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Les SOLS et les GAZ à EFFET de SERRE - Le Protoxyde d’Azote ou Oxyde Nitreux, N2O

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Texte intégral

(1)

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Les SOLS et les GAZ à EFFET de SERRE - Le Protoxyde d’Azote ou Oxyde Nitreux, N2O

Catherine Hénault

To cite this version:

Catherine Hénault. Les SOLS et les GAZ à EFFET de SERRE - Le Protoxyde d’Azote ou Oxyde Nitreux, N2O. Club Climat, conférence du CE de l’IFPEN, IFP Energies Nouvelles (IFPEN). FRA., Mar 2015, Rueil Malmaison, France. �hal-02793618�

(2)

.01

Les SOLS et les GAZ à EFFET de SERRE Le Protoxyde d’Azote ou Oxyde Nitreux, N2O

Catherine Hénault

Directrice de Recherches INRA

Avec la contribution d’Agnès Grossel, Benoît Gabrielle, Raia Massad, Cécile Revellin et Anthony Vermue

CE IFPEN – Club Climat – 31 mars 2015

Catherine Hénault

(3)

Les SOLS et les GAZ à EFFET de SERRE

Le Protoxyde d’Azote ou Oxyde Nitreux, N2O

(4)

.03

Les SOLS et les GAZ à EFFET de SERRE Le Protoxyde d’Azote ou Oxyde Nitreux, N2O

CE IFPEN – Club Climat – 31 mars 2015

Catherine Hénault

Ø

Contexte global

Ø

Comment les sols participent-ils à l’effet de serre ?

Ø

Comment peut-on quantifier les émissions de N2O par les sols ?

Ø

Quelles pistes pour réduire les émissions de N2O (GES) par

les sols ?

(5)

Contexte général

(6)

.05

Evolution des concentrations atmosphériques des GES

CE IFPEN – Club Climat – 31 mars 2015

Catherine Hénault

Source : NOAA,

http://www.esrl.noaa.gov/gmd/aggi/aggi_2010.fig2.png

Source : IPCC, 2013

Cape Grim observatory, Tasmania

(7)

Propriétés d’absorption des GES

GES

Pouvoir de Réchauffement

Global (100 ans)

CO2 1

CH4 23

N2O 296

En terme d’effet de serre, 1 g de N2O a un impact

équivalent à celui de 300 g de

CO2

(8)

.07

Modification du bilan radiatif de la Terre : Forçage Radiatif d’origine anthropique

CE IFPEN – Club Climat – 31 mars 2015

Catherine Hénault

CO2 CH4 N2O

Concentration pré-

industrielle 280 ppmv 0.715 ppmv 0.275 ppmv

Concentration

actuelle 395 ppmv 1.810 ppmv 0.325 ppmv

Augmentation entre

1998 et 2005 +13 ppmv +0.011 ppmv +0.005 ppmv

Accumulation annuelle

(Tg C ou N) 4300 6 3.61

Durée de vie

(années) 50-200 12-17 120

PRG (100 ans) 1 23 296

Contribution estimée

au forçage radiatif 1,66 W m-2

63,7 % 0,48 W m-2

18,2 % 0,16 W m-2 6,1 %

Contribution des différents gaz au forçage radiatif, à l’échelle mondiale

(9)

Sources des GES

Contribution des différents gaz au forçage radiatif, à l’échelle mondiale

GES Principales sources naturelles Principales sources anthropiques

CO2 « Pseudo-équilibres dans les sols » Combustion de carburants fossiles Production de ciment

Déforestation

CH4 Zones humides

Eaux douces,

Animaux sauvages - Termites Feux de forêt

Structures géologiques Hydrates

Permafrost

Agriculture (riz, ruminants)

Décharges et traitements des déchets Brulage de biomasse

Utilisation des carburants fossiles

N2O Sols

Océans

Chimie atmosphérique

Processus industriels et combustion fossile

Agriculture (émissions directes par les sols et émissions indirectes par les eaux de surface)

Brulage de biomasse

(10)

.09

Sources anthropiques des GES

(11)

Sources anthropiques du GES N2O

Total:

16 Tg N2O-N an -1

Émissions anthropiques:

33%

Émissions naturelles:

67%

D’après UNEP, 2013

(12)

CE IFPEN – Club Climat – 31 mars 2015 .011

Catherine Hénault

Géographie des Sources anthropiques du GES N2O

D’après IPCC, 2013

(13)

Enjeux sociétaux dans lesquelles s’inscrivent les émissions de GES

Ø

Changements climatiques : relation de causalité avec l’augmentation des concentrations atmosphériques en GES étable par l’IPCC

Ø

Engagements des pays signataires des Conventions Cadre- climat pour réduire leurs émissions de GES

Ø

Démographie croissante

(14)

.013

Comment les sols participent-ils aux cycles des gaz à effet de serre ?

