Le BIOCHAR et la dynamique du Phosphore

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Le BIOCHAR et la dynamique du Phosphore

Phuong Thi Ngo, Christian Morel, Mohamed Benbrahim, Philippe Fioux, Christian Mustin, Christophe Naisse

To cite this version:

Phuong Thi Ngo, Christian Morel, Mohamed Benbrahim, Philippe Fioux, Christian Mustin, et al.. Le

BIOCHAR et la dynamique du Phosphore. 13. Rencontres de la fertilisation raisonnée et de l’analyse

du COMIFER-GEMAS, Nov 2017, Nantes, France. �hal-02733521�

8 & 9 novembre 2017- Nantes 13

Rencontres de la fertilisation raisonnée et de l’analyse Comifer Gemas 1

Le BIOCHAR et la dynamique du Phosphore

Thi-Phuong NGO, Christian MOREL, Mohammed BENBRAHIM, Philippe FIOUX, Christian MUSTIN, Christophe NAISSE

BIOREN, Univesidad de la Frontera, Temuco (Chile) Laboratoire de Sol et Environnement (LSE)

ISPA INRA Bordeaux

RITTMO Agroenvironnement

Institut de Science des Matériaux de Mulhouse (IS2M)

Laboratoire Interdisciplinaire des Environnements Continentaux (LIEC)

Laboratoire Réaction et Génie de Procédés (LRGP)

8 & 9 novembre 2017- Nantes 13

Rencontres de la fertilisation raisonnée et de l’analyse Comifer Gemas 2

Le biochar – son origine, son intérêt

Lehmann (2007)

Duhamel de Monceau (1762) Biochar : charbon provenant de pyrolyse (≥ 500°C et sans O ₂ ) de

biomasses végétales ou animales, syn : charbon végétal ou animal Matériau qui s’inscrit dans une économie décarbonée :

- Séquestration de carbone

- Production d’énergies renouvelables

On en mange

depuis 1912!!

8 & 9 novembre 2017- Nantes 13

Rencontres de la fertilisation raisonnée et de l’analyse Comifer Gemas 3

Le biochar – un matériau fonctionnel

Lehmann (2007)

Témoin avec biochar

 Interactions avec les végétaux

Abiven et al. (2015)

 Interactions avec les microorganismes

Lehmann et

Joseph 2009

8 & 9 novembre 2017- Nantes 13

Rencontres de la fertilisation raisonnée et de l’analyse Comifer Gemas 4

Le biochar – un milieu macroporeux

Bois de chêne - pyrolyse lente à 1000 ° C Bois de Douglas – pyrolyse rapide à 1000 ° C

 Macroporosité : Importance des conditions de pyrolyse et de la biomasse

 Microporosité : sans activation, essentiellement accessible pour de « petits » gaz

8 & 9 novembre 2017- Nantes 13

Rencontres de la fertilisation raisonnée et de l’analyse Comifer Gemas 5

Valorisation agronomique des biochars – le problème du P

Les problématiques :

 Devenir du P des biochars ?

 Disponible pour la solution du sol ou bloqué dans des structures condensées de carbone ?

 Importance des paramètres de pyrolyse ?

 Impact des biochars sur la mobilité des pools de phosphore du sol ?

 Biochars de laboratoire vs biochars industriel ?

 Matériaux : pH basique à très basique, forte CEC

 Matériaux relativement riches en P par rapport aux biomasses

8 & 9 novembre 2017- Nantes 13

Rencontres de la fertilisation raisonnée et de l’analyse Comifer Gemas 6

Partition des flux de P – marquage ³² P

o Experimentation en serre pendant 2 mois (1) Traçage isotopique du P du sol par

des ions ³² PO4

(2) Apport de 20 mg P kg ^-1 sol sous forme:

 BIOCHAR

 TSP (3) Mesure des quantités de ³¹ P et de

32 P dans les parties aériennes récoltées

(4) Calcul du P prélevé soit du P phytodisponible du sol (P _sol ) soit du produit (P produit )

ray-grass

8 & 9 novembre 2017- Nantes 13

Rencontres de la fertilisation raisonnée et de l’analyse Comifer Gemas 7

Partition des flux de P – marquage ³² P

Miscanthus 500 Miscanthus 800

Blé 500

Biochars Total P (g/kg)

Pi (g/kg) (% of total P)

Po (g/kg) (% of total P)

Olsen P (g/kg)

B 500 2.30 ^a 0.88 (38%) 1.42 (62%) 0.50 ^b

M 500 1.44 ^c 0.87 (60%) 0.57 (40%) 0.95 ^a M 800 2.04 ^b 0.42 (21%) 1.62 (79%) 0.53 ^b Surface spécifique

