Optimiser les services de l’interculture avec les Cultures Intermédiaires à Vocation Energétique
S. Marsac1, H Lagrange1, C. Quod1, M. Heredia1, N. Delaye2, F. Labalette2, M. Bazet4, EA. Sanner1
1 ARVALIS - Institut du végétal : Station Inter-Instituts, 6 ch de la côté vieille 31450 Baziège s.marsac@arvalis.fr
2 Terres Univia : 11 rue de Monceau CS 60003- 75 378 PARIS 08 – France n.delaye@terresunivia.fr
3 Terres Inovia : Station Inter-Instituts, 6 ch de la côté vieille 31450 Baziège v.lecomte@terresinovia.fr
4 Euralis : Avenue Gaston Phoebus 64231 Lescar marie.bazet@euralis.com
https://doi.org/10.54800/opt200
Résumé
La valorisation des cultures intermédiaires à vocation énergétique (CIVE) est intégrée dans de nombreuses stratégies et prospectives nationales de transition énergétique. Cette valorisation permettrait d’ajouter de nombreuses fonctions économiques et environnementales à ces couverts d’interculture multiservices. Les références acquises au cours du programme OPTICIVE ont permis de proposer une première série de recommandations sur le management de ces séquences de 3 cultures en 2 ans. La place dans la succession de culture, le choix des espèces et des dates de semis sont des critères déterminants qui restent à régionaliser pour une maitrise approfondie de ces séquences. Ces CIVE insérées entre deux cultures alimentaires doivent toutefois être finement conduites pour réduire les risques et impacts dans la succession.
Abstract
National energy transition scenarios and prospective studies are based on Energy cover crops mobilisation in double cropping systems. The use of this biomass is a way to add economic and environmental functions to theses multi service cover crop. Experiments carried out during OPTICIVE program allowed to build the first crop management recommendations for these double cropping sequences. Their insertion into nowadays crop rotations, choice of the best species and sowing dates are decisive issues which have to be locally adapted for a good control of these systems. Between two food/feed crops, energy double crops have to be managed as primary crops, with specific recommendations (fertilisation) to decrease risk and impact across crop rotation.
Introduction
Le développement de l’usage de biomasse agricole notamment via des cultures énergétiques fait partie des scénarios de transition énergétique et de la stratégie nationale bioéconomie française (2017). Ces plans mettent en avant différents modes de valorisation de ces cultures. La voie de la méthanisation à la ferme est une des voies privilégiées.
Des objectifs ambitieux ont été fixés pour la production de biométhane à la ferme avec la création de 1000 installations de méthanisation agricole d’ici 2020 (Plan EMAA, 2013). La France comptait plus de 1000 projets de raccordement aux réseaux de transport et de distribution de gaz fin 2019.
Les cultures intermédiaires à vocation énergétique (CIVE) représentent un enjeu majeur pour l’approvisionnement de ces méthaniseurs (ADEME et al., 2018) et pour le développement de l’agroécologie. En effet, face aux nombreux aléas climatiques entraînant la variation du cours des matières premières et aux exigences réglementaires et sociétales grandissantes (couverture des sols obligatoire en zone vulnérable, politique de réduction des intrants phytosanitaires), la valorisation des intercultures apparait comme un moyen de combiner efficacement résilience économique des systèmes d’exploitation (nouvelle source de revenus avec valorisation économique de couvert végétaux) et durabilité de ces systèmes (production d’énergie renouvelable, lutte contre les émissions de GES, etc.) (Justes, 2012 ; Berti, 2015 ; Martin, 2014 ; Goff, 2010 ; Heggenstaller, 2008).
Le potentiel de mobilisation de ces ressources est mis en avant dans différents scénarios (ADEME, 2009, 2012 ; Bardinal, 2014) avec un potentiel d’environ 20 millions de tonnes de matières sèches issues d’intercultures, soit une production d’énergie de l’ordre de 50 TWh PCS (ADEME et al., 2018). Cette évaluation s’appuie toutefois sur une généralisation des cultures intermédiaires dans la grande majorité des systèmes de production avec une hypothèse de récoltabilité de l’ordre de 50%, correspondant à une production de biomasse de plus de 4 t MS à l’hectare.
La séquence de trois cultures en deux ans inclue deux cultures alimentaires et une culture intermédiaire pour l’énergie dans l’objectif de maintenir la production alimentaire. Cette séquence de trois cultures constitue un ensemble d’études, pour intégrer les effets d’une des cultures de cette séquence sur les autres. En effet, cette séquence inclue une première culture alimentaire, dont le management peut être adapté afin de garantir les conditions de réussite de l’interculture valorisée en énergie, et la culture alimentaire suivante. Le cycle de production d’une culture alimentaire est généralement inférieur à un an et ces systèmes de double culture sont une opportunité pour optimiser les cycles de production. Cette séquence de culture s’inscrit dans une succession plus longue. Si de nombreuses expérimentations ont été conduites sur les CIVE (Expé CIVE - ADEME, CIBIOM - fonds ENERBIO 2010 - 06), peu d’entre elles travaillaient sur l’ensemble de la séquence de 3 cultures en 2 ans (Marsac, 2014 ; Szerencsits, 2014 ; Graß, 2013), prenant ainsi en compte l’efficience de la culture sur le plan énergétique mais aussi les effets de la culture précédente et ceux sur la culture suivante.
