Flux d’azote dans une culture pérenne à vocation énergétique, Miscanthus x giganteus : étude expérimentale et éléments de modélisation

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THESE 2007

 Titre de la thèse

Flux d’azote dans une culture pérenne à vocation énergétique, Miscanthus x giganteus : étude expérimentale et éléments de modélisation

 Doctorant

Loïc Strullu

 Université-Ecole doctorale

AgroParisTech (Spécialité : Agronomie)- L’Institut des Sciences et Industries du Vivant et de l’Environnement

 Directeur de thèse

Marie-Hélène Jeuffroy

 Laboratoire d’accueil

INRA US agro-Impact, Estrées-Mons BP 50136, 80203 Péronne Cedex

 Responsables de thèse

Nicolas Beaudoin et Stéphane Cadoux

 Durée

Trois ans
2007-2010

Résumé

La production d’énergie (chaleur/électricité, biocarburants) à partir de plantes entières semble prometteuse. Dans ce contexte, se dégage un défi agronomique : trouver les plantes les mieux adaptées à ce nouveau débouché, ajuster les conduites de culture associées et mettre au point les systèmes de cultures en lien avec les exigences environnementales et techniques liées aux bassins d’approvisionnement.
De nouvelles plantes candidates apparaissent et notamment des plantes pérennes comme le Miscanthus ou le Switchgrass. Ces plantes semblent intéressantes pour aboutir au difficile compromis d’une productivité élevée et d’un impact minimum sur l’environnement local (fuite de nitrates, utilisation de pesticides,…) et global (émissions de gaz à effet des serre,..). Des bilans énergétiques et environnementaux sont attendus pour définir l’orientation de telle ou telle plante à vocation énergétique vers un débouché optimum de façon à limiter les compétitions entre usages des végétaux. Pour ces nouvelles plantes pérennes, et particulièrement pour Miscanthus, il convient de compléter les études sur la physiologie et les déterminants agronomiques de la production de biomasse.
La thèse proposée a pour objectif d’évaluer les efficacités énergétiques et les facteurs de variation d’une espèce pérenne comme Miscanthus. L’étude  visera à acquérir des données à l’échelle de la plante, concernant son potentiel de production et son comportement sous la contrainte abiotique de l’azote. La démarche couplera travail expérimental et modélisation.

 

Résultats

Conclusions Scientifiques

Ce travail de thèse nous a permis de mieux comprendre la physiologie d’une culture de M. giganteus, en particulier les relations entre la croissance de la plante et l’azote. Les quantités d’azote contenues dans les organes de réserve sont élevées et peuvent être remobilisées au printemps pour la croissance de la plante. Ces réserves jouent donc un rôle primordial dans la nutrition azotée de la plante en permettant une fourniture d’azote, supplémentaire à celle de l’azote fournit par le sol. Nous avons montré que l’azote accumulé dans les organes de réserve lors de l’année de culture précédente avait un rôle direct sur la production de biomasse par la culture l’année suivante via son effet sur l’efficience d’utilisation des rayonnements par la plante. Les organes de réserves, l’allocation d’une partie de l’azote absorbé vers ces organes et l’efficience de mise an réserve de l’azote élevée, permettent à la plante un recyclage et une gestion de l’azote sur le long terme. Les connaissances acquises sur les organes souterrains nous ont permis de déterminer des formalismes qui permettent de prédire les flux de remobilisation et de mise en réserve potentiels de l’azote dans la culture. Nous n’avons pas étudié les flux de mise en réserve du carbone dans le premier chapitre de la thèse, mais les données expérimentales acquises au cours de la thèse donnent la possibilité de faire ces calculs.
L’efficience d’utilisation élevée de M. giganteus liée a son appareil photosynthétique en C4 et à son efficience de remobilisation et de mise en réserve de l’azote lui donnent un avantage indéniable par rapport aux cultures utilisées pour la production de biocarburants 1ère génération, car ces dernières sont entièrement dépendantes de l’azote minéral disponible dans le sol et de la fertilisation.

