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Dernière mise à jour : Mai 2018

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ECOSYS Bienvenue

UMR ECOSYS - Ecologie fonctionnelle et écotoxicologie des agroécosystèmes

ST1. Gestion, production et recyclage de biomasses à des fins multiples

Sophie Genermont, assistée de Florent Levavasseur, Céline Richard-Molard et Benoît Gabrielle.

Contexte

De nos jours, le recyclage des déchets organiques est largement recommandé et fait partie de l’économie circulaire (paquet «économie circulaire» de l’UE). La culture non alimentaire destinée à la production de biomasse à des fins de bioénergie ou de biomatériaux se développe également dans le cadre de la bioéconomie. ECOSYS a acquis une position reconnue internationalement pour : (i) le développement des énergies renouvelables basées sur des cultures non alimentaires, et (ii) le recyclage de la biomasse pour améliorer la qualité des sols et la production végétale, par le recyclage des éléments nutritifs, le remplacement des engrais minéraux et le stockage du carbone organique dans les sols, en prenant en compte les éventuels impacts environnementaux associés.

Dans un proche avenir, une plus grande attention sera accordée à l'intégration des résultats des différents secteurs qui ont été explorés comme un tout (considérant le champ et les procédés de traitement), soit dans la production de biocarburants, soit dans l'agriculture, ainsi que dans les secteurs de la gestion des déchets urbains et agro-industriels. De plus, la concurrence pour l’accès aux ressources biologiques entre l’agriculture et les autres secteurs bioéconomiques s’intensifie. De nombreux acteurs doivent être pris en compte dans la compréhension de la production, de la gestion et des flux de biomasse organique au sein des territoires. Donner des conseils pour optimiser leur utilisation en fonction du contexte local et des opportunités constitue un défi majeur.

Le gradient entre régions agricoles complètes et contexte périurbain revêt une importance particulière pour ce thème structurant des «biomasses». La variété des systèmes agricoles concernés par le recyclage des déchets est prise en compte : des zones excédentaires avec des élevages hors terre ou mixtes (par exemple, en Bretagne où plusieurs projets collaboratifs impliquent ECOSYS), des zones présentant un fort besoin potentiel de sources organiques alternatives (typiquement des plaines céréalières du bassin parisien). De plus, ECOSYS envisage de plus en plus des systèmes moins conventionnels en développement dans les zones urbaines. Les villes produisent beaucoup de déchets et ECOSYS contribuera à l'optimisation de leur recyclage (voir l'équipe RL1 dans le sol). Les fermes urbaines, les cultures maraîchères et les conversions croissantes vers l'agriculture biologique près des villes sont représentatives des chaînes de recyclage et de production alimentaire courtes et constituent de nouveaux champs d'investigation pour les recherches ECOSYS. La mobilisation de terres marginales (terres en jachère) pour la production de cultures non alimentaires est également l'un des enjeux des prochaines années.

Les contributions d’ECOSYS seront axées sur les processus intervenant de l’échelle de la parcelle aux territoires, avec des horizons allant de quelques jours à plusieurs décennies, et faisant largement appel à la modélisation. ECOSYS se concentre de plus en plus sur la gestion territoriale des biomasses, soit en tant que déchets, soit en tant que matière première pour l’alimentation des processus industriels, en impliquant les parties prenantes et leurs règles décisionnelles. Ceci a été soutenu par le recrutement récent d'un ingénieur de recherche dans l'équipe Sol (Florent Levavasseur). D'autres niveaux, dont le traitement des déchets, par exemple, seront abordés en collaboration avec d'autres équipes de l'INRA, IRSTEA, des instituts techniques, des producteurs de déchets, etc. Pa ailleurs, les études de processus à des échelles plus petites resteront nécessaires pour mieux rendre compte de processus spécifiques (par exemple, nutriments, paramètres physico-chimiques de la volatilisation de l'ammoniac,…).