201 m²/g

Surface spécifique 191 m²/g

Surface spécifique

320 m²/g

8 & 9 novembre 2017- Nantes 13

Rencontres de la fertilisation raisonnée et de l’analyse Comifer Gemas 8

Partition des flux de P – marquage ³² P

0 1 2 3 4 5

6 Rendements

g/kg sol

ab

c

a c

b  Les apports de biochars à 500°C ont un effet positif sur le rendement

 M500 et TSP : rendements similaires

 M500  disponibilité du P du sol

 P-Biochar de M500 est 2 fois plus assimilé que B500 ET M800

 P-Biochar faiblement utilisable à 800°C

mg P exp o rt é

0 5 10 15

control TSP M500 M800 B500

P-Apport P sol

A

C

C

A B

a ab b a a

c

b

a

a

P apporté

8 & 9 novembre 2017- Nantes 13

Rencontres de la fertilisation raisonnée et de l’analyse Comifer Gemas 9

Partition des flux de P – marquage ³² P

0 10 20 30 40 50 60 70 80

N 1s Sat., _NOx % N 1s-1 % N 1s-2 % N 1s-3 %

%

OH500 M500 M800

N1s – 1: amines aliphatiques ou aromatiques N1s – 2: Amides, N quaternaires

N1S – 3: N=C aromatique inclus dans des structures graphitiques

Spectroscopie photoélectronique X (XPS) - structure chimique de surface (10nm de profondeur)

 N dans structures C condensées à 800°C

 N dans structures chimiques comparables pour même conditions de pyrolyse

B500

8 & 9 novembre 2017- Nantes 13

Rencontres de la fertilisation raisonnée et de l’analyse Comifer Gemas 10

La dynamique du P – les biochars de pilotes industriels

Tp (°C)

pH CEC Conduct.

(mS.m

)

N (%)

P (mg.Kg

)

D1 – Digestat maïs 500 10,6 34,4 2936 1,96 118 D2 – Digestat mixte 700 (i) 11,0 6,2 850 0,81 654 D3 – Digestat mixte 500 11,4 9,7 537 1,01 375

PmW – fiente + bois 500 10,7 14,1 1103 1,60 90

Pig – lisier 500 11,9 6,4 3260 1,60 332

W1 – bois 500 (i) 9,7 2,9 58 0,61 33

W2 – bois 500 9,1 2,2 40 0,59 14

WC – légumes + compost

500 11,9 3,8 304 0,87 0,5

(i) : biochar provenant d’une unité industriel

Projet européen BioenNW

 Evaluation des propriétés agronomiques de biochars (Université d’Aston)

 Fort impact du type de biomasse

sur les caractéristiques

physicochimiques des biochars

8 & 9 novembre 2017- Nantes 13

Rencontres de la fertilisation raisonnée et de l’analyse Comifer Gemas 11

La dynamique du P – les biochars de pilotes industriels

TSP D3-BC D2-BC D1-BC PmW-

BC Pig-BC W1-BC W2-BC WC-BCX AUC (P) 20.45% 17.62% 13.97% 13.57% 6.68% 17.05% 7.27% 3.54% 1.66%

0%

5%

10%

15%

20%

25%

Coe ffic ie n t ap pa re n t d’ ut ilis at ion du P

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

P so lu tion du so l mg /l

CAU des digestat proche de CAU de TSP

CAU biochar de bois

< CAU biochar de digestat

P dans solution du sol - biochar de bois

 Probable  P du sol (effet pH)

 Forte adsorption sur fonctions de surfaces P dans solution du sol - biochar de digestats

 Probable plus lente biodisponibilité de D2 vs D3

8 & 9 novembre 2017- Nantes 13

Rencontres de la fertilisation raisonnée et de l’analyse Comifer Gemas 12

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

400 800

1200 1600

2000 2400

2800 3200

3600 4000

A bs orba nc e U nit s

Wavenumber (cm-1) D1BC

D2BC D3BC

Charbon actif (Pica TE60)

1042

dCO2 (gaz) 669

Reférence (Pica TE60)

d H2O 1640 n O-H

H2O, hydroxyl

n O-H phenols

d CO3 carbonate

s d C-

H - ---

-

n C-O CO2 (gaz)

ns,as C-H, aliphatiques (CH2, CH3)

3000 - 2850 ---

n C-H aromatiques

3070

d CO3 hydrogéno

- carbonate

s 695 n^as O-CO2

hydrogéno- carbonates

+ dOH 1450-1309

---

d SO4 Sulfates

620 n as SO4

Sulfates 1120 n as CO2

hydrogéno- carbonates

1700-1610 ---

n^s CO2 hydrogéno- carbonates 1050-1000

---

Combinaisons harmoniques

--- d C-H

arom.

La dynamique du P – les biochars de pilotes industriels

Analyse Infra Rouge des 3 biochars de digestats

D2 : biochar « vrai »

Pyrolyse > 500°C

D3 : biochar « vrai »

Proche de 500°C

D1 : biochar « faux »

C amorphe avec

nombreux composés

solubles en surface

Pyrolyse << 500°C

8 & 9 novembre 2017- Nantes 13

Rencontres de la fertilisation raisonnée et de l’analyse Comifer Gemas 13

Conclusions et perspectives

Les biochars sur la dynamique du P

Fortes interactions avec la nature de la biomasse et les conditions de pyrolyse

Matériau pouvant augmenter la disponibilité du P du sol

Matériau présentant des CAU du P intéressantes à partir de digestats ou de fientes 500°C semble être un optimum à court terme

 A partir de végétaux – forte possibilité de rétention N & P sur fonctions de surfaces

Matériau utilisé comme support de microorganismes d’intérêts agronomiques (ex bactéries solubilisatrices de P – Hale et al. 2014)

Interactions biochars / microorganismes à définir…