Les projets tels Expé-CIVE (Psilor, 2012) ou CIBIOM (Marsac, 2015) ont mis en avant l’intérêt de ces séquences de cultures avec une forte variabilité de production et le besoin de :
- Réduire les coûts de ces ressources en biomasse ;
- Optimiser la conduite de culture afin de réduire les risques et coûts : travail du sol dans la séquence, choix des espèces et optimisation des cycles de développement… ;
- Mieux apprécier les facteurs de risque sur ces séquences de culture : structure de sol, alimentation hydrique, climat…).
Plusieurs axes de questionnement sont étudiés à l’échelle du système de production par Arvalis, en partenariat avec la filière oléoprotéagineuse (Terres Univia et Terres Inovia dans le cadre du GIE GAO les associant à ARVALIS) : (i) quels systèmes de culture seront les plus efficients et le moins en concurrence avec le débouché alimentaire, (ii) à quelle(s) échelle(s) territoriale(s) valoriser ces cultures et pour quels enjeux, (iii) Quels besoins des différents acteurs de la filière et du territoire ?
L’optimisation de la conduite des séquences de trois cultures en deux ans alliant productions alimentaires et non alimentaires a été travaillée dans le programme Opticive (2016-2019 coordonné par le GIE GAO en partenariat avec Euralis et soutenu par l’Ademe) dans l’objectif de proposer des recommandations sur la conduite des séquences de culture.
Les CIVE d’hiver sont des intercultures semées à l’automne et récoltées au printemps avant implantation d’une culture alimentaire d’été (maïs, tournesol, sorgho). Cette séquence interroge notamment sur l’impact de la culture intermédiaire sur la culture alimentaire suivante (alimentation hydrique, techniques d’implantation). C’est en effet un compromis entre la production de la CIVE et l’implantation de la culture suivante au printemps qui doit être recherché. Les CIVE d’été sont quant à elles implantées suite à une culture d’hiver récoltée tôt (orge d’hiver voire pois d’hiver ou colza) et avant une autre culture alimentaire d’hiver ou de printemps (céréales à paille, protéagineux…).
Mais de nombreuses questions sont posées : quelles sont les espèces ou associations d’intérêt pour la production de biomasse et de biométhane dans ces séquences ? Leurs dates d’implantation et de récolte conditionnent elles leur potentiel de production et leur pouvoir méthanogène ? Ce potentiel est-il conditionné par la fertilisation ? Quel risque ou quel intérêt peuvent représenter les CIVE avec des séquences de 3 cultures en 2 ans sur le carbone organique des sols ? Dans quelle mesure la conduite des CIVE, consommatrices d’eau, impacte-elle le rendement des cultures alimentaires de la succession ? Peut-on généraliser les résultats acquis ou faut-il adapter ces premières recommandations ?
Cet article positionne les séquences de culture étudiées, les expérimentations et observations mises en œuvre pour répondre à ces interrogations avant de présenter les résultats et premières recommandations. Les perspectives d’extrapolation et de travaux complémentaires sont également abordées.
Matériels et méthodes
Contexte de l’étude
Les expérimentations du projet Opticive ont été conduites dans le Sud-Ouest de la France dans deux conditions contrastées vis-à-vis de l’alimentation hydrique :
- En conditions peu limitantes (Béarn - 64) avec des précipitations abondantes, des hivers doux et étés chauds. Les sols étudiés sont représentatifs du secteur avec une partie argilo limoneuse humifère profonde (Touyas), puis d’autres sols plus limoneux à limono argilo sableux (boulbènes)(Tableau 1).
- En situations plus contraintes (Coteaux argilo-calcaire du Sud-Ouest- Lauragais-31) avec des conditions séchantes, des hivers plus frais et étés chauds. Le sol de ce site d’expérimentation est de type argilo-calcaire, colluvial (Tableau 1).
Ces conditions climatiques offrent a priori une opportunité de développement de systèmes de double culture, étudiés dans le Sud-Ouest pour des productions alimentaires. L’impact de ces conditions pédoclimatiques sur le bilan hydrique et la production de chacune des cultures de la séquence est un des indicateurs à étudier. C’est pourquoi la majorité des sites ont été finement caractérisés.
Ces deux régions agricoles sont marquées par des successions de culture dominées par le maïs plus à l’ouest ou par les céréales à paille et tournesol dans les coteaux argilo-calcaires.