Finalisées
M. giganteus est capable de produire une biomasse aérienne importante tout en ayant des besoins en azote très faibles voire nuls ainsi qu’en limitant les exportations d’azote du système sol-plante quand il est récolté après la sénescence des organes aériens. Le rapport biomasse sur exportation d’azote qui est beaucoup plus favorable pour une culture de M. giganteus (20 tMS.ha-1 de biomasse aérienne / 34 kgN.ha-1 pour une coupe tardive sans fertilisation) que pour les cultures annuelles. Les références utilisées dans le logiciel de fertilisation AZOFERT ® pour des plantes annuelles sont pour le maïs (9.4 tMS.ha-1 de grains/ 187 kgN.ha-1), la betterave (16 tMS.ha-1 de pivot / 160 kgN.ha-1), le colza (3.6 tMS.ha-1 degrains / 108 kgN.ha-1), ou le blé (7.7 tMS.ha-1 de grains / 150 kgN.ha-1 ou 15.3 tMS.ha-1 plante entière/ 190 kgN.ha-1) (Jean-Marie Machet ; communication personnelle). En ce qui concerne les itinéraires culturaux étudiés lors de la thèse, nous avons observé que lorsque la plante est récoltée tardivement, l’apport d’azote par fertilisation permet seulement une consommation de luxe de l’azote. Cependant, dans des situations avec faibles fournitures d’azote par le sol, la fertilisation azotée pourrait s’avérer nécessaire pour permettre à la plante de constituer ses réserves en azote.
Une coupe précoce, même si elle permet d’avoir une production de biomasse supérieure par rapport à une coupe tardive, rend l’apport d’azote par fertilisation indispensable afin de maintenir la quantité de réserves en azote des organes souterrains et donc la production de biomasse par la culture. Un tel itinéraire cultural appliqué en routine à M. giganteus nécessitera donc des apports réguliers d’azote et pourrait donc impacter négativement le bilan environnemental et énergétique de cette culture dédiée.

Perspectives
Impacts des phases d’installation et de destruction de la culture
Nous avons obtenu des données concernant une culture commençant à être en pleine production. Une bonne implantation de la culture est nécessaire compte tenu de l’impact du développement des organes souterrains et de leurs réserves en azote sur la production de biomasse par la culture. En effet, celle-ci sera synonyme d’une arrivée en phase de production de biomasse maximale par la culture plus rapide. Plus de recherches sont donc nécessaires sur cette phase cruciale pour la production de biomasse future par la plante. La couverture des besoins en eau par irrigation en cas de sécheresse et une bonne maîtrise des adventices afin de limiter la concurrence pour les ressources hydriques et minérales sont donc indispensables.
Parallèlement, les conditions d’entrée en phase de dégénérescence du peuplement nécessitent d’être investiguées. Les enjeux scientifiques consistent à en connaître les déterminismes, les enjeux finalisés concernent aussi bien la production (en terme de date d’occurrence) que les impacts environnementaux (devenir de l’azote et du carbone stocké).

Rôle des réserves en carbone

Il n’y a aucune donnée dans la littérature sur les flux de mise en réserve du carbone chez M. giganteus. Cependant, il y a nécessité de préciser si les réserves de carbone ont un rôle actifdans les remobilisations et/ou la pérennité de la culture. On peut aussi noter que les stresshydrique et azoté peuvent influencer directement le flux de carbone assimilé mais aussi larépartition des assimilats carbonés dans la plante.

