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Restauration de la productivité des sols tropicaux et méditerranéens

 | 
Éric Roose

Partie 2. La restauration des sols par la gestion des matières organiques et minérales des agrosystèmes

Chapitre 11. Importance des charbons de bois dans la restauration de la fertilité des sols tropicaux : une revue

Cornelia Rumpel

Résumé

L’enfouissement de grandes quantités de matières organiques peu sensibles à la dégradation microbienne pourrait être une solution simple, efficace et facile à mettre en œuvre pour amender les sols tropicaux pauvres en nutriments, sableux, séquestrer du carbone, et en même temps pour améliorer leur fertilité. L’objectif de ce chapitre est d’analyser si les charbons de bois (biochar) dans les sols tropicaux peuvent améliorer leurs qualités chimique, physique et biologique. En effet, la présence des biochars augmente la capacité des sols d’adsorber des nutriments, de retenir de l’eau et de stocker du carbone. La capacité des biochars à améliorer la qualité des sols dépend de nombreux facteurs (matière première et processus de pyrolyse utilisés, climat, types et pH des sols, profondeurs d’enfouissement, variétés cultivées, etc.), dont les rôles respectifs et les interactions sont encore très mal connus. Toutefois, dans des sols tropicaux pauvres, l’utilisation des biochars pour améliorer leur fertilité en utilisant la technique de brûlis sous butte de terre (slash and char) ou combinés avec des engrais minéraux et d’autres substrats organiques (composts) semble une technique économiquement viable, qui mérite des études plus détaillées.

The incorporation of significant amounts of organic matter stable upon microbial decay may be a simple solution as an amendment of nutrient-poor, tropical sandy soils, to sequester carbon and at the same time to improve their fertility. The objective of this chapter is to analyse if charcoal (biochar) could be used as an organic amendment in tropical soils. The presence of biochar in soil could improve their chemical, physical and biological qualities. It increases the soil capacity to adsorb nutrients as well as their water holding capacity and their carbon storage potential. However, the efficiency of biochar depends on numerous factors such as feedstock, pyrolysis process, climate, soil type, etc. The respective influence of these different factors is badly known. However, in degraded tropical soils, the use of biochar to ameliorate their fertility might be feasible and application techniques such as slash and char or co-application with complementally fertilisers and compost seem to be economically viable and should be tested in further studies.

Texte intégral

Introduction

1En région tropicale, où les sols lessivés peu fertiles, pauvres en nutriments et en matière organique (MO) dominent, l’utilisation d’engrais et de produits phytosanitaires est souvent limitée à cause des coûts qu’elle représente pour les agriculteurs. La qualité des sols dépend en grande partie de leur teneur en matières organiques, qui est un élément clef déterminant la fonction du sol de production des aliments et de la biomasse (LAL, 2004). Généralement, un sol agricole s’appauvrit rapidement en MO s’il n’est pas fertilisé ou amendé en MO.

2L’enfouissement de biochar pour amender et fertiliser les sols tropicaux est une technique issue d’une coutume ancestrale, qui a été mise en évidence en Amazonie (Lehmann, 2007), où on trouve quelques îlots de sols noirs caractérisés par une grande fertilité parmi des sols peu productifs. Les rendements élevés de ces sols ont été expliqués par la présence du carbone provenant des charbons de bois (Steiner et al., 2008). L’enfouissement de matières biologiques incinérées (biochars) dans les sols semble avoir un grand potentiel non seulement pour améliorer leur fertilité, mais également pour séquestrer du carbone, car les biochars se caractérisent par des temps de résidence très élevés par rapport à d’autres MOS (Schmidt et al., 2002). Ils ont donc probablement résisté aux processus de dégradation très intenses dans ces milieux tropicaux qui mènent à la minéralisation rapide des autres matières organiques.

Ensachage du charbon de bois : projet Mampu, Congo RDC.
© R. Peltier

3L’objectif de ce chapitre est d’analyser la bibliographie sur ce thème et de discuter les applications dans les sols tropicaux, en particulier :

  • les propriétés chimiques et physiques de différents biochars et leur devenir dans les sols ;
  • l’effet de l’ajout des biochars sur les propriétés des sols ;
  • les techniques mises en œuvre pour améliorer la fertilisation des sols tropicaux en utilisant les biochars.

