Indicateurs d'état et de prévision de la dynamique de transformation des apports organiques

(1)

Indicateurs d

’é

tat et de pr

é

vision

de la dynamique de transformation

des apports organiques

Laurent Thuriès (1), Sabine Houot (2)

(1) CIRAD « Risque Environnemental Lié au recyclage », 34398 MONTPELLIER Cedex 05

(2) UMR INRA AgroParisTech « Environnement et Grandes Cultures », 78850 THIVERVAL-GRIGNON

(2)

Pourquoi des indicateurs?

• Utilisateurs :

-

attentes différentes

(amendements, engrais, support de

culture…)

• Producteurs :

-

connaître ses produits, suivre un process

(compostage)

• Conseillers

:

-

préconiser les bons usages

• Législateurs :

-

réglementer les usages, prévenir les problèmes,

marché

C…

• Scientifiques :

-

prévoir à

long terme les effets, généricité

des

travaux

(3)

Quels effets prévoir?

• Dynamique MO et stockage C

• Activité

biologique

• Disponibilité

éléments fertilisants (N)

• Phytotoxicité

(4)

Exemples d’outils et d’indicateurs disponibles

Méthodes

Indicateurs

Utilisation, Effet

Fractionnement biochimique

(XPU 44-162)

Indice de stabilité

biologique

Efficacité amendante

(MO)

Incubations C

(XPU 44-163)

Proportion de C

_org

facilement

minéralisable

Effet sur activité

biologique

Incubations N

(XPU 44-163)

N potentiellement

disponible

Valeur fertilisante N

Modélisation

Paramètres du

modèle

Prévision C, N…

Test auto-échauffement,

Solvita…

Maturité des

composts

Gérer le procédé de

compostage

Test plantes

Phytotoxicité

Utilisation des composts

(5)

essai INRA-CREED 1998-2012

4 blocs de 10 parcelles (450 m

2

₎

4 amendements organiques:

- fumier

- c. ordures ménagères résiduelles

(OMG ou OMR)

- c. biodéchets (BIO)

- c. déchets verts et boue (DVB)

- témoin

2 niveaux de fertilisation azotée

Succession blé - maïs

Épandage tous les 2ans, 4 t C/ha

Valeur amendante des apports organiques

(6)

0 2 4 6 8 10 12 14 16

FUM OMR DVB BIO T

gC /k g 1998 2000 2002 2004 2006 2007

• Augmentation des teneurs en C variable en fonction des apports

• Besoin d’outils pour évaluer l’efficacité des apports et prévoir les

évolutions de C

Augmentation des

teneurs

en MO du sol: variat

avec le type de compost

(7)

Outils diagnostic analytiques pour évaluer

l’efficacité des matières organiques

0 10 20 30 40 C-CO2 (% C total) 0 50 100 150 Temps (jours) Sol DVB OMG

• Même teneur en MO: 50%

• Biodégradabilité résiduelle évaluées au cours d ’incubations

• Indicateur normalisé (XPU 44-163)

¾ Les analyses classiques sont insuffisantes

Exemple:

2 composts

35%

10%

(8)

¾

Quelle fraction K

₁

de la matière organique apportée

(mo) contribue à l ’augmentation de la matière organique

du sol (MO)?

K

₁

x mo

_≥

K

₂

x MO

Matière organique

du sol MO

mo

K

₁

x mo

_K

₂

_{x MO}

(Modèle Hénin -

Dupuis)

(1-K

₁

) x mo

CO

₂

(9)

Fractionnement biochimique de

la matière organique :

-

substances solubles (SOL)

-

hémicellulose (HEM)

-

cellulose (CEW)

-

lignines et cutines (LIC)

ISB

**= 2.112-(0.02009* SOL)-(0.02378HEM)-(0.02216CEW)+(0.00840*LIC)**

proportion de matière organique susceptible d

’entretenir le stock de

matière organique du sol: estimation du coefficient isohumique

K1

Outils diagnostic analytiques pour évaluer

l’efficacité des matières organiques

OMG: 33 DVB: 69

(10)

¾

Quelle fraction K

₁

de la matière organique apportée

(mo) contribue à l ’augmentation de la matière organique

du sol (MO)?

