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Opportunités et risques des matières carbonées exogènes dans les sols agricoles

Christophe NAISSE

Oxisol Terra preta

La terra preta De mystérieux mélanges de matières organiques

1492 – Vicente Yáñez Pinzón découvre le long de l’Amazone un peuple avec

une forte stratification sociale […]

et fait la relation entre la couleur noire des sols ("Terra preta") et

l’intense productivité agricole

Biochar + résidus organiques ?

Les Terra preta construitent par les civilisations précolombiennes restent très fertiles (parfois abandonnées durant 5 siècles) en comparaison avec les oxisols non amendés !!

Marajó Island (Brasil)

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Un fort potentiel (stockage carbone, réduction N2O et CH4), mais des taux d'adsorption variables en fonction du prix C (US $ 20, US $ 50

et US $ 100 par Mg CO2 (eq)

Paustian et al., 2016

Vers une agriculture climato-intelligente

Potentiel d’atténuation des émissions de gaz à effet de serre des sols agricoles

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Paustian et al., 2016

Vers une agriculture climato-intelligente

De multiples pratiques au service d’agrosystèsmes plus résilients

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Schmidt et al. (2011)

1 à 5% de charbon dans les MOS

âge des MOS total > Âges des constituants des MOS

Stabilité des matières organiques des sols (MOS)

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• Feux de forêt (naturel) • Pratiques agricoles (anthropique)

Essartage en Finlande (Tableaux de Eero Jarnefelt 1893) Ecobuage en France, de Lasteyrie (1827)

germination et rendement (Turbilly, 1761) densité (d’Arcet, 1832) Insecticide, fongicide et herbicide (Sigaut, 1975)

Rôles de l’écobuage et du retour au sol de biomasses pyrolysées (biochar) pour les agronomes du 18e et 19e siècles

Origines du charbon des sols

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• PRO d’origine agricole • PRO d’origine industrielle • PRO d’origine urbaine

Origines et spatialisation des Produits Résiduaires Organiques (PRO) valorisés en agriculture

Epandage agricole en 2012 :

• 109 Mt MB brut

• 4,2 Mt MB compost

• 1,1 Mt MB digestat

Epandage agricole en 2008 :

• 1,8 Mt MS brut

• 0,3 Mt MS compost &

digestat

Epandage agricole en 2011 :

• 0,4 Mt MS brut

• 0,3 Mt MS compost

Expertise MAFOR : Houot et al. 2014

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Risques et opportunités des PRO

• Recyclage des éléments majeurs

• Séquestration de carbone et état biologique des sols

• Valorisation énergétique - procédés de transformation biologique - procédés de transformation thermochimique

• impacts environnementaux

- Risques biologiques

- lixiviation - molécules organiques (phytos, HAP, PCB,…) - ETM - nanoparticules

Feachem et al., 1983

Courbe température / temps

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Procédés de conversion thermochimique de la biomasse

CO2

Bioénergies

Bioproduits (huiles, phénols,…)

Résidus

Emissions

Biomasse humides (Lisiers, digestats, boues, etc.)

Hydrochar

Carbonisation hydrothermale 230°C & haute pression

Biomasse sèches (pailles, résidus bois, etc.)

Biochar

Pyrolyse > 500°C

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Caractéristiques des « hydrochars »

Particule d’hydrochar

Noyau hydrophobe Enveloppe hydrophile

Cellulose « Hydrochar » Glucose & fructose Condensation Carbonisation Hydrolyse

CO2

HMF

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Caractéristiques des « Biochars »

Emmerich et al. (1987)

Webber et al. (2013)

(Lehmann, 2007)

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Les biochars et l’adsorption d’eau