Propriétés chimiques et physiques de différents biochars

4En règle générale, l’effet des hautes températures sur la biomasse végétale a pour conséquence une cascade de pertes des différentes structures chimiques et la condensation de celles qui restent en cycles aromatiques. Une exclusion d’oxygène lors de la pyrolyse, technique fréquemment utilisée pour la production des biochars, ralentit ces changements et empêche une perte complète de biomasse même à des températures très élevés (Ascough et al., 2008).

5La structure chimique des biochars est hautement aromatique et peut exister sous plusieurs formes avec des réactivités différentes (Quénéa et al., 2006), qui pourraient se traduire par des temps de résidence différents dans les sols. Il a été montré que la composition chimique des biochars, leur degré de condensation et leur réactivité envers des oxydations chimiques et leur hydrolyse, dépendent de leur forme physique et probablement également du type de biomasse de départ (Nocentini et al., 2010). Ceci a été montré en utilisant des biochars produits par des feux, qui constituent un continuum allant des biomasses partiellement brûlées aux charbons hautement condensés de type graphitique (Masiello, 2004). L’existence d’un continuum de biochars produits par des feux naturels est due aux conditions variables de température et de présence d’oxygène. D’ailleurs, les informations données par différents auteurs concernant la dégradation des biochars dans les sols sont souvent contradictoires (Robertson et Morgan, 1995 ; Zimmerman et al., 2010). Bird et al. (1999) ont analysé la dégradation des charbons représentés par le carbone résistant à une oxydation chimique (Orec) dans les sols tropicaux en comparant deux sites soumis à des fréquences de feu différentes. Ils ont conclu que les charbons intègrent les fractions fines après dégradation.

6Pour les biochars produits par des processus de pyrolyse contrôlée, les conditions de pyrolyse, ainsi que la biomasse de départ sont déterminantes pour leurs caractéristiques. Les biochars produits par pyrolyse contrôlée ont des propriétés plus homogènes que ceux produits par les feux. Toutefois, il est bien connu maintenant que les biochars possèdent une fraction relativement facile à dégrader par la biomasse microbienne (Lehmann et al., 2009), mais actuellement, une quantification systématique de cette fraction pour des biochars produits selon différents protocoles standardisés manque cruellement. De plus, la dégradation des biochars peut être accélérée en présence d’un cosubstrat (priming effect ; Kuzyakov et al., 2009).

7Certains auteurs ont signalé que les biochars peuvent être protégés dans les agrégats des sols (Brodowski et al., 2005) ou par interaction avec les minéraux des sols. Toutefois, dans des Andosols régulièrement affectés par des feux, une telle protection n’a pas été mise en évidence (Rivas et al., 2012). La composition chimique des biochars est susceptible de changer au cours du temps. Liang et al. (2006) ont caractérisé des biochars anciens isolés des Terra Preta. Les processus d’oxydation semblent avoir augmenté le degré d’oxydation de leur surface, ainsi que leur capacité d’adsorption des cations. La dégradation de différents types de biochars, l’altération de leur structure par les microorganismes, ainsi que la capacité des biochars altérés à interagir avec d’autres composantes minérales et biologiques des sols au cours du temps nécessitent de plus amples investigations.

8La forme particulière des biochars et des charbons peut être un facteur négatif, une fois appliquée aux sols, car ils sont exposés aux processus d’érosion. Dans les fractions fines des sols, les particules de biochars les plus fines peuvent être lessivées avec les particules d’argile dans les horizons profonds. Généralement, les biochars se trouvent préférentiellement dans la fraction légère (densité < 1,6 g cm-3) des matières organiques. Les biochars déposés à la surface du sol sont aussi susceptibles d’être érodés par le vent et par l’eau (Rumpel et al., 2006b ; Major et al., 2010). En outre, il a été montré que les biochars subissent une migration verticale qui amène leur incorporation aux sols (Rumpel et al., 2009). Les biochars ainsi transportés dans la matrice des sols tropicaux sont susceptibles d’y résider pour des temps prolongés (Rumpel et al., 2008).

9Les facteurs déterminant le comportement des biochars dans un sol donné restent méconnus. La susceptibilité des biochars apportés aux sols aux processus de transport dépend de leur forme physique (taille, densité), ainsi que du type de sol (sableux, argileux). Les relations entre type de biochar, type de sol et leur potentiel de transport dans les sols ont été peu étudiées.