ECOSYS étudie non seulement les effets de ces stratégies de gestion de la biomasse à plusieurs niveaux spatiaux, mais contribue également à l’évaluation a priori de la viabilité et de la résilience des nouveaux systèmes de culture. Les principaux avantages abordés sont les suivants : contribution à la production d’énergie renouvelable, substitution d’engrais minéraux, stockage du carbone dans le sol, biodiversité du sol et fonctionnement biologique. ECOSYS a pris en compte les impacts environnementaux de l’écosystème qui concernent tous les compartiments, y compris le sol, l’eau, l’atmosphère et la biosphère ; Les études portent sur les impacts locaux (augmentation des concentrations de contaminants pouvant entraîner une toxicité, eutrophisation, diminution de la biodiversité, acidification…) et les changements globaux (changement climatique en particulier). Des approches multicritères comprenant des impacts positifs et négatifs sont utilisées pour évaluer et optimiser ces aménagements et utilisations des sols. L’évaluation du cycle de vie est actuellement utilisée pour les cultures non alimentaires et la chaîne de valeur biologique, et serait étendue à la gestion des déchets et au recyclage, ainsi qu’à l’utilisation et / ou la production d’indicateurs pertinents pour traiter les services écosystémiques.

Questions scientifiques et objectifs

L'objectif principal est de produire des connaissances permettant de mettre en conformité la production de biomasse non alimentaire et le recyclage de la biomasse de déchets avec les principes de l'agroécologie et d'évaluer leurs effets positifs et négatifs sur les services écosystémiques qu'elles fournissent. Nous avons identifié des lacunes dans les connaissances ou des pistes d'amélioration qui nécessitent des recherches supplémentaires. En ce qui concerne les processus biophysiques, ils sont traités au sein des équipes disciplinaires : la plupart des questions de recherche développées ici impliquent ces équipes. Quatre objectifs principaux guideront nos recherches dans un proche avenir, initiés dans le cadre de projets contributeurs (des exemples sont cités).

1. Vers une généricité accrue

La généricité des approches est une condition préalable à l’extrapolation de nos recherches à toutes les nouvelles biomasses produites par les activités agricoles et / ou recyclées dans l’agriculture. Cet objectif ne peut être atteint que par une typologie efficace des biomasses en ce qui concerne les impacts positifs et négatifs. L’un des défis de la recherche dans l’avenir consiste donc à élaborer des typologies permettant de prévoir les disponibilités potentielles en éléments nutritifs, le stockage de carbone et les impacts environnementaux (volatilisation de l’ammoniac, émissions de GES, contenu en contaminants, etc.) sur la base des caractéristiques et de la chaîne de production des biomasses recyclées. De telles typologies sont nécessaires pour le paramétrage des modèles ou des outils de décision. Les modèles d'agro-écosystème sont un autre moyen de garantir cette généricité, bien qu'ils nécessitent beaucoup de données et nécessitent des tests complexes. Les méta-modèles ou les méta-analyses peuvent constituer une alternative plus simple et plus robuste dans la mesure où des données primaires sont disponibles dans ECOSYS et dans la littérature (en cours pour la volatilisation de l'ammoniac).

2.     Focus sur les plantes

Une série de questions spécifiques aux plantes a récemment été soulevée en ce qui concerne le recyclage de la biomasse. Elles seront abordées en développant les interactions avec les écophysiologistes au moyen d'un projet scientifique innovant proposé à par le département EA de l'Inra. Comment le recyclage de la biomasse modifie-t-il le développement des racines et quelles sont les conséquences sur le stockage du C du sol et l'absorption d'azote par les cultures? Comment comptabiliser réellement les «cash crops» dans le secteur du recyclage et comment les cultures peuvent-elles s'adapter à l'augmentation du recyclage de la biomasse ? Peut-on choisir des usines pour optimiser les processus de traitement / récupération? Les questions posées seront:

  • Existe-t-il un comportement différencié des espèces et / ou des variétés pour un recyclage des biomasses organiques? Quelles espèces et / ou variétés sont les meilleures?
  • par quels processus les usines s'adaptent-elles pour une meilleure utilisation de l'azote provenant de biomasses organiques recyclées ? Pouvons-nous isoler un trait spécifique d'adaptation écophysiologique qui pourra également décrire la translocation des éléments nutritifs des plantes, le lier au rendement de la culture et à la qualité de la production?

