Expertise agronomique de l'innocuité des sous produits valorisés en agriculture

L’utilisation des sous-produits en agriculture est une activité en pleine expansion. Les contraintes économiques de l’agriculture moderne : raisonnement des intrants, jachères, protection de l’environnement ainsi que les objectifs de production qui ne sont pas axés uniquement sur la recherche d’un rendement optimal technico-économique, ont modifié les comportements. En effet, quand cela est possible, les professionnels se tournent vers de nouveaux types de matières fertilisantes pour substituer une partie de la fertilisation classique par des sous-produits. De plus, dans le souci d’une meilleure protection de l’environnement, les déchets de l’activité humaine et industrielle, qui étaient auparavant éliminés (décharge ou incinération), peuvent être valorisés en agriculture. Ces deux éléments réunis, recherche d’une fertilisation la plus juste et possibilité d’utiliser les déchets, aboutissent à un recyclage agricole des sous-produits, en forte croissance depuis une décennie.

Les connaissances sur les propriétés agronomiques des sous-produits valorisés en agriculture sont récentes. En outre, ces produits sont de plus en plus diversifiés et il est difficile d’apprécier leurs caractéristiques par simple analogie avec un produit existant. Des références locales ou régionales existent mais il y a encore des lacunes importantes sur l’utilisation de ces « nouvelles » matières.

Il faut, comme pour les autres fertilisants, préciser leur efficacité agronomique et leurs conditions d’utilisation. Il est également indispensable de garantir l’innocuité de ces matières, c’est-à-dire la non-toxicité de ces déchets vis-à-vis du sol, des plantes et de l’ensemble de la chaîne alimentaire.

Une bonne valorisation des sous-produits en agriculture passe donc par une bonne connaissance simultanée de leur efficacité et de leur innocuité.

Devant un sous-produit que l’on veut utiliser en agriculture, on doit se poser les questions suivantes :

• ● Que contient-il ? Quelle est sa composition ?
• ● Comporte-t-il un risque pour une culture ou pour le sol ?
• ● Combien d’éléments réellement fertilisants amène ce produit à une culture ?
• ● Comment se comporte ce produit au cours de son utilisation en plein champ ? Et, in fine, comment doit-on l’utiliser ?

La réglementation actuelle ne permet pas, au travers des analyses et tests qu’elle impose, de répondre à ces questions. Elle garantit simplement l’utilisateur contre certains risques reconnus.

C’est le rôle de l’expertise agronomique de répondre à ces différentes questions pour permettre, avec un maximum de garanties, l’utilisation rationnelle d’un sous-produit.

Caractérisation d’un sous-produit valorisable en agriculture

Cette étape de caractérisation est le point de départ de toute expertise. Elle consiste à déterminer les teneurs en eau, matières minérales, matières organiques, ainsi que la composition en N, P, K, Mg, Ca, S totaux. Les oligo-éléments, indispensables à la croissance des cultures, peuvent être ajoutés à cette liste. L’analyse des éléments traces, Cd, Cr, Cu, Hg, Ni, Zn, Pb, Se est obligatoire pour des produits comme les boues résiduaires.

L’analyse de tous ces constituants doit être réalisée sur un échantillon représentatif du produit. Certains produits sont hétérogènes, et il est indispensable que l’échantillon analysé soit un mélange de toutes les phases liquides, pâteuses ou solides du produit étudié. Ces analyses doivent être réalisées avec des méthodes normalisées, donc par des laboratoires agréés qui les pratiquent. Toute détermination analytique correspond à une méthode d’analyse, et comparer deux résultats obtenus par deux méthodes d’analyses différentes est aventureux. Cela est particulièrement vrai pour l’analyse des éléments traces où les teneurs détectées sont faibles : de quelques mg/kg (ou ppm) à quelques centaines de mg/kg, suivant les éléments. L’analyse des éléments traces est très sensible à la phase d’extraction au cours de l’analyse et un changement, même minime dans cette étape, peut aboutir à des teneurs très différentes pour un même échantillon.

Les produits organo-minéraux sont parfois instables au cours du temps. Il faut alors s’assurer que le laboratoire d’analyse reçoit l’échantillon correctement conservé au cours de son transport : l’interprétation des résultats d’analyses peut devenir impossible à cause d’une évolution trop importante du produit au cours de son transport.

L’ensemble de ces déterminations permet de connaître la composition du produit et de juger de l’aptitude à être valorisé en accord avec des normes : c’est le cas des éléments traces pour les boues répondant à la norme NFU 44-041.