Rôle du stress hydrique et d’autres carences sur les réserves pérennes

L’impact de l’alimentation hydrique sur la production aérienne à court terme du M giganteus a déjà été étudié et modélisé. Cependant, le facteur hydrique est connu pour affecter la partition des assimilats carbonés dans d’autres cultures, notamment en augmentantl’allocation vers les organes souterrains de réserve. Plus de recherches sont donc nécessairesafin de déterminer les règles de partage des assimilats carbonés dans la plante en fonction del’âge de la culture, des stress hydrique et azoté et du climat. Les conséquences en terme demise en réserve du carbone et de l’azote et leur arrière effet sur la production doivent êtreencore être étudiés.
L’étude réalisée sur l’azote devra être complétée par une analyse des réserves et des flux d’autres éléments minéraux indispensables à la croissance de la plante tels que le potassium, le phosphate ou encore le magnésium. Cette étude pourra également passer par l’étude des courbes de dilution de ces éléments dans la matière sèche aérienne.

Modélisation des interactions sol-culture et sol-climat
Des données complémentaires seront nécessaires au paramétrage d’un modèle sol-plante permettant de simuler la production de biomasse et les impacts environnementaux liés à l’azote, au carbone et à l’eau.
Il sera nécessaire de déterminer la courbe de dilution critique de l’azote pour M. giganteus en prenant en compte les organes de réserve. Il faudra également déterminer le rôle de ces organes dans la régulation de la partition des assimilats carbonés et azotés afin de pouvoir renseigner la phase d’implantation de la culture.
La thèse permet d’attirer l’attention à porter aux spécificités de Miscanthus dans la description de certaines interactions entre culture et sol ou culture et climat : les propriétés de stockage de l’eau sur une très grande profondeur (2.5m), le bilan de carbone lié à la mortalité des rhizomes et la rhizodéposition, la réception des précipitations liée à la densité de la canopée, les bilans hydrique et thermique liés à la présence du mulch, la dynamique de minéralisation de l’azote liée au bilan d’azote à long terme en sol non labouré. Optimisation multicritères des systèmes de culture à vocation énergétique

L’efficience d’utilisation élevée de M. giganteus et son efficience de remobilisation et de mise en réserve de l’azote lui donnent un avantage indéniable par rapport à des cultures annuelles. En effet, cela devrait permettre à M. giganteus d’avoir un meilleur rendement énergétique pour un même apport de fertilisation azoté, et de limiter les impacts environnementaux négatifs associés à la fertilisation azotée par rapport à des cultures annuelles. Cependant, il faudra intégrer les autres impacts, en particulier sur les aquifères, la production alimentaire ou la biodiversité dans une optimisation multicritères. Les plantes pérennes ont donc un réel avantage comparé aux plantes annuelles pour une production de biomasse à des fins énergétiques qui soit durable, à condition de leur permettre de finir la mise en réserve des nutriments absorbés par les organes aériens pendant la sénescence de ces derniers. Il convient donc de bien intégrer la dimension temporelle dans les optimisations. L’efficience de remobilisation et de mise en réserve des éléments minéraux et la production de biomasse par hectare sont des caractères primordiaux pour la sélection de plantes pérennes dédiées à la production de bioénergies.

Livrables

 Publications et communications

  • Strullu L., Beaudoin N., Cadoux S., Jeuffroy M.H. Biomass and N accumulation in aerial and belowground parts of M. giganteus: effect of harvest date and N fertilization. XIth ESA Congress. 29 August-3 September 2010, Montpellier, France.

  • Strullu L., Cadoux S., Preudhomme M., Jeuffroy M.H., Beaudoin N. Biomass production and nitrogen accumulation and remobilisation by Miscanthus x giganteus as influenced by nitrogen stocks in belowground organs. Accepted in Field Crops Research.

  • Strullu L., Cadoux S., Beaudoin N., Jeuffroy M.H. Influence of belowground nitrogen stocks on light interception and conversion by Miscanthus x giganteus. Submitted to Biomass and Bioenergy.

Contact

Stéphane Cadoux
INRA US agro-Impact, Estrées-Mons BP 50136, 80203 Péronne Cedex
Tel : 03 22 85 75 12
stephane.cadoux@mons.inra.fr