3. Compromis potentiels entre stockage de carbone, disponibilité d'azote et impacts sur l'environnement

Le potentiel de stockage du carbone après recyclage des biomasses organiques a été démontré et lié à l'origine et au traitement des biomasses organiques recyclées. L'objectif est maintenant de se concentrer sur les conséquences sur la dynamique du C stocké par rapport aux autres sources de C dans les sols. Les cycles biogéochimiques de C et de N sont fortement couplés et le stockage de C peut réduire la disponibilité de N dans le sol. Nous prévoyons de déterminer le meilleur compromis entre le stockage de C et la disponibilité en N en fonction de l'origine et du traitement de la biomasse organique disponible.

D'autre part, le stockage du C et la substitution de l'azote minéral par le recyclage organique peuvent avoir des impacts sur les émissions de gaz (gaz à effet de serre mais aussi ammoniac et COV). L'évaluation environnementale de C et de N en fonction des apports de biomasses organiques recyclées ou du passage à des cultures non alimentaires doit être envisagée. De plus, ces évaluations doivent être prises en compte pour l'ensemble de la chaîne, y compris le traitement et l'application en agriculture des biomasses organiques recyclées.

L'effet de diverses transitions d'utilisation des terres vers des cultures non alimentaires sur la dynamique de l'eau, du C et de l'azote à l'échelle du paysage sera également étudié.

4.     Évaluation multicritère pour l'optimisation :

Un outil d'évaluation multicritères pour l'intégration de biomasses organiques recyclées dans les systèmes de culture sera développé et utilisé pour le développement de systèmes de culture innovants et pour la gestion territoriale du recyclage biologique, en tenant compte des parties prenantes. Cela comprend (i) le choix des critères pertinents et de leurs indicateurs à prendre en compte dans l'évaluation multicritère des systèmes de culture utilisant des cultures non alimentaires et / ou le recyclage biologique, (ii) la définition de valeurs seuils pour le diagnostic. Les impacts environnementaux liés à la production et au recyclage de la biomasse (apport de contaminants, d'agents pathogènes, d'émissions de gaz…) seront pris en compte dans l'évaluation multicritères. Sur la base de cet outil d’évaluation multicritères, des systèmes de culture innovants comprenant des cultures non alimentaires et / ou des biomasses organiques recyclées seront testés sur une plate-forme multi-agents (MAELIA) afin de prendre en compte les règles de décision des agriculteurs et des autres parties prenantes (traitement des déchets,…) Cela a commencé dans les projets PROLEG et PROTERR.

Pour les cultures non alimentaires, l'impact du changement d'affectation des terres sur leur équilibre environnemental sera évalué en fonction de l'utilisation antérieure des terres (terres cultivées, prairies, jachères non productives ou terres marginales). Les résultats de toutes les simulations de scénarios seront ensuite utilisés pour optimiser la production et le recyclage de biomasses à des échelles spatiales.

Insertion dans ECOSYS et collaborations

Le thème «Biomasses» présente des liens étroits avec les autres thèmes structurants d’ECOSYS et des liens transversaux étroits avec les équipes disciplinaires. Le changement d'affectation des sols et les nouveaux systèmes et pratiques de culture, y compris les sources alternatives d'éléments nutritifs (biomasse recyclée, cultures non alimentaires) contribuent à l'adaptation de l'agriculture et à l'atténuation des changements globaux (en particulier le changement climatique), en soulignant clairement les liens avec le thème du «climat». Les nouvelles pratiques d'utilisation des sols et de gestion des terres contribuent également à accroître la diversité et la nature résiliente des agro-écosystèmes (voir le thème structurant «diversité»). Les impacts sur les nouvelles émissions de contaminants sont pleinement pris en compte dans le thème «contaminants» : en particulier les émissions de COV, significatives à la fois pour les cultures non alimentaires et les sols traités avec des composts, les contaminants organiques comme par exemple les composés pharmaceutiques dans les cas spécifiques de biomasse organique recyclée. Le thème «biomasses» questionne le thème «contaminants» pour évaluer les impacts écotoxicologiques de certaines substances chimiques ou organiques qui peuvent être masquées par des effets confondants dus à l'effet potentiellement stimulant de la matière organique, y compris la disponibilité des éléments nutritifs pour les organismes biologiques.