Les séquences suivantes ont pu être étudiées :
- Céréales à paille (blé tendre et/ou blé dur) / CIVE Hiver / Sorgho ou Tournesol (succession type a) ;
- Maïs grain / CIVE Hiver / Maïs grain ou soja (succession type b) ;
- Orge Hiver (ou blé tendre) / CIVE été / Blé tendre (succession type c) ;
- Raygrass / maïs (type d).
Les dispositifs expérimentaux
L’expérimentation de ces séquences de 3 cultures en 2 ans exige la prise en compte de dimensions annuelles et pluriannuelles : conduite de chacune des cultures et impacts positifs ou négatifs de chacune d’entre elles sur la précédente ou la suivante (état hydrique du sol, structure du sol selon les opérations culturales, pression adventices et ravageurs…).
Pour cela, trois types de dispositifs ont été mis en œuvre au cours du projet Opticive :
- Des essais dits analytiques avaient pour objectif d’améliorer les techniques de culture de la succession : screening espèces et associations, dates de semis, fertilisation, potentiel méthanogène. Ils étaient conduits sous forme de bandes de plusieurs centaines de m² (avec ou sans répétition mais avec duplication des mesures sur 4 répétitions de placettes de 0.25 m²) et des micro parcelles (10m² environ).
- Des essais de type analytique sur une séquence de culture permettaient d’évaluer l’impact d’une des cultures ou mode de conduite sur la culture suivante. Par exemple, l’évaluation de l’impact de CIVE d’hiver sur la culture alimentaire suivante, ou celui d’un mode de travail du sol sur les résultats techniques de la séquence de culture. Ce type de dispositif était conduit sous forme de bandes de culture avec ou sans répétition.
- Des essais dits « systèmes » ont également été valorisés pour apprécier l’impact de ces séquences de culture dans des systèmes plus longs et diversifiés. Ces essais systèmes concernaient les dispositifs Syppre® mis en œuvre dans le cadre d’une collaboration inter-instituts : ARVALIS, Terres Inovia, Institut Technique de la Betterave. Ces plateformes d’essais « systèmes » ont pour objectif de tester et comparer des systèmes de culture innovants afin d’améliorer leur performance économique et environnementale. Ces systèmes sont comparés à des systèmes témoin de chacune des régions d’étude. Ils ont été co-construits avec les agriculteurs, acteurs de la recherche et du développement pour répondre à ces enjeux de performance avec une contrainte environnementale majeure pour chacun des sites. 5 plateformes ont été installées en France. Deux ont été mobilisées pour ce projet OPTICIVE à Vieillevigne en coteaux argilo-calcaire du Sud-Ouest (Lauragais, 31) et dans le Béarn (64) (Annexe I). Ces sites sont constitués de bandes de culture de plusieurs centaines de m² avec répétition. Des observations de placettes et mesures sur la bande entière sont réalisées.
Une partie des essais analytiques a été conduite en périphérie (bordures des parcelles ou parcelles adjacentes) des essais systèmes Syppre ® afin d’améliorer les connaissances sur la conduite de ces essais pluriannuels. La caractérisation initiale de ces sites orientés système est aussi beaucoup plus fine.
Pour l’étude des dates de semis de CIVE dans l’objectif d’atteindre une biomasse optimale à la récolte sans impact majeur sur la culture suivante, deux essais (pour les successions type a et b) ont comparé un semis précoce (fin septembre –début octobre) à un semis plus tardif proche des recommandations pour les espèces travaillées (20/10 -1/11). En raison de conditions climatiques sèches en automne sur les campagnes d’essais, les semis ont souvent dû être décalés dans l’attente des pluies afin de garantir une levée homogène (objectif 20/09 et 10/10, mais 10 à 15 jours de décalage ont souvent été observés). La conduite des dispositifs Syppre ®, a aussi été confrontée à des contraintes matérielles retardant les dates objectives.
Pour l’alimentation minérale, des essais en microparcelle avec répétition ont été conduits sur le site de Castetis avec différentes modalités de fertilisation azotée (sans azote, 40 kg N/ha ou 80 kg N/ha). D’autres essais mobilisant les digestats ont été conduits sous forme de bande sans répétition mais avec des mesures de placettes répétées au sein de chaque bande. Ces dispositifs intégraient des témoins non fertilisés et des modalités fertilisées avec des engrais minéraux. Les mesures de concentration en azote des plantes et du sol avaient pour objectif d’évaluer les coefficients d’équivalence engrais (Keq) et coefficients apparents d’utilisation (CAU) (« Guide méthodologique Réseau PRO » 2015)
Les observations détaillées
Plusieurs dates d’observation de biomasse aérienne ont été réalisées sur les CIVE d’hiver - 15/03 – 1/04 et 20/04 environ - afin d’évaluer leur dynamique de croissance. Un second objectif était aussi d’implanter la culture suivante au plus tard le 1/05 : Des mesures de la biomasse aérienne totale ont été effectuées ainsi que des pesées de la totalité des récoltes machine avec mesure de la hauteur de récolte.
