Epandage de produits residuaires organiques et fonctionnement biologique des sols: De la quantification des impacts sur les cycles carbone et azote a l’evaluation multicritere de la pratique a l’echelle de la parcelle

English. Application of organic waste products (OWP) in agriculture makes possible the recycling of their organic matter (OM) and the substitution of mineral fertilizers including nitrogen. With OM addition, OWP modify physical, chemical and biological soil properties with consequences on ecosystem services provided by soils such as soil as habitat and support of biodiversity, supporting or provisioning services as defined by the Millennium Ecosystem Assessment (MEA, 2005). Nevertheless, OWP applied on soils can contain contaminants which can accumulate into soils. They can also impact air quality through NH3 volatilization, GHG emissions, or water quality through leaching of nitrate or other contaminants. All these effects depend on OWP characteristics and their management (doses, application frequencies...). The aims of this work were to assessbenefits and risks associated with repeated OWP applications from various origins on soils in comparison to mineral fertilization. Two long-term field experimental sites were used: QualiAgro field site (started in 1998) and Colmar field site (started in 2000) included in SOERE-PRO (network of long-term field experiments on OWP recycling). The OWP used were: sewage sludge (SS), co-compost of sewage sludge and green waste (GWS), compost of biowaste (BIO), farmyard manure (FYM) and compost of farmyard manure (FYMC), and compost of municipal solid waste (MSW). Experimental laboratory experiments under controlled conditions, including soil-OWP mixtures incubations have clarified the short-term effects on microflora and on nitrogen availability. Measurements of potential N2O emissions and NH3 volatilization were also conducted. Measurements on soil sampled in the field experiments were used to determine the effects of repeated OWP applications on C stocks, total microflora and specified microorganisms implied in N cycle, N availability and crop yield. The observed effects depended on OM quality of OWP. Those with more stable OM (GWS, BIO) generated more important C stocks, followed by FYM and FYMC, then MSW compost and SS. Global biological indicators (such as microbial biomass) increased with C contentsin soils. The most biodegradable OWP (SS and MSW) transitorily stimulated soil microorganisms. SS provided the highest mineral substitution with 83% in Colmar. GWS composts due to their high content in mineral N made possible to substitute 58% of mineral N; 36% to 48% of mineral N were substituted with the other OWP in Colmar. This substitution reached 70% in QualiAgro after 8 amendments. The fertilizing value of OWP decreased with NH3 volatilization that reached up to 13% of total N applied with SS. The N2O emission factors depended on C biodegradability of OWP and they were less than 1% of total N applied for all OWP and mineral fertilizer excepted for SS (1.9%). The C footprint in the field (C storage vs GHG emissions) was more favorable for OWP compared to mineral N mainly because of C storage and mineral substitution capacity. The account of GHG emissions during composting had strong impacts on C footprint which remained favorable for OWP (especially BIO and FYM) compared to mineral fertilizer. All results on the QualiAgro site were used to develop 6 soil quality indices (biodiversity, biological activities, physical properties, soil fertility, soil sanitary status total and available) and one on crop productivity through a multi-criteria approach. These indices make possible to compare multiple effects of OWP. The BIO compost was the best OWP among the site studied which promoted the most beneficial results.

French. Le recyclage des produits résiduaires organiques (PRO) en agriculture permet de valoriser leur matière organique (MO) et la substitution partielle des engrais notamment azotés. Par l’apport de MO, les PRO impactent les propriétés physiques, chimiques et biologiques des sols avec des répercussions sur différents services écosystémiques rendus par les sols et notamment sur le sol en tant que support de biodiversité, les services de soutien et les services d’approvisionnement tels qu’ils ont été définis dans le Millenium EcosystemAssessment (MEA, 2005). Néanmoins les PRO apportés sur les sols peuvent contenir des contaminants qui pourraient s’accumuler dans les sols. Ils peuvent également impacter la qualité de l’air via la volatilisation de NH3, des émissions de GES ou la qualité des eaux via la lixiviation de nitrates ou de contaminants.Tous ces effets dépendent notamment des caractéristiques des PRO et de leur gestion (doses, fréquences d’apports…). Les objectifs de ce travail étaient d’évaluer les impacts liés à des apports répétés de PRO d’origines diverses sur les sols en comparaison avec une fertilisation minérale. Pour répondre à ces objectifs, 2 sites expérimentaux de plein champ ont été choisis : le site QualiAgro, initié en 1998 et la plateforme de Colmar, initiée en 2000, du SOERE-PRO (Système d’Observation et d’Expérimentation, sur le long terme, pour la Recherche en Environnement). Les PRO utilisés dans ces essais étaient : une boue de station d’épuration (BOUE), des co-composts de boue et de déchets verts (DVB), des composts de biodéchets (BIO), un compost d’ordures ménagères résiduelles (OMR), des fumiers de bovins (FUM) et un compost de fumier de bovins (FUMC). Des incubations de mélanges sol + PRO en conditions de laboratoire ont permis d’étudier les effets à court terme sur la microflore du sol et la disponibilité du N. Les émissions potentielles de N2O ainsi que la volatilisation du NH3 ont aussi été mesurées. Dans les essais au champ, ont été mesurés les effets d’apports répétés des PRO sur les stocks de C, la microflore totale du sol et des microorganismes impliqués dans le cycle du N, la disponibilité du N, les rendements des cultures.Les effets observés dépendent de la qualité de la MO des PRO. Ceux dont la MO est la plus stable (DVB, BIO) génèrent les stockages de C les plus importants, suivis par les FUM et FUMC puis le compost OMR et la BOUE. Les indicateurs biologiques globaux (biomasse microbienne) augmentent avec la teneur en C des sols. Les PRO les plus biodégradables (BOUE et OMR) provoquent des pics fugaces de développements microbiens. La BOUE est le PRO permettant une forte substitution d’engrais atteignant 83 % à Colmar. Le compost DVB, par sa forte teneur en N minéral permet également la substitution de 58 % du N. Cette substitution s’élève à 70 % à QualiAgro après 8 épandages. La valeur fertilisante des PRO est diminuée par la volatilisation du NH3 qui peut atteindre 13% du N total apporté avec la BOUE. Les facteurs d’émission de N2O qui dépendent du niveau de biodégradabilité du C des PRO, sont inférieurs à 1% du N apporté pour tous les PRO et l’engrais sauf la BOUE (1.9%). Le bilan C au champ (stockage C vs émissions de GES) est très favorable pour les PRO principalement en raison du stockage du C et de la substitution des engrais. La prise en compte des émissions au cours du compostage en amont impacte fortement les bilans qui restent plus favorables pour les PRO (FUM et BIO surtout) par rapport aux engrais.L’ensemble des résultats du site QualiAgro ont été utilisés pour développer 6 indices de qualité des sols (biodiversité, activités biologique, physique du sol, fertilité, état sanitaire total et accessible du sol) et 1 indice de qualité des cultures via une approche multicritères. Ces indices permettent de comparer les effets multiples des PRO. Le compost BIO est le PRO dont les indices donnent les résultats les plus favorables.