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HAL
open science

# Cycle de l'azote dans les agroécosystèmes

Catherine Hénault

► To cite this version:

Catherine Hénault. Cycle de l'azote dans les agroécosystèmes. École d'ingénieur. Catherine Henault, DIJON, France. 2023. hal-05213679

HAL Id: hal-05213679

https://hal.science/hal-05213679v1

Submitted on 18 Aug 2025

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Public Domain
# Cycle de l'azote
# dans les agroécosystèmes

Catherine Hénault

04 décembre 2023
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Les échanges entre la plante
et son environnement

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Les échanges entre la plante
et son environnement

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**Figure 4.** Long-term trends in anthropogenic nitrogen inputs to terrestrial ecosystems during the period from 1860 to 2019. N input to global terrestrial ecosystems stems from three major categories: N fertilizer, manure N, and N deposition. These categories are further divided into 10 specific types: $NH_4^+$-N fertilizer applied to cropland, $NO_3^-$-N fertilizer applied to cropland, $NH_4^+$-N fertilizer applied to pasture, $NO_3^-$-N fertilizer applied to pasture, manure N application on cropland, manure N application on pasture, manure N deposition on pasture, manure N deposition on rangeland, $NH_x$-N deposition, and $NO_y$-N deposition.

https://doi.org/10.5194/essd-14-4551-2022

Apports / Input
Les échanges entre la plante
et son environnement

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Les échanges entre la plante
et son environnement

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Les échanges entre la plante
et son environnement

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Les échanges entre la plante
et son environnement

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Pertes / output

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L'azote, de quoi parle-t-on ?
# Principaux composés azotés

<table><thead><tr><th>Non réactifs</th><th>Réactifs<br>(biologiquement, photochimiquement, radiativement)</th></tr></thead><tbody><tr><td>"water, water<br>everywhere, nor any<br>drop to drink."<br><br>N<sub>2</sub><br><br>|N≡N|</td><td>Formes réduites inorganiques, ammoniac<br>[NH<sub>3</sub>], ammonium [NH<sub>4</sub><sup>+</sup>]<br><br>Formes oxydées inorganiques<br>oxyde d'azote [NO<sub>x</sub>], acide nitrique [HNO<sub>3</sub>],<br>oxyde nitreux [N<sub>2</sub>O], nitrate [NO<sub>3</sub><sup>-</sup>], et beaucoup<br>d'autres plus ou moins transitoires<br><br>Composés organiques (urée, amines,<br>protéines, acides nucléiques)</td></tr></tbody></table>
# Réservoirs, et temps de résidence

(Tg N = $10^{12}$ g N), (années)

Les valeurs indiquées sont des
ordres de grandeur

## ATMOSPHERE

N$_2$ : 3.9 x10$^9$ (10$^7$ ans) N$_2$O : 1.4x10$^3$ (10$^2$ ans) Autres : 1.4x10$^3$ (~0.1 an)

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D'après Paul et Clark, 1989
# Réservoirs, flux et temps de résidence

(Tg N = $10^{12}$ g N), (Tg N an$^{-1}$),

(années)

Les valeurs indiquées sont des
ordres de grandeur

## ATMOSPHERE

N$_2$ : 3.9 x10$^9$ (10$^7$ ans) N$_2$O : 1.4x10$^3$ (10$^2$ ans) Autres : 1.4x10$^3$ (~0.1 an)

## BIOMASSE TERRESTRE

5x10$^3$ (50 ans)

Azote organique, Azote minéral

SOL 9.5x10$^4$ (2x10$^3$ ans)

Azote organique (acides aminés, polypeptides, protéines, acides nucléiques, ...)

Azote minéral (dissous, gazeux, ...)

## BIOMASSE MARINE

5x10$^2$

## OCEAN

N$_2$ : 2.2x10$^7$

N$_2$O: 2x10$^4$

Inorg:6x10$^5$

Org:2x10$^5$

## SEDIMENTS

4x10$^8$ (10$^7$ ans)

D'après Paul et Clark, 1989
# Les formes de l'azote dans le sol et leurs propriétés physico-chimiques

## Formes organiques

* De l'ordre de 90 % de l'azote contenu dans la couche de surface des sols est combiné sous la forme organique.

* On trouve les formes suivantes :

<table><thead><tr><td>Forme</td><td>Taux / Norganique</td></tr></thead><tbody><tr><td>Acides aminés</td><td>13 – 52 %</td></tr><tr><td>Sucres aminés</td><td>0.8 – 13.8 %</td></tr><tr><td>N (insoluble – acide)</td><td>6.9 – 41.3 %</td></tr><tr><td>Formes hydrolysables non identifiées</td><td>2.4 – 40.2 %</td></tr></tbody></table>

* Ces formes devront être décomposées, minéralisées pour pouvoir être assimilées

* Ces formes sont plus ou moins stables
# Les formes de l'azote dans le sol et leurs propriétés physico-chimiques

## Les formes inorganiques

* **Ion ammonium :** $NH_4^+$

Il peut :

* Etre assimilé par les plantes

* Etre utilisé pour la croissance bactérienne

* Etre adsorbé sur le complexe d'échanges cationiques du sol

* Etre fixé entre les feuillets d'argile

* Réagir avec les MO (quinones-NH2)

* Volatiliser

* Etre utiliser comme source d'énergie par les bactéries nitrifiantes autotrophes

* **Ions nitrate et nitrite :** $NO_3^-$, $NO_2^-$

La teneur de ces différents ions dans le sol est généralement relativement faible (quelques ppm) du fait que, par définition, ces formes solubles sont entraînables au cours du draînage et sont biodisponibles.

