Quantification et modélisation du bilan d'azote à long terme : impact des cultures intermédiaires, du semis direct et de la fertilisation réduite

Diplôme : Dr. Ing.Facing growing problems of nitrate pollution of aquifers, the Nitrate European directive incites or now imposes Good Agricultural Practices including catch crops (CC) or reduction of nitrogen fertilization. Other practices can reduce soil erosion or potentially increase soil organic matter (SOM), such as no till. These practices can limit nitrate leaching but also affect other parts of nitrogen (N) balance. To ensure the sustainability of cropping systems, it is necessary to consider the effects of these practices on all the terms of the N balance, over the long term. The objective of this work was 1) to analyze the effects of CC, no till (NT) and the reduction of fertilization under optimal rate (N-) on N balance at mid term (15 years) and determine the fate of no-leached nitrogen; 2) to study the impact of successive CC on net N mineralization, N uptake by crops and nitrate leaching over time to highlight potential cumulative effects at mid-term; 3) to characterize an eventual new steady state at long term and the impact of different CC managements over 60 years in context of constant and changing climate. An intermediate objective of this third point was to validate a model by comparing simulated and observed data at mid term. The approach combined experimentation and modelling. This study was based on 3 mid-term experiments (13 to 17 years) of northern France with the same problematic in contrasted pedoclimates. CC were presents on all sites while NT and N- were tested only on one site. These sites were equipped with porous cups and lysimeters for the calculation of N leaching. Biomass and N uptake by crops were measured annually; water and nitrogen content in soil were measured three times a year. Organic N and C stocks and bulk density were measured at the end of experiment. Experimental data were input in database under POSTGRESQL software which was coupled with the crop-model STICS; these data were analyzed by variance decomposition, static and dynamic modelling. The effects of agricultural practices on N leaching and organic N and C stocks in soil were first studied. N balance was calculated as the difference between N inputs and outputs and the effect of practices on gaseous emissions was determined by the lack of balance. The apparent net mineralization was calculated by mineral N balance in soil, twice a year. The evolution of the extra N mineralization due to CC was studied by linear regression to identify cumulative effects on each site. The same study was conducted on N uptake by crops and nitrate leaching. The crop-model STICS was then used to simulate various scenarios with continued use or abandon of CC under constant or changing climate over 60 years, after stage of calibration and validation. Catch crops are particularly effective to reduce leached N (-36 to -62%) as compared to no-till (- 26%) or fertilization reduced under optimal rate (-13%) in our study. They can also store carbon and nitrogen sustainably in agricultural soils, if they are not abandoned, contrary to the two alternative practices studied. The presence of cumulative effects confirms the need for long-term study to identify all impacts of this practice. Cumulative effects with systematic CC have been demonstrated on net N mineralization and N uptake by main crops on two sites. Cumulative effects undetected on the third site were predicted by the model. No cumulative effect appears on nitrate leaching after 13 to 17 years but appeared in the longer term, according to the model. This decrease of CC efficiency to reduce N leaching requires an adjustment of N fertilization after 15 years to maintain an acceptable level of reduction. These results questioned on the mechanisms of stabilization of SOM according to residue type, the validity of the formalism in the model or the power of the experimental design to highlight these cumulative effects. Catch crops appears twice as an attractive solution at long term in terms of environmental protection, and sometimes even in terms of production, to improve nitrogen management.Face aux problèmes croissants de pollution nitrique des milieux aquatiques, la directive européenne "Nitrate" incite ou maintenant impose de Bonnes Pratiques Agricoles dont l'implantation de