Gray et al., 2014

• Faible densité

• Surface spécifique très importante

• Hydrophobicité de surface importante à 370°C

• Morphologie de la microporosité et structure de la macroporosité

peuvent avoir un fort impact sur la capacité d’adsorption d’eau

Est un problème due à la complexité de caractérisation de ces matériaux

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Gray et al., 2014

Les propriétés des biochars

Evolution de la porosité avec la température

AgroEcosystèmes arides & semi-arides Ex : super potagers en zone sahélienne

Action du biochar sur cycle de l’eau et de la

gestion des fertilisants

Photos : Pronatura.org

Action du biochar sur désertification - limite l’utilisation du bois => complément de « la grande muraille verte »

Perspectives intéressantes du biochar dans des environnements à fortes contraintes climatiques

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a) Traitement sans biochar b) Traitement avec biochar (Abiven et al., 2015)

A long terme : propriétés physico-chimiques A court terme : développement racinaire

Le biochar comme amendement des sols

Aires de Fauldes (Hardy et al., 2016)

=> Après 150 ans :

C et N organique, CEC, et Ca2+

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Naisse et al.,

GCB Bioernergy 2015

Stabilité biologique des biochars et hydrochars « capacité de stockage de carbone »

Modèle

Potentiel de séquestration de carbone important :

- des hydrochars à l’échelle des décennies

- du biochar à l’échelle des siècles

2 pools 30 ans 300 ans

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Biochar et hydrochar et production de N20 des sols

Avant apport de lisier

Fin d’incubation

Schimmelpfennig et al., 2014

Baisse des émissions de N2O avec biochar

• L’Hydrochar est relativement biodégradable

• Le biochar est sans impact sur flux de CO2

(pas de biodégradation du biochar < 1%)

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• Intérêt agronomique des biochars et hydrochar

- Stimule la biomasse racinaire

- Augmente la CEC, pH, et rétention en eau des sols

Produits de la valorisation thermochimique de biomasse

• Impact environnemental

- Production importante d’énergies renouvelables (biohuiles, chaleurs)

- Stabilité importante dans le sol (Stock de C)

- Réduction potentiel d’émissions de N2O et CH4 (biochar)

• Réalité économique et technologique

- Prix non négligeable !

- Procédés de pyrolyse et qualité de matériaux souvent peu maitrisés

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Optimisation des procédés de transformation biologique des matières organiques par addition de biochar

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Colonisation microbienne d’un biochar après 3 ans dans le sol

Après 100 ans

Après 350 ans

Lehmann and Joseph 2009

Zackrisson et al 1996

Quilliam et al. 2014

Inoculation

Microorganismes Biochar

Adsorption MO-Compost (protection de C)

Le biochar comme additif au compostage

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Stabilité biologique des co-amendements

Ngo et al., 2014

L’apport de biochar induit :

- Un compost plus stable de 7,7%

- Un vermicompost et lisier moins stable de 12%

Les modifications de la structure des communautés microbiennes après compostage (microorganismes filamentaires) pourraient permettre de meilleurs interactions avec le biochar ?

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Hua et al. 2009

Réduction importante des pertes d’azote au cours du compostage (64% pour un apport de 9%)

Expériences de compostage avec biochars de bambou

Le biochar comme additif pour le compostage

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Hua et al. 2009

Le biochar comme additif pour le compostage

Diminution de la mobilité du Cu et Zn au cours du compostage avec l’apport de biochar

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Kumar et al. 1987 évaluent l’impact de l’apport de différentes qualités de charbons en méthanisation

• 5% de biochar permet d’augmenter la production de biogaz de 17% • Augmentation en début de fermentation des bactéries anaérobie et des bactéries

dégradant la cellulose => Importance de la qualité du charbon (biochar) !!

Le biochar comme additif pour la méthanisation

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Conclusion

• Impact environnemental des co-amendements

- Production importante de bioénergie (méthanisation)

- Stabilité biologique et structurale plus importante pour le co-compost (Ngo et al. 2014)

- Réduction importante de la volatilisation d’azote

- Diminution de la mobilité des métaux

• Réalité économique et technologique

- Pas de produit sur le marché