La teneur en azote minéral échangeable dans les sols est très variable dans le temps, notamment avec les saisons. Dans les sols cultivés, elle est très influencée par les apports d'engrais et les besoins en azote des plantes. On observe en général une augmentation au cours de la phase automnale (minéralisation des résidus de culture) et une diminution au printemps lors de la culture des plantes.

$NO_3^-$ est la forme préférentiellement absorbée par les plantes (sélection variétale ?).
# Les formes de l'azote dans le sol et leurs propriétés physico-chimiques

## Les formes inorganiques

* Les composés gazeux :

* $NH_3$ : équilibre physico-chimique $NH_4^+/NH_3$ qui dépend du pH

* NO, $N_2O$, $N_2$ : gaz formé par voie biologique, parfois par voie chimique dans les milieux très réducteurs

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<figure><img src="image_15.png" /></figure>
Reactive N has been identified as one of the top five emerging threats facing humanity and the planet (UNEP, 2019) due to its impact on the climate, environment, and public health—and is attributed to the global reliance on reactive N for food production (Erisman et al., 2008, 2011).

Consequently, governing leaders are adopting sustainable N management resolutions (UNEA-4, 2019). To ensure the success of such resolutions, accurate and meaningful N metrics are needed in order to identify, monitor, and develop management practices or innovations that reduce N pollution. One commonly used metric is N use efficiency (NUE); as it can be used for environmental and economic objectives of minimizing nutrient losses and the negative impact on surrounding water, air and ecosystems, as well as reducing costs associated with excessive fertilizer inputs (Galloway et al., 2014).

# Nitrogen Use Efficiency Definitions of Today and Tomorrow

Kate A. Congreves¹*, Olivia Otchere¹, Daphnée Ferland¹, Soudeh Farzadfar¹, Shanay Williams² and Melissa M. Arcand²

<figure><img src="image_16.png" /></figure>

frontiers
in Plant Science

PERSPECTIVE

published: 04 June 2021

doi: 10.3389/fpls.2021.637108
# Impacts environnementaux des formes réactives

(Tableau non exhaustif)

<table><thead><tr><th></th><th>Environnement</th><th>Ecosystèmes</th><th>Santé publique</th></tr></thead><tbody><tr><td>Général</td><td>Acidification des milieux aquatiques</td><td>Augmentation de la productivité<br>Diminution de la biodiversité</td><td>Maladies respiratoires,<br>Cancers<br>Maladies cardiaques</td></tr><tr><td>NO<sub>x</sub></td><td>Production d'ozone troposphérique et d'aérosol<br>Production de composés toxiques<br>Pluies acides – brouillard photochimique</td><td>Eutrophisation</td><td>Maladies respiratoires,<br>Cancers<br>Maladies cardiaques</td></tr><tr><td>N<sub>2</sub>O</td><td>Effet de serre<br>Destruction d'ozone stratosphérique</td><td>Biodiversité, ...</td><td></td></tr><tr><td>NO<sub>3</sub><sup>-</sup>,<br>NO<sub>2</sub><sup>-</sup></td><td></td><td>Eutrophisation des milieux aquatiques</td><td>Favorise l'apparition de différentes maladies</td></tr><tr><td>NH<sub>4</sub><sup>+</sup></td><td></td><td>Eutrophisation des milieux</td><td></td></tr></tbody></table>
<figure><img src="image_17.png" /><figcaption>Les réactions d'oxydo-réduction du cycle de l'azote</figcaption></figure>
Les réactions d'oxydo-réduction du cycle de l'azote

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# Réservoirs, flux et temps de résidence

(Tg N = $10^{12}$ g N), (Tg N an$^{-1}$),

(années)

Les valeurs indiquées sont des
ordres de grandeur

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D'après Paul et Clark, 1989
<figure><img src="image_20.png" /></figure>

**Figure 1.** (a) Global population trends from 1860 to 2000 (billions, left axis) and reactive nitrogen (Nr) creation (teragrams nitrogen [Tg N] per year, right axis). "Haber-Bosch" represents Nr creation through the Haber-Bosch process, including production of ammonia for nonfertilizer purposes. For 1920, 1930, and 1940, we assumed that global total Nr production through the Haber-Bosch process was equivalent to global anthropogenic fertilizer production (Smil 2001). For 1950 onward, data on Nr creation through the Haber-Bosch process were obtained from USGS Minerals (Kramer 1999). "C-BNF" (cultivation-induced biological nitrogen fixation) represents Nr creation from cultivation of legumes, rice, and sugarcane. The C-BNF rate for 1900 is estimated to be approximately 15 Tg N per year (Vaclav Smil, University of Manitoba, Winnipeg, Canada, personal communication, January 2002). The C-BNF rates for 1860, 1870, 1880, and 1890 were estimated from population, using the 1900 data on population and Nr creation. For 1961–1999, Nr creation rates were calculated from crop-specific data on harvested areas (FAOSTAT 2000) and fixation rates (Smil 1999). Decadal data from 1910 to 1950 were interpolated between 1900 and 1961. "Fossil fuel" represents Nr created from fossil fuel combustion. The data from 1860 to 1990 are from a compilation from Elisabeth Holland, based on Müller (1992), Keeling (1993), and Holland and Lamarque (1997). These data agree well with those recently published by van Aardenne and colleagues (2001) for decadal time steps from 1890 to 1990. The data for 1991 to 2000 were estimated by scaling emissions of nitrogen oxides to increases in fossil fuel combustion over the same period. "Total Nr" represents the sum created by these three processes. (b) US population trends from 1961

