Open Access
Numéro
OCL
Volume 20, Numéro 2, March-April 2013
Page(s) 108 - 118
Section Agronomie – Environnement
DOI https://doi.org/10.1051/ocl.2013.0501
Publié en ligne 15 mars 2013

© John Libbey Eurotext 2013

Le N2O, un gaz à effet de serre principalement d’origine agricole

Lors du Grenelle de l’Environnement en 2007, la France s’est engagée à se placer sur une trajectoire de division par quatre de ses émissions de gaz à effet de serre (GES) d’ici 2050. Parmi tous les GES responsables du changement climatique, le protoxyde d’azote (N2O) possède un très fort pouvoir radiatif, de l’ordre de 300 fois supérieur à celui du dioxyde de carbone (CO2). En France, les émissions de N2O représentent 15 % de la contribution au réchauffement global, ce qui fait du N2O le second GES après le CO2. Avec plus des trois quarts des émissions de N2O (figure 1), l’agriculture incarne le premier secteur producteur de ce gaz (CITEPA, 2011a). Pour les filières végétales, l’enjeu est particulièrement important puisque le N2O est souvent le principal GES de la production agricole. Il représente par exemple 57 % des émissions totales de GES de la culture de colza, du semis à la récolte (CETIOM, 2013). Suite à la directive européenne sur les énergies renouvelables, les filières végétales, et notamment la filière oléagineuse, doivent faire face aux controverses sur les bilans GES des biocarburants de première génération et anticiper la révision future des seuils d’émission, ce qui souligne l’importance du N2O comme levier pour améliorer les bilans. Par ailleurs, le N2O est aussi la principale substance responsable de la destruction de la couche d’ozone stratosphérique. Pour répondre aux engagements du Grenelle, l’agriculture a donc un rôle majeur à jouer vis-à-vis des attentes sociétales de lutte contre le changement climatique.

thumbnail Figure 1.

Émissions atmosphériques de N2O par secteur en France métropolitaine (CITEPA, 2011b).

Les émissions de N2O provenant des sols agricoles ont pour origine les processus microbiens et sont attribuées à la transformation de l’azote minéral des sols. Pour les sols cultivés, le Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat (GIEC) considère que les émissions de N2O sont proportionnelles à la quantité d’azote apporté à la parcelle, à hauteur de 1 % (GIEC, 2006). Cette méthode d’inventaire, actuellement appliquée en France, considère donc un lien grossier entre les émissions de N2O et la fertilisation azotée. Elle relève toutefois d’une vision réductrice car elle suppose que le seul facteur de variation des émissions, donc la seule manière de réduire les émissions de N2O par les sols agricoles, est de diminuer la quantité d’engrais azoté apporté à la parcelle. Or, de nombreux travaux de recherche français et étrangers ont mis en évidence l’existence d’autres leviers susceptibles de moduler les émissions de N2O, pouvant être considérés comme autant de voies de progrès pour les réduire. Ces leviers relèvent de solutions agronomiques ou font appel au génie microbiologique.

Après une présentation des processus responsables de la production de N2O par les sols, cet article de synthèse propose de recenser les méthodes de calculs pouvant être élaborées pour estimer les émissions de N2O des sols agricoles. Les leviers de réduction des émissions de N2O, identifiés par les travaux de recherche, seront ensuite examinés en se basant sur une analyse des processus sous-jacents. Un diagnostic de leur pertinence et de leur applicabilité sera également réalisé afin de déterminer leur degré de faisabilité actuelle ou future, et les freins à leur mise en œuvre.

Processus et facteurs à l’origine de la production de N2O par les sols

La production et la consommation de N2O par les sols sont des phénomènes naturels, ayant pour origine des processus impliquant les micro-organismes du sol. Les deux principaux processus microbiens à l’origine de la production et de la consommation de N2O sont la nitrification et la dénitrification (figure 2) :

  • la nitrification est l’oxydation biologique de l’ammonium (NH4+) en nitrite (NO2) puis en nitrate (NO3). Cette réaction est favorisée en milieu aérobie et son rendement en N2O est faible car ce gaz est un coproduit de la réaction;

  • la dénitrification est un processus respiratoire au cours duquel les formes solubles de l’azote (nitrate NO3, nitrite NO2) sont réduites en composés gazeux (oxyde nitrique NO, protoxyde d’azote N2O et azote gazeux N2). La dénitrification se produit surtout en milieu anaérobie et augmente avec la teneur en nitrate. Son rendement en N2O est élevé car ce gaz est un produit intermédiaire de la transformation. Lorsque la transformation est complète, elle conduit à la formation de N2, donc à l’élimination sans transfert de pollution des formes solubles de l’azote. En revanche, si le processus de dénitrification est incomplet, du N2O est libéré dans l’atmosphère.

thumbnail Figure 2.

Processus microbiens à l’origine de la production de N2O dans les sols (d’après P. Cellier, INRA UMR EGC).

Bien que les sols puissent fonctionner tour à tour comme source ou puits de N2O, à l’échelle globale, la production de N2O est supérieure à sa consommation. Dans les sols agricoles, les émissions de N2O sont majoritairement attribuées au processus incomplet de dénitrification, lorsque l’aération du sol est imparfaite.

