Soutenance mémoire
L’oxyde nitreux (N2O) est un gaz à effet de serre avec un potentiel de réchauffement climatique 298 fois plus élevé que celui du dioxyde de carbone (CO2) sur 100 ans (Solomon et al., 2007).Il est aussi impliqué dans la dissociation de l’ozone stratosphérique, qui protège la biosphère contre les effets nuisibles des rayons ultraviolets du soleil (Crutzen 1972, Bothe et al. 2007). C’est même la plus importante cause de cette dissociation de ce 21ème Siècle (Ravishankara et al., 2009). La concentration atmosphérique de ce gaz N2O a augmenté durant les dernières décennies à un taux moyen de 0,2% par an (Khalil et al., 2002), d’où l’intérêt scientifique et public dans la quantification précise des émissions de N2O et la détermination des moyens pour réduire sa production (Bernard, 2011).
L’agriculture et les modes d’usage des sols sont à l’échelle mondiale les sources les plus importantes de ce gaz (Solomon et al., 2007). Ainsi, les sols agricoles contribuent à 58% des émissions de sources anthropiques de N2O (IPCC 2007). L’augmentation des émissions de N2O des sols est liée à l’augmentation des apports d’azote, due à l’intensification de l’agriculture. Ce gaz est en effet le produit de plusieurs transformations de l’azote dans les sols (Robertson et Tiedje, 1987), dont les processus majeurs sont la nitrification et la dénitrification (Mosier et al., 1998).
Du fait des valeurs agronomiques des matières organiques exogènes (MOE), qui sont des matières organiques apportées au sol comme fertilisants agricoles et qui correspondent souvent à des déchets pour leurs producteurs, leur retour au sol constitue une voie logique de valorisation. Une valorisation qui présente non seulement l’avantage de mieux gérer les déchets organiques mais aussi de pallier la dégradation des sols agricoles due généralement à une faible restitution des matières organiques. A Madagascar, des études antérieures ont d’ailleurs montré que certaines MOE présentent des potentiels agronomiques importants dans la mesure où, incorporées au sol, elles fonctionnent soient en tant que fertilisants, soient en tant qu’amendements, soient les deux (Andrianaivonirina, 2011 ; Rakotoarivelo, 2011). Dès lors, afin d’inscrire la valorisation de ces MOE dans un contexte de développement durable, s’assurer de leur bienfait est un objectif incontournable (Calbrix, 2005). Mais l’apport de MO dans le sol peut stimuler la dénitrification en favorisant un environnement anaérobique (Rice et al. 1988; Stevens et Cornforth 1974) ainsi qu’en fournissant une source d’énergie (C organique) aux bactéries dénitrifiantes (Sherwood 1980; Christensen 1985). Ainsi cette voie de valorisation des MOE peut promouvoir l’émission de N2O des sols agricoles. Les scientifiques portent un intérêt croissant sur les études des corrélations entre l’apport de MOE au sol et ses émissions de N2O (Paul et Beauchamp, 1989; Maag 1990; Paul et al., 1993; Velthof et al., 2003; Dambreville, 2004; Jäger et Stange, 2010).
Synthèses bibliographiques
Cycle de l’Azote
L’azote est associé aux structures, aux activités et aux mécanismes de reproduction du monde vivant à travers son implication dans les protéines et les acides nucléiques
(Dambreville, 2007). Le cycle de l’azote est très contrôlé par les microorganismes du sol. Les processus majeurs du cycle sont :
1) Minéralisation/Ammonification : conversion de l’N organique en ammonium (NH4+)
2) Nitrification : réaction aérobie utilisant l’ammonium comme source d’énergie ; oxydation de l’ammonium en nitrate (NO3 -)
3) Dénitrification : le nitrate est utilisé comme accepteur d’électron en l’absence d’oxygène ; réduction du nitrate en diazote (N2)
4) Assimilation ou absorption par les végétaux du nitrate et/ou de l’ammonium
5) Immobilisation/Organisation : les microorganismes du sol assimilent l’azote pour leur propre besoin de renouvellement .
Les processus responsables des émissions de N2O dans le sol
Le N2O est essentiellement produit lors de processus biologiques qui sont la dénitrification (Smith et Arah, 1990), la nitrification (Blackmer et Bremner, 1978) et la nitrification dénitrifiante (Poth et Focht, 1985; Wrage et al., 2001). La dénitrification et la nitrification sont jusque là considérées comme les principaux processus biologiques impliqués. La nitrification est un processus requérant des conditions aérobies et dépend primairement de la disponibilité en ammonium (NH4+ ). La dénitrification quant à elle se passe en conditions anaérobies et dépend des concentrations en Carbone organique et en nitrate (NO3 -) (ou autres oxydes d’azote)(Beauchamp, 1997). La nitrification dénitrifiante désigne la réaction d’oxydation de l’ammoniac (NH3) en nitrite (NO2 -) qui est ensuite réduit en oxyde nitrique (NO) puis en oxyde nitreux (N2O) et en diazote (N2) (Wrage et al., 2001). L’importance de cette voie dans la production de N2O n’est pas encore bien quantifiée.