10Toutefois, grâce à leur structure aromatique difficilement dégradable par la biomasse microbienne des sols, les biochars pourraient être préservés sélectivement dans beaucoup d’environnements et donc représenter une partie notable de la matière organique (MO) stabilisée dans les sols (Lehmann et al., 2009). Les biochars pourraient en effet constituer une grande partie du carbone enfoui dans les sols lorsque les taux de production sont élevés (Kuhlbusch et Crutzen, 1995). Une étude récente montre que moins de 3 % des biochars appliqués aux sols ont été perdus par minéralisation dans un climat tropical deux ans après leur enfouissement dans les sols (Major et al., 2010). Il a été montré que les sols subissant des brûlis réguliers contiennent déjà jusqu’à 30 % de leur carbone sous forme biochar. Cette présence des biochars dans les sols subissant la technique des abattis sur brûlis (slash and burn) réguliers influence grandement la structure chimique, ainsi que la teneur du carbone dans les sols (Rumpel et al., 2006b) et la dynamique de l’azote (Wardle et al. 1998). D’après une étude récente, une meilleure connaissance du taux de biochars des sols pourrait modifier sensiblement notre compréhension du cycle global du carbone (Lehmann et al., 2008). Mais aujourd’hui, aucune méthode de routine pour quantifier les biochars dans les sols n’est réellement opérationnelle à des coûts raisonnables. Il semble que les méthodes spectroscopiques ont le potentiel de déterminer la teneur des biochars dans les sols, car ils permettent de détecter la présence des structures aromatiques. La spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (RMN) est une méthode quantitative, mais très coûteuse. Les autres techniques spectroscopiques infrarouges (MIRS et SPIRS) nécessitent une calibration à l’aide des méthodes statistiques avant toute quantification (Rumpel et al., 2001) pour déterminer la teneur en biochars. Récemment, une combinaison de différentes méthodes spectroscopiques a été proposée afin d’obtenir une caractérisation plus complète de la structure des MOS des sols et leur teneur en biochars (Cecillion et al., 2012). Une méthode de dégradation chimique basée sur la quantification et la caractérisation des acides benzenecarboxiliques a été développée (Glaser et al., 1998), qui semble indiquer de façon fiable la teneur et le degré de condensation des biochars présents dans les sols (McBeath et al., 2011).

Effet de l’ajout des biochars sur les propriétés des sols

11Les biochars ont une capacité élevée d’adsorption des cations par unité de carbone comparés à d’autres types de MOS (Liang et al., 2006). Glaser et al. (1998) ont montré que la présence de biochar pouvait augmenter la fertilité de certains sols par une augmentation de leur capacité d’échange, de la rétention des nutriments, et de leur disponibilité. Ceci est probablement dû à leur surface spécifique plus grande, à une plus grande charge négative et à une plus forte densité de charges (Liang et al., 2006). Contrairement aux autres types de MOS, les charbons peuvent adsorber le phosphate, malgré sa forme anionique (Lehmann, 2007). Toutes ces propriétés font des biochars des substances uniques, qui retiennent des nutriments échangeables dans les sols et qui peuvent diminuer la pollution environnementale générée par le lessivage de ces nutriments (Major et al., 2009). Ceci est particulièrement important dans des régions tropicales et méditerranéennes, où les sols sont souvent dégradés et possèdent des faibles propriétés d’échange. Dans ces sols, l’ajout des biochars en combinaison avec des engrais ou des autres substrats organiques permettrait d’améliorer la nutrition des plantes (Steiner et al., 2008). Ainsi, un amendement des sols tropicaux en Colombie avec 20 t/ha de biochar (en une seule dose) a augmenté le rendement en grains de maïs de 30 à 140 % dans les trois années qui ont suivi l’amendement (Major et al., 2010). L’ajout des biochars aux sols peut aussi influencer le cycle de l’azote. L’adsorption d’ammonium, ainsi que du nitrate a été observée (Spokas et al., 2012). Plusieurs études ont également montré une réduction des émissions de protoxyde d’azote (N2O) en présence de biochar (van Zwieten et al., 2010), mais les mécanismes sous-jacents et les conditions de validité de ces observations sont encore inconnus. L’amélioration de la productivité des sols dégradés au Kenya par l’ajout des biochars a été démontrée. On n’a pas pu expliquer les meilleurs rendements uniquement par l’augmentation de la disponibilité des nutriments, mais aussi par une augmentation de la teneur en MOS (Kimetu et al., 2008). L’augmentation des rendements de maïs dans des sols tropicaux en Colombie a été expliquée par une plus forte disponibilité de Ca et Mg et un effet pH (Major et al., 2010). Le pH des biochars varie entre 4 et 12 en fonction des biomasses de départ et des conditions de pyrolyse (Chang, 2009). En général, les biochars produits par pyrolyse sont alcalins, et le pH augmente avec la température de production. L’ajout des biochars augmente le pH des sols, effet particulièrement utile pour améliorer des sols tropicaux fortement altérés et souvent acides. Les capacités d’adsorption des biochars pourraient également être bénéfiques pour la rétention de l’eau des sols et pour leur capacité de fournir de l’eau aux plantes pendant les périodes de sécheresse (Sohi et al., 2009). La capacité de rétention en eau, ainsi qu’en nutriments a été améliorée grandement dans des sols sableux après l’ajout des biochars (Uzoma et al., 2011).