Le thème structurant «biomasses» permettrait et nécessiterait la mobilisation des données acquises sur les sites ECOSYS à long terme (par exemple, QualiAgro, ICOS), voire du SOERE-PRO, pour caractériser et quantifier les services potentiels bénéfiques et négatifs afin de les utiliser ultérieurement pour le paramétrage de les outils d'évaluation multicritères (réalisés dans le cadre du projet PROTERR). D'autres expériences sur le terrain pourraient être utilisées pour évaluer l'impact des changements d'affectation des sols (ASSET). Nous avons commencé à travailler à des échelles spatiales et territoriales et poursuivrons nos travaux sur des territoires explorés, tels que les territoires périurbains de la Plaine de Versailles et du Plateau de Saclay. Cela nécessite une connaissance de la répartition spatiale des types et caractéristiques de sol, de leur occupation, des pratiques des agriculteurs… Les compétences en géomatique présentes dans ECOSYS contribueront largement à cette thématique.

L'évaluation des services dépendra de la mobilisation des plates-formes d'analyse ECOSYS. Les approches typologiques seront rendues possibles par l’utilisation d’outils de dépistage adaptés déjà disponibles pour l’évaluation de la disponibilité en N ou de certaines émissions gazeuses (par exemple, NH3 et N2O, en tant que services de la business unit «AgroSystèmes»), mais qui doivent encore être affinées, voire créées (par exemple, la caractérisation de la matière organique ou d’autres émissions gazeuses telles que les COV). Cela mobilisera ECOSYS à innover techniquement au sein des équipes techniques.

Bien que basés sur les compétences en ressources des équipes disciplinaires d’ECOSYS, ces sujets nécessiteront de développer de nouvelles collaborations avec d’autres scientifiques, instituts techniques, coopératives, parties prenantes… tant au niveau national qu’international (par le biais de projets européens tels que MAGIC sur la production de biomasse, ou le projet phare ASSETS du LabEx BASC et PROLEG au niveau territorial). Des liens étroits avec des instituts techniques présentent un intérêt particulier pour ce thème de structuration (UMT Alter’N avec Terres Inovia, Arvalis,…). Pour des études spécifiques sur les plantes, des collaborations avec l'IJPB ont été initiées. Les collaborations directes avec les instituts techniques et les chambres d'agriculture, mais également la contribution aux réseaux techniques (RMT Fertilisation & Environnement,…) permettent d'appliquer nos résultats à la pratique (projets PROLEG, EVAPRO).

De fortes collaborations existent avec d'autres équipes scientifiques travaillant sur le recyclage de la biomasse au sein de l'INRA (SAS, ISPA, LSE,…) mais également avec d'autres instituts de recherche (Recyclage et Risque - CIRAD; Eco & Sol - IRD). Une attention particulière sera accordée aux interactions avec les unités Agronomie et SADAPT de Versailles-Grignon lors de l'élaboration de systèmes de culture alternatifs, de conceptions de scénarios, avant leur déploiement. Les interactions avec les équipes (LBE, OPAALE - IRSTEA) et les entreprises privées (VEOLIA, SUEZ) dédiées au traitement des déchets ou aux bio-industries seront poursuivies et renforcées afin de pouvoir prendre en compte l'ensemble de la chaîne production / traitement / application. Ce thème structurant contribuera et utilisera également les plates-formes de modélisation INRA: modélisation agro-écosystémique (CERES-EGC et STICS, AMG avec AgroImpact), MOANS pour l’analyse multicritère et en cycle de vie (unité SAS), MAELIA pour la gestion spatiale du recyclage organique (collaboration avec l'unité LAE).