RL1. Optimisation de la valorisation des Produits Résiduaires Organiques (PRO)

Le recyclage des déchets organiques en agriculture permet la substitution partielle d'engrais minéraux et peut contribuer à augmenter les stocks de carbone organique (C) du sol et à améliorer les propriétés connexes. Divers contaminants (agents pathogènes, organiques et inorganiques) peuvent pénétrer dans les sols avec l'utilisation de PRO et être transférés vers les cultures et / ou les eaux et avoir des effets écotoxiques. D'autres impacts environnementaux peuvent se produire en relation avec leurs bénéfices potentiels tels que la lixiviation des nitrates, les émissions de gaz (volatilisation de l'ammoniac, gaz à effet de serre - GES et composés organiques volatils - émissions de COV). Tous les effets varient en fonction (i) des caractéristiques des PSU appliqués, de leur origine et du traitement éventuellement appliqué, (ii) des conditions pédoclimatiques (sol, caractéristiques climatiques, environnement géomorphologique…) et (iii) de la succession des cultures et de la période d'application. En outre, leur utilisation potentielle dans les pratiques de fertilisation dépend de leur disponibilité locale.

L’équipe «Sol» a acquis une expertise depuis plus de 20 ans, menant à une implication dans l’animation scientifique nationale et une expertise pour les décideurs. Au cours des 5 dernières années:

• Le réseau d'expériences à long terme (SOERE-PRO) dédié à l'étude des impacts du recyclage des déchets organiques sur les agro-écosystèmes (sol, culture, eau, air) s'est étendu avec la participation de INRAE, du CIRAD et de l'IRD, dont 5 dispositifs surveillés sur le long terme. Toutes les données sont intégrées dans un système d’information commun. Le SOEREPRO a été intégré à ANAEE-France (investissement d'avenir soutenu par l'ANR) en tant que «service» ouvert à un usage externe favorisant les collaborations (par exemple, Paetsch et al., 2016; Van den Nest et al., 2016). Les réunions annuelles du SOERE-PRO, les résultats et les informations de surveillance sont publiés sur le site internet (www.inrae.fr/valor-pro).
• Nous avons organisé la 15e réunion internationale RAMIRAN à Versailles (juin 2013) et coordonné l'expertise nationale sur les avantages et les impacts environnementaux du recyclage des déchets organiques (Cambier et al., 2013; Houot et al., 2016).

Les impacts à long terme liés aux applications répétées ont été pris en compte, avec les résultats obtenus avec SOERE-PRO. Au cours des 5 dernières années:

• Nous nous sommes concentrés sur les impacts environnementaux liés aux contaminants organiques émergents (voir fait marquant 2: Bourdat-Deschamps et al., 2017). Les faibles impacts sur le sol et la teneur en eau ont été quantifiés. Les impacts écotoxicologiques potentiels ont été jugés très faibles, tout en soulignant le manque d'informations sur l'écotoxicité terrestre pour cette question. Ce travail a impliqué les équipes Sol et Ecotox.
• Les concentrations en oligo-éléments peuvent augmenter dans les lixiviats de sols modifiés, malgré la rétention accrue de métaux par la matière organique du sol. Le carbone organique dissous a favorisé la lixiviation du Cu. Cependant, l'augmentation du pH avec certains POH a diminué la solubilité et la lixiviation du Zn (Cambier et al., 2014).
• Les COV émis ont été modifiés, mais la quantité totale de COV n'était pas significativement différente de celle obtenue par la fertilisation minérale. Les différences entre les PRO étaient liées à leurs caractéristiques physico-chimiques (Abis et al., 2018). Les équipes Sol et Eco & Phy ont été impliquées.
• Selon les caractéristiques de la matière organique et les doses de PSH, l'accumulation de carbone organique dans le sol a augmenté, davantage dans les particules (où les caractéristiques organiques du compost restaient perceptibles) que dans la fraction argileuse qui est restée le plus important stock de carbone organique dans le sol d'origine microbienne dans cette fraction, confirmant ainsi le rôle de l'activité microbienne dans l'intégration de la matière organique PRO dans la matière organique du sol (Paetsch et al., 2016). L'eau disponible pour les plantes a augmenté avec les stocks de C organique (Eden et al., 2017; projet PRO-EXTERN).