<figure><img src="image_21.png" /></figure>

**Figure 4.** Long-term trends in anthropogenic nitrogen inputs to terrestrial ecosystems during the period from 1860 to 2019. N input to global terrestrial ecosystems stems from three major categories: N fertilizer, manure N, and N deposition. These categories are further divided into 10 specific types: $NH_4^+$-N fertilizer applied to cropland, $NO_3^-$-N fertilizer applied to cropland, $NH_4^+$-N fertilizer applied to pasture, $NO_3^-$-N fertilizer applied to pasture, manure N application on cropland, manure N application on pasture, manure N deposition on pasture, manure N deposition on rangeland, $NH_x$-N deposition, and $NO_y$-N deposition.
# Les besoins en azote des organismes vivant

<table><thead><tr><th>Règne</th><th></th><th>Animal</th><th>végétal</th><th>bactérien</th></tr></thead><tbody><tr><td rowspan="2">Métabolisme constitutif</td><td>Source C</td><td>Composés organiques (hétérotrophe)</td><td>CO<sub>2</sub> (autotrophes)</td><td>Les 2</td></tr><tr><td>Source N</td><td>N organique</td><td>N minéral</td><td>Les 2</td></tr><tr><td rowspan="2">Métabolisme énergétique</td><td>Source énergie</td><td>Oxydation biologique (chimiotrophe)</td><td>Lumière (phototrophe)</td><td>Les 2</td></tr><tr><td>Substrat énergie</td><td>Composés organiques (organotrophe)</td><td>Minéral (« lithotrophe »)</td><td>Les 2</td></tr></tbody></table>
<figure><img src="image_22.png" /></figure>

Figure 6 : Courbe de réponse de la culture de blé aux apports d'engrais azotés (Franc, 1996).
# Acquisition d'azote par les plantes

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# Acquisition d'azote par les plantes

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# Acquisition d'azote par les plantes

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# Acquisition d'azote par les plantes

$$N_2 + 6e^- + 12ATP + 8H^+ \xrightarrow{Mg^{2+}} 2NH_3 + 12ADP + 12P_i$$

The associated reduction of H⁺ in enzyme complexes indicates equal reduction of N₂ and H⁺, as follows:

$$2H^+ + 2e^- + 4ATP \xrightarrow{Mg^{2+}} H_2 + 4ADP + 4P_i$$

The overall equation then becomes

$$N_2 + 16ATP + 8e^- + 10H^+ \xrightarrow{Mg^{2+}} 2NH_3 + H_2 + 16ADP + 16P_i$$

<figure><img src="image_27.png" /><figcaption>FIGURE 10.9 Reactions occurring in the soybean nodule during N₂ fixation. (From Werner, 1992.)</figcaption></figure>

<figure><img src="image_28.png" /></figure>
Nitrogenase

$$N_2 + 8 H^+ + 8 e^- \rightarrow 2 NH_3 + H_2$$

<figure><img src="image_29.png" /></figure>

<table><thead><tr><td>Genus</td><td>Phylogenetic Affiliation</td><td>Lifestyle</td></tr></thead><tbody><tr><td>Nostoc, Anabaena</td><td>Bacteria (Cyanobacteria)</td><td>free-living, aerobic, phototrophic</td></tr><tr><td>Pseudomonas, Azotobacter, Methylomonas</td><td>Bacteria</td><td>free-living, aerobic, chemoorganotrophic</td></tr><tr><td>Alcaligenes, Thiobacillus</td><td>Bacteria</td><td>free-living, aerobic, chemolithotrophic</td></tr><tr><td>Methanosarcina, Methanococcus</td><td>Archaea</td><td>free-living, anaerobic, chemolithotrophic</td></tr><tr><td>Chromatium, Chlorobium</td><td>Bacteria</td><td>free-living, anaerobic, phototrophic</td></tr><tr><td>Desulfovibrio, Clostridium</td><td>Bacteria</td><td>free-living, anaerobic, chemoorganotrophic</td></tr><tr><td>Rhizobium, Frankia</td><td>Bacteria</td><td>symbiotic, aerobic, chemoorganotrophic</td></tr></tbody></table>
<figure><img src="image_30.png" /></figure>

Wagner, S. C.. (2011) Biological Nitrogen Fixation. *Nature Education Knowledge* 3(10):15
Article in Annual Review of Ecology Evolution and Systematics - November 2011
DOI: 10.1146/annurev-ecolys-102710-145034

