Nitrogen losses in arable cropping systems : nitrate leaching and nitrous oxide emissions in organic and conventional systems in the Seine basin (France) - Archive ouverte HAL Access content directly
Theses Year : 2014

Nitrogen losses in arable cropping systems : nitrate leaching and nitrous oxide emissions in organic and conventional systems in the Seine basin (France)

Les fuites d'azote en grandes cultures céréalières : Lixiviation et émissions atmosphériques dans des systèmes biologiques et conventionnels du bassin de la Seine (France)

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Abstract

In the past decades, intensive conventional farming (CF) has led to nitrogen (N) losses in the environment, in particular in surface and groundwater, due to nitrate (NO3-) leaching, and in the atmosphere, due to nitrous oxide (N2O) emissions. Presently, agriculture contributes to 70% of the N2O emissions (a greenhouse gas and an ozone layer destructive gas), and has also led to excess NO3- concentration in the drinking water standard, which is 11 mg N l-1 (or 50 mg NO3 l-1). In consequence, almost the whole Seine basin surface has been classified as a vulnerable zone by the Nitrate Directive, which aims to maintain good quality of the water resources. In a perspective of change in the farming system for reducing nitric contamination in water, we assumed that organic farming (OF) could contribute in reducing these losses. N losses in OF are much less studied than CF’s in international literature, and particularly in France and in the Seine basin. Therefore, the main aim of this PhD study is to measure and quantify N losses of OF in the Seine basin, with a parallel reference in CF, taking into account all the crops of the rotations, in a collaborative farms network. The first part of this work was to analyse N losses (N2O, NO3-) from a mixed farm (Orgeval basin, Seine & Marne) including both OF and CF arable crop systems over a 3-year period. For this purpose, the farm has been equipped with (i) ceramic cups and (ii) manual and automatic accumulation gases chambers. The results have led to highlight the fields N2O emissions dynamics, and to a better understanding of this dynamic in the light of experimental N2O production issued from nitrification and denitrification processes. For the five crops studied of the OF rotation, the emissions mean was 0.65 kg N2O-N ha-1 yr-1 and the emissions mean in the 3-year CF rotation was 0.91 kg N2O-N ha-1 yr-1 (28% lower in OF). In addition, N leached in OF and CF were 14.59 and 19.54 kg NO3-N ha-1 yr-1 respectively (25% less in OF). Extrapolating this data and others from previous studies on the Orgeval basin, the N cascade has been formalized at this scale (104 km²). The simulations have shown that a change to the OF system (a preventive measure) would allow to reduce diffused N pollution without increasing N2O emissions, differently from the implementation of ponds for collecting drained nitrate-rich waters (a curative measure). The second part of this study focuses on the construction of a farms network for measuring N leaching using ceramic cups. Starting with one mixed farm (OF, CF) in 2011-2012, the network included 8 arable crop systems (5 OF, 3 CF) in 2012-2013, and was extended to 18 arable crop systems (8 OF, 10 CF) in 2013- 2014. In total, the farms network presently consists of 83 fields in OF and CF fields instrumented with ceramic cups. The whole network has led to differentiate the N losses from crop and agricultural practice within the OF and CF systems. For example, the sub-root concentration was minimum for alfalfa and catch crops (< 5 mg N l-1) and maximum for wheat after legumes (> 15 mg N l-1) for all the soils and climate conditions studied in the Seine Basin. At the rotation scale, the sub-root concentrations means were 10.1 ± 3.4 mg N l-1 for the OF systems (with alfalfa in the head of the rotation) and 16.6 ± 10.3 mg N l-for the CF systems. The sub-root concentrations converted in the N flow led to 15.3 ± 9.7 kg N ha-1 in OF and 27 ± 24.7 kg N ha-1 in CF, depending on farms in different soil and climate conditions in the Seine basin.
