Les Essentiels d'ARVALIS - Fertilisation / Quels sont les effets azote des produits résiduaires organiques à court terme

Comment ça marche ?
Les PRO peuvent se classer schématiquement en trois grandes catégories selon la vitesse de minéralisation de l’azote organique.


Figure 1 : évolution au cours du temps de la minéralisation, exprimée en % de l’azote organique selon 3 grands groupes de PRO

Légende
Groupe 1 : PRO à minéralisation rapide : 30 à 80 % de l’azote organique apporté est minéralisé au cours des premiers mois voire des premières semaines après l’apport. Ils doivent donc être apportés peu de temps avant les périodes d’absorption des cultures pour être pleinement valorisés. Il s’agit notamment des fientes et fumiers de volailles, lisiers de porcs, des vinasses, des farines animales et des boues urbaines.
Groupe 2 : PRO à minéralisation intermédiaire : la plus grande partie de la minéralisation de l’azote organique se produit au cours de la campagne suivant l’apport et représente entre 20 et 40 % de l’azote organique apporté. Le produit emblématique de cette famille est le fumier de bovins.
Groupe 3 : PRO à minéralisation lente : ils libèrent tout au plus 10 à 15 % de leur azote organique au cours de la première année suivant leur épandage. Ils incluent les composts à base de déchets verts ou les fumiers de bovins compostés et stockés au moins dix mois. Ces produits sont principalement utilisés pour entretenir le stock de carbone organique du sol et non comme fertilisants azotés.
Une variabilité importante existe au sein de chacun de ces 3 grands groupes et des travaux récents (voir paragraphe « Des travaux récents sur le suivi de minéralisation à court terme de l’azote organique des PRO ») ont permis de différencier des classes de comportement différencié au sein de chacun d’eux.

Pour estimer l’effet direct des PRO :
• La méthode de référence s’appuie sur des indicateurs calculés à partir de mesures d’azote absorbé dans des essais au champ. Le Coefficient d’Equivalence azote (Keq) correspond à la quantité d’azote d’un engrais minéral (ammonitrate) qui a le même effet sur l’alimentation azotée des plantes que 1 kg d’azote apporté par le produit organique. Ce coefficient est utilisé par le COMIFER pour l’estimation des fournitures d’azote par les PRO (égal à % N pro * Q * Keq) % N pro = teneur en azote total du produit (% par unité de volume ou masse) et Q = volume ou masse du produit par ha.
L’estimation de ces coefficients provient d’essais conduits au champ. La mesure de l’azote absorbé par une culture recevant 4 à 5 niveaux d’azote engrais minéral (dont un témoin zéro) permet de tracer la courbe d’absorption d’azote en réponse à des doses croissantes d’azote d’engrais minéral (ammonitrate). La mesure de l’azote absorbé après apport d’un produit organique reportée sur cette courbe d’absorption, permet d’évaluer la dose d’engrais minéral qui induit la même absorption. Le Keq a été le plus souvent mesuré à l’échelle du cycle cultural complet de la culture réceptrice, c'est-à-dire depuis l’apport jusqu’à la récolte.

• Vers une estimation dynamique des fournitures en azote :
La connaissance de la dynamique de minéralisation de l’azote organique vient enrichir les données acquises par la méthode de référence. Cette approche dynamique à travers la caractérisation de la cinétique (ou vitesse) de minéralisation de l’azote organique réalisée au laboratoire ou au champ permet d’estimer les quantités d’azote disponibles pour la plante à tout moment de son développement.

Les références expérimentales ARVALISDes expérimentations au champ pour évaluer la valeur azote des PRO :
ARVALIS a mis en place des essais de longue durée au cours des années 1990- 2000 avec pour objectif de mieux évaluer les fournitures en azote liées à la minéralisation des produits organiques en intégrant la variabilité des effets liés au climat. Ce sont les essais de La Jaillière (49), Le Rheu (35), St Hilaire en Woëvre (55) et Jeu les Bois (36), en partenariat avec OIER des Bordes. Les sites du Rheu et Jeu les Bois ont été poursuivis pour contribuer à la problématique des effets cumulatifs des apports répétés de PRO sur le statut organique des sols. Ces essais complètent les dispositifs expérimentaux conduits par l’INRA et les chambres d’agriculture, au cours des 20 dernières années, , pour évaluer la valeur azotée de produits organiques issus d’élevage, et plus récemment d’origine urbaine et agro industrielle, sur les grandes cultures et les prairies.