<table><caption>Table 1 Biome-scale estimates of terrestrial free-living and symbiotic N₂ fixation rates based on the literatureª</caption><thead><tr><th>Biome</th><th>Free-living N<sub>2</sub><br>fixation rates<br>(kg N/ha/year)</th><th>Range in<br>free-living N<sub>2</sub><br>fixation rates<br>(kg N/ha/year)</th><th>n</th><th>Range in symbiotic<br>N<sub>2</sub> fixation rates<br>(kg N/ha/year)</th><th>n</th></tr></thead><tbody><tr><td>Moist tundra and alpine tundra</td><td>1.5</td><td>0.4–3.0</td><td>7</td><td>1.0–4.9</td><td>3</td></tr><tr><td>Boreal forest and woodland</td><td>1.2</td><td>0.3–3.8</td><td>14</td><td>0.3–6.6</td><td>2</td></tr><tr><td>Temperate forests</td><td>1.7</td><td>0.01–12</td><td>38</td><td>1–160</td><td>17</td></tr><tr><td>Temperate grasslands</td><td>4.7</td><td>0.1–21</td><td>13</td><td>0.1–10</td><td>8</td></tr><tr><td>Tropical savanna</td><td>15.0</td><td>3–30</td><td>3</td><td>3–90</td><td>6</td></tr><tr><td>Tropical evergreen forest</td><td>7.8</td><td>0.1–60</td><td>19</td><td>5.5–16</td><td>4</td></tr><tr><td>Tropical floodplain</td><td>7.5</td><td>4.1–12</td><td>3</td><td>14–28.5</td><td>2</td></tr><tr><td>Tropical deciduous forest</td><td>3.3</td><td>3.3</td><td>1</td><td>7.5–30</td><td>3</td></tr><tr><td>Mediterranean shrubland</td><td>1.0</td><td>1.0</td><td>1</td><td>0.1–10</td><td>4</td></tr><tr><td>Desert</td><td>4.0</td><td>0.01–13</td><td>15</td><td>0.7–29.5</td><td>3</td></tr></tbody></table>

<footnote>ªValues are N₂ fixation rate means or ranges and represent data from *n* sites per biome. When more than one component of N₂ fixation was measured from a pathway within a single site (e.g., soil and leaf litter N₂ fixation), we summed the values. When there was more than one value from a single substrate for a single site, we took the average. References that added data to this table but are not included in the Literature Cited are provided in **Supplemental Text 1** (follow the **Supplemental Material link** from the Annual Reviews home page at http://www.annualreviews.org). Rates from the two N₂-fixation pathways (symbiotic and free-living) are not from simultaneous assessments and are typically not from the same individual sites. We draw attention to the data to illustrate the potential for free-living N₂ fixation to provide important inputs of N to many ecosystems.</footnote>
Reactive N has been identified as one of the top five emerging threats facing humanity and the planet (UNEP, 2019) due to its impact on the climate, environment, and public health—and is attributed to the global reliance on reactive N for food production (Erisman et al., 2008, 2011). Consequently, governing leaders are adopting sustainable N management resolutions (UNEA-4, 2019). To ensure the success of such resolutions, accurate and meaningful N metrics are needed in order to identify, monitor, and develop management practices or innovations that reduce N pollution. One commonly used metric is N use efficiency (NUE); as it can be used for environmental and economic objectives of minimizing nutrient losses and the negative impact on surrounding water, air and ecosystems, as well as reducing costs associated with excessive fertilizer inputs (Galloway et al., 2014).

# Nitrogen Use Efficiency Definitions of Today and Tomorrow

Kate A. Congreves¹*, Olivia Otchere¹, Daphnée Ferland¹, Soudeh Farzadfar¹, Shanay Williams² and Melissa M. Arcand²

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frontiers
in Plant Science

PERSPECTIVE

published: 04 June 2021

doi: 10.3389/fpls.2021.637108
# Acquisition d'azote par les plantes

<figure><img src="image_32.png" /></figure>

composés azotés
produits de la
photosynthèse

<figure><img src="image_33.png" /></figure>

azote (N2)
de l'air

bactérie

Y : N in harvested crop part
kg N ha⁻¹ y⁻¹

F : Total N input
kg N ha⁻¹ y⁻¹

<figure><img src="image_34.png" /></figure>

Les échanges entre la plante
et son environnement
## Nutrient Use Efficiency

$$ \text{NUE} = \frac{\text{Y: N in harvested crop part} \\ \text{kg N ha}^{-1} \text{ y}^{-1}}{\text{F: Total N input} \\ \text{kg N ha}^{-1} \text{ y}^{-1}} $$

## N Surplus

$$ \text{N Surplus} = \frac{\text{Y: N in harvested crop part} \\ \text{kg N ha}^{-1} \text{ y}^{-1}}{\text{F: Total N input} \\ \text{kg N ha}^{-1} \text{ y}^{-1}} $$
<figure><img src="image_35.png" /></figure>