La matière sèche aérienne récoltée selon la hauteur dans la plante a également été mesurée sur CIVE d’hiver, en relation avec le projet SOLEBIOM, afin de caractériser le poids des chaumes qui restent au sol selon la hauteur de récolte. Les étages de biomasse de 0-10 cm, 10-20 cm 20-30 cm et au-delà ont été mesurés sur des dispositifs analytiques et Syppre®. Ces mesures visent notamment à paramétrer des modèles de simulation de l’état organique des sols tels qu’AMG (Clivot et al. 2019; Andriulo, Mary, et Guerif 1999). Le modèle a récemment été mis à jour dans le cadre du programme Solebiom avec une amélioration du paramétrage pour différentes cultures alimentaires. Des mesures spécifiques de masse racinaire ont été également réalisées dans les expérimentations Opticive sur l’essai analytique du Lauragais, en CIVE d’hiver 2017, afin de paramétrer ces nouvelles cultures. Pour cela des prélèvements de sol sur 0.25 m² sur la profondeur maximale de travail de sol (0.5*0.5*0.3 cm environ avec relevé exact de chaque volume prélevé) ont été réalisés dans chacune des bandes étudiées et répétés 4 fois. Ces mottes prélevées à la bèche ont ensuite été lavées et tamisées afin d’obtenir la masse racinaire.
La caractérisation des densités apparentes des sites Syppre® permet d’évaluer le niveau des réservoirs utiles et facilement utilisables (RU et RFU en mm) (Doussan, collectif RUEdesSOLS, et Cousin 2017). L’humidité pondérale du sol a été ainsi mesurée à chaque date d’observation de biomasse aérienne sur 3 horizons : 0-30 cm, 30-60 cm et 60-90 cm.
Les reliquats azotés ont pu être mesurés aux même dates, ainsi qu’en entrée et sortie hiver sur les essais systèmes Syppre® et leurs essais analytiques adjacents en 2017 et 2018. Ces dispositifs permettent de comparer des concentrations en azote et l’humidité du sol sous les CIVE d’hiver et en système témoin sur sol nu.
Des échantillons de biomasse ont été collectés et séchés à basse température (96h – 65°C) pour l’analyse du pouvoir méthanogène en méthode conventionnelle selon un plan d’analyse préétabli. Les analyses inter espèces ont été réalisées majoritairement par le laboratoire ITE et 3 échantillons par l’IRSTEA afin de réduire les biais de répétabilité inter laboratoire (Cresson et al., 2015). L’impact du stade de récolte sur ce pouvoir méthanogène a été analysé par 1 seul laboratoire avec l’utilisation d’un inoculum identique pour chacune des espèces étudiées et pour les 3 dates de récolte.
Traitement des données
Le traitement statistique des résultats d’essais s’est fait à plusieurs niveaux. Pour les essais « systèmes » de type Syppre, les répétitions conduites permettent de comparer des systèmes entre eux. Ainsi des analyses de variance peuvent être conduites sur les résultats d’une même culture dans deux systèmes différents.
Pour les essais analytiques conduits sous forme de bande, en parallèle de ces essais systèmes, ou autres essais (Vieillevigne, Larreule, …), seuls les rendements obtenus sur l’ensemble des bandes peuvent être comparés. Des mesures biologiques réalisées sur quelques placettes par bande ne permettent pas une représentativité suffisante de l’ensemble de cette bande. Seules les récoltes « machine » peuvent être analysées statistiquement, mais l’absence de répétitions dues à la lourdeur des expérimentations et la place disponible, réduit la force de ces analyses.
D’autres essais analytiques en micro parcelle (Castetis) ont pu être analysés avec un traitement statistique classique (analyse de variance).
Le regroupement de ces essais est ainsi très complexe et ne permet d’analyse statistique globale. Ce sont des analyses descriptives basées sur la comparaison d’essais et sur la fréquence de résultats dans différents essais qui ont pu être conduites. Cette étape interroge néanmoins sur l’adaptation des dispositifs pour la suite des travaux. Des propositions seront détaillées en discussion.
L’état organique des sols et l’alimentation hydrique des CIVE ont été travaillés à partir d’outils et modèles de simulation.
L’état organique d’un sol s’observe à travers la quantité, la qualité et la répartition dans le sol de la Matière Organique (MO) (Duparque et al. 2007). Le modèle AMG permet de fournir des résultats sur ce premier point (Clivot et al. 2019). En effet, l’évolution de l’état organique des sols doit s’observer à long terme. Le récent développement des CIVE et de la méthanisation ne permet pas d’avoir des essais long terme sur lesquels s’appuyer. La modélisation est donc d’un réel appui pour ces évaluations a priori.