Les facteurs de régulation de la dénitrification et production de N2O dans le sol
Le processus de dénitrification et le produit final de dénitrification sont régulés par des facteurs abiotiques qui sont :
– le taux d’humidité du sol : Il est représenté par le volume poral du sol occupé par l’eau ou WFPS. Les auteurs définissent un seuil de 60% de WFPS au-delà duquel, les émissions de N2O sont surtout dues à la dénitrification (Klemedetsson et al., 1988 ; Bateman et Baggs, 2004). Le rapport N2O/(N2O+N2) des produits terminaux de la dénitrification diminue avec une augmentation de la teneur en eau du sol (Terry et al, 1981; Weir et al , 1993). Cette dernière est inversement proportionnelle au taux d’oxygène du sol.
-l’aération du sol : Le sol est un milieu hétérogène où peuvent exister des zones aérobies et anaérobies. La dénitrification apparaît à de faibles teneurs en O2 (Klemedtsson et al., 1988 ; Bremner, 1997). Le rapport N2O/(N2O+N2) tend à augmenter lorsque la concentration en O2 diminue : le N2O réductase semble plus sensible à la teneur en O2 que d’autres enzymes de la dénitrification (Cavigelli et Robertson, 2001). Pourtant, la taille des sites anoxiques joue sur l’importance de la dénitrification et sur le rapport N2O/(N2O+N2) dans le sol: plus le site est petit, plus le N2O pourra atteindre rapidement les zones aérées sans être réduit (Smith et al., 2003) .
-la température du sol : Lorsque la température augmente, les émissions globales de N2O augmentent (Smith et Arah, 1990), tandis que le rapport N2O/(N2O+N2) tend à diminuer (Granli et Bockman, 1994). L’augmentation de température stimule la croissance bactérienne et son activité (Smith et Arah, 1990), d’où une respiration accrue pouvant entraîner la formation de zones anoxiques. Elle provoque aussi un accroissement de la diffusion et une diminution de la solubilité des gaz. La dénitrification se produit dans une gamme de température allant de 10 à 75-85°C, avec un optimum situé entre 30 et 67°C (Smith et Arah, 1990; Granli et Bockman, 1994) .
-le pH du sol : Un pH neutre ou supérieur à 7 semble favorable aux activités microbiennes nitrifiantes et dénitrifiantes (Khalil, 2003). Le N2O réductase semble être particulièrement sensible aux faibles pH. Il est inhibé pour un pH inférieur à 5 (Cavigelli et Robertson, 2001). Cela conduit à une augmentation des émissions de N2O par dénitrification aux faibles pH, même si l’activité dénitrifiante est ralentie. En règle générale, les vitesses de dénitrification diminuent dans les sols acides et le rapport N2O/(N2O+N2) augmente simultanément avec la diminution du pH (Koskinen et Keeney, 1982 ; Cuhel, 2010).
-la concentration en NO3
– du sol: Blackmer et Bremner (1978) considèrent que les faibles concentrations en NO3
– augmentent la réduction de N2O. Les fortes concentrations en NO3
– ou NO2
– diminuent généralement la réduction de N2O et augmentent le rapport N2O/(N2O+N2) (Firestone et al., 1979; Terry et Tate, 1980 ; Weir et al., 1993; Luo et al., 1996).
le substrat, qui est le carbone organique : Well et al. (2005), lors d’une modélisation de la capacité de dénitrification de sols hydromorphes des zones saturées, ont trouvé que la capacité de dénitrification est intimement corrélée avec la disponibilité et la source du C organique, qui est la source d’énergie des organismes dénitrifiants. La disponibilité en C organique affecte aussi indirectement la dénitrification en favorisant la consommation de l’oxygène, ce en stimulant l’activité microbienne et en créant ainsi des microsites anaérobies favorables à la dénitrification (Barton et al. 1999). Le rapport N2O/(N2O+N2) diminue avec l’accroissement de la source carbonée (Casella et al., 1984).
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Table des matières
I. Introduction
II. Synthèses bibliographiques
II.1. Cycle de l’Azote
II.2. Les processus responsables des émissions de N2O dans le sol
II.3. La dénitrification
II.4. Les facteurs de régulation de la dénitrification et production de N2O dans le sol
III. Matériels et méthodes
III.1. Les sols utilisés pour les manipulations
III.2. Les matières organiques exogènes utilisées
III.3. La dénitrification potentielle
III.3.1. Préalables
III.3.2. Incubation
III.4. Traitements statistiques des données
IV. Résultats
IV.1. DEA et ratio
IV.2. Analyses statistiques sur les sols malgaches
IV.2.1. ANOVA
IV.2.2. ACP
IV.3. Analyses statistiques sur les sols de La Réunion
IV.3.1. ANOVA
IV.3.2. ACP
V. Discussions
V.1. Effet du type de sol sur les émissions de N2O
V.2. Effet du type de MOE sur les émissions de N2O
V.3. L’utilisation de MOEx en agriculture
VI. Conclusion
Bibliographie
ANNEXES