<figure><img src="image_36.png" /><figcaption>**Figure 1.** Examples of trajectories followed by countries in the *Y* versus *F* diagram. (a) Examples of type I trajectories. (b) Examples of type II trajectories. (c) Examples of type III trajectories. (d) Examples of type IV trajectories. *R*² is the coefficient of determination, defined as: *R*² = 1 - [Σ(obsᵢ - calcᵢ)²/Σ(obsᵢ—meanobs)²] where obsᵢ are the observed values of yield, calcᵢ the yield value calculated with the relationship and meanobs is the average value of the observed yields over the period considered. Negative values of *R*² indicate poor fit of the relationship on the observed values. This is often the case for the most recent period of type III trajectories because of still evolving agronomical conditions.</figcaption></figure>
Raisonnement « Classique » de la fertilisation azotée
# Méthode du bilan prévisionnel

Principe : Equilibrer les besoins de la culture par l'apport d'une quantité d'azote disponible

L'équilibre est défini par l'équation du bilan : Entrées d'azote – Sorties d'azote = 0 = Ef – Ei

Parmi les sorties d'azote, le besoin de la culture (bY) est défini à partir :

- De la connaissance des besoins en azote selon les espèces et les variétés (Courbe critique de la plante)

- De l'objectif de rendement de la culture
Besoins en azote des plantes
# Courbe critique de la plante

- Les besoins en azote des plantes évoluent avec leur développement

## L'ABSORPTION DE L'AZOTE ET L'EVOLUTION DE LA BIOMASSE AU COURS DU CYCLE DE LA PLANTE

### 1. QUANTITE ACCUMULEE DANS LES PARTIES AERIENNES JUSQU'A LA FLORAISON

<figure><img src="image_37.png" /></figure>

#### 1. Du semis à la floraison

La production de biomasse reste faible jusqu'au stade épi à 1 cm : de l'ordre de 10 à 15 % de la biomasse atteinte à la floraison.

Dans la même période, la quantité d'azote absorbée correspond à environ 15 - 25 % de celle accumulée à la floraison.

C'est donc pendant la montaison, étape plus courte que la précédente que la quasi-totalité de la matière sèche et de l'azote sont accumulées avec une concomitance très étroite.

### 2. QUANTITE ACCUMULEE DANS LES PARTIES AERIENNES DEPUIS LA FLORAISON

<figure><img src="image_38.png" /></figure>

#### 2. De la floraison à la maturité

En repartant d'un stock de 100 % accumulé à la floraison, on note pour cette étape finale 2 cinétiques très différentes entre l'azote et la matière sèche des grains et de la paille.

La matière sèche double en quantité suite au remplissage des grains assuré essentiellement par la production de photosynthétats post-floraison.

La quantité d'azote évolue fort peu en comparaison car approximativement 20 % de plus sont accumulés pendant la phase de remplissage.

Cette accumulation supplémentaire résulte de phénomènes d'absorption et/ou de remobilisation d'azote stocké dans les racines.

**Encadré 2 :** Cinétique d'accumulation de l'azote et de la matière sèche des parties aériennes, du semis à la floraison (1) et de la floraison à la maturité (2).

- Le rendement des cultures dépend du milieu
# Courbes critiques de la plante

1, 2, 3, 4 correspondent à 4 parcelles

<figure><img src="image_39.png" /></figure>

1 : fin de tallage, 2 et 3 : début et fin de montaison, 4 : floraison

: Notions de doses et de concentrations optimales pour la croissance et le rendement (a). Les courbes de réponse du rendement à l'azote permettent de déterminer une dose optimale (b) puis le besoin en azote par quintal de grains à l'optimum de fumure (c).En parallèle, les doses optimales pour la production de biomasse végétative (d) permettent de déterminer une teneur optimale fonction de la biomasse produite ou courbe critique de l'azote (e).

- La dose critique est à adapter au milieu

- Pour certaines plantes comme le blé, le rendement et l'azote absorbé sont proportionnels

- La courbe critique de dilution de l'azote est spécifique

$$N \% = 5,32 \times \text{MS}^{(-0,436)} - \text{Blé}$$

- Elle peut être utilisée pour caractériser l'état nutritionnel d'une culture

INN = positionnement par rapport à cette courbe (indice de nutrition azotée d'une culture)
Les besoins en azote des cultures

- Avoine 2,2 kg / q

- Seigle 2,2

- Orge 2,4

- Blé tendre, triticale : 3 (2,86 à 3,28 selon les variétés)

- Blé dur : 3,5

- Colza : 6,5
# Objectifs de rendement d'une culture

1. Potentialités de la parcelle

1. Rassembler de nombreux résultats de parcelles issues d'un même milieu

2. Etablir la courbe entre rendement final et le nombre de grains / m2 (dernière composante du rdt mesurée)

2. Du potentiel de rendement à l'objectif de rendement

1. Fréquence d'obtention des rendements les plus élevés compte tenu de la variabilité climatique du milieu

2. Possibilités, choix de l'agriculteur

3. Valeurs par défaut publiées dans les arrêtés préfectoraux
# A ce stade, on a

## Azote absorbé par la culture

### BESOIN (bY)

Rendements de référence par défaut (en cas d'absence de références sur l'exploitation) par type de sol Bourguignon (rendement y)