K

₁

x mo

_≥

K

₂

x MO

Matière organique

du sol MO

mo

K

₁

x mo

_K

₂

_{x MO}

(Modèle Hénin -

Dupuis)

(1-K

₁

) x mo

CO

₂

(11)

)

(

*

)

(

*

)

(

*

)

(

)

1 (

t

C

t

K

₂

C

t

K

₁

Cpro

t

K

₁

Cres

t

C

+

=

−

+

_PRO

+

_RES

Calcul annuel bilan humique (Hénin-Dupuis, 1945):

es

Feucheroll

à

CaCO

Arg

TMA

K

0 ,

0206

)

*

0015

,

0

1 (

*

)

*

005 ,

0

1 (

))

10 (

*

2 ,

0

1 (

*

03 ,

0

3 2

₊

=

−

+

=

avec

Marin-Laflèche, 1996)

K

_1RES

= 0,13 K

_1PRO

= ISB

8 9 10 11 12 13 14 8 9 10 11 12 13 14 C mesuré (g/kg sol) C c a lc ulé IS B ( g /k g s o l) BIO DVB FUM OMR T Y= 0,8321 x + 1,7151 R2_=0,899

Evolution C bien simulée

Comparaison C calculé - C mesuré

% C

apporté Simulé mesuré ISB

FUM 58 50 52 OMR 34 34 35 DVB 43 46 54 BIO 51 49 56

Rdt en MO des pro (% du C

apporté en 8 ans)

(12)

MO

_s

= K

₁

x mo

K

₂

Temps (t)

MO

_t

= MO

_s

- (MO

_s

-MO

_i

) exp(-K

₂

t)

MO

_t

MO

_i

MO

_s

(Modèle Hénin-Dupuis)

(13)

Valeur amendante des composts: stockage à

long terme

Prédictions à long terme

Hénin-Dupuis

0 2 4 6 8 10 12 14 16

FUM OMR DVB BIO T

gC /k g 1998 2000 2002 2004 2006 2007 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 20 40 60 80 100 120 Time (years) T C/h a Fumier OMR DVB BIO Témoin

(14)

Calculs

de K1

Produit A MO sur PBrut = 600 kg t-1 MS sur PBrut = 400 kg t-1 Rendement humus = 60 kg t-1 K1 = 60/400 = 0,15 Produit B MO sur PBrut = 600 kg t-1 MS sur PBrut = 800 kg t-1 Rendement humus = 530 kg t-1 K1 = 530/800 = 0,66 Produit C MO sur PBrut = 500 kg t-1 MS sur PBrut = 750 kg t-1 K1 annoncé = 0,8 Rendement humus = 0,8 x 750 = 600 kg t-1 Impossible avec 500 kg MO t-1 • Valeurs de K1

1. Influence des conditions pédoclimatiques 2. Coût / durée

(15)

Exemples de calculs de valeur amendante

compost

âge

MOT

(%MS)

DV

3 mois

6 mois

BIO

3 mois

6 mois

OM

3 mois

6 mois

37

38

30

28

53

35

28

29

15

18

9

16

75

76

50

65

17

47 ISB

(%MS)

Valeur amendante = ISB*MOT

¾ Si Augmentation ISB > diminution MOT, alors valeur amendante

augmente (cas des composts d ’OM qui se stabilisent beaucoup entre 3 et

6 mois)

MS

(%MB)

68

71

65

68

50 MOT

(%MB)

25

27

20

18

36

18

188

205

100

117

61

85 Valeur

amendante

(kg/t MB) (%MO)

(16)

• modèles multicompartimentaux • prédictions avec 3 CM > 2 CM • m4 et m5 vers m6 : TAO N° Name Flow AOM = added organic matter Analytical solution RAOMF at time t Parameters m1 Consecutive humification 1st_{order 2 CM,} 3 parameters ( ) ( ) t k mR H mL H t k k mR H mL mR mL mR H mL e k k k k e k k k k k − + − − + + − + − kmL, kmR: 1st order k. mineralization constants of labile (L) and resistant (R) compartments kH: humification constant. m2 Exchange 1st order 2 CM m t t m e k e k 1 2 2 1 2 2 1 1 λ λ λ λ λ λ λ λ − + − − + kH, kD: humification and decomposition constants, km: mineralization constant (λ1, λ2: roots of 2nd order linear differential equation

f(kH, kD, km)) m3 Consecutive decomposition 1st order 2 CM, 3 parameters ( ) k t D m m L t k D m D m L D m e k k k P e k k k k P − − − − + − − 1 kD , km: decomposition and mineralization constants