Les caractéristiques des PRO varient avec l'origine et le traitement appliqué. Pour optimiser le recyclage des PRO, il convient de prendre en compte le traitement et l'application. Nous nous sommes concentrés sur les comportements C et N pour les avantages et les contaminants organiques pour les impacts environnementaux. La digestion anaérobie s'est récemment développée de manière intensive en tant que processus intéressant pour produire de l'énergie renouvelable. Les digestats sont des engrais ou amendements de valeur qui demandent une meilleure compréhension de leur comportement dans les sols après leur application. Au cours des 5 dernières années:

• Nous avons démontré que l'origine des déchets traités et le post-traitement après digestion anaérobie affectaient l'efficacité potentielle du stockage du C et la disponibilité en N des digestats (Askri et al., 2013, ANR DIVA). Après traitement, diminution des émissions de GES après application (Askri et al., 2016; collaboration avec l'équipe «Eco & Phy»).
• Avec INRAE LBE, nous avons développé un nouveau protocole de fractionnement de la matière organique afin de prévoir à la fois la production de méthane et le stockage potentiel de C après application (Jimenez et al., 2017).
• Une approche de fractionnement similaire a permis de comprendre le comportement des contaminants organiques (HAP) lors de la digestion anaérobie (Aemig et al., 2016) et a été utilisée pour simuler le comportement des contaminants organiques lors du compostage (Lashermes et al., 2013; Brimo et al., 2013). 2018) et après l'application du compost sur le sol (Geng et al., 2015).
• Le séchage et le chaulage, autres traitements utilisés pour stabiliser et assainir les boues d'épuration avant l'application, n'ont pas modifié l'extractibilité des produits pharmaceutiques, entraînant des risques potentiels de lessivage dans les sols ou pendant le stockage avant l'application (Geng et al., 2016).

Les interactions des caractéristiques du sol avec le système de culture doivent également être prises en compte dans l'optimisation de l'utilisation des PRO à l'échelle territoriale. L'évaluation classique des caractéristiques du sol (profondeur, distribution granulométrique, pH…) est prise en compte lors de l'élaboration de cartes pédologiques. La distribution spatiale de la teneur en sol en C et en N organiques conditionne l'augmentation potentielle de la disponibilité de C et de N organiques pour les cultures, ainsi que la succession des cultures, la période d'application potentielle et les besoins en éléments nutritifs. Des modèles de simulation ont été utilisés pour évaluer les conséquences de divers scénarios de distribution des PRO à l'échelle du territoire. Au cours des 5 dernières années:

Des efforts importants ont été fournis pour évaluer la distribution spatiale du contenu en carbone organique de la couche arable (COS), les opérations culturelles et les successions de cultures (projets GESSOL PROSTOCK, BASC SOCSENSIT, TOSCA PLEIADES-CO). En utilisant la cartographie géostatistique classique du contenu de SOC ainsi que des analyses de laboratoire et des données morphométriques, le cokrigeage a fourni un modèle précis (environ 3,2 g.Kg-1) dans la plaine de Versailles (Zaouche et al., 2017) avec de grandes incertitudes locales dans lesquelles des PRO étaient appliquées. L'imagerie hyperspectrale aéroportée avec évaluation synchrone des spectres de champ et l'analyse classique en laboratoire ont fourni des prévisions légèrement moins précises du SOC (Vaudour et al., 2016), qui pourraient être améliorées avec des images S2 (Vaudour et al., 2017). À partir d'une évaluation spatiale rétrospective réalisée sur 70 ans, le changement d'affectation des sols pourrait être lié aux variations du contenu en SOC (Vaudour et al., 2017). L'utilisation d'images à haute résolution spatiale a permis de cartographier les types de cultures et les opérations culturales au début des cultures (Vaudour et al., 2015). La rugosité du sol influe fortement sur la réflectance du sol, d'où la prédiction du COS (Ebengo et al., 2018). Une approche photogrammétrique automatique a été développée pour mesurer la rugosité de la surface du sol (Gilliot et al., 2017a) et a été prise en compte dans la prévision du travail du sol à partir d'images spectrales et de sources radar (Vaudour et al., 2014).