Ce modèle prend en compte les données climatiques, les apports de matières organiques via les résidus de culture, interculture ou produits organiques et caractéristiques initiales du sol. Différents jeux de simulation prenant en compte successions de culture et types de sol (Tableau 2) ont été construits à partir des expérimentations conduites afin d’être représentatifs de la région étudiée.
Dans les simulations réalisées, les pailles sont restituées et enfouies.
Les rendements moyens sont utilisés pour que le modèle calcule les allocations de biomasse entre le grain et les parties végétatives aériennes. Ces rendements sont issus de références départementales afin d’être représentatifs de types de sols et de la région considérée (Tableau 3).
(MB=Matière Brute, MS=Matière Sèche, MO=Matière Organique, CO=Carbone organique, Ntot=Azote Total, ISMO=Indice de Stabilité de la Matière Organique)
Deux digestats issus d’unités de méthanisation avec une mobilisation majeure de CIVE ont été caractérisés (Tableau 4) après prélèvements et échantillonnage au plus près des dates d’apport : composition chimique, fractionnement biochimique de la matière organique de ces digestats et minéralisation du carbone à 3 jours pour la détermination de l’ISMO. Ces valeurs ISMO sont proches et se rapprochent également des données obtenues dans d’autres projets comme VADIMETHAN.
Des simulations de l’évolution de l’état organique des sols ont été réalisées sur la base de ces hypothèses sur 100 ans.
Le niveau de réserve en eau des sols permet d’apprécier un risque de stress hydrique pour la culture en place ou la culture suivante. Le réservoir utile (RU) et ses composantes : réservoir facilement utilisable (RFU) et difficilement utilisable (RDU) (Doussan, collectif RUE des SOLS, et Cousin, 2017) sont plus ou moins bien connus selon les types de sol. L’estimation du remplissage de ces réservoirs a été réalisée via des bilans hydriques, avec des niveaux de réserves variables suivant l’enracinement des cultures. Les besoins en eau des plantes ont été évalués à partir de coefficients culturaux de référence, comme le blé pour les CIVE d’hiver à base de céréales en associations avec céréales majoritaires. L’état des réservoirs facilement utilisables ou difficilement utilisables a été évalué à la récolte des CIVE particulièrement et suivi après implantation des cultures alimentaires suivantes.
Des mesures d’humidité pondérale des sols ont également été réalisées pour évaluer ce remplissage des réservoirs du sol. Les caractérisations initiales des sols, notamment des plateformes Syppre ont permis de mesurer les densités apparentes de sols qui permettent de convertir ces humidités pondérales en niveau de réserve.
Résultats et premières recommandations
Les espèces et associations d’espèces
Les CIVE d’hiver ont été semées entre le 1/10 et le 3/11 et récoltées fin avril (autour du 24 avril dans le Lauragais succession type a). Ces dates de récolte sont plus variées dans le Béarn (succession type b) : mi-avril pour les graminées annuelles à fin mai pour des raygrass (succession type d). Tous les essais ont été fertilisés avec 40 à 80 kg N/ha en sortie hiver.
Figure 1 : Rendements biologiques moyens et variabilité interannuelle de la biomasse aérienne totale par espèce de CIVE Hiver 2016 - 2018 – ensemble des essais Opticive
Le regroupement des données fait ressortir de fortes différences de rendement d’une année sur l’autre avec les meilleurs rendements obtenus en 2017 toutes espèces confondues (Figure 1). L’avoine est l’espèce la plus productive sur les 3 années des plateformes d’essais systèmes, alors que le triticale ressort sur la totalité des autres dispositifs. Des différences de dynamique de croissance ont pu être notées entre années : 2017 la montaison a été plus précoce qu’en 2018, marquée par des biomasses plus élevées en sortie hiver mais avec des cultures qui se sont peu développées ensuite (non montré).
Les mesures des fractions de biomasse aérienne et souterraine de CIVE ont été réalisées en 2017 (Figure 2) et 2018. Le premier tronçon de 10 cm au-dessus du sol représente plus de 1 tMS.ha-1. Avec les équipements de récolte mobilisés sur les essais, la hauteur de coupe était en moyenne de 15 cm. Le poids des chaumes non récoltés représente dans ces conditions de récolte près de 2 tMS.ha-1. Les racines quant à elles représentent également près de 2 tMS.ha-1 sur les trente premiers centimètres. Ces quantités de biomasse aérienne restituées par les résidus de récolte sont équivalentes à la biomasse moyenne d’une CIPAN enfouie avec une conduite classique (semée dès la récolte jusqu’à début septembre et détruite en entrée hiver).
Les légumineuses pures produisent des biomasses inférieures aux graminées pures (Rapport final programme CIBIOM) mais l’association des deux espèces ne pénalise pas le rendement en biomasse avec une proportion de 20 à 40% de légumineuses. Cette proportion est dépendante de la graminée, de son port et développement hivernal mais aussi de l’espèce de légumineuse. Des espèces à développement précoce sont préférables.
