Water, nitrogen and carbon balance of bioenergy crops: impact of crop species and cropping practices | Étude des bilans d'eau, d'azote et de carbone dans des agrosystèmes dédiés à la production de biomasse en fonction des espèces et des pratiques culturales

English. Second generation biofuels could provide renewable energy to the transportation sector while mitigating climate change. However, their greenhouse gas, energy and environmental balances will probably depend on the feedstock used for their production. Bioenergy crops that could be used for second generation biofuels will have to fulfil several requirements, including high productivity, low input requirements, and low environmental impacts. The objective of this work was to assess the water, N and C balances at the plot scale for various bioenergy crops with different management. The study is based on a long term field experiment, called “Biomass & Environment”, established at the INRA experimental station in Estrées-Mons, northern France. This experiment includes two perennial C4 crops (Miscanthus × giganteus and switchgrass), two semi-perennial forage C3 crops (fescue and alfalfa) and two annual C4/C3 crops (fibre sorghum and triticale). It compares two nitrogen treatments and two dates of harvest of perennial crops: early (October) or late harvest (February). Measurements have been carried out on: i) biomass production; ii) soil water stocks, monitored continuously during 7 years; iii) root depth and density; iv) drainage and nitrate concentration in drained water, assessed from soil water and mineral N content measurements (in mid-autumn and late winter) and using the STICS model; v) soil organic carbon (SOC) stocks in 2006 and 2011-2012; vi) the fate of 15N-labelled fertiliser applied during 4 or 5 successive years.Thanks to their deep rooting system, perennial and semi-perennial crops consumed more water than annual crops. The amount of drained water was lower under semi-perennial than annual crops (64 vs. 133 mm yr-1 average over 7 years), despite an equivalent biomass production. It was intermediate under perennial crops (56-137 mm yr-1) and negatively correlated to biomass production, itself depending on crop species and N rate. Nitrate concentration in drained water varied between 2 and 23 mg l-1. It was generally lower under perennial than other crops, except for miscanthus on the first year of measurement. SOC stocks increased markedly over time under semi-perennial crops (+0.93 t C ha-1 yr-1), whereas no significant change occurred under perennial and annual crops. The 15N recovery in the harvested biomass was lower for perennial than other crops, particularly when harvested late, but compensated by a higher 15N recovery in belowground organs and soil. The overall 15N recovery in the soil-plant system was 69% in perennials, 61% in semi-perennials and 56% in annual crops, suggesting that important fertiliser losses occurred through volatilisation and denitrification. In our pedo-climatic conditions, the C4 perennial crops performed best in terms of production, water and nitrogen use efficiency, and nitrogen losses towards the groundwater and the atmosphere. However, only semi-perennial crops yielded in SOC sequestration.

French. Les biocarburants de 2ème génération pourraient fournir une énergie renouvelable au secteur des transports et ainsi permettre de lutter contre le changement climatique. Toutefois, leurs bilans gaz à effet de serre, énergétiques et environnementaux seront probablement très dépendants des ressources utilisées. Les cultures lignocellulosiques candidates à la production de biocarburant 2G devront ainsi concilier forte productivité, faibles besoins en intrants et faibles impacts environnementaux. L’objectif de la thèse a été de quantifier les bilans d’eau, d’azote et de carbone à l’échelle de la parcelle, pour différentes cultures candidates et différentes pratiques culturales. Nous nous sommes appuyés sur le dispositif expérimental de long terme « Biomasse & Environnement », mis en place en 2006 à Estrées-Mons, en Picardie. Il compare deux cultures pérennes en C4 (Miscanthus × giganteus et switchgrass), deux cultures pluriannuelles fourragères en C3 (fétuque et luzerne) et deux cultures annuelles récoltées en plante entière (sorgho fibre et triticale). Il inclut deux niveaux de fertilisation et deux dates de récolte pour les cultures pérennes : récolte précoce (octobre) ou récolte tardive (février). Les mesures effectuées ont porté sur : i) la production de biomasse, ii) l’évolution des stocks d’eau du sol en continu pendant 7 ans, iii) la profondeur et la densité des systèmes racinaires, iv) le drainage et la concentration en nitrate de l’eau drainée, évalués avec le modèle STICS à partir des stocks d’eau et d’azote minéral du sol mesurés en milieu d’automne et fin d’hiver, v) les stocks de carbone organique du sol en 2006 et 2011-2012, vi) le devenir de l’engrais azoté, suivi par marquage isotopique 15N de l'engrais pendant 4 ou 5 années successives.Grâce à leur enracinement profond, les cultures pérennes et pluriannuelles ont prélevé davantage d’eau que les cultures annuelles, notamment en profondeur. Le drainage sous les cultures pluriannuelles a été plus faible que sous les cultures annuelles (64 contre 133 mm an-1 en moyenne sur 7 ans), malgré une production de biomasse équivalente. Il a été intermédiaire pour les cultures pérennes (56-137 mm an-1) et très fortement lié à la production (elle-même fonction de l’espèce et de la fertilisation azotée). La concentration en nitrate a varié de 2 à 23 mg l-1. Elle a été en général plus faible sous les cultures pérennes, sauf pour le miscanthus lors de la première année de mesure. Les stocks de carbone du sol ont augmenté fortement sous les cultures pluriannuelles (+0.93 t C ha-1 an-1) mais n'ont pas varié significativement pour les autres cultures. Le 15N retrouvé dans la biomasse récoltée a été plus faible pour les cultures pérennes, particulièrement lorsqu’elles sont récoltées tardivement, mais cela est compensé par une plus forte proportion de 15N dans leurs organes souterrains et dans le sol. Le 15N retrouvé dans le système sol-plante a été de 69% de l’azote apporté pour les cultures pérennes, 61% pour les cultures pluriannuelles et 56% pour les cultures annuelles, ce qui suggère que des pertes importantes ont eu lieu par volatilisation et dénitrification. Dans nos conditions pédoclimatiques, les cultures pérennes en C4 sont les plus intéressantes pour concilier forte production de biomasse, forte efficience d’utilisation de l’eau et de l’azote et faibles pertes d’azote vers l’hydrosphère et l’atmosphère. En revanche, seules les cultures pluriannuelles permettent de stocker du carbone à court terme.