cultures intermédiaires (CI) ou la réduction de fertilisation azotée. D'autres pratiques visent à réduire l'érosion des sols ou accroitre les stocks de matière organique du sol (MOS), comme le semis direct. Ces pratiques peuvent limiter la lixiviation de nitrate mais jouent sur les autres postes du bilan d'azote. Pour assurer la durabilité des systèmes de culture, il est nécessaire de mieux connaître les effets de ces pratiques sur tous les postes du bilan, à long terme. L'objectif de ce travail est 1) d'analyser les effets des CI, du semis direct (SD) et de la fertilisation réduite (N-) sur le bilan d'azote à moyen terme (15 ans) et de déterminer le devenir de l'azote non lessivé; 2) d'étudier l'impact de CI successives sur l'évolution de la minéralisation, l'absorption d'azote et la lixiviation de nitrate au cours du temps pour mettre en évidence d'éventuels effets cumulatifs à moyen terme; 3) de caractériser un éventuel état d'équilibre du système à plus long terme et les conséquences de différentes modalités de gestion des CI sur 60 ans avec ou sans changement climatique. Un objectif intermédiaire de ce troisième point est de valider un modèle par rapport aux données obtenues à moyen terme. La démarche consiste à associer expérimentation et modélisation. L'expérimentation se base sur 3 dispositifs de moyenne durée (13 à 17 ans) de la moitié Nord de la France portant sur la même problématique dans des pédoclimats variés. Les CI sont présentes sur tous les sites tandis que le SD et N- ne sont testés que sur un seul site. Ces sites sont équipés de bougies poreuses et de lysimètres pour le calcul du lessivage. Les biomasses et l'absorption d'azote par les cultures sont mesurées annuellement; les stocks d'eau et d'azote minéral 3 fois par an et les stocks d'azote et de carbone organique ainsi que les masses volumiques du sol sont mesurés en fin d'expérimentation. Les données sont insérées dans un système de gestion de base de données POSTGRESQL qui a été couplé avec le modèle de culture STICS. Les données extraites font l'objet d'une décomposition de la variance et d'une modélisation statique puis dynamique. Les effets des pratiques agricoles sur le lessivage de nitrate et les stocks d'azote organique du sol sont d'abord étudiés. La balance d'azote est calculée comme la différence entre les entrées d'azote et les sorties. L'effet des pratiques sur les émissions gazeuses est déduit par défaut de bilan. La minéralisation nette apparente est calculée par bilan d'azote minéral du sol, deux fois par an. L'évolution de la minéralisation d'azote attribuée aux CI est étudiée par régression linéaire pour identifier des effets cumulatifs sur chacun des sites. La même étude est menée sur l'absorption d'azote et le lessivage de nitrate. Le modèle de culture STICS est paramétré, validé puis utilisé pour simuler divers scénarios sur 60 ans impliquant des CI continues ou abandonnées. Les CI sont particulièrement efficaces pour réduire le lessivage de nitrate (-36 à -62%), en comparaison du semis direct (-26%) ou de la fertilisation réduite sous la dose optimale (-13%). Elles permettent de stocker du carbone et de l'azote organique durablement dans les sols agricoles si elles ne sont pas abandonnées, contrairement aux deux pratiques alternatives étudiées. La présence d'effets cumulatifs confirme la nécessité d'étude à long terme pour identifier tous les impacts de cette pratique. Des effets cumulatifs liés à l'implantation systématique de CI ont été mis en évidence pour la minéralisation et l'absorption d'azote sur 2 des 3 sites. L'effet cumulatif non détecté sur le troisième site est néanmoins prédit par le modèle. Aucun effet cumulatif n'apparaît sur la lixiviation de nitrate après 13 à 17 ans mais apparaît à plus long terme selon le modèle. Le maintien de l'efficacité des CI vis-à-vis du lessivage nécessite un ajustement de la fertilisation azotée après une quinzaine d'années. Ces résultats soulèvent les questions des mécanismes de stabilisation de la matière organique dans le sol en fonction du type de résidus, de la validité des formalismes du modèle, de la prise en compte nécessaire d'effets non azote ou de la puissance du dispositif pour mettre ces effets cumulatifs en évidence. Les CI s’avèrent donc une solution doublement intéressante à long terme en terme de protection de l’environnement, et parfois en terme de production pour améliorer la gestion de l'azote