Les émissions de N2O dépendent d’interactions complexes entre le sol, le climat et les modes de gestion des cultures, où interagissent des facteurs biologiques et physico-chimiques qui influencent les processus microbiens (figure 3). Les principaux facteurs déterminant la production de N2O sont liés aux conditions physiques et physico-chimiques du sol (texture, physico-chimie, densité, matière organique), au climat (température, précipitations) et aux pratiques culturales (travail du sol, fertilisation, irrigation, etc.), et correspondent aux facteurs distants. Ils interviennent en modifiant les facteurs proximaux, c’est-à-dire les facteurs environnementaux (température, humidité, pH, potentiel d’oxydo-réduction) et le substrat des réactions microbiennes (carbone, azote). Par conséquent, toutes les pratiques culturales pouvant faire varier un ou plusieurs de ces paramètres sont susceptibles d’influencer significativement les émissions de N2O.

thumbnail Figure 3.

Facteurs déterminant la production de N2O par les sols (d’après P. Rochette, Agriculture et Agroalimentaire, Canada).

Les émissions de N2O sont sujettes à une grande variabilité, quelle que soit l’échelle spatiale ou temporelle considérée :

  • la variabilité spatiale (figure 4) : entre deux points de mesure situés à quelques centimètres d’écart, les émissions peuvent varier d’un facteur 10 à 100;

    thumbnail Figure 4.

    Variabilité spatiale des émissions de N2O (Mathieu et al., 2008).

  • la variabilité temporelle (figure 5) : des fluctuations des émissions peuvent être observées à l’échelle de la journée, du mois, de la saison et de l’année.

    thumbnail Figure 5.

    Variabilité temporelle des émissions de N2O (d’après Laville et al., 1997).

Les méthodes de calcul pour estimer les émissions de N2O des sols agricoles

Face au changement climatique, l’obligation de réduire les émissions de GES se traduit par des politiques réglementaires appliquées à tous les secteurs d’activité, dont l’agriculture, à l’échelle européenne. L’incitation à contrôler et diminuer les émissions de GES nécessite, au préalable, d’être en mesure d’estimer les émissions. Pour cela, le GIEC a défini des règles de calcul des émissions de N2O à l’échelle de chaque pays, nécessitant d’établir une liste exhaustive des sources d’émission et d’estimer des facteurs d’émission pour chacune d’elles. Trois méthodes d’inventaire peuvent être mises en œuvre (niveau 1, niveau 2 ou niveau 3), différant par la prise en compte des facteurs agissant sur les émissions. Le passage d’un niveau de la méthode à un niveau supérieur nécessite une augmentation de la quantité des données requises mais permet d’affiner la précision des estimations (figure 6).

thumbnail Figure 6.

Les différentes méthodes d’inventaire d’émission de gaz à effet de serre proposées par le GIEC (d’après GIEC, 2006).

La méthode de niveau 1 du GIEC

La méthode de niveau 1 du GIEC est la méthode actuellement utilisée en France, comme dans la grande majorité des pays, pour estimer les émissions de N2O par les cultures. Elle prend en considération uniquement la quantité d’azote apportée à la parcelle comme facteur régissant les émissions de N2O, que cet azote soit minéral, organique ou lié aux résidus de culture. Le facteur d’émission directe de N2O proposé par le GIEC, c’est-à-dire à l’échelle des parcelles qui reçoivent des apports anthropiques d’azote, est unique à l’échelle mondiale. Il s’élève à 1 % (0,01 kg N-N2O par kg N apporté), avec un intervalle de confiance de 0,003 à 0,03 (GIEC, 2006). Cela signifie que l’azote apporté à la parcelle fera l’objet d’une perte par voie gazeuse, sous forme de N2O, à hauteur de 1 % de la quantité apportée. Par exemple, pour 100 kg d’azote apporté par hectare, les pertes de N2O s’élèveront à 1 kg N-N2O.

Bien que la méthode de niveau 1 soit considérée comme applicable à tous les pays, elle présente de nombreuses limites :

  1. Tout d’abord, le facteur d’émission utilisé est commun à tous les pays du monde et ne tient donc pas compte des spécificités du climat, des sols et des pratiques de l’agriculture française, ce qui conduit à des résultats très imprécis et peu représentatifs des conditions françaises (exemple des conditions sèches du pourtour méditerranéen). Dans l’inventaire des émissions de GES en France de 1990 à 2009, le Centre interprofessionnel technique d’études de la pollution atmosphérique (CITEPA) a ainsi mis en évidence que les émissions de N2O par les sols agricoles, calculées par la méthode de niveau 1 du GIEC, présentent l’incertitude la plus élevée de l’inventaire, toutes catégories confondues (CITEPA, 2011a) :

  2. le facteur d’émission de 1 % considère une relation linéaire entre les émissions de N2O et l’azote apporté, ce qui n’est pas toujours le cas. En effet, des études ont démontré que les émissions de N2O augmentent plus rapidement lorsque l’azote est apporté en excès par rapport aux besoins des cultures, la relation prenant alors une forme exponentielle plutôt que linéaire (Van Groenigen et al., 2010; Philibert et al., 2012). Cet effet n’est pas pris en compte dans la méthode de niveau 1 alors qu’il semble être responsable de la majorité des émissions de N2O en Europe (Lesschen et al., 2009) ;

  3. la méthode de niveau 1 considère que les engrais azotés possèdent tous le même facteur d’émission de 1 %, indépendamment de leur provenance (minérale ou organique), de leur forme (liquide ou granulaire) et de leur composition (nitrique, ammoniacale, uréique). Cependant, selon le type d’engrais appliqué, la fraction d’azote minéral directement disponible dans le sol et impliquée dans la production de N2O est variable. Cet effet n’est pas pris en compte dans les méthodes d’inventaire.