CE IFPEN – Club Climat – 31 mars 2015

Catherine Hénault

(15)

Ecosystème sol

Cycle des nutriments

Formation des sols

Production primaire

Cycle des nutriments

Formation des sols

Production primaire

107 à 109 / g sol103 à 106 / g sol

(16)

.015

Ecosystème sol

Services Ecosystémiques rendus par les Sols

Cycle des nutriments

Formation des sols

Production primaire

Cycle des nutriments

Formation des sols

Production primaire

107 à 109 / g sol103 à 106 / g sol

(17)

Ecosystème sol : le cycle du carbone, Zoom CO2 et CH4

Cycle des nutriments

Formation des sols

Production primaire

Cycle des nutriments

Formation des sols

Production primaire

CO2

CO2

(18)

.017

SOL SOL

ATMOSPHEREATMOSPHERE

NO3- NO2- NH4+

NO + N2O N2

SOL SOL

ATMOSPHEREATMOSPHERE

NO3- NO2- NH4+

NO + N2O N2

dénitrification (anaérobie) nitrification (aérobie)

Ecosystème sol : le cycle de l’azote, zoom sur N2O

(19)

Les microorganismes dénitrifiants dans les sols

Micro-organismes aérobies-anaérobies facultatifs :

En présence d’oxygène dans les sols, ils utilisent l’oxygène pour leur métabolisme énergétique

En conditions de stress en Oxygène (sol avec des taux d’humidité élevés), ils utilisent les oxydes d’azote (NO3-, NO2-, NO, N2O comme accepteurs d’électrons).

Les formes gazeuses (N2O, N2) représentent plus de 80

-

De l’ordre de 80 % des microorganismes du sol aurait la

capacité à dénitrifier les nitrates

-

De l’ordre de 5 % des

microorganismes du

sol aurait la capacité

à réduire N2O

(20)

.019

Les microorganismes nitrifiants dans les sols

Organismes autotrophes , c’est-à-dire qu’ils utilisent des formes minérales de carbone (CO2) comme source de carbone (métabolisme constitutif).

Ils tirent leur énergie de l’oxydation des formes azotés

(21)

Régulation de la dénitrification dans les sols

Robertson, 1989

(22)

.021

Ecosystème sol : le cycle de l’azote, zoom sur N2O

(23)

Méthodes de quantification des émissions de N2O

par les sols

(24)

.023

Quantification des émissions de N2O par les sols, choix de l’échelle

d’après Grossel et al., 2014

d’après Laville et al., 2011

3.2 m

25.0

41.0

70.0

98.0

147

173

(25)

Quantification des émissions de N2O par les sols à

l’échelle de la parcelle cultivée

(26)

.025

Quantification des émissions de N2O par les sols à

l’échelle de la parcelle cultivée

(27)

Quantification des émissions de N2O par les sols à

l’échelle de la parcelle cultivée

(28)

.027

Quantification des émissions de N2O par les sols –

Etude dans le contexte de la définition de systèmes

intégrés de protection des culture

(29)

Quantification des émissions de N2O par les sols – Hiérarchisation des facteurs de contrôle

CPG autosampler

(30)

.029

Quantification des émissions de N2O par les sols –

Hiérarchisation des facteurs de contrôle

(31)

Quantification des émissions de N2O par les sols –

Hiérarchisation des facteurs de contrôle

(32)

.031

Quantification des émissions de N2O par les sols –

Hiérarchisation des facteurs de contrôle

(33)

Quantification des émissions de N2O par les sols à

l’échelle nationale

(34)

.033

Quantification des émissions de N2O par les sols, un enjeu sociétal

Depuis la signature de la Convention des Nations Unies sur le changement

climatique, les pays signataires doivent réaliser des inventaires d’émission de GES.

Ces inventaires sont destinés à estimer la contribution de chaque pays à l’effet de serre global, l’évolution des émissions dans le temps et à évaluer l’efficacité des mesures de réduction des émissions.

L’IPCC a établi des règles de calcul des émissions nécessitant - d’établir une liste exhaustive des sources potentielles de CH4 et N2O

- de définir des facteurs d’émission pour chacune de ces sources au niveau d’un pays et d’une année civile. Les facteurs d’émission sont définis à partir d’études expérimentales ou bibliographiques.

