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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�
.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
Les SOLS et les GAZ à EFFET de SERRE
Le Protoxyde d’Azote ou Oxyde Nitreux, N2O
.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 ?
Contexte général
.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
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
.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
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
.09
Sources anthropiques des GES
Sources anthropiques du GES N2O
Total:
16 Tg N2O-N an -1
Émissions anthropiques:
33%
Émissions naturelles:
67%
D’après UNEP, 2013
CE IFPEN – Club Climat – 31 mars 2015 .011
Catherine Hénault
Géographie des Sources anthropiques du GES N2O
D’après IPCC, 2013
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
.013
Comment les sols participent-ils aux cycles des gaz à effet de serre ?
CE IFPEN – Club Climat – 31 mars 2015
Catherine Hénault
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
.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
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
.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
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
.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
Régulation de la dénitrification dans les sols
Robertson, 1989
.021
Ecosystème sol : le cycle de l’azote, zoom sur N2O
Méthodes de quantification des émissions de N2O
par les sols
.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
Quantification des émissions de N2O par les sols à
l’échelle de la parcelle cultivée
.025
Quantification des émissions de N2O par les sols à
l’échelle de la parcelle cultivée
Quantification des émissions de N2O par les sols à
l’échelle de la parcelle cultivée
.027
Quantification des émissions de N2O par les sols –
Etude dans le contexte de la définition de systèmes
intégrés de protection des culture
Quantification des émissions de N2O par les sols – Hiérarchisation des facteurs de contrôle
CPG autosampler
.029
Quantification des émissions de N2O par les sols –
Hiérarchisation des facteurs de contrôle
Quantification des émissions de N2O par les sols –
Hiérarchisation des facteurs de contrôle
.031
Quantification des émissions de N2O par les sols –
Hiérarchisation des facteurs de contrôle
Quantification des émissions de N2O par les sols à
l’échelle nationale
.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)
Approche statistique
Méthodologie IPCC (niveau 1)
Approche mécaniste
Méthodologie IPCC (niveau 3)
Quantification des émissions de N2O par les sols à
l’échelle nationale
.035
Approche statistique IPCC (niveau 1)
Quantification des émissions de N2O par les sols à
l’échelle nationale
Approche statistique IPCC (niveau 1)
Quantification des émissions de N2O par les sols à
l’échelle nationale
.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)
Emissions de N2O
à l’échelle de la France
(méthode niveau 1)
.039
Contribution de l’agriculture aux émissions de N2O
Forçage radiatif de la France, travaux du CITEPA
CITEPA, 2010
Effet de l’azote apporté sur les émissions de N2O en
France
.041
Quantification des émissions de N2O par les sols à l’échelle nationale
Développement
de l’approche
mécaniste
(niveau 3)
Quantification des émissions de N2O par les sols à l’échelle nationale
Développement
de l’approche
mécaniste
(niveau 3)
.043
Développement de l’approche mécaniste (niveau 3)
Quantification des émissions de N2O par les sols à
l’échelle nationale
Quantification des émissions de N2O par les sols à l’échelle nationale (travail en cours)
Développement
de l’approche
mécaniste
(niveau 3)
.045
La réduction de la contribution des sols au forçage radiatif
CE IFPEN – Club Climat – 31 mars 2015
Catherine Hénault
.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
•
Coût annuel de la tonne de CO
2e évité (€/tCO
2e)
Tonnes de CO
2e évité par an en 2030 (Mt CO
2e/an)
Leviers pour réduire les émissions de N2O par les sols
.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)
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
.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
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,
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
9g N kg N-N
2O/kg N 10
9g N-N
2O
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
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
.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)
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
.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 …
•