Enfin, la valeur calculée avec la méthode de niveau 1 ne dépend que de la quantité d’azote reçue à la parcelle. En conséquence, avec une telle approche, la seule voie envisageable de réduction de l’émission de N2O est de réduire la fertilisation azotée en diminuant la quantité d’engrais épandu. Les autres facteurs influençant les émissions, c’est-à-dire les caractéristiques du sol, le type de climat et les pratiques culturales (travail du sol, modalités d’application de l’engrais, forme d’azote, dates d’apports, etc.), ne sont pas pris en compte alors qu’ils pourraient constituer des leviers pour réduire les émissions et faire prendre en compte ces réductions dans l’effort national de maîtrise des émissions de GES.

La méthode de niveau 2 du GIEC

La méthode de niveau 2 du GIEC (2006) consiste à adapter les facteurs d’émission aux conditions de chaque pays grâce à une approche statistique basée sur des références locales. Elle se caractérise par la prise en compte d’autres facteurs que la seule quantité d’azote apporté, par exemple le type de climat, le type de sol ou les pratiques culturales. Les facteurs d’émission retenus sont ensuite déclinés à une échelle régionale. La méthode de niveau 2 présente comme principal avantage de donner une vision plus complète et plus réaliste des sources d’émission et de leur variabilité et conduit à une estimation plus précise et robuste des émissions de N2O. Elle nécessite cependant de pouvoir justifier de mesures ayant une représentativité et une signification statistique bien établie, et passe par l’acquisition de références expérimentales propres au pays désireux de développer la méthode.

Une telle adaptation a été réalisée au Canada pour l’émission directe de N2O. La méthode mise au point dans ce pays calcule un coefficient d’émission directe en fonction du ratio entre les précipitations et l’évapotranspiration potentielle, de la texture du sol et de la topographie. Ce coefficient permet de calculer une émission directe de N2O moyenne, qui est ensuite corrigée par l’effet d’autres facteurs qui sont le travail du sol, l’irrigation, la gestion estivale de la parcelle (jachère ou non), les déjections des animaux domestiques et l’effet des sols organiques. Selon les régions, les facteurs d’émission varient de 0,2 à 1,7 % et sont étroitement liés au climat. Le potentiel de réduction varie donc en fonction des régions et est le plus élevé sur les sols argileux à forte pluviométrie. Au Canada, cette méthode de niveau 2 a été utilisée pour réaliser l’inventaire des émissions de N2O par les sols agricoles de 1990 à 2005. Pour cette période, Rochette et al. (2008a) ont ainsi estimé que les émissions directes de N2O des sols agricoles s’établissaient en moyenne à 39,3 Gg de N-N2O par année. Cette valeur est inférieure de 19 % à celle calculée par la méthode de niveau 1 du GIEC pour la même période.

La méthode de niveau 3 du GIEC

Pour affiner l’estimation des émissions en fonction des pédoclimats et des pratiques agricoles, le GIEC (2006) propose également la possibilité d’utiliser une méthode dite de niveau 3, consistant à utiliser un modèle de simulation des émissions de N2O. Pour être reconnus, les modèles doivent être testés et validés dans les conditions pédoclimatiques et d’agriculture du pays souhaitant appliquer la méthode. Tout comme la méthode de niveau 2, la méthode de niveau 3 nécessite de disposer de mesures d’émissions spécifiques et représentatives de la réalité agricole du pays pour valider le modèle proposé, condition indispensable à la reconnaissance de la méthode.

En France, plusieurs modèles ont été développés par des équipes de recherche, intégrant les connaissances des processus biologiques impliqués dans les émissions de N2O. Ces modèles, couplés à des systèmes d’information géographique, permettraient d’obtenir des inventaires plus précis que ceux obtenus avec les méthodes de niveaux 1 et 2. Toutefois, les modèles actuellement disponibles sont considérés comme inadaptés pour être mis en œuvre par les organismes en charge de réaliser les inventaires.

Les leviers de réduction des émissions de N2O

Les émissions de N2O relèvent d’un phénomène naturel, et ne pourront à ce titre jamais être totalement éliminées. Néanmoins, leur intensité peut être atténuée grâce à la mise en œuvre de pratiques spécifiques. Certains leviers sont connus pour moduler les flux de N2O en agissant sur une ou plusieurs des variables contrôlant les processus microbiens à l’origine des émissions, notamment la part de l’azote dénitrifié émis sous forme de N2O. En général, les pratiques culturales réduisant les émissions de N2O ciblent majoritairement la dénitrification car son rendement en N2O est plus élevé. Trois grands types de leviers existent, relevant de solutions agronomiques ou faisant appel au génie microbiologique : 1) les pratiques culturales favorisant l’aération du sol, 2) les pratiques culturales permettant une meilleure gestion de l’azote, 3) les pratiques influençant le fonctionnement des processus microbiens. Certaines pratiques ont déjà prouvé leur efficacité en conditions réelles et sont même déjà partiellement appliquées dans certains pays. D’autres, qualifiées de « futuristes », sont considérées comme très prometteuses mais sont encore à l’étude. C’est notamment le cas des pratiques agissant sur les processus microbiens.