12Enfin, nous pensons que l’ajout des biochars pourrait être une solution pour restaurer la fertilité des sols dégradés des régions affectées par des sécheresses fréquentes. Les biochars semblent moins appropriés pour améliorer les sols alcalins, où ils pourraient affecter négativement la disponibilité de l’azote (Lenz et Ippolito, 2012).

13Grâce à leur faible densité, les charbons sont susceptibles d’améliorer la densité apparente des sols (Major et al., 2010) et de réduire leur sensibilité au tassement. Mais actuellement, peu d’études ont été effectuées sur le potentiel des biochars à améliorer les propriétés physiques des sols.

14L’ajout de biochars aux sols change leurs propriétés microbiologiques. Plusieurs études ont montré que la composition des communautés bactériennes est contrastée dans des sols amendés avec des biochars par rapport aux sols témoins sans biochars. Les biochars et les charbons en général constituent d’ailleurs un habitat privilégié pour les micro-organismes du sol. Une émission de gaz éthylène durant la dégradation des biochars par la biomasse microbienne des sols a également été observée. L’éthylène stimule ensuite la croissance des racines.

15Une question importante concerne la généralisation des propriétés agronomiques et environnementales des biochars décrites plus haut dans des pédoclimats contrastés, ainsi que leur validité pour des biochars issus de différents procédés de pyrolyse, et de différentes matières premières comme les résidus de culture, les effluents d’élevage, ou les débris ligneux (Sohi et al., 2009). Compte tenu du fort potentiel des biochars à mitiger le changement climatique, et à améliorer la croissance des plantes dans différents contextes, mais compte tenu également des incertitudes précitées et du caractère irréversible d’une application de biochar au sol, une évaluation complète des externalités de cette solution technique est indispensable dans chaque situation pédoclimatique où son application est envisagée.

Techniques de restauration de la fertilité des sols par les biochars

16Dans les pays du Sud, l’utilisation des biochars apparaît comme potentiellement crédible d’un point de vue socio-économique, car elle répond aux contraintes locales. Des biochars sont déjà disponibles dans le commerce à un faible prix (0,30 € kg pour des charbons de bois au Vietnam, par exemple). Ils peuvent ainsi concurrencer la fertilisation organique traditionnelle peu disponible, souvent onéreuse et surtout moins durable, car nécessitant des apports plus fréquents. De plus, des pyrolyseurs de petite dimension (adaptés à la superficie des exploitations locales) peuvent également servir de foyers de cuisson mutualisés à l’échelle de villages. De telles solutions innovantes permettant d’obtenir à moindre coût des biochars de qualité en optimisant le bilan énergétique, environnemental et social sont actuellement en test dans divers pays du Sud. S’ils sont produits de cette façon, les biochars ont l’avantage d’être moins coûteux que les engrais chimiques dont les doses d’application pourraient être réduites s’ils sont utilisés en même temps que les biochars (Kimetu, 2008). Récemment, des fours domestiques ont été développés, qui permettent la production des biochars en utilisant la biomasse végétale. L’utilisation de ces fours dans les foyers aurait plusieurs avantages : (1) réduire les émissions de CO2 et le bilan énergétique, (2) améliorer la santé des voies respiratoires, car ils limitent les fumées et (3) produire des biochars pour l’enfouissement dans les sols afin d’en améliorer la fertilité. Pour générer des biochars, qui ont des propriétés optimales et adaptées aux situations locales, des tests sont nécessaires, en utilisant plusieurs types de biomasse, ainsi que plusieurs conditions de pyrolyse.

