans le calcul du Mhb (cf. grille azote Bretagne)

(29)

I.2.2.3. Calcul de la dose d’azote à apporter pour chaque système de

culture

La dose d’azote à apporter pour chaque système de culture est indiquée dans le Tableau 11.

Cultures Besoins (kg N/ha)

Fourniture des sols (kg N/ha)

Dose d’azote (kg/ha)

Système 1 Orge 144 28,6 115,40

Système 1bis Colza 227,5 21,6 205,90

Système 2 Maïs F 168 120 48 Système 2bis Blé 225 75 150 Système 3 Maïs 182,75 155 27,75 Système 4 Betterave 220 72 148 Système 5 Colza 195 10 185 Système 6 Betterave 220 106 114

Tableau 11 : Dose d’azote à apporter pour chaque système de culture étudié

I.3. Calcul de la dose de phosphore et potassium à apporter

pour chacun des systèmes étudiés

I.3.1. Méthode de calcul utilisée

1er cas

Les calculs des doses de phosphore et de potassium sont moins dépendants des fournitures du sol comme pour l’azote. La fertilisation phospho-potassique a pour objectif de garantir une alimentation non-limitante en phosphore et potassium, pour le niveau de rendement choisi en prenant en compte la biodisponibilité du milieu en ces éléments. Ainsi, le Comifer (1995, 2007) propose de calculer les doses de P et K à apporter en fonction de quatre paramètres :

• l’exigence des plantes,

• la teneur en éléments P et K du sol : évaluation de Timp (teneur impasse en dessous de laquelle il est nécessaire de fertiliser) et de Trenf (teneur renforcée en dessous de laquelle il est nécessaire d’effectuer une fertilisation renforcée),

• le passé de fertilisation : caractérisé en fonction du pouvoir fixateur du sol et du bilan cultural,

• la gestion des résidus : impactant pour le K2O s’ils sont restitués ou brûlés.

Cette démarche permet une approche globale de la biodisponibilité en phosphore et potassium et la répartit en trois classes (Schvartz et al, 2005). Les Tableau 12 et Tableau 13 ci-dessous correspondent aux diagnostics de biodisponibilité pour le P2O5 et le K2O.

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Exigence de la culture en P2O5 Devenir des résidus du précédent Passé récent de fertilisation Teneur du sol

Faible Moyenne Elevée Timp < t 3 3 3 Trenf < t < Timp 2 2 2 Favorable T < Trenf 2 2 2 Timp < t 3 3 2 Trenf < t < Timp 2 2 2 Moyen T < Trenf 1 1 1 Timp < t 2 2 2 Trenf < t < Timp 2 1 1 Indifférent (restitution généralement inférieure à 30 kg P2O5 par hectare Défavorable T < Trenf 1 1 1 Tableau 12 : Niveau de biodisponibilité pour le phosphore

Exigence de la culture en K2O Devenir des résidus du précédent Passé récent de fertilisation Teneur du sol

Faible Moyenne Elevée Timp < t 3 3 3 Trenf < t < Timp 2 2 2 Favorable T < Trenf 2 2 2 Timp < t 3 3 2 Trenf < t < Timp 2 2 2 Moyen T < Trenf 2 1 1 Timp < t 2 2 2 Trenf < t < Timp 2 2 2 Restitués, brûlés Défavorable T < Trenf 2 1 1 Timp < t 3 3 2 Trenf < t < Timp 2 2 2 Favorable T < Trenf 2 1 1 Timp < t 3 2 2 Trenf < t < Timp 2 2 2 Moyen T < Trenf 2 1 1 Timp < t 2 2 1 Trenf < t < Timp 2 1 1 Exportés Défavorable T < Trenf 1 1 1 Tableau 13 : Niveau de biodisponibilité pour le potassium

2ème cas

La fertilisation phospho-potassique est une fertilisation de fond qui permet d’apporter les éléments P et K à l’ensemble d’un système de rotation contrairement à l’azote qui a besoin d’être disponible immédiatement pour les plantes. La fertilisation phospho-potassique peut être ainsi raisonnée sur l’ensemble du système cultural. Dans ce cas-là, l’apport en éléments P et K sera fonction des besoins (en kg/ha) de l’ensemble de la succession culturale.

Compte tenu des données que nous avons en notre possession, nous avons choisi de raisonner les apports en P2O5 et K2O selon le 2ème cas.

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I.3.2. Calcul de la dose de phosphore et potassium à apporter pour

chaque système de culture

I.3.2.1. Besoin des cultures pour chaque système cultural

Le Tableau 14 récapitule les besoins en P2O5 et K2O de chacune des cultures et les besoins

pour l’ensemble du système cultural. Nous avons considéré les hypothèses suivantes : la boue est apportée en une seule fois sur l’ensemble de la succession culturale.

Exportation des cultures (en kg/q, t ou TMS) Besoins en kg/ha (besoins = exportations) Cultures Rendement (qx/ha) P2O5 K2O P2O5 K2O Colza 35 1,25 0,85 43,75 29,75 Blé 75 0,65 0,5 48,75 37,50 Orge 60 0,65 0,55 39,00 33,00 Système 1 et 1 bis Succession 131,50 100,25 Blé 75 0,65 0,5 48,75 37,50 Maïs F 12 TMS/ha - - 53,00 144,00 Système 2 et 2bis Succession 101,75 181,50 Prairies 7 TMS/ha - - 40,00 120,00 Maïs 85 0,6 0,55 51,00 46,75 Blé 75 0,65 0,5 48,75 37,50 Système 3 Succession 139,75 204,25 Betterave 80 t/ha 0,5 1,8 40,00 144,00 Blé 75 0,65 0,5 48,75 37,50 Orge 60 0,65 0,55 39,00 33,00 Système 4 Succession 127,75 214,50 Colza 30 1,25 0,85 37,50 25,50 Blé 75 0,65 0,5 48,75 37,50 Tournesol 30 1,2 1,05 36,00 31,50 Système 5 Succession 122,25 94,50

Lin fibre 1,2 t/ha 2,05 7,2 2,46 8,64

Betterave 80 t/ha 0,5 1,8 40,00 144,00

Blé 75 0,65 0,5 48,75 37,50

Orge 60 0,65 0,55 39,00 33,00

Système 6

Succession 130,21 223,14