(http://www.ipcc-nggip.iges.or.jp/public/gl/guidelin)

Chaque pays a la possibilité de proposer de nouvelles règles de calcul présentant

des niveaux de complexité 1 (méthode de base), 2 (coefficients spécifiques), 3

(modèles mécanistiques)

(35)

Approche statistique

Méthodologie IPCC (niveau 1)

Approche mécaniste

Méthodologie IPCC (niveau 3)

Quantification des émissions de N2O par les sols à

l’échelle nationale

(36)

.035

Approche statistique IPCC (niveau 1)

Quantification des émissions de N2O par les sols à

l’échelle nationale

(37)

Approche statistique IPCC (niveau 1)

Quantification des émissions de N2O par les sols à

l’échelle nationale

(38)

.037

Travaux de Stehfest et Bouwman, 2006

Matériels et Méthodes

Base de données

Méta-analyse (N appliqué, type de culture, type de fertilisants,

données sol, climat, …)

Résultats

Tg N an-1

EF1 = 0.91 %

Sols

agricoles Sols naturels

N2O 1008 (204

ref)

207 (72 ref)

NO 189 (58) 210 (52)

Sols agricoles cultivés

Sols agricoles prairies

N2O 3.3 0.8

NO 1.4 0.4

Quantification des émissions de N2O par les sols à l’échelle nationale

Approche statistique IPCC (niveau 1)

y = 0.0129x + 1.0157 R2 = 0.8064

-2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 Apports d'azote (kg N/ha/an)

N-N2O (kg/ha/an)

(39)

Emissions de N2O

à l’échelle de la France

(méthode niveau 1)

(40)

.039

Contribution de l’agriculture aux émissions de N2O

Forçage radiatif de la France, travaux du CITEPA

CITEPA, 2010

(41)

Effet de l’azote apporté sur les émissions de N2O en

France

(42)

.041

Quantification des émissions de N2O par les sols à l’échelle nationale

Développement

de l’approche

mécaniste

(niveau 3)

(43)

Quantification des émissions de N2O par les sols à l’échelle nationale

Développement

de l’approche

mécaniste

(niveau 3)

(44)

.043

Développement de l’approche mécaniste (niveau 3)

Quantification des émissions de N2O par les sols à

l’échelle nationale

(45)

Quantification des émissions de N2O par les sols à l’échelle nationale (travail en cours)

Développement

de l’approche

mécaniste

(niveau 3)

(46)

.045

La réduction de la contribution des sols au forçage radiatif

CE IFPEN – Club Climat – 31 mars 2015

Catherine Hénault

(47)
(48)

.047

Gestion des substrats des mécanismes sources (apport d’azote minéral)

Améliorer l’absorption et l’utilisation de l’azote chez les plantes

Adaptation des apports d’azote aux besoins de la plante

Raisonnement des rotations et/ou des systèmes de culture

Intervenir sur le fonctionnement des processus microbiens source de N2O

Intervenir sur le processus de dénitrification (pas d’inhibiteur) en modifiant les caractéristiques physiques, hydriques des sols pour limiter les conditions d’anaérobiose

Intervenir sur le processus de nitrification

Intervenir sur l’étape de réduction de N2O en N2

Leviers pour réduire les émissions de N2O par les sols

SOL SOL

•• ATMOSPHEREATMOSPHERE

NO3- N O2- N H4+

NO + N2O N2

SOL SOL

•• ATMOSPHEREATMOSPHERE

NO3- N O2- N H4+

NO + N2O N2

(49)

Coût annuel de la tonne de CO

2

e évité (€/tCO

2

e)

Tonnes de CO

2

e évité par an en 2030 (Mt CO

2

e/an)

Leviers pour réduire les émissions de N2O par les sols

(50)

.049

Régulation des émissions du GES N2O par les sols, travail sur la réduction de N2O en N2

SOLSOL

ATMOSPHEREATMOSPHERE

N O3- N O2- N H4+

N O + N2O N2

SOLSOL

ATMOSPHEREATMOSPHERE

N O3- N O2- N H4+

N O + N2O N2

dénitrification (anaérobie)

nitrification (aérobie)

(51)

Régulation des émissions du GES N2O par les sols, travail sur la réduction de N2O en N2

SOLSOL

ATMOSPHEREATMOSPHERE

N O3- N O2- N H4+

N O + N2O N2

SOLSOL

ATMOSPHEREATMOSPHERE

N O3- N O2- N H4+

N O + N2O N2

dénitrification (anaérobie) nitrification (aérobie)

a

Introduire dans le sol des microorganismes capables de réduire N2O en N2

a

Comprendre le déterminisme du fonctionnement de la réduction de N2O en

N2 par les facteurs physico-chimiques des sols

(52)