<table><thead><tr><th rowspan="2">Nom</th><th colspan="2">Limons argileux profonds</th><th colspan="2">Limons profonds</th><th rowspan="2">Argilo-calcaire superficiels</th><th rowspan="2">Argilo-calcaire moyens et craie Yonne</th><th rowspan="2">Argilo-calcaire profonds et terre argileuse calcaire</th><th rowspan="2">Argilo-limoneux décarbonatés</th><th rowspan="2">Argiles à silex</th><th rowspan="2">Alluvions argileuses et terre humifère</th><th rowspan="2">Limons sableux, hydromorphe</th><th rowspan="2">Limons sableux, sain</th><th rowspan="2">Sable</th><th rowspan="2">Terre argileuse ou argilo-sableuse, hydromorphe</th></tr><tr><th>MO&lt;2 %</th><th>MO&gt;2 %</th><th>MO&lt;2 %</th><th>MO&gt;2 %</th></tr></thead><tbody><tr><td>Culture</td><td colspan="14">Rendements potentiels moyens à la norme d'humidité (qx/ha ou tMS/ha)</td></tr><tr><td>Blé tendre hiver q/ha</td><td>85</td><td>85</td><td>85</td><td>85</td><td>60</td><td>68</td><td>75</td><td>75</td><td>67</td><td>85</td><td>73</td><td>73</td><td>60</td><td>75</td></tr><tr><td>Blé tendre printemps q/ha</td><td>75</td><td>75</td><td>75</td><td>75</td><td>50</td><td>58</td><td>65</td><td>65</td><td>57</td><td>75</td><td>63</td><td>63</td><td>50</td><td>65</td></tr><tr><td>Blé dur q/ha</td><td>76</td><td>76</td><td>76</td><td>76</td><td>51</td><td>59</td><td>66</td><td>66</td><td>58</td><td>76</td><td>64</td><td>64</td><td>51</td><td>66</td></tr><tr><td>Orge Hiver q/ha</td><td>78</td><td>78</td><td>78</td><td>78</td><td>58</td><td>66</td><td>75</td><td>75</td><td>65</td><td>78</td><td>70</td><td>70</td><td>60</td><td>70</td></tr><tr><td>Orge Printemps q/ha</td><td>72</td><td>72</td><td>64</td><td>64</td><td>50</td><td>55</td><td>64</td><td>64</td><td>63</td><td>67</td><td>58</td><td>60</td><td>45</td><td>55</td></tr><tr><td>Triticale q/ha</td><td>84</td><td>84</td><td>82</td><td>82</td><td>65</td><td>68</td><td>71</td><td>71</td><td>67</td><td>89</td><td>71</td><td>73</td><td>50</td><td>60</td></tr><tr><td>Avoine hiver q/ha</td><td>68</td><td>68</td><td>68</td><td>68</td><td>43</td><td>51</td><td>58</td><td>58</td><td>50</td><td>68</td><td>56</td><td>56</td><td>43</td><td>58</td></tr><tr><td>Avoine printemps q/ha</td><td>63</td><td>63</td><td>63</td><td>63</td><td>38</td><td>46</td><td>53</td><td>53</td><td>45</td><td>63</td><td>51</td><td>51</td><td>38</td><td>53</td></tr><tr><td>Seigle q/ha</td><td>75</td><td>75</td><td>75</td><td>75</td><td>50</td><td>58</td><td>65</td><td>65</td><td>57</td><td>75</td><td>63</td><td>63</td><td>50</td><td>65</td></tr></tbody></table>
Rendements de référence par défaut (en cas d'absence de références sur l'exploitation) par type de sol Bourguignon (rendement y)