• À l'échelle du champ, des images de système aérien sans pilote (UAS) avec des caméras multispectrales miniaturisées ont été utilisées pour prédire le contenu de SOC avec une précision de 2 g.kg-1 (Gilliot et al., 2016; Gilliot et al., 2017b). Après correction des variations de luminosité sur les images en raison de conditions météorologiques variables (Gilliot et al., 2018), un modèle de surface de culture en 3D a été créé à l'aide d'images RVB haute résolution afin d'estimer la hauteur de maïs et le rendement en grains a été prédite avec une erreur relative de 14,8% ( Gilliot et al., 2018 soumis)

• A l’échelle territoriale et à l’aide de modèles agro-écosystémiques (STICS, CERES-EGC), la substitution potentielle du stockage de N et de C minéral dans le sol a été évaluée selon des scénarios. Sur le territoire périurbain de la plaine de Versailles (i), seuls 25% des sols cultivés pourraient être modifiés lorsque 65% en auraient besoin, (ii) le potentiel d'azote disponible des PRO représentait 15% des besoins en cultures (ANR ISARD, Houot et al., 2016). Le modèle CERES-EGC a bien simulé les dynamiques C et N à long terme (Noirot-Cosson et al., 2016). Il a été paramétré pour tous les PRO du territoire (Noirot-Cosson et al., 2017) et utilisé pour l'évaluation de scénarios (figure 14, voir Fait Marquant 1: Noirot Cosson, 2017).

Enfin, l'intégration de tous les effets liés à l'insertion de PRO dans les pratiques de fertilisation dans une analyse multicritères est nécessaire pour l'évaluation. L’ACV est souvent utilisée comme une analyse multicritère mais tient principalement compte des impacts sur l’environnement. Nous avons choisi de développer un outil multicritères pour évaluer les impacts de l'application de PRO sur les services des écosystèmes du sol (Obriot et al., 2016; voir RL4 ci-dessous).

Stratégie scientifique et projet

Cette ligne de recherche reste structurée en (A) l’évaluation et la modulation des effets observés après l’application, en tenant compte des caractéristiques des PRO, expliquées par l’origine et le traitement, (B) de l’interaction avec les conditions pédo-climatiques et les systèmes de culture afin de déterminer la meilleure gestion d'application des PRO à l'échelle territoriale. Cette ligne de recherche est directement liée au thème «Biomasse», avec de fortes interactions avec les autres thèmes structurants. Pour les prochaines années, plusieurs projets contribueront à la réalisation des objectifs.

A1 - Nouveaux secteurs de recyclage des PRO pour améliorer la mise en boucle des avantages liés aux éléments nutritifs et au C: Pendant la thèse de T. Martin, les avantages et les impacts environnementaux liés aux chaînes de recyclage de l'urine seront évalués (projet AGROCAPI, collaboration SADAPT et LEESU, interaction avec l'équipe Eco & Phy). Les avantages potentiels de l'incorporation de biochar dans le compost seront explorés lors de la thèse de ML Aubertin (FUI ECOCHAR, collaboration IEES, Unilasalle, Agriculteurs Composteurs de France, Société VTGreen).

A2 - Vers une généricité accrue et des outils de prévision des effets de PRO sur les comportements du C et de N: Dans le cadre du projet SOLEBIOM (collaboration Agrotransfert, Agroimpact, Arvalis et Terres Inovia), nous déterminerons les paramètres permettant de prévoir le stockage du C avec le modèle AMG (largement utilisé pour les conseils aux agriculteurs) lors de l’utilisation de PRO dans des pratiques de fertilisation. Plusieurs projets concernent la digestion anaérobie. Une typologie des caractéristiques du digestat en fonction des intrants et des caractéristiques de processus sera développée dans le cadre du projet CONCEPT-DIG (collaboration entre INRAE OPAALE et LBE avec Agriculteurs Méthaniseurs de France). Les caractéristiques chimiques et spectrales des intrants et des digestats seront utilisées pour prévoir la production potentielle de biogaz, l'efficacité du stockage du carbone et la disponibilité en azote des digestats (projet MAPPED, collaboration avec LBE, INRAE OPAALE, Engie et BioEntec).