.051

Régulation des émissions du GES N2O par les sols, par l’introduction de rhizobia réducteur de N2O

H én au lt et R ev el lin , 2 0 11

-0.1 -0.05 0 0.05 0.1

nosZ depleted strain nosZ strain A nosZ strain B

g N-N2O h-1 par pot

(53)

Régulation des émissions du GES N2O par les sols, par la gestion des facteurs physico-chimiques des sols

Prédiction de la capacité des sols à réduire N2O par un modèle PLS mettant en œuvre , pH, CEC et teneur en argile des sols

SOL SOL

•• ATMOSPHEREATMOSPHERE

NO3- N O2- N H4+

NO + N2O N2

SOL SOL

•• ATMOSPHEREATMOSPHERE

NO3- N O2- N H4+

NO + N2O N2

Utilisation du réseau RMQS pour échantillonner les sols

Site ARVALIS de La Jaillère, 2014, d’après Poyac,

(54)

I. APPROCHE EXPERIMENTALE

DCD : dicyandiamide, Inhibiteur de l’oxydation de l’ammonium en nitrites,

commercialisé sous le nom eco-N

D’après Di and Cameron, 2003

Soil Use Manag. 19:284-290

II. APPROCHE COMPTABLE

Intervenir sur le processus de nitrification Utilisation d’inhibiteurs

Emissions de N2O après application d’urine en sols de prairie

Urée + urine

Urée + urine + DCD (1 application)

Urée + urine + DCD (2 applications)

Urée + urine + DCD (1 appl en mélange)

Type d'azote apporté Quantités Facteur d'émission Emissions directes par les sols

dans les sols 10

9

g N kg N-N

2

O/kg N 10

9

g N-N

2

O

Fertilisants de synthèse 256 0,01 2,56

Fertilisants de synthèse + eco-N 54 0,0079 0,4266

Dejections animales 39 0,01 0,39

Fixation azotée 4 0,01 0,04

Résidus de culture 9 0,01 0,09

Proposition d’inventaire des émissions de N2O par les sols agricoles à

l’échelle de la Nouvelle Zélande

D’après Clough et al., 2007

Nutr Cycl Agroecosyst. 78:1­14

SOL SOL

•• ATMOSPHEREATMOSPHERE

N O3- N O2- N H4+

N O + N2O N2

SOL SOL

•• ATMOSPHEREATMOSPHERE

N O3- N O2- N H4+

N O + N2O N2

R1b

(55)

Améliorer l’efficacité de l’utilisation de l’azote Exemple des travaux de Carter et al., 2009

Ø

Expérimentation réalisée au Danemark

Ø

Mesure des émissions de N2O de cultures en blé d’hiver

dans différents systèmes de culture,

à l’aide de la méthode des chambres au sol

Ø

Systèmes de culture considérés

R1a

(56)

.055

Régulation des émissions de GES par les sols,

…. Et le stockage de carbone ?

Principe :

Objectif : stockage annuel de 4 ‰ (S. Le Foll, Climate Smart Agriculture,

2015)

(57)

Régulation des émissions de GES par les sols,

…. Et le stockage de carbone ?

Moyens :

d'après Balesdent J. 1995

Stock de Carbone à l'équilibre

Potentiel de stockage annuel

t C ha-1 t C ha-1 an-1

Référence

Culture de céréales avec restitution de récoltes et travail du sol

40 indice 0

Pratiques Jachères nues ou

urbanisation -0.4

Brûlage des résidus de

culture -0.2

Engrais vet +0.10

Semis sans travail du sol +0 à 0.15

Prairie tempraire +0.25

Prairie permanente +0.25

Conduite forestière en feuillus +0.35

Conduite forestière en

résineux, pH >4 +0.35

Conduite forestière en

+0.50

Effet des principaux modes d'utilisation du sol sur le

stock de carbone des sols Apports de produits résiduaires bruts

Houot et al., qualiagro

OMR Compost d’ordures ménagères résiduelles

BIO Compost de biodéchets en mélange avec des déchets verts

DVB Co-compost de boue + co-substrat (déchets verts, broyat de bois…) FUM Fumier de bovins litière accumulée

TN / T Témoin avec ou sans azote minéral

(58)

.057

Régulation des émissions de GES par les sols,

…. Et le stockage de carbone ?

Limites :

Risque de déstockage

Surfaces pouvant stocker du carbone

Disponibilités en produits résiduaires organiques

Et donc …

La nécessité d’intervenir sur les différents GES

(59)

Je vous remercie de votre attention

Références

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