Pratiques culturales favorisant l’aération du sol

Les pics d’émissions de N2O sont toujours reliés à l’apparition de conditions d’anaérobiose dans le sol, c’est-à-dire lorsque le milieu s’appauvrit en oxygène, et que le processus de dénitrification devient majoritaire. Pour limiter l’activité de dénitrification et diminuer le risque d’émission de N2O, il est donc important de favoriser l’aération du sol, en évitant les conditions compactantes et en limitant l’engorgement des sols. Différents facteurs influencent l’aération du sol :

Le drainage et l’irrigation

Une teneur en eau du sol élevée engendre des conditions d’anaérobiose propices aux fortes émissions de N2O. Lorsque la porosité du sol occupée par l’eau dépasse le seuil de 50 à 60 %, l’eau limite la diffusion de l’oxygène dans le sol, ce qui stimule la production de N2O (Linn et Doran, 1984). Pour éviter les situations où l’aération du sol est déficiente, il est donc important d’éviter l’engorgement en eau en modérant l’irrigation ou encore en drainant les parcelles.

Le travail du sol

L’adoption du semis direct a des effets antagonistes sur les émissions de N2O. D’une part, en limitant l’incorporation des résidus et donc la quantité d’azote minéral dans le sol, le semis direct aurait tendance à diminuer les émissions. D’autre part, en augmentant la teneur en eau du sol et le tassement, il stimulerait les émissions.

Pour statuer sur l’adoption du semis direct comme levier pour réduire les émissions de N2O, il est donc nécessaire de prendre en compte les facteurs conditionnant sa performance, à savoir le niveau d’aération et l’ancienneté du système :

  • Des travaux ont montré qu’il existerait des interactions entre le travail du sol et l’aération du sol. Rochette (2008b) a ainsi mis en évidence que, dans un sol naturellement bien aéré (texture sableuse, par exemple), le semis direct serait à privilégier pour réduire les émissions de N2O; à l’inverse, dans un sol mal aéré, le labour présenterait une meilleure efficacité (figure 7) ;

    thumbnail Figure 7.

    Ratio moyen d’émission de N2O cumulée entre un sol en semis direct et un sol labouré, en fonction de l’aération du sol (Rochette, 2008).

  • Les effets du semis direct dépendent également de la durée d’adoption de cette technique. Les systèmes anciens présentent une meilleure aération du sol par rapport aux systèmes labourés, grâce à une augmentation de l’activité biologique du sol. L’effet bénéfique du semis direct serait donc davantage marqué à long terme (Six et al., 2004).

Le machinisme agricole

Pour limiter les émissions de N2O, il est nécessaire de limiter les conditions compactantes et entretenir un sol bien aéré. De manière générale, les travaux agricoles limitant le tassement du sol sont à privilégier (diminution du nombre de passages d’engins, choix de pneumatique adapté).

En conclusion, les émissions élevées de N2O sont généralement observées dans les sols lourds à texture fine, comme les sols argileux (Gregorich et al., 2005). Dans ce type de sol où l’aération est mauvaise, il faut veiller à réduire la compaction et privilégier les pratiques culturales favorisant l’aération du sol.

Pratiques culturales permettant une meilleure gestion de l’azote

Dans les écosystèmes naturels, les émissions de N2O sont généralement faibles car l’azote minéral libre est un facteur limitant. Dans les sols agricoles, l’azote synthétique est ajouté en quantité importante pour favoriser la production végétale, ce qui stimule les émissions de N2O. Pour diminuer ces émissions, la gestion de la fertilisation azotée doit être améliorée à l’échelle de la parcelle. Les solutions pour réduire l’impact de la fertilisation azotée sur le N2O sont donc agronomiques. Différents leviers existent :

L’ajustement de la fertilisation azotée aux besoins de la culture

La méthode d’inventaire de niveau 1 du GIEC part du constat bien connu que la fertilisation azotée stimule les émissions de N2O. Autrement dit, une diminution des apports azotés conduit systématiquement à une diminution des émissions de N2O. Cependant, comme vu précédemment, cet effet n’est pas toujours linéaire et est d’autant plus marqué que l’azote est apporté en excès par rapport aux besoins des plantes. À l’inverse, une sous-fertilisation n’est pas plus efficace pour limiter l’émission de N2O, et présente donc peu d’intérêt (Van Groenigen et al., 2010). En conséquence, le meilleur moyen pour réduire les émissions de N2O est d’ajuster la fertilisation azotée aux stricts besoins de la culture, ce qui rejoint les pratiques visant une meilleure efficience d’utilisation de l’azote. Partant de ce constat, Van Groenigen et al. (2010) suggèrent qu’il serait plus pertinent d’exprimer les émissions de N2O comme fonction de l’absorption d’N par la culture ou du rendement, plutôt que fonction de l’application d’engrais par hectare emblavé, comme l’imposent les méthodes actuelles du GIEC. Ces dernières visent uniquement à réduire le taux d’application d’engrais azoté pour diminuer les émissions de N2O, mais les pratiques devraient avant tout maximiser l’absorption d’azote par les plantes pour être efficaces. Pour raisonner les apports d’azote aux besoins de la culture, un suivi en temps réel de la culture et des paramètres du sol est recommandé (analyses de sol et de plantes, apports localisés d’azote).