Les pratiques agricoles intensives de l’agriculture conventionnelle (AC) ont engendré des fuites d’azote dans l’environnement, se manifestant en particulier par la contamination des eaux de surface et souterraines via la lixiviation du nitrate (NO3-) et par la pollution atmosphérique via les émissions d’oxyde nitreux (N2O). En effet, alors que l’agriculture contribue à 70% des émissions de N2O (gaz à effet de serre et destructeur de la couche d’ozone), l’agriculture est aussi responsable du dépassement de la norme de potabilité fixée à 11 mg N l-1 (ou 50 mg NO3 l-1). Ainsi, la quasi-totalité du bassin de la Seine a été classé en zone vulnérable par la Directive Nitrate, qui vise au maintien de la qualité des ressources en eaux. Dans une perspective de changement de système agricole pour réduire la contamination nitrique des eaux, une hypothèse de ce travail était que l’agriculture biologique (AB) pouvait contribuer à réduire ces pertes. Les pertes azotées en AB sont bien moins documentées que celles en AC dans la littérature internationale, et tout particulièrement en France et dans le bassin de la Seine. En conséquence, l’objectif principal de cette thèse a été de mesurer et quantifier dans le bassin de la Seine, ces fuites d’azote dans des exploitations de grandes cultures céréalières en AB, mais également en référence à l’AC, sur l’ensemble des cultures de leurs rotations, sous une forme collaborative avec les agriculteurs. La première partie de cette thèse a été d’étudier les pertes d’azote (N2O atmosphérique, NO3- lixivié) d’une exploitation mixte de grandes cultures biologique et conventionnelle (Bassin de l’Orgeval, Seine-et-Marne) sur une période de trois ans par l’installation (i) de bougies poreuses et (ii) de chambres d’accumulation de gaz, manuelles et automatiques. Les résultats ont permis de mettre en évidence la dynamique des émissions de N2O dans les parcelles, et de l’illustrer par l’étude expérimentale de la production de N2O issue des processus de nitrification et de dénitrification. Pour les cinq termes étudiés de la rotation en AB (7 ans), la moyenne des émissions est de 0.65 kg N-N2O ha-1 an-1 alors que pour la rotation en AC (3 ans) elle est de 0.91 kg N-N2O ha-1 an-1 (une différence de 28% en faveur de l’AB). Parallèlement, les quantités d’azote lixivié (NO3- essentiellement) en AB et AC étaient de 14.59 et 19.54 kg N-NO3 ha-1 an-1 respectivement (25% en moins pour l’AB). L’extrapolation de ces données et d’autres acquises antérieurement sur le bassin de l’Orgeval ont permis de documenter la cascade de l’azote à cette échelle (104 km²) et des simulations ont montré que les pratiques de l’AB (mesure préventive) permettaient de réduire les pollutions nitriques diffuses sans engendrer une augmentation d’émissions de N2O, ce qui n’est pas le cas lors de la création d’étangs recueillant les eaux riches en nitrate du drainage agricole (mesure curative). La seconde partie concerne la lixiviation du NO3- au sein d’un réseau de mesures, utilisant des bougies poreuses, mis en place au cours de la thèse. Ce réseau de mesures est passé d’une exploitation mixte en 2011-12, à huit systèmes de cultures (cinq en AB et trois en AC) en 2012-13, puis à dix-huit systèmes de cultures (huit en AB et dix en AC) en 2013-14, soit désormais un total de 83 parcelles en AB et en AC. L’ensemble de ce réseau, a permis de différencier en termes de fuites vers les aquifère, les différentes cultures et pratiques au sein des rotations. Par exemple, les concentrations en azote sont minimales pour la luzerne et les cultures pièges à nitrate (< 5 mg N l-1) et maximales pour les blés semés après légumineuses (> 15 mg N l-1), résultats observés pour l’ensemble des contextes pédoclimatiques explorés dans le bassin de la Seine. A l’échelle des rotations, les concentrations moyennes des rotations AB typique « avec 2 à 3 ans de luzerne » sont de 10.1 ± 3.4 mg N l-1 et celles des exploitations en AC sont de 16.6 ± 10.3 mg N l-1. Ces concentrations, converties en flux, aboutissent à des quantités d’azote lixivié en AB de 15.3 ± 9.7 kg N ha-1 et en AC de 27 ± 24.7 kg N ha-1 selon les exploitations dans différents pôles pédoclimatiques du bassin de la Seine.
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Cite

Marie Benoit. Les fuites d'azote en grandes cultures céréalières : Lixiviation et émissions atmosphériques dans des systèmes biologiques et conventionnels du bassin de la Seine (France) : Lixiviation et émissions atmosphériques dans les systèmes biolgoiques et conventionnels du bassin de la Seine (France). Sciences de la Terre. Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2014. Français. ⟨NNT : 2014PA066540⟩. ⟨tel-01165033⟩
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