Des semis précoces pour un compromis
Les tests de plusieurs dates de semis ont permis d’observer leur impact sur la production de biomasse, malgré les contraintes d’implantation mentionnées plus haut. Dans le Béarn (Figure 4) en 2016 avec un semis le 20 septembre 2015 (D1) comparé au 10/10/15 (D2), pour une même récolte le 12/04/16, le semis précoce permet une production de 2 à 5 t MS/ha de plus que le semis du 10/10/2015. Ce constat est valable pour l’ensemble des espèces testées et a pu être confirmé sur les semis 2016 du site Syppre® coteaux argilo-calcaire et de son essai analytique adjacent.
Pour les CIVE d’été également les semis précoces sont une condition essentielle pour atteindre des rendements satisfaisants économiquement (voir article 2). Les risques d’une faible production sont très élevés au-delà du 10/07. Le choix de la culture précédente est essentiel à cette implantation de CIVE d’été (Chambre d’agriculture du Loiret, 2012). Des séquences de culture avec orge d’hiver voire pois protéagineux d’hiver ou colza dans certaines régions sont donc plus favorables à cette insertion.
Une fertilisation adéquate pour optimiser la production de biomasse
La comparaison d’espèces conduite sur le site de Castetis (64) a permis d’observer des modalités avec apport de 80 kg N/ha (du redressement début montaison selon les espèces) ou sans fertilisation azotée (Figure 5). Cet apport d’azote occasionne systématiquement une production supérieure de biomasse de 2 à 4 t MS/ha selon les espèces étudiées. Cet effet a pu être confirmé les années suivantes du programme.
Ces observations sont identiques en CIVE d’été avec l’intérêt confirmé d’une fertilisation. Cet apport est toutefois dépendant des conditions d’alimentation hydrique pour les CIVE d’été. Des travaux complémentaires sont nécessaires pour mieux connaitre et justifier les doses nécessaires.
La valorisation des digestats pour cette fertilisation est une opportunité qui a pu être testée et confirmée. Les conditions d’application sont essentielles pour une bonne valorisation, à l’image des autres produits résiduaires organiques.
Prélèvements d’eau et d’azote, impact sur la culture suivante.
Les reliquats azotés 2017 légèrement inférieurs à ceux d’un sol nu (- 6%) pourraient confirmer la capacité des CIVE à jouer leur rôle de couverts d’interculture piège à nitrate. C’est également le cas pour les CIVE d’été avec des niveaux de reliquats inférieurs au système de référence étudié sur Syppre ® Béarn (monoculture de maïs avec mulch : 90kg N/ha e 2017 et 45 kg N/ha en 2018) (Figure 7).
Les mesures d’humidité pondérale à la récolte des CIVE d’hiver (fin avril) confirment une consommation totale du réservoir facilement utilisable et une partie du réservoir difficilement utilisable [1] dans le Lauragais (Figure 8) et la quasi-totalité du réservoir facilement utilisable dans le Béarn. Dans tous les cas, les différences de réservoir entre espèces sont très faibles. Ces mesures confirment la consommation en eau des CIVE à cette période où les besoins des plantes sont maximaux.
Cet assèchement de la réserve par les couverts est une source potentielle d’impact sur le rendement de la culture suivante. Des bilans hydriques ont été réalisés sur la séquence de culture, avec réinitialisation et correction de l’état initial de la réserve de la culture suivante à partir des mesures à la récolte de la CIVE précédente. Ces bilans confirment l’assèchement du réservoir utile à la date de récolte des CIVE (Figure 8). L’enracinement maximal et un fort indice foliaire expliquent cette forte consommation en eau. Toutefois sur les campagnes du projet Opticive, un rechargement de cette réserve hydrique du sol sur le mois de mai a été noté (Figure 9).
Un impact de 0.9 t.ha-1 de grain a pu être mesuré sur le dispositif Syppre® Béarn. Le semis de variétés plus précoces après CIVE et le décalage de la date de semis de 10 à 15j par rapport à la référence en monoculture de maïs grain avec mulching explique majoritairement cet écart de rendement.
La problématique de l’alimentation hydrique est différente après CIVE d’été avec un retour des pluies et une recharge hivernale des réservoirs du sol. En revanche l’impact sur le drainage devra être évalué.
Espèce et pouvoir méthanogène
Des échantillons de biomasse ont été collectés sur toutes les expérimentations conduites au cours du projet Opticive et ajoutées aux premières références du projet Cibiom. Un plan d’analyse a ensuite été construit avec l’objectif de .
- comparer des pouvoirs méthanogènes (BMP) entre espèces ;
- mesurer l’évolution de ce BMP pour quelques espèces de CIVE d’hiver selon le stade de récolte.
L’analyse de ces BMP (litre CH4.kgMV-1) ne permet pas de différencier les espèces et facteurs de variabilité.. Un grand nombre d’échantillons (plus de 100 par espèce) serait nécessaire pour différencier ces espèces et variétés.