Le choix de l’engrais azoté

Le choix de l’engrais azoté peut avoir une influence sur les émissions de N2O, de par sa forme et sa composition. Cependant, il est difficile de généraliser son effet en raison de la grande variation de la composition des engrais minéraux et organiques, et par l’existence d’interactions avec le type de sol :

  1. Forme minérale ou organique : Les formes organique et minérale ont souvent des effets contrastés sur les émissions de N2O à l’hectare mais, lorsque cette évaluation est ramenée à une unité de rendement, aucune différence ne subsiste (Carter et Chirinda, 2009). L’engrais azoté appliqué sous forme organique, en se décomposant dans le sol, engendre une augmentation de la disponibilité en azote minéral à des échelles de temps variables. Ce décalage temporel entre la fourniture d’azote minéral (par exemple juste après les apports ou lors de la décomposition des résidus) et le besoin de la plante en azote peut augmenter le risque d’émission de N2O. Pour éviter les émissions, le principal levier est donc d’ajuster la fourniture d’azote avec les prélèvements effectués par la plante.

  2. La composition de l’engrais : La composition de l’engrais en fractions nitrique, ammoniacale et uréique peut faire varier les émissions de N2O. Cependant, aucune tendance ne se dégage, en raison des nombreuses interactions entre la composition de l’engrais et les facteurs du milieu, particulièrement les conditions d’aération du sol. Par exemple, certaines études montrent que les émissions sont stimulées par la forme ammoniacale par rapport à la fraction uréique (Venterea et al., 2010), alors que d’autres soulignent les avantages des engrais ammoniacaux, qui évitent les fortes concentrations de nitrates et les épisodes intenses de dénitrification (Gagnon et al., 2011).

  3. Forme solide ou liquide de l’engrais organique : La forme solide ou liquide de l’engrais organique peut influencer les émissions de N2O. Épandu sous forme solide, l’engrais aurait tendance à diminuer les émissions de N2O comparé à un engrais liquide (Gregorich et al., 2005). Cependant, l’effet inverse est parfois observé, particulièrement dans les sols pauvres en carbone où l’apport d’engrais organique liquide, source de carbone facilement décomposable, stimule le fonctionnement des processus microbiens (Rochette et al., 2000). Le choix de la forme de l’engrais organique est donc à raisonner en fonction de la disponibilité en carbone des sols.

  4. La forme technologique : Pour diminuer les émissions liées à la fertilisation minérale, les engrais à libération lente ont déjà prouvé leur efficacité. En effet, en limitant les pics d’azote minéral présent dans le sol, ils permettent de réduire les émissions (Halvorson et al., 2011).

Le fractionnement de la fertilisation azotée

Le fractionnement vise à obtenir une disponibilité en azote minéral dans le sol en phase avec les besoins de la plante, et devrait donc en théorie réduire les émissions de N2O. L’efficacité de cette pratique est cependant très dépendante des conditions pédoclimatiques au moment de l’application de l’engrais. Par exemple, un apport sur sol chaud à forte activité biologique peut stimuler les émissions de N2O.

Le mode d’application de l’engrais

L’absorption de l’azote minéral de l’engrais par la culture est favorisée par une application au plus près des racines des plantes. En diminuant la disponibilité en azote minéral dans le sol, ce placement de l’azote réduit le risque d’émission de N2O et nécessite l’utilisation d’un épandeur de précision. L’incorporation de l’azote dans le sol est toutefois à considérer avec attention, notamment dans les sols argileux humides présentant des conditions favorables aux émissions.

La diversification de la rotation

  1. La présence de légumineuses dans la rotation : La présence de légumineuses dans la rotation réduit le besoin d’apport en engrais azoté, car les légumineuses sont capables de fixer l’azote atmosphérique et d’assurer leur propre nutrition azotée. Pendant de nombreuses années, les méthodes d’inventaire du GIEC prenaient en compte un effet de l’introduction des légumineuses et considéraient que la fixation symbiotique était à l’origine de formation de N2O. Cependant, des récents travaux canadiens ont mis en évidence que les émissions attribuées aux légumineuses sont finalement semblables à celles de cultures non légumineuses non fertilisées (Rochette et Janzen, 2005; Jeuffroy et al., 2013). En 2006, suite à ces résultats, le GIEC a retiré la contribution des légumineuses aux émissions de N2O. Certaines études ont même montré un effet bénéfique de la présence de légumineuses dans la rotation, qui permet de diminuer l’émission annuelle de N2O par rapport à des cultures annuelles fertilisées (Gregorich et al., 2005). Néanmoins, avec leur faible rapport carbone/azote, les résidus des légumineuses se minéralisent rapidement. La période suivant leur culture présente donc un risque accru d’émission et doit être gérée avec attention.