On peut également déterminer les teneurs en pesticides ou micropolluants organiques. Cependant, ces molécules sont très nombreuses et nécessitent pour leur détection une analyse spécifique longue et coûteuse.

La plupart des déchets valorisables en agriculture possèdent une fraction organique importante et a priori intéressante pour maintenir ou redresser le stock organique d’un sol. La caractérisation biochimique des matières organiques (C.B.M.) permet de connaître la proportion de ces différents constituants de la matière organique étudiée : la partie soluble, les hémicelluloses, la cellulose et la lignine (Djakovitch, 1988 ; Lineres et Djakovitch, 1993). Cette « carte biochimique » simplifiée de la matière organique permet d’estimer le potentiel humique du produit, c’est-à-dire son potentiel à fournir de l’humus stable dans un sol et à dynamiser la vie microbienne.

En effet, la cellulose et la lignine sont des composés stables dans les sols et générateurs d’humus. Au contraire, la fraction soluble et les hémicelluloses sont dégradées rapidement par la microflore du sol. La connaissance de la proportion de produits stables (cellulose et lignine) et instables (partie soluble et hémicelluloses) définit la propriété d’un produit à fournir l’humus à un sol. Cette analyse permet de spécifier l’usage comme amendement (cas des composts d’écorces, figure 1), ou comme engrais (cas des boues ou déjections animales) d’une matière organo-minérale, et constitue un complément de l’analyse chimique, utilisable dans la pratique.

Caractérisation de l’innocuité d’un sous-produit valorisable en agriculture

L’innocuité, c’est-à-dire la « qualité de ce qui n’est pas nuisible » est une garantie indispensable à la valorisation agricole des déchets. Il est nécessaire d’évaluer si un déchet provoque des réactions phytotoxiques sur la plante cultivée.

De même, le suivi des consé

La connaissance des conséquences d'une bioaccumulation d'un constituant toxique apporté par le déchet le long de la chaîne trophique est indispensable.

Il n'existe pour l'instant aucune méthode normalisée pour répondre à cette question importante. Néanmoins, les tests de phytotoxicité globale permettent d'évaluer cette innocuité.

Ces tests consistent à étudier la germination et la croissance de plantes tests (maïs, orge, haricot, etc.) cultivées sur le produit à caractériser en comparaison avec un témoin non toxique (matière organique de référence : tourbe brune par exemple). Réalisé sur sable, cet essai optimise alors l'expression d'une éventuelle toxicité. En revanche, l'effet tampon du sol peut être pris en compte en réalisant ces études sur sol.

La figure 2 illustre les différents types de réponses que l'on observe au cours de ces études et les interprétations que l'on peut en donner. À ce test, on peut ajouter les analyses des végétaux ainsi cultivés pour estimer le transfert et l'accumulation des éléments responsables de la toxicité : éléments traces, polluants organiques, etc.

Ces tests permettent également de détecter d'éventuels déséquilibres nutritionnels des plantes dus à un mauvais équilibre des nutriments dans le produit testé. Des apports nutritionnels d'éléments minéraux dans les solutions de culture peuvent être envisagés dans ce cas pour bien distinguer une croissance ralentie par un problème nutritionnel ou par une toxicité vraie.

Afin de remonter la filière de production du déchet pour éliminer ou limiter la source de pollution, des recherches sont en cours pour spécifier l'origine de la phytotoxicité quand elle apparaît dans ces tests.

Caractérisation des propriétés agronomiques d'un sous-produit valorisable en agriculture

L'analyse initiale d'un sous-produit rend compte des teneurs en éléments totaux des différents constituants. Il est délicat, sur cette seule base, de spécifier les propriétés agronomiques : fourniture d'éléments biodisponibles tels que N, P, K, Mg, etc., fourniture en humus, aptitude à corriger le pH d'un sol (valeur amendante). Des références existent, principalement basées sur la nature du produit et son procédé d'obtention. Cependant, ces références sont imprécises : on cite l'exemple de l'azote biodisponible des boues, variant de 30 à 60 % suivant leurs origines.

Devant ce manque de référence fiable, on peut, par des essais en conditions contrôlées, préciser les caractéristiques agronomiques.

Comme pour les engrais classiques, on peut mesurer la proportion d'un élément fertilisant qui sera libéré dans le sol et donc disponible pour la plante. Cette proportion est quantifiée par un test de biodisponibilité. Cette technique consiste à cultiver une plante accumulatrice en contact avec le produit étudié, en apportant tous les éléments nutritifs sauf l'élément étudié (Stanford et De Ment, 1957 ; Chaminade, 1964). La croissance de la plante sera donc conditionnée par la quantité biodisponible de l'élément suivi.