Le BMP diminue au cours de la montaison de ces céréales (de 300 à 260 Nm3 CH4.tMS-1) [2] mais ces différences restent encore inférieures aux incertitudes laboratoire qui existaient. La production supplémentaire de matière sèche permet d’obtenir des rendements en méthane nettement supérieurs avec ces récoltes plus tardives (épiaison 25/04 environ) : 2000 à 2500 Nm3 CH4.ha-1 pour une récolte à l’épiaison des CIVE.
Ces résultats traduisent le besoin de rechercher une production maximale de biomasse. Cette recherche de productivité en relation avec l’optimisation de la conduite est également une voie d’intensification des services environnementaux (émission GES, stockage de carbone et efficience énergétique).
CIVE et carbone du sol
L’impact de la récolte des CIVE sur le stock de carbone des sols est une question fondamentale pour les agriculteurs comme pour les institutionnels.
Les simulations conduites confirment l’intérêt des couverts pour l’amélioration de l’état organique des sols. Des cas de couverts non récoltés (CIPAN enfouie) permettent de stocker du carbone en comparaison à un sol nu (figure 12). Pour les couverts récoltés de type CIVE, leur long développement permet d’obtenir des biomasses racinaires importantes (de l’ordre de 2tMS/ha) (Figure 2), supérieures à des biomasses de CIPAN détruite 3 mois après semis. La biomasse contenue dans les chaumes (2tMS/ha pour 15cm) participe également à une amélioration de l’état organique des sols dans tous les cas simulés dans le projet Opticive (ex. du cas B Tableau 2). Des simulations ont également été conduites au cours du projet Solebiom avec des conclusions identiques :
- La CIVE, bien qu’exportée, permet de stocker du carbone, du fait de la présence des racines et des chaumes (Figure 2) ;
- Sans apport de digestat, le stock de carbone après CIVE exportée est légèrement inférieur au stock avec une CIPAN enfouie, mais supérieur à un sol nu (résultats intimement dépendants des rendements estimés pour les CIPAN et les CIVE) ;
- L’apport de digestat sur CIVE restitue du carbone au sol. Le système avec CIVE et digestat permet un stockage de carbone supérieur à la situation avec CIPAN enfouie (résultats intimement dépendants des rendements estimés pour les CIPAN et les CIVE).
Discussion
Les conditions technico-économiques actuelles peuvent inciter à optimiser la production de CIVE (tarifs de rachat de l’énergie attractifs sur 15 ans) au détriment des cultures alimentaires (forte variabilité de prix, charges élevées…) avec un recul de la date de récolte des CIVE. En effet, en dépit de la forte variabilité observée, une conduite de culture adaptée des CIVE peut assurer une production satisfaisante (de 4 à plus de 10 tMS/ha) et une rentabilité indispensable à certaines explotations. Cet équilibre entre les productions avec une veille sur la bonne complémentarité entre les usages alimentaires et non alimentaires est fortement discuté et surveillé aujourd’hui.
La consommation en eau des différentes cultures de la succession était une des hypothèses majeures de cet impact, notamment la consommation des CIVE d’hiver avant culture d’été. Les observations, mesures et simulations réalisées viennent pondérer cette hypothèse. En effet, le mois de mai est historiquement un des mois les plus arrosés de l’année sur de nombreuses régions françaises. Le rechargement de la réserve dans de nombreuses situations après la récolte des CIVE, limiterait donc l’impact sur la culture suivante. Le déficit hydrique à la levée reste un facteur de risque pour les cultures alimentaires estivales suivantes, mais ne serait pas exclusif ou majoritaire. Cet impact pourrait être causé par d’autres facteurs : retard d’implantation de la culture suivante et changement de précocité, difficulté d’implantation ou concurrence de repousses de CIVE à la levée, difficulté d’enracinement… L’influence du changement climatique sur le régime hydrique de ces séquences de culture demandera à être évalué régionalement.
Ces résultats obtenus au cours du programme Opticive ont permis d’appréhender dans deux situations pédoclimatiques contrastées les grands facteurs de variabilité et de conduite des cultures. Les 3 années d’expérimentations ont aussi été l’occasion de se confronter à une forte variabilité qu’il est nécessaire d’intégrer pour la construction de recommandations. Toutefois, le nombre de séquences potentiellement testées est vite restreint sur des programmes de recherche de 3 ans. Les références d’une séquence peuvent être rapidement perdues ou difficilement valorisables avec ces risques météorologiques plus forts ces dernières années. Les résultats demanderont à être confirmés avec des observations à plus long terme. Comme l’incertitude météorologique, l’impact du changement de séquences de culture sur l’ensemble d’un système ne peut en effet se voir qu’à moyen terme : impact sur la pression adventice, la portance des sols.... Les dispositifs mis en œuvre dans le programme Opticive ont intégré ce besoin avec des observations sur les essais système. Mais le suivi chez des agriculteurs méthaniseurs est aussi une opportunité à valoriser pour de futures recommandations et améliorations des évaluations.