PL: labile AOM fraction

m4 Parallel 1st order 2 CM, 3 parameters t mR k L t mL k e P e L P − − − + (1 ) kmL, kmR: see m1 above PL: see m3 above m5 Parallel 1st order 3 CM, 4 parameters ( ) k_mRt _S S L t mL k L P e P P e P + − − + − − 1 kmL, kmR, PL: see m4 above

PS: stable AOM fraction

m6 Parallel 1 st order 3 CM, 2 parameters ( ) S rt S L lt L P e P P e P + − − + − −

1 Pabove L, PS: see m4 and m5

l, h= constants (fixed

values of kmL and kmR for all

AOM) m7 2nd_{order kinetic} model t k (1 ) 1 1 α α − +

k: 2nd order kinetic constant,

α: fraction of AOM becoming microbial biomass m8 1 st_{order plus 0} order model P e PL km t t k L mL 0 1− + + − _P_L,_k_mL_{: see m4 above}

km0 : 0 order kinetic constant

(proportions PL, PR, PS : déterminantes // aux vitesses de minéralisation kmL et kmR)

Autres mod

(17)

D

é

composabilit

é

des apports

‘

a priori

’

:

mod

è

les

--

M

é

canistes (

à

compartiments fonctionnels)

Ex. Transformations des Apports

Organiques (TAO)

* 3 compartiments fonctionnels, * Echelle de temps : jour, mois (saison)

Intérêts:

- bon pouvoir explicatif,

- comparer les dynamiques d ’AO - entre eux & de couples AO-sols Produits : des indicateurs

- C (potentiel humique),

(18)

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

₋

+

−

=

N LIG C

s

N

LIG

N

LIG

s

C

CO

0 .

71 TAO

TAO

Carbone

CO

- PL’ = 0.35 fsol + 2.2 N_AOM –0.010 Lig/N_AOM

- PS = 3.63 Lig

+ PL’ = 0.099 flab + 0.14 Hem

+ PS = 1.61 Lig + 0.62 Ash_AOM

(

)

S t mR k S L t mL k

P

_L

e

−

+

1 −

−

e

−

+

Sol, Hem, Cel, Lig, AshAOM = mass fraction of the organic extracts: soluble, hemicelluloses, cellulose, lignin in AOM, and inorganic part of AOM, respectively,

NAOM= nitrogen in whole AOM,

flab= (Sol + Hem)/(Sol + Hem + Cel + Lig),

fsol= Sol/(Sol+Hem+Cel+Lig),

2 jeux d’équations :

f°

de la composition des AOM (C et Lig/N)

Cf. [2001-1] [2002-1] [2003-1] [2003-2]

Avec km_L = 0.4 j-1 _et_km

(19)

--

Compartiments fonctionnels =

f

°

(fractions

mesurables

)

--

Outils

‘

de laboratoire

’

(texture, contact sol,

faune

... difficilement ou

peu pris en compte)

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Fumier Cacao Café Compost

Lignine Cellulose Hcelluloses Soluble Cendres chimie C, N, (silice, métaux?) physique biologie

C

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0 30 60 90 120 150 180 210 C m in g g -1 N -50 0 50 100 150 200 0 30 60 90 120 150 180 210 jours N m in k g ha-1 Cacao Café Fumier Compost Modèle TAO biochimie

Ex. fumier composté

?

(20)

Cf. [2001-1] [2002-1] [2003-1] [2003-2]

TAO

Carbone: de la R&D

à

la production

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 0 30 60 90 120 150 180 210 jours à 28°C fr act ion d e C m iné ra lisé SP p_SP A p_A EV p_EV BA p_BA I p_I Amendements organiques: - suivi du compostage - création articles

Propositions de matières premières : tri, usages possibles, rejet

Engrais organiques:

(21)

Utilit

é

en fabrication

(Exemples

Phalippou

-

Frayssinet

)

•

(22)

transformation de la MO 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0 30 60 90 120 150 180 210 Fumier bovin Fientes Compost écorces Compost bovin Marc raisin Compost urbain AO 0 10 20 30 40 50 60 70 Fientes Fumier bovin Compost urbain Compost écorces Marc raisin Compost bovin AO CBM-Tr % PB MO % PB