  2. L’introduction de cultures intermédiaires : Les cultures intermédiaires pièges à nitrates (CIPAN), qui peuvent comprendre des légumineuses, sont placées après la récolte de la culture principale pour réduire le lessivage de l’azote. Durant leur phase de croissance, elles immobilisent l’azote minéral du sol et diminuent ainsi le risque de dénitrification, donc d’émission de N2O par les processus microbiens. Cependant, au moment de leur destruction, l’incorporation des résidus peut conduire à une augmentation des émissions de N2O, en raison de la minéralisation de l’azote organique au printemps (Millar et al., 2004). Pour diminuer les émissions de N2O, il faut donc veiller à synchroniser cette libération d’azote avec les besoins de la culture suivante, en adaptant le choix de la CIPAN et sa date de destruction, et en privilégiant l’exportation des résidus.

Pratiques influençant le fonctionnement des processus microbiens

Grâce à l’ingénierie microbiologique, une intervention sur les processus microbiens à différents niveaux pourrait permettre de contrôler les dégagements de N2O. De nouvelles solutions prometteuses pour le futur sont en cours de développement par la recherche. Ces leviers visent à diminuer les émissions de N2O en agissant directement sur les processus de nitrification et dénitrification (figure 2).

Ralentir le processus de nitrification

L’utilisation d’inhibiteurs chimiques de nitrification peut diminuer de manière conséquente la formation de N2O (Di et Cameron, 2003). Ils agissent en inhibant la nitrification productrice de nitrates (NO3), principal substrat de la production de N2O, et aussi en diminuant le lessivage de nitrates à l’origine d’émissions indirectes. Ces résultats ont conduit à proposer en 2007 la prise en compte de ce levier efficace de réduction dans l’inventaire national des émissions de N2O à l’échelle de la Nouvelle-Zélande (Clough et al., 2007).

Stimuler la capacité du sol à réduire le N2O en N2

La réduction du N2O en N2 est l’ultime étape de la dénitrification et est sous le contrôle d’une enzyme, la N2O réductase. Des études ont montré que les sols possédant une faible capacité à réduire le N2O en N2 sont généralement sources de fortes émissions de N2O en conditions d’anaérobiose (Hénault et al., 1998). En conséquence, dans les sols agricoles où la N2O réductase est peu efficace, la stimulation de cette réaction présente un grand intérêt. Pour stimuler la capacité du sol à réduire le N2O en N2, plusieurs leviers sont à l’étude :

  1. Corriger le pH des sols acides : Certains résultats obtenus en laboratoire illustrent que l’activité de la N2O réductase est diminuée à pH<6, ce qui se traduit par une augmentation des émissions de N2O (Mørkved et al., 2007). Une correction du pH des sols acides permettrait donc de diminuer les émissions de N2O (Van den Heuvel et al., 2011), mais cette hypothèse doit encore être validée au champ.

  2. Inoculer les sols non réducteurs avec des microorganismes capables de réduire le N2O en N2 : Certains microbes du sol, les rhizobia, vivent en symbiose avec les légumineuses dans des nodules racinaires des plantes (figure 8). Une partie de ces rhizobia possède le gène NosZ permettant l’expression de la N2O réductase. En laboratoire, des légumineuses ont été inoculées avec ce type de rhizobia, faisant basculer un système émetteur de N2O vers un système consommateur. Cet effet est indépendant de la concentration en oxygène du sol. En cultivant des légumineuses inoculées par des souches réductrices, les émissions de N2O pourraient ainsi être réduites de 70 % pendant la nodulation des plantes (Hénault et Revellin, 2011). Pour maximiser les bénéfices de cette future technologie, l’inoculation de légumineuses avec des rhizobia ne devra pas être réservée aux cultures pures de légumineuses, correspondant à des situations peu émettrices, mais devra aussi être envisagée en association avec d’autres cultures. Il s’agira également d’identifier les espèces pouvant être inoculées, les souches d’intérêt, les quantités d’inoculum et les systèmes de cultures les plus performants.

    thumbnail Figure 8.

    Système racinaire d’un pied de soja présentant de nombreux nodules fixateurs d’azote (C. Avisse/INRA).

  3. Apporter des composés carbonés facilement fermentescibles : Dans certains sols, le gène NosZ est présent mais ne s’exprime pas. Des travaux au laboratoire ont montré qu’une intervention sur les propriétés physico-chimiques du sol permettait de stimuler l’activé de ce gène. Il a ainsi été mis en évidence qu’un apport de composés carbonés facilement fermentescibles, comme par exemple du lisier de porc, sur un sol présentant une faible capacité à réduire N2O en N2, permettait de stimuler la réduction du N2O (Hénault et al., 2001). Toutefois, l’apport de carbone pourrait avoir un effet antagoniste en stimulant parallèlement les premières étapes de la dénitrification dans les sols pauvres en carbone. Les connaissances sur les processus relatives à cette voie de progrès doivent donc encore être améliorées afin de rendre la méthode applicable au champ. Il s’agira notamment de déterminer la disponibilité en carbone des sols et le mode de gestion du carbone le plus adapté (forme, dose, application, etc.). Dans le futur, de nouveaux fertilisants permettant une gestion combinée du carbone et de l’azote pourraient ainsi voir le jour.

Diagnostic des principaux freins à l’application des leviers de réduction des émissions

Pour être efficaces, les leviers de réduction des émissions de N2O doivent être analysés en considérant non seulement leur effet sur les émissions de N2O, mais également leur adéquation avec un ensemble de paramètres techniques, économiques, sociaux et environnementaux, tels que leur faisabilité technique, l’acceptabilité par les agriculteurs ou encore la nécessité de maintenir la production agricole. Ces exigences constituent des freins à l’application de ces leviers de réduction des émissions de N2O qui s’ajoutent aux freins d’ordres biophysiques, techniques et méthodologiques.