La diversité des essais réalisés, analytique et système aété une force et resteindispensable pour l’étude de ces séquences de culture. Toutefois, les modalités testées et les différences de dispositifs complexifient l’analyse et le regroupement des données. La présence d’un tronc commun de modalités et de méthodes d’observations uniformisées sont des pré-requis indispensable à la poursuite de l’acquisition de références. En effet, lors de la communication des résultats de ces travaux Opticive, de nombreux acteurs en charge d’expérimentation ont confirmé une trop large diversité des méthodes et approches d’expérimentation. Les observations en grandes parcelle se multiplient et exigent comme pour les essais analytiques des méthodes et recommandations pour le regroupement, l’analyse et l’extrapolation des résultats d’essais. C’est face à ces enjeux que des propositions ont été faites dans la cadre du projet RECITAL qui visera à établir des recommandations régionalisées.
Les essais instrumentés réalisés en situations contrastées sont aussi une voie vers la modélisation qui permettra de mieux identifier et quantifier les risques pour des méthaniseurs. Ces risques sont se situent tant au niveau de la production afin de garantir un approvisionnement en substrats, que d’autres éléments de la conduite de culture afin d’apporter les recommandations pour un développement durable de cette nouvelle filière risques de lixiviation selon les stratégies de valorisation des digestats : apports d’automne, sortie hiver sans possibilité d’enfouir...
Pour cela, les expérimentations devront être conduites dans différentes régions afin de mieux quantifier la variabilité de production et d’identifier les principaux facteurs de variabilité. Cette extension des observations sera aussi un moyen de valider les extrapolations permises par la modélisation. Les retours d’expérience des agriculteurs méthaniseurs qui produisent des CIVE sont aussi des sources d’information et d’adaptation à valoriser.
Mais face aux incertitudes climatiques, aux changements de réglementations, de mécanismes de soutien et face à de nouvelles attentes sociétales, la dimension multiservice de ces cultures devra être approfondie. En effet, les enjeux sont forts en termes de lutte contre les adventices et bioagresseurs. L’identification des mécanismes (alléolopathie, biofumigation…) à l’origine de ces services est également indispensable afin de construire au mieux les systèmes de culture de demain.
Le levier de la génétique, avec l’adaptation d’espèces et de variétés à ces séquences de double culture constitue un enjeu fort pour demain. Cette amélioration variétale est également une opportunité d’adaptation au changement climatique. L’augmentation des températures peut réduire la durée de cycle des cultures, laissant plus de place aux intercultures.
L’enjeu carbone est un autre service non négligeable qui devra être approfondi. Le Tableau 5 reprend les principales interprétations des changements de pratiques simulés sur le carbone du sol. La comparaison des pratiques sans CIVE et avec CIVE permet d’évaluer l’effet réel de la présence et de la valorisation de cette interculture. Ces premiers résultats confirment les opportunités de ces systèmes pour développer la couverture des sols dans une logique agronomique, environnementale mais aussi économique. Mais les risques générés par ces systèmes de culture sont loin d’être négligeables. Si des économies de charges peuvent être attendues à moyen terme, la rémunération de ces externalités comme le stockage de carbone, la réduction des émissions de GES ou autres facteurs d’impact sur est certainement un autre axe de travail pour accompagner et sécuriser le développement de ces pratiques agroécologiques.
C’est en effet la combinaison de ces leviers agronomique, climatique, génétique et environnemental qui pourra orienter la conception des systèmes de culture et systèmes de production de demain, au cœur de la bioéconomie.
Notes
[1] Part du réservoir utile (RU) plus difficilement utilisable par les plantes. Il s’agit de la différence entre le réservoir utile (totalité de l’eau accessible par les racines) et le réservoir facilement utilisable par les racines.
[2] Normo mètres cube de méthane. Il s’agit de l’unité de référence pour la mesure de ce volume de biométhane, dans des normes de température et de pression.
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Autre références
Chambre d’agriculture du Loiret : « Etude sur l'intérêt des cultures Cives pour la méthanisation en région Centre ». 2012. Disponible auprès de la CA du Loiret
Programmes de recherche cités
Opticive (2015/2018) : soutenu par l’Ademe, animé par le GIE GAO (ARVALIS – Institut du végétal – Terres Univia - Terres Inovia) en partenariat avec Euralis
CIBIOM (2011/2013) : soutenu par le Fonds Enerbio (Fondation Tuck), animé ARVALIS - Institut du végétal en partenariat avec le CETIOM et Solagro.
Solebiom : soutenu par le PIVERT – programme GENESYS, animé par Agro-Transfert ressources et territoires, en partenariat avec INRA et terres Inovia, et avec la participation du GIE GAO.
Expé-CIVE (2013/2014) : soutenu par l’ADEME animé par Méthaneva en partenariat avec Caussade semences
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