En déterminant la biomasse végétale ainsi que sa teneur en élément suivi, on détermine la proportion (ou coefficient apparent d'utilisation : C.A.U.) de l'élément biodisponible. La comparaison de la quantité totale apportée au début de l'expérimentation et de la quantité prélevée par les plantes, donc biodisponible, permet de déterminer ce C.A.U.

Ces caractérisations sont particulièrement intéressantes pour les éléments majeurs tels que l'azote, le phosphore et le potassium mais également pour le calcium, le magnésium ou le soufre, suivant la nature des produits et l'utilisation envisagée.

Ce test permet d'estimer la biodisponibilité à court terme d'un élément par l'analyse d'une culture mais également à moyen terme en réalisant l'étude sur plusieurs coupes d'une plante pérenne, simulant ainsi un cycle cultural complet. Les contraintes techniques des épandages des sous-produits — doses d'apport, phase de latence entre épandage et mise en culture — peuvent être simulées au cours de ce test. Cela permet alors de mesurer la biodisponibilité des éléments en se rapprochant des conditions d'utilisation du produit étudié.

La figure 3 montre un exemple du prélèvement de phosphore de deux produits et du sol témoin au cours de trois coupes de ray-grass, ainsi que les coefficients de biodisponibilité des produits testés. On peut estimer, à l'échelle d'une culture ou d'une rotation, les éléments nutritifs apportés par les sous-produits et ainsi déterminer avec précision la fertilisation minérale.

En raison des contraintes environnementales, il est important de connaître la dynamique de libération de l’azote d’un sous-produit. D’une part, il peut exister des phases transitoires de blocage de l’azote minéral (ou immobilisation). D’autre part, il faut connaître les phases de libération (ou minéralisation) de l’azote pour les faire coïncider au mieux avec les phases de prélèvement par les plantes.

Cette dynamique peut être suivie au cours d’incubations en conditions contrôlées. Le produit étudié est mélangé à un sol remanié, où les conditions de décomposition du produit sont optimisées (Robin, 1994 ; Recous et al., 1995). Par comparaison à un sol témoin, on peut estimer la dynamique de la libération de l’azote organique du produit et localiser les éventuelles phases d’immobilisation.

La figure 4 montre la cinétique de minéralisation de deux produits de composition proche dont la minéralisation de l’azote est plutôt différente. On peut ainsi caractériser l’azote libéré à court, moyen et long terme par un sous-produit et « caler » au mieux son utilisation avec les exigences des plantes et les risques de lessivage par les pluies hivernales.

Les tests de biodisponibilité et incubations en conditions contrôlées permettent alors de bien appréhender la biodisponibilité des éléments tels que l’azote dans les sous-produits. Cela est particulièrement important dans la valorisation des boues urbaines ou d’industrie, où les teneurs en azote sont importantes : 1 à 6 % du produit sec. Elles représentent une source de pollution nitrique non négligeable en cas de mauvaise utilisation en même temps qu’un apport valorisable pour les cultures.

Un autre paramètre agronomique intéressant est la valeur amendante, c’est-à-dire la capacité d’un produit à corriger le pH d’un sol acide. Ce paramètre est nécessaire dans le cas de produits organiques stabilisés à la chaux ou au carbonate de calcium. L’estimation de la valeur amendante peut être réalisée en laboratoire. Après contact du produit avec un sol acide, le pH du sol est suivi. Par comparaison avec des amendements classiques, chaux, carbonate de calcium, on détermine le pouvoir amendant de la substance testée et on estime des doses d’utilisation pour l’agriculture.

La figure 5 montre les résultats de ce type d’incubation pour deux produits utilisables comme matières amendantes, en comparaison avec les témoins chaux et carbonate de Ca étudiés simultanément.

Les tests de biodisponibilité, incubations en conditions contrôlées ou valeur amendante sont autant de techniques qui viendront compléter efficacement les connaissances analytiques et donner des indications sérieuses sur la « vocation » du sous-produit au cours de sa valorisation : engrais ou amendement, effet à court ou moyen terme. Cela complète l’analyse préalable et permet d’intégrer cette nouvelle « matière fertilisante » dans un plan de fertilisation avec une bonne précision.