<table><thead><tr><th rowspan="2">Nom</th><th colspan="2">Limons argileux profonds</th><th colspan="2">Limons profonds</th><th rowspan="2">Argilo-calcaire superficiels</th><th rowspan="2">Argilo-calcaire moyens et craie Yonne</th><th rowspan="2">Argilo-calcaire profonds et terre argileuse calcaire</th><th rowspan="2">Argilo-limoneux décarbonatés</th><th rowspan="2">Argiles à silex</th><th rowspan="2">Alluvions argileuses et terre humifère</th><th rowspan="2">Limons sableux, hydromorphe</th><th rowspan="2">Limons sableux, sain</th><th rowspan="2">Sable</th><th rowspan="2">Terre argileuse ou argilo-sableuse, hydromorphe</th></tr><tr><th>MO&lt;2 %</th><th>MO&gt;2 %</th><th>MO&lt;2 %</th><th>MO&gt;2 %</th></tr></thead><tbody><tr><td>Culture</td><td colspan="15">Rendements potentiels moyens à la norme d'humidité (qx/ha ou tMS/ha)</td></tr><tr><td>Blé tendre hiver q/ha</td><td>85</td><td>85</td><td>85</td><td>85</td><td>60</td><td>68</td><td>75</td><td>75</td><td>67</td><td>85</td><td>73</td><td>73</td><td>60</td><td>75</td></tr><tr><td>Blé tendre printemps q/ha</td><td>75</td><td>75</td><td>75</td><td>75</td><td>50</td><td>58</td><td>65</td><td>65</td><td>57</td><td>75</td><td>63</td><td>63</td><td>50</td><td>65</td></tr><tr><td>Blé dur q/ha</td><td>76</td><td>76</td><td>76</td><td>76</td><td>51</td><td>59</td><td>66</td><td>66</td><td>58</td><td>76</td><td>64</td><td>64</td><td>51</td><td>66</td></tr><tr><td>Orge Hiver q/ha</td><td>78</td><td>78</td><td>78</td><td>78</td><td>58</td><td>66</td><td>75</td><td>75</td><td>65</td><td>78</td><td>70</td><td>70</td><td>60</td><td>70</td></tr><tr><td>Orge Printemps q/ha</td><td>72</td><td>72</td><td>64</td><td>64</td><td>50</td><td>55</td><td>64</td><td>64</td><td>63</td><td>67</td><td>58</td><td>60</td><td>45</td><td>55</td></tr><tr><td>Triticale q/ha</td><td>84</td><td>84</td><td>82</td><td>82</td><td>65</td><td>68</td><td>71</td><td>71</td><td>67</td><td>89</td><td>71</td><td>73</td><td>50</td><td>60</td></tr><tr><td>Avoine hiver q/ha</td><td>68</td><td>68</td><td>68</td><td>68</td><td>43</td><td>51</td><td>58</td><td>58</td><td>50</td><td>68</td><td>56</td><td>56</td><td>43</td><td>58</td></tr><tr><td>Avoine printemps q/ha</td><td>63</td><td>63</td><td>63</td><td>63</td><td>38</td><td>46</td><td>53</td><td>53</td><td>45</td><td>63</td><td>51</td><td>51</td><td>38</td><td>53</td></tr><tr><td>Seigle q/ha</td><td>75</td><td>75</td><td>75</td><td>75</td><td>50</td><td>58</td><td>65</td><td>65</td><td>57</td><td>75</td><td>63</td><td>63</td><td>50</td><td>65</td></tr><tr><td>Seigle fourrager t MS/ha</td><td>10</td><td>10</td><td>10</td><td>10</td><td>6</td><td>8</td><td>9</td><td>9</td><td>8</td><td>10</td><td>8</td><td>8</td><td>6</td><td>8</td></tr><tr><td>Epeautre q/ha</td><td>50</td><td>50</td><td>50</td><td>50</td><td>35</td><td>40</td><td>45</td><td>45</td><td>40</td><td>50</td><td>40</td><td>40</td><td>35</td><td>45</td></tr><tr><td>Maïs grain q/ha</td><td>104</td><td>104</td><td>105</td><td>105</td><td>70</td><td>75</td><td>82</td><td>82</td><td>73</td><td>110</td><td>97</td><td>100</td><td>70</td><td>85</td></tr><tr><td>Maïs ensilage tMS/ha</td><td>19</td><td>19</td><td>20</td><td>20</td><td>12</td><td>13</td><td>15</td><td>15</td><td>13</td><td>20</td><td>18</td><td>19</td><td>12</td><td>15</td></tr><tr><td>Sorgho Fourrager tMS/ha</td><td>15</td><td>15</td><td>16</td><td>16</td><td>10</td><td>10</td><td>12</td><td>12</td><td>10</td><td>16</td><td>14</td><td>15</td><td>10</td><td>12</td></tr><tr><td>Sorgho grain q/ha</td><td>94</td><td>94</td><td>95</td><td>95</td><td>60</td><td>65</td><td>72</td><td>72</td><td>63</td><td>100</td><td>87</td><td>90</td><td>60</td><td>75</td></tr><tr><td>Méteil tMS/ha</td><td>12</td><td>12</td><td>12</td><td>12</td><td>8</td><td>10</td><td>11</td><td>11</td><td>10</td><td>12</td><td>10</td><td>10</td><td>8</td><td>10</td></tr><tr><td>Colza q/ha</td><td>41</td><td>41</td><td>40</td><td>40</td><td>30</td><td>34</td><td>36</td><td>36</td><td>37</td><td>38</td><td>37</td><td>38</td><td>28</td><td>38</td></tr><tr><td>Moutarde q/ha</td><td>20</td><td>20</td><td>17</td><td>17</td><td>12</td><td>18</td><td>20</td><td>18</td><td>16</td><td>20</td><td>16</td><td>18</td><td>15</td><td>15</td></tr><tr><td>Lin oléagineux q/ha</td><td>24</td><td>24</td><td>24</td><td>24</td><td>24</td><td>24</td><td>24</td><td>24</td><td>24</td><td>24</td><td>24</td><td>24</td><td>24</td><td>24</td></tr></tbody></table>
A ce stade, on a

<figure><img src="image_40.png" /></figure>

Azote absorbé par la culture
BESOIN (bY)

<figure><img src="image_41.png" /></figure>

AZOTE MINERAL DU SOL

* État initial (N hiver) (Ri)

* Ouverture du bilan : L'ouverture du bilan désigne la date de début du cycle cultural considérée. L'ouverture du bilan (donc le calcul de la dose prévisionnelle d'azote) doit se faire au début du cycle de la culture (au semis) ou au plus tard en sortie d'hiver pour certaines cultures. Dans ce dernier cas, la quantité d'azote déjà absorbée par la culture depuis le semis doit être prise en compte.
A ce stade, on a

<table><tr><td>Blé tendre hiver q/ha</td><td>85</td><td>85</td><td>85</td><td>85</td><td>60</td><td>68</td><td>75</td><td>75</td><td>67</td><td>85</td><td>73</td><td>73</td><td>60</td><td>75</td></tr></table>