La synthèse récente de 25 essais, réalisée dans le cadre d’un projet mené de 2007 à 2011 (Cf. tableau 1 ci-dessous) a permis d’enrichir le référentiel des Keq pour les PRO. Ces essais sont répartis sur 15 sites conduits par ARVALIS et 8 organismes partenaires et implantés en majorité sur des sols limoneux de l’Ouest de la France (rotations maïs fourrage/blé, représentatives des exploitations d’élevage de cette région). Les quelques essais implantés dans des rotations céréalières se situent dans des régions plus continentales. La synthèse de ces essais a permis d’enrichir et/ou actualiser le référentiel des Keq diffusées en 2001 dans la brochure « Fertiliser avec des engrais de ferme ». Les références issues de ce projet fournissent des valeurs plus élevées pour les fumiers de bovins compostés sur toutes cultures, les fumiers de porcs apportés au printemps sur maïs. Les valeurs moyennes et l’écart type de ces coefficients ont été calculés. Ils reflètent l’impact de la composition du type de Pro, du contexte pédoclimatique sur la minéralisation, et les risques de pertes par volatilisation et/ou lessivage. Ces coefficients actualisés sont utilisés pour estimer les fournitures d’azote par les PRO (méthode COMIFER, mars 2012).


Tableau 1 : Keq des principaux PRO à l’échelle du cycle cultural de la culture réceptrice

• Le coefficient Keq estime la valeur fertilisante azotée selon le produit épandu, la culture réceptrice et l’époque d’épandage. Par exemple, les valeurs mettent en évidence que les fumiers de volailles sont plus efficaces que ceux de bovins et de porcins. Il existe quelques limites à cette méthode. Le référencement s’effectue pour les produits les plus courants. Le nombre de références reste faible et provenant majoritairement de l’ouest. Les valeurs moyennes cachent une variabilité importante (conditions pédoclimatiques, vitesse de minéralisation, perte par volatilisation et/ou lessivage). Les effets des différentes formes d’azote (minérales et organiques) ne sont pas distingués. Il est conseillé d’utiliser des outils de pilotage pour ajuster au mieux la fertilisation azotée minérale complémentaire aux apports organiques.
Enfin ces Keq sont mesurés à l’échelle du cycle entier de la culture réceptrice et dans le cas de pro apportés en automne, ils ne sont pas directement utilisables dans les outils de calcul de la dose d’azote basés sur la méthode du bilan prévisionnel. Pour ces derniers, cette méthode prend en compte un Keq sur la période du bilan (sortie d’hiver-récolte), et le reliquat en sortie d’hiver mesuré ou estimé prend en compte l’azote minéral et l’azote organique minéralisé avant la sortie d’hiver. Néanmoins des valeurs de Keq sur la période bilan, ont été adaptées à partir des Keq à l’échelle du cycle et des références de cinétiques de minéralisation.
Pour les PRO apportés après la sortie de l’hiver, le Keq mesuré à l’échelle du cycle est identique à celui calculé sur la période du bilan, les références Keq du tableau 1 sont directement utilisables dans la méthode du bilan prévisionnel.

La valeur phosphore et potassium des PRO :
Outre l’azote, les PRO contiennent des quantités importantes de phosphore (P2O5) et de potassium (K2O). On considère que tout le potassium apporté par les PRO est immédiatement disponible. Pour le phosphore, tout n’est pas disponible la 1ère année. Le tableau joint précise les coefficients d’équivalence à prendre en compte pour évaluer l’effet direct sur la culture réceptrice, du phosphore et de la potasse apportés par les PRO. Ces coefficients sont calculés en référence à un engrais minéral de type superphosphate et chlorure de potassium.

Un projet CASDAR a été conduit de 2007 à 2011 par 9 organismes (ARVALIS, INRA, Institut de l’Elevage, Chambres d’Agriculture de Bretagne, Chambres d’Agriculture de Loire-Atlantique, du Cher, de la Creuse, de la Haute-Vienne et de l’Indre) dans le but de valoriser les résultats de l’ensemble des essais de longue durée avec apports de PRO. Ces essais cumulent entre 7 et 20 années d’apports à des fréquences variables, dans des conditions pédoclimatiques variées. Le projet avait pour objectifs de réaliser une synthèse des effets azote annuels et mettre en œuvre des mesures complémentaires en vue de quantifier les effets d’apport répétés de produits organiques sur le statut organique du sol et sur le supplément d’activité minéralisatrice résultant de ce stockage et in fine d’améliorer l’estimation des effets azote de ces produits dans les outils de calculs de fertilisation azotée.

Des travaux récents sur le suivi de minéralisation à court terme de l’azote organique des PRO :
Depuis le début des années 90, le potentiel de minéralisation de l’azote et du carbone organique rapidement minéralisables des produits organiques a fait l’objet de nombreux travaux au laboratoire par incubation de mélange sol et produit organique, sous conditions contrôlées de température et d’humidité (Références : Morvan 2004 : 27 PRO porcins / Morvan 2005 : 47 PRO élevages / Lashermes 2005 : composts urbains / Parnaudeau 2005 / PRO agro industriels et boues de STEP). Les vitesses de minéralisation obtenues ont été confrontées à différents paramètres de composition chimique et biochimique en vue de dégager des dynamiques de minéralisation associées à des « profils ». Ces travaux ont montré qu’un même type de produit organique pouvait présenter une importante variabilité de cinétique de minéralisation et que des critères de composition tels que le rapport C/N étaient peu explicatifs de la minéralisation sauf pour certains types de PRO (boues urbaines).