Utilisation pratique des sous-produits valorisables en agriculture

L’expertise agronomique décrite précédemment possède des limites. Elle ne tient pas compte précisément des particularités climatiques, géographiques ou hydriques liées à la parcelle. Aussi, l’expertise basée sur des tests en milieu contrôlé doit-elle être associée à des expérimentations en grandeur réelle pour vérifier l’efficacité des produits. Les références obtenues intègrent alors les contraintes techniques et économiques de la production des déchets, les particularités climatiques, géographiques et les techniques culturales habituellement pratiquées.

Par ce type d’essais, on observe toutes les conséquences qu’induit l’utilisation d’une telle matière par rapport à des fertilisants classiques : accumulation d’un élément toxique (éléments traces, micropolluants organiques, etc.) et ses conséquences sur le rendement et la qualité de la production agricole, coefficient d’utilisation d’un élément minéral, …

Ces essais en plein champ complètent et valident les analyses et les expertises précédemment décrites. Il n’est pas déraisonnable de mettre en place des parcelles pilotes avec analyses régulières des sols et des végétaux pour des grosses productions de déchets. Ainsi, un nouvel utilisateur d’un sous-produit pourra s’appuyer sur l’ensemble des connaissances, dont cette expérimentation pilote, pour valoriser au mieux un déchet. De plus, une multiplication de ces sites dans différentes zones et différents types de cultures permettra de bien comprendre et d’optimiser l’utilisation agricole de ces sous-produits.

Conclusion

Peut-on utiliser tel ou tel produit en agriculture ? À quelles doses ? Dans quel but ? Comporte-t-il un risque ? Si oui, lequel ? Quelle fertilisation amène-t-il ?

Voilà les questions que se posent tous les acteurs de la filière de valorisation des déchets : producteurs, agriculteurs, bureaux d’expertise. L’ensemble des tests et expertises décrits précédemment peut répondre de façon efficace à ces questions. Les analyses de laboratoire permettent de mieux connaître le produit, d’éventuellement le rejeter pour le recyclage agricole en fonction des normes en vigueur. Les différents tests renseignent sur l’utilisation possible du produit comme amendement organique, engrais organique libérant de l’azote ou du phosphore, amendement minéral permettant de corriger le pH des sols. Ils renseignent sur les doses d’utilisation de ces sous-produits. Des tests de phytotoxicité globale permettent de vérifier l’innocuité des matières utilisées, donc de minimiser les risques d’accidents.

graves » dus aux toxiques éventuellement présents.

L'expérimentation de terrain permet d'appréhender dans la globalité les différents points abordés par chaque étude en milieux contrôlés : valeur humique, valeur amendante, engrais azotés et/ou phosphoriques, toxicité éventuelle.

Cette expertise agronomique s'appuie sur des travaux de recherches de plus en plus développés depuis quelques années. Ces recherches seront probablement importantes dans les années à venir pour intégrer la diversité des produits, des sols et des cultures susceptibles de valoriser ces nouveaux « fertilisants ». Cette expertise est également amenée à se développer dans le futur mais les quelques éléments développés ici permettent déjà de résoudre nombre des questions soulevées par ce nouveau type d'intrants en agriculture.

Références bibliographiques

Djakovitch J.L. (1988) - Mise au point d'une méthode de détermination rapide du coefficient isohumique de matériaux utilisables pour l'amendement des sols. Mémoire de Diplôme d'Ingénieur CNAM Bordeaux, 208 pages.

Djakovitch J.L. et Lineres M. (1993) - Caractérisation de la stabilité biologique des apports organiques par l'analyse biochimique. In : Matières organiques et Agriculture - Quatrièmes journées de l'analyse de terre (GEMAS) - Cinquième forum de la fertilisation raisonnée (COMIFER) - 16-18 novembre 1993 - Blois, 159-168.

Chaminade (1964) - Diagnostic des carences minérales du sol par l'expérimentation en petits vases de végétation. Sc. Sol, 157-167.

Stanford et De Ment (1957) - A method for measuring short term nutrient absorption by plants. Soil Sc. Soc. Am. Proc., 612-617.

Recous S., Robin D., Darwis D., Mary B. (1995) - Soil inorganic N availability : effect on maize residue decomposition. Soil, Biol. Biochem., 27 (12), 1529-1538.

Robin D. (1994) - Effet de la disponibilité de l'azote sur les flux bruts de carbone et d'azote au cours de la décomposition des résidus végétaux dans les sols. Thèse de Doctorat, INA Paris-Grignon, 201 pages + annexes.