17Les conditions techniques de l’application des biochars aux sols restent à préciser : aucun itinéraire technique en fonction des caractéristiques des sols n’existe aujourd’hui (Blackwell et al., 2009), et la compatibilité des amendements de biochar aux sols en système de semis direct n’a pas été examinée.

18L’ajout des biochars aux sols ne peut pas être vu comme une fertilisation, parce qu’ils sont extrêmement appauvris en azote et phosphore par rapport au carbone. Ceci peut conduire à des rapports C/N et C/P très élevés, ce qui pourrait être un frein à leur dégradation. De plus, il a été démontré que la forme d’azote présent dans les biochars consiste en structures hétérocycliques probablement peu dégradables par la biomasse microbienne. L’« azote noir » a été soupçonné d’être responsable en partie de la stabilité des biochars (Knicker, 2010). Toutefois, une étude récente a montré à l’aide d’un marquage isotopique de l’azote que l’azote présent dans les biochars est susceptible de participer aux cycles biogéochimiques des sols (de La Rosa et Knicker, 2011). Néanmoins, dû à leur faible teneur en nutriments disponibles, il est recommandé d’apporter des nutriments conjointement avec des biochars. En général la présence des biochars réduit les pertes d’azote (Steiner et al., 2008), ce qui est très intéressant pour l’amélioration des sols tropicaux. Il a été suggéré que l’association des composts avec des biochars pourrait être bénéfique pour la fertilité des sols. Toutefois, une application de 7 t/ha de biochars en association avec de l’engrais minéral ou de lombricompost (20 t/ha/an) au pied des plantes (technique ‘zai’) n’a pas augmenté significativement les rendements de maïs.

Figure 1 Rendements de maïs pendant trois ans après amélioration des sols tropicaux avec de l’engrais minéral et du lombri-compost, avec ou sans biochars.
Source : Jouquet P., Doan T., Ngo P.T., non publié.

191). Ceci pourrait être dû à l’absence d’interaction directe avec la phase minérale du sol ou à la dose de biochar plutôt faible comparé avec l’autre substrat organique. En ce moment, des études sont effectuées pour examiner l’interaction de ces deux substrats.

Conclusions

20Les biochars présentent un substrat organique difficilement dégradable et donc un puits de carbone après application aux sols.

21Ils pourraient être utiles comme amendement organique pour conditionner certaines propriétés des sols : réduction de l’acidité des sols pauvres, amélioration de la capacité d’échange de divers nutriments (y compris de l’azote et du phosphore), de la capacité de stockage de l’eau et résistance à la compaction.

22Malgré leur rôle possible dans la nutrition des plantes, les biochars ne sont pas des fertilisants. Leur potentiel à améliorer les sols tropicaux pauvres en nutriments mérite d’être testé plus en détail. L’application d’un cosubstrat serait nécessaire afin de fournir aux plantes une source complémentaire d’azote et de phosphates.

23D’après les études bibliographiques déjà réalisées, il serait raisonnable d’appliquer dans les sols ferrallitiques ou ferrugineux sableux désaturés (ultisols) 10-20 tonnes/ha de biochar en une seule fois, de les enfouir au moins superficiellement dans l’horizon labouré pour réduire leur perte par érosion et de compléter cet amendement par l’apport complémentaire de NPK en fonction des cultures et de leur potentiel de production. Cet amendement unique devrait augmenter le potentiel de production de ces sols pauvres de 30 % dans les années suivant l’apport. Toutefois, afin que l’utilisation d’une telle quantité de charbon soit abordable pour les petits paysans et ne conduise pas à la destruction des forêts, il faudra continuer à développer des techniques de carbonisation en utilisant des biomasses résiduaires ou des déchets organiques. L’idéal serait de produire les charbons à l’échelle de la ferme pour une utilisation directe par l’agriculteur.

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Table des illustrations

Légende Ensachage du charbon de bois : projet Mampu, Congo RDC.© R. Peltier
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Légende Figure 1 Rendements de maïs pendant trois ans après amélioration des sols tropicaux avec de l’engrais minéral et du lombri-compost, avec ou sans biochars.Source : Jouquet P., Doan T., Ngo P.T., non publié.
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Auteur

Agronome, chercheure, CNRS, université Paris VI, Bioemco, Thiverval-Grignon, France. cornelia.rumpel@grignon.inra.fr

© IRD Éditions, 2017

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