La mise en œuvre des leviers de réduction est nécessairement multicritère

Avec les méthodes d’inventaire du GIEC, les facteurs d’émission sont traditionnellement exprimés par unité de surface. Toutefois, la conversion par unité de rendement peut totalement changer l’évaluation des systèmes de culture (Linquist et al., 2012). La question se pose donc la pertinence du facteur d’émission comme moyen d’expression des émissions de N2O.

Par ailleurs, les leviers de réduction des émissions de N2O doivent être évalués au regard de l’ensemble des recommandations environnementales, afin d’éviter que le ciblage d’une seule forme azotée engendre des transferts d’impacts. Par exemple, l’incorporation de lisier dans le sol limite la volatilisation d’ammoniac (NH3) mais, en plaçant l’azote dans des zones du sol qui sont souvent plus humides, augmenterait le risque d’émission de N2O.

L’évaluation des leviers pour réduire les émissions de N2O à l’échelle du territoire est donc nécessairement multicritère. Elle se basera sur des diagnostics de l’ensemble des pertes azotées, mais également des impacts sociaux et économiques, grâce à l’appréciation et l’optimisation de scénarios. Pour être complets, les leviers de réduction des émissions de N2O devront : (i) considérer l’ensemble des pertes azotées à la parcelle et leur devenir à l’échelle du territoire (NO3-, NOx, NH3, N2O et N2), (ii) considérer l’ensemble des émissions de GES (N2O, CH4 et CO2), (iii) être techniquement faisables, (iv) être économiquement et socialement acceptables et (v) maintenir le niveau de production.

La variabilité des émissions de N2O et la difficile prise en compte des facteurs locaux

Le choix des situations à cibler pour que les leviers de réduction soient efficaces se heurte à la difficulté d’avoir des connaissances fiables sur les processus expliquant l’origine de la variabilité des émissions de N2O. Dans ces circonstances, l’applicabilité des leviers de réduction est restreinte par la difficulté de prendre en compte les facteurs locaux. Comme chaque situation est un cas particulier, le N2O est appelé par les Anglo-Saxons « le gaz qui rend modeste » (humbling gas).

Bien que la variabilité du N2O incarne un frein pour estimer les émissions, elle doit également être considérée comme une opportunité pour les réduire. Pour cela, il est nécessaire d’améliorer la compréhension des processus à l’origine de la variabilité pour développer des solutions adaptées aux conditions locales. Des travaux de caractérisation des situations émissives à partir des caractéristiques du sol (pH, texture, carbone, biodiversité microbienne, etc.) pourraient par exemple aboutir à une cartographie des zones à risque d’émission à l’échelle du territoire et à la différenciation des pratiques en fonction du potentiel de réduction des émissions.

Le manque de référence scientifique sur les leviers de réduction et leur applicabilité

Le développement des leviers de réduction des émissions de N2O est confronté à un cruel manque de références scientifiques orientées vers la pratique et la production d’outils d’aide à la décision, et les études sur l’applicabilité de ces leviers sont rares. En France, peu d’études ont été conduites dans les conditions réelles, par exemple à l’échelle de l’exploitation agricole, et le conseil technique est encore inexistant. Les attentes des acteurs sont nombreuses et se situent tant en amont (recherche) qu’en aval (développement).

En amont, pour améliorer notre connaissance des leviers de réduction, les recherches à mener en priorité concernent :

  • la compréhension de la variabilité des émissions de N2O;

  • l’ingénierie microbiologique, pour laquelle l’acquisition de références doit encore être privilégiée afin de rendre les voies de progrès applicables ;

  • le contrôle du fonctionnement hydrique des sols, dont l’objectif est de développer une application concrète des connaissances acquises en termes de gestion d’irrigation, de drainage et de travail du sol.

En aval, les recherches sur le développement du caractère opérationnel des leviers sont maigres et devront être renforcées dans les années à venir. Un effort particulier sera apporté aux modèles, en tant qu’outil d’aide à la décision pour adapter les pratiques agricoles contrôlant les émissions (fertilisation de précision, date, forme) et décliner les moyens de gestion au niveau local. Ce travail pourrait déboucher sur la mise en place de conseils techniques et de transferts de technologies auprès des agriculteurs en prenant en compte les caractéristiques physiques et biologiques de leurs sols.

Le manque de méthodes d’inventaires prenant en compte ces leviers de réduction

À l’échelle internationale, la méthode d’inventaire la plus souvent utilisée est la méthode de niveau 1 du GIEC. Peu de pays ont investi dans les moyens expérimentaux pour développer des méthodes plus précises et sensibles aux leviers de réduction, comme les inventaires de niveaux 2 et 3. Les leviers identifiés dans certains pays appliquant le niveau 2 ne sont pas transposables tels quels car le potentiel de réduction propre à chaque mesure varie d’un pays à l’autre. Par conséquent, chaque pays désireux d’améliorer ses méthodes d’inventaires et de diversifier les leviers de réduction doit initier sa propre démarche expérimentale en l’adaptant à ses conditions pédoclimatiques singulières.

