Insertion of energy cover crops in cropping systems in France : multi-scale assessment of potential production and water-nitrogen-carbon impacts. - Modèle STICS Access content directly
Theses Year : 2023

Insertion of energy cover crops in cropping systems in France : multi-scale assessment of potential production and water-nitrogen-carbon impacts.

Insertion de cultures intermédiaires énergétiques dans les systèmes de cultures en France : évaluation multi-échelles du potentiel de production et des impacts eau‒azote‒carbone

Abstract

Agricultural anaerobic digestion (AD), a biogas production process, is currently expanding rapidly in Europe thanks to the support of public policies. Cover crops, i.e. crops grown between two main crops, could provide a considerable amount of biomass for anaerobic digestion, especially on farms without livestock. Until now, cover crops were neither fertilized nor harvested, and were sometimes mandatory in order to limit groundwater contamination because they capture nitrate (catch crops, CCs). They can also provide other ecosystem services (multi-services cover crops, MSCCs). With the development of anaerobic digestion, the management of cover crops is changing to produce more biomass. They are fertilized, potentially with AD digestate, and harvested before maturity. They are then referred to as energy cover crops (ECCs).There are two questions concerning ECCs: (i) on the amount of energy that ECCs could produce on a national scale, a question addressed via the evaluation of potential biomass production on a French scale, (ii) on the impacts associated with their intensification and the return of digestates to the soil in comparison with MSCCs and CCs. We studied the impacts studied concerning main crop production, greenhouse gas emissions, nitrate leaching, ammonia volatilization, changes in soil organic matter stocks, and water consumption.To this end, we set up an approach combining field experimentation and modeling, and then deployed a modeling chain on a territorial scale over the long-term and subsequently throughout France. The STICS model was used to simulate crop production and the impact of cropping systems on environmental variables. It was coupled to the ALFAM2 model for ammonia volatilization after organic fertilizer application and to the SYS-Metha model for the AD process of ECCs.We found that ECCs could be a significant source of energy in France. Depending on the assumptions made about the level of deployment of ECCs, the harvesting threshold and the cutting height, the resource could be multiplied by seven (from 16.7 to 115.1 TWh) and significantly exceed previous estimates (from 5.9 to 55.3 TWh). Regarding environmental impacts, ECCs are indeed a lever for climate change mitigation despite their fertilization and the associated increase in N2O emissions. In addition to substituting fossil gas with biomethane, they store more C in soils than MSCCs due to their larger biomass. They also reduce nitrate pollution but to a lesser extent than CCs because the species chosen are less efficient. It is very likely that ECCs will reduce food production by reducing the yield of the spring crops that follow them. We observed both nitrogen stress that could be compensated for by increased fertilization and water stress compensated for by increased irrigation. MSCCs can also have a negative impact on the yield of the following crop, but their flexible management offers several levers of avoidance (e.g. choice of species, destruction date). Increased fertilization in crop sequences integrating ECCs decreases the mitigation of fossil fuel dependence and increases ammonia volatilization and thus air pollution. Finally, both MSCCs and ECCs increase water consumption, which decreases potential groundwater recharge and water availability for the next crop. The species of cover crop used is the first factor of variation, followed by the quantity of biomass produced.
La méthanisation agricole, filière de production de biogaz, est aujourd'hui en pleine expansion en Europe grâce à l'appui des politiques publiques. Les cultures intermédiaires, implantées entre deux cultures principales, pourraient fournir une quantité considérable de biomasse pour la méthanisation, en particulier dans les exploitations sans élevage. Jusqu'à présent, les cultures intermédiaires n'étaient ni fertilisées ni récoltées, rendues parfois obligatoires car piégeant le nitrate pour limiter la contamination des nappes (cultures intermédiaires pièges à nitrate, CIPAN). Elles peuvent aussi rendre d'autres services écosystémiques (cultures intermédiaires multi-services, CIMS). Avec le développement de la méthanisation, la conduite des cultures intermédiaires change pour produire plus de biomasse. Elles sont fertilisées, potentiellement avec le digestat de méthanisation, et récoltées avant maturité. On parle alors de cultures intermédiaires à vocation énergétique (CIVEs).Il existe un double questionnement concernant les CIVEs : (i) sur la quantité d'énergie que pourraient produire les CIVEs à l'échelle nationale, question abordée via l'évaluation de la production de biomasse potentielle à l'échelle France, (ii) sur les impacts associés à leur intensification et au retour au sol de digestats en comparaison aux CIMS et CIPAN. Les impacts étudiés ont concerné la production des cultures principales, les émissions de gaz à effet de serre, la lixiviation du nitrate, la volatilisation d'ammoniac, l'évolution des stocks de matière organique des sols, et la consommation d'eau.Pour cela, nous avons mis en place une démarche couplant expérimentation au champ et modélisation puis déployé une chaine de modélisation à l'échelle territoriale puis France entière sur le long terme. Le modèle STICS a été utilisé pour simuler la production des cultures et l'impact des systèmes de culture sur des variables environnementales. Il a été couplé au modèle ALFAM2 pour la volatilisation d'ammoniac après épandages de fertilisants organiques et au modèle SYS-Metha pour le processus de méthanisation des CIVEs.Les CIVEs peuvent être un gisement important d'énergie en France. Selon les hypothèses prises sur le niveau de déploiement des CIVEs, le seuil de récolte et la hauteur de coupe, le gisement pouvait être multiplié par sept (de 16.7 à 115.1 TWh) et dépassé largement les estimations précédentes (de 5.9 à 55.3 TWh). Concernant les impacts environnementaux, les CIVEs sont bien un levier d'atténuation du changement climatique malgré leur fertilisation et l'augmentation des émissions de N2O associée. En plus de substituer du gaz fossile par du biométhane, elles stockent plus de C dans les sols que les CIMS grâce à leur biomasse plus importante. Elles réduisent la pollution au nitrate mais dans une moindre mesure que les CIPAN car les espèces choisies sont moins efficaces. Il est très probable que les CIVEs diminuent la production alimentaire en diminuant le rendement des cultures de printemps qui leur succèdent. Nous avons observé à la fois un stress azoté qui pouvait être compensé par une augmentation de la fertilisation et un stress hydrique compensé par une augmentation de l'irrigation. Les CIMS aussi peuvent impacter négativement le rendement de la culture suivante mais leur gestion plus souple offre plusieurs leviers d'évitement (e.g. choix des espèces, date de destruction). L'augmentation de la fertilisation dans les séquences de culture intégrant des CIVEs diminue l'atténuation de la dépendance aux énergies fossiles et augmente la volatilisation d'ammoniac et donc la pollution de l'air. Enfin, les CIMS et les CIVEs augmentent toutes deux la consommation de l'eau, ce qui diminue la recharge potentielle des nappes et aussi la disponibilité de l'eau pour les cultures principales suivantes. L'espèce de couvert utilisée est le premier facteur de variation, puis à même espèce, la quantité de biomasse produite.
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  • HAL Id : tel-04207003 , version 1

Cite

Camille Launay. Insertion of energy cover crops in cropping systems in France : multi-scale assessment of potential production and water-nitrogen-carbon impacts.. Agricultural sciences. Université Paris-Saclay, 2023. English. ⟨NNT : 2023UPASB036⟩. ⟨tel-04207003⟩
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