En 2008, une synthèse réalisée par ARVALIS et l’INRA a permis d’évaluer les cinétiques de minéralisation de l’azote organique provenant de 16 types de produits organiques d’origine variée. L’étude a porté sur des suivis de minéralisation au champ effectués sur sol nu et des suivis de minéralisation au laboratoire par incubation. 68 cinétiques sur 28 sites conduits par ARVALIS et partenaires (INRA, SOUFFLET, SATEGE du NORD-PAS DE CALAIS et PICARDIE, CA59, CAVISA, ARAA, CARAH - Belgique, SUEZ- Environnement) ont été analysées. Ces cinétiques sont exprimées en jours normalisés pour la minéralisation. Un jour normalisé correspond à un jour avec une température moyenne de 15°C et un sol humide ressuyé. Ces 68 cinétiques ont été regroupées en 6 classes de comportement. Parmi ces 68 cinétiques, la comparaison de 44 d’entre elles obtenues à la fois au champ et au laboratoire a montré que celles-ci concordent dans 2/3 des situations. Les cas discordants correspondent à une sous-estimation de la minéralisation au laboratoire pour certains produits de type fumiers de volailles.

Cette bonne concordance ouvre des perspectives intéressantes pour l’extrapolation au champ des cinétiques obtenues par incubation. En effet, le suivi du stock d’azote minéral au champ exige des essais lourds et coûteux. La prise en compte de ces cinétiques permet une meilleure gestion de la fertilisation azotée (par le choix de la période d’épandage, l’ajustement de la dose complémentaire d’azote minéral…). Quelques outils de calcul de fertilisation azotée dynamique (Azofert, Azolis et bientôt CHN…) utilisent déjà les cinétiques de minéralisation de l’azote organique des PRO pour estimer la part de l’azote organique restant à minéraliser après la mesure du Reliquat Sortie Hiver.

La volatilisation de l’ammoniac
Certains de ces produits contiennent une proportion élevée d’azote ammoniacal. Les études récentes sur la volatilisation ammoniacale initiées sur les lisiers ont montré que les pertes pouvaient dépasser 60 % de l’azote ammoniacal apporté, en moins de 8 jours. La volatilisation dépend de nombreux autres paramètres (dose d’apport, conditions climatiques comme la température, le vent, l’état de surface du sol…). Pour limiter les pertes par volatilisation, les produits riches en azote ammoniacal doivent être incorporés au moment ou juste après leur apport lorsqu’ils sont réalisés avant l’implantation des cultures. Les apports réalisés en couverture seront plus exposés à ces pertes qui peuvent varier fortement selon le climat au moment de l’apport et le taux de couverture du sol par la culture : un recouvrement plus important du sol par la végétation contribue à limiter la volatilisation.

 Les préconisations d'ARVALIS
   • C’est pendant l’année suivant leur épandage que les PRO libèrent le maximum d’azote labile qu’ils contiennent. Et ce, qu’ils minéralisent rapidement comme les fientes de volailles ou plus lentement comme les composts de déchets verts. Au-delà, la majeure partie de l’azote restant est intégrée dans le stock d’azote organique du sol et se minéralise à une vitesse proche de celle de la matière organique du sol.

   • Actuellement, la contribution d’un PRO à l’alimentation azotée d’une culture est quantifiée par les coefficients d’équivalence azote. Les références actualisées en 2011 sont diffusées largement (instituts, guide COMFER 2011…) et sont à prendre en compte pour le calcul de la fertilisation azotée dans le cadre du 5ème programme d’action de la Directive Nitrates. La lourdeur des expérimentations, la diversité des produits organiques utilisés et la variabilité interannuelle font que les références n’ont pas pu être établies pour tous les milieux et tous les types de PRO – ce qui oblige les conseillers, les agriculteurs, les groupes de travail à utiliser des valeurs approchées pour des milieux similaires ou estimées par analogie d’origine et de composition pour des produits non étudiés.

   • Pour évaluer plus finement les effets azote à court terme d’un PRO, il est important de connaître non seulement les quantités d’azote qu’il contient mais aussi la dynamique de minéralisation de l’azote organique qu’ils contiennent, au cours du temps. Les produits à effet azote rapide comme les lisiers de porcs, fientes et fumiers de volailles sont à apporter au plus près des besoins des cultures. L’apport se fera quelques semaines, à quelques mois avant le semis pour les produits à effet azote plus lent comme les fumiers de bovins. Pour limiter les pertes par volatilisation, les produits riches en azote ammoniacal doivent être incorporés au moment ou juste après leur apport lorsqu’ils sont réalisés avant l’implantation des cultures.