En France, l’acquisition de résultats expérimentaux pour développer les méthodes de niveaux 2 et 3 est en cours de réalisation. De 2010 à 2012, un réseau expérimental a été mis en place par l’UMT GES-N2O (partenariat CETIOM-INRA1) et ses partenaires de recherche et développement. Le réseau a été choisi pour être représentatif de la diversité des conditions pédoclimatiques et des conduites culturales des grandes cultures en France. En fonction des résultats obtenus, de nouveaux facteurs d’émission seront proposés pour la France. La reconnaissance de ces facteurs sera appuyée par une méthodologie et des traitements statistiques adaptés, et conduira à l’élaboration d’une méthode de niveau 2 et à la validation de modèles de simulation des émissions de N2O en vue de développer une méthode de niveau 3 du GIEC.

Le problème de l’acceptabilité de ces mesures

La mise en œuvre des leviers de réduction n’est pas toujours recevable par les agriculteurs en raison des coûts supplémentaires ou des éventuelles diminutions de la production agricole qu’elle engendre. L’application de nouvelles mesures nécessite par ailleurs que les agriculteurs fournissent des efforts additionnels au niveau de leur exploitation, ce qui peut également nuire à l’acceptabilité de ces mesures. Par exemple aux Pays-Bas, qui ont développé une réglementation incitative pour réduire les émissions de GES, les agriculteurs ont le choix parmi un catalogue de mesures qui leur sont proposées pour réduire les émissions de N2O. En règle générale, ils ont eu tendance à sélectionner les mesures qui leur sont familières et non les plus efficaces. Le succès des plans d’actions pour réduire les pertes d’azote passe donc par une plus grande sensibilisation des agriculteurs.

En France, le potentiel de réduction des émissions de N2O est élevé et de nombreux leviers pourraient être mobilisés. Pour encourager l’acceptabilité des leviers de réduction, des politiques incitatives devront être développées, en donnant par exemple accès à des crédits d’émissions.

Les principes pour une réduction efficace des émissions de N2O

Les pratiques agronomiques de conservation qui visent une utilisation rationnelle de l’azote et un environnement du sol favorisant l’activité biologique aérobie tendent à réduire l’émission de N2O. Les pratiques les plus efficaces cibleront les leviers suivants :

  • Limiter la dénitrification des sols en favorisant leur aération (éviter les conditions compactantes et limiter l’engorgement) et en corrigeant leur acidité excessive.

  • Améliorer la gestion de la fertilisation azotée en ajustant l’azote minéral disponible dans le sol aux besoins de la culture et en augmentant l’efficience d’utilisation de l’azote par les cultures.

  • Intervenir sur les processus microbiens sources de N2O pour limiter les pics de concentration en nitrates (NO3 -) et stimuler la réduction du N2O en N2.

Hiérarchiser les leviers de réduction des émissions de N2O en fonction de leur efficacité ou de leur applicabilité est une tâche complexe, compte tenu du grand nombre d’interactions qui les relient et du fait que les recherches en cours n’ont pas encore toutes abouti. Il est d’ores et déjà admis qu’aucune voie de progrès, aussi pertinente soit-elle, n’est transposable telle quelle dans toutes les contextes. La seule approche possible pour maîtriser « le gaz qui rend modeste » est d’analyser les situations au cas par cas. La solution la plus probable pour réduire les émissions de N2O est la combinaison de leviers de réduction complémentaires. Ainsi, la création d’un système agricole dans lequel l’aération du sol serait maintenue, la disponibilité de l’azote minéral du sol limitée à ce qui est nécessaire pour ne pas nuire à la production agricole et la réduction du N2O en N2 stimulée, résume bien l’optimisation souhaitée.

Conflits d’intérêts

aucun


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Pour citer cet article : Viard A, Hénault C, Rochette P, Kuikman P, Flénet F, Cellier P. Le protoxyde d’azote (N2O), puissant gaz à effet de serre émis par les sols agricoles : méthodes d’inventaire et leviers de réduction OCL 2013; 20(2): 108–118. doi : 10.1051/ocl.2013.0501

Liste des figures

thumbnail Figure 1.

Émissions atmosphériques de N2O par secteur en France métropolitaine (CITEPA, 2011b).

Dans le texte
thumbnail Figure 2.

Processus microbiens à l’origine de la production de N2O dans les sols (d’après P. Cellier, INRA UMR EGC).

Dans le texte
thumbnail Figure 3.

Facteurs déterminant la production de N2O par les sols (d’après P. Rochette, Agriculture et Agroalimentaire, Canada).

Dans le texte
thumbnail Figure 4.

Variabilité spatiale des émissions de N2O (Mathieu et al., 2008).

Dans le texte
thumbnail Figure 5.

Variabilité temporelle des émissions de N2O (d’après Laville et al., 1997).

Dans le texte
thumbnail Figure 6.

Les différentes méthodes d’inventaire d’émission de gaz à effet de serre proposées par le GIEC (d’après GIEC, 2006).

Dans le texte
thumbnail Figure 7.

Ratio moyen d’émission de N2O cumulée entre un sol en semis direct et un sol labouré, en fonction de l’aération du sol (Rochette, 2008).

Dans le texte
thumbnail Figure 8.

Système racinaire d’un pied de soja présentant de nombreux nodules fixateurs d’azote (C. Avisse/INRA).

Dans le texte

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