A3 - Compromis entre bénéfices C et N et impacts environnementaux potentiels associés: le stockage du C dans le sol et la substitution de l'azote minéral par les PRO peuvent être compensés par une augmentation de la lixiviation des nitrates, des émissions de gaz après l'application mais également lors du traitement précédent. Le bilan de masse C et N et l'évaluation environnementale seront réalisés en considérant à la fois la digestion anaérobie et le post-traitement des digestats ou le compostage ainsi que l'application sur le terrain pendant la thèse de doctorat de V. Moinard (projet régional METAMETHA, collaboration avec les sols UEPAO et UR, interaction avec l'équipe Eco & Phy). De plus, l'application de PROs peut améliorer la formation de COV et d'aérosols secondaires ayant des impacts sanitaires (équipe de collaboration Eco & Phy, projet ANR à soumettre).

B - Gestion des PRO à l'échelle territoriale : Les conséquences du développement de la digestion anaérobie sur les systèmes de culture et les pratiques de fertilisation sont évaluées à l'aide de scénarios simulés sur 2 territoires avec une pression contrastée de l'élevage. Le modèle STICS sera paramétré pour les digestats et autres PRO (post-doc M. Crépeau, projet METHAPOLSOL) et couplé à un modèle simple décrivant la digestion anaérobie afin d'évaluer l'ensemble de la chaîne traitement-application (collaboration avec INRAE OPAALE, SAS). Une plus grande attention sera consacrée aux règles de décision: (i) pour les pratiques culturales et spécifiquement pour les pratiques fertilisantes des agriculteurs; (ii) pour la gestion des PROs par d'autres acteurs à l'échelle territoriale (communautés, entreprises de traitement des déchets) au cours des projets PROLEG et PROTERR. MAELIA, la plate-forme de simulation à base d’agents, introduira une évaluation multicritères de l’insertion de PRO dans les pratiques de fertilisation et développera des systèmes de culture innovants (voir RL 4) et évaluera l’évaluation spatiale des stratégies de gestion du traitement et de l’insertion dans les pratiques de fertilisation. Les territoires sont fortement liés aux sites SOERE-PRO utilisés pour quantifier les indicateurs (RL4). Des systèmes de culture innovants seront définis en collaboration avec l'unité Agronomie. À cette échelle territoriale, le potentiel de recyclage des PRO et d’autres pratiques de «crédit carbone» sera évalué en tenant compte de leur potentiel de stockage de carbone, de leurs émissions de GES associées et de leur faisabilité dans une petite zone périurbaine (projet ADEME en collaboration avec Terre & Cité et Ferme Grignon). Les informations fournies par les séries de satellites Sentinel seront utilisées pour développer une autre approche de spatialisation des pratiques de modification organique et des cultures intermédiaires (projet PEDO_POLYPHEME, voir RL3 ci-dessous). Enfin, les flux de nutriments liés aux PRO et autres matériaux seront évalués dans un cadre d'écologie territoriale, afin de mettre en évidence le potentiel de fermeture de la boucle et d'identifier les principaux acteurs impliqués (collaboration avec SADAPT).

Tout le développement de la modélisation (STICS, AMG, MAELIA), l’évaluation spatiale et multicritère de l’insertion de PRO dans les systèmes de culture bénéficieront du récent recrutement de Florent Levavasseur, ingénieur de recherche dédié, et s’appuieront sur les compétences en géomatique de l’Unité. Il existe de fortes interactions (i) avec d’autres lignes de recherche de l’équipe Sol, (ii) avec l’équipe Eco & Phy pour toutes les émissions de gaz (NH3, N2O), avec une attention particulière pour les COV et les aérosols et avec des écophysiologistes pour la considération des plantes (voir «Biomasse») ; (iii) avec l'équipe Ecotox pour l'évaluation des impacts écotoxicologiques terrestres et le dévoilement des effets bénéfiques liés à la matière organique et des impacts potentiels liés aux contaminants (voir thème «contaminants» et projet de l'équipe Ecotox).