Azote absorbé par la culture

BESOIN (bY)

<figure><img src="image_42.png" /></figure>

AZOTE MINERAL DU SOL

* État initial (N hiver) (Ri)

<table><thead><tr><th rowspan="2">Culture en place</th><th rowspan="2">Culture précédente ou CIPAN</th><th colspan="3">Profondeur du sol (sols limoneux)</th></tr><tr><th>superficiel</th><th>Moyen PROFOND</th><th>Profond</th></tr></thead><tbody><tr><td rowspan="4">Céréales d'hiver</td><td>Colza, pois</td><td>10</td><td>20</td><td>25</td></tr><tr><td>Tournesol</td><td>5</td><td>10</td><td>15</td></tr><tr><td>Céréales</td><td>5</td><td>15</td><td>20</td></tr><tr><td>Luzerne</td><td>15</td><td>25</td><td>35</td></tr><tr><td>Colza</td><td>Céréales</td><td>5</td><td>10</td><td>15</td></tr><tr><td rowspan="2">Cultures de printemps</td><td>Sans CIPAN</td><td>15</td><td>30</td><td>45</td></tr><tr><td>Avec CIPAN</td><td>10</td><td>20</td><td>30</td></tr></tbody></table>
A ce stade, on a

<table><thead><tr><th rowspan="2">Culture en place</th><th rowspan="2">Culture précédente ou CIPAN</th><th colspan="3">Profondeur du sol (sols limoneux)</th></tr><tr><th>superficiel</th><th>Moyennem ent profond</th><th>Profo nd</th></tr></thead><tbody><tr><td rowspan="4">Céréales d'hiver</td><td>Colza, pois</td><td>10</td><td>20</td><td>25</td></tr><tr><td>Tournesol</td><td>5</td><td>10</td><td>15</td></tr><tr><td>Céréales</td><td>5</td><td>15</td><td>20</td></tr><tr><td>Luzerne</td><td>15</td><td>25</td><td>35</td></tr><tr><td>Colza</td><td>Céréales</td><td>5</td><td>10</td><td>15</td></tr><tr><td rowspan="2">Cultures de printemps</td><td>Sans CIPAN</td><td>15</td><td>30</td><td>45</td></tr><tr><td>Avec CIPAN</td><td>10</td><td>20</td><td>30</td></tr></tbody></table>

Blé tendre hiver q/ha

85

85

85

85

60

68

75

75

67

85

73

73

60

75

Azote absorbé par la culture
BESOIN (bY)

<figure><img src="image_43.png" /></figure>

AZOTE MINERAL DU SOL

* État initial (N hiver) (Ri)

* État final (N récolte) (Rf)
A ce stade, on a : (bY + Rf ) >>> Ri

<table><thead><tr><th rowspan="2"></th><th colspan="2">Numéro type de sol COMIFER (voir</th><th rowspan="2">Culture en place</th><th rowspan="2">Culture précédente ou CIPAN</th><th colspan="3">Profondeur du sol (sols limoneux)</th></tr><tr><th>2/6</th><th>3/8/11</th><th>superficiel</th><th>Moyennem ent profond</th><th>Profo nd</th></tr></thead><tbody><tr><td>Sol superficiel (0 à 30 cm)</td><td>5</td><td>10</td><td rowspan="2">Céréales d'hiver</td><td>Colza, pois</td><td>10</td><td>20</td><td>25</td></tr><tr><td>Moyennement profond (0 à 60 cm)</td><td>10</td><td>15</td><td>Tournesol</td><td>5</td><td>10</td><td>15</td></tr><tr><td>Profond (0 à 90 cm)</td><td>15</td><td>20</td><td>Céréales</td><td>Luzerne</td><td>5</td><td>15</td><td>20</td></tr><tr><td>Très profond (0 à 120 cm)</td><td>20</td><td>30</td><td>Colza</td><td>Céréales</td><td>5</td><td>10</td><td>15</td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td rowspan="2">Cultures de printemps</td><td>Sans CIPAN</td><td>15</td><td>30</td><td>45</td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td>Avec CIPAN</td><td>10</td><td>20</td><td>30</td></tr></tbody></table>
# Méthode du bilan prévisionnel

Principe : Equilibrer les besoins de la culture par l'apport d'une quantité d'azote disponible

L'équilibre est défini par l'équation du bilan : Entrées d'azote – Sorties d'azote = 0 = Ef – Ei

L'apport d'une quantité d'azote disponible (nitrate et ammonium)

Que se passe-t-il dans les sols ?
# Fourniture d'azote par les sols

Principe : Equilibrer les besoins de la culture par l'apport d'une quantité d'azote disponible

L'équilibre est défini par l'équation du bilan : Entrées d'azote – Sorties d'azote = 0 = Ef – Ei

L'apport d'une quantité d'azote disponible (nitrate et ammonium)

Que se passe-t-il dans les sols ?

Minéralisation des matières organiques
# Les Matières Organiques dans les sols, de quoi parle-t-on ?

- Elles représentent **environ 1 – 5 %** de la matière contenue dans les sols, avec une grande variabilité de ce taux

## - Molécules

- de taille, de structure, de composition, d'origine et de devenir **très divers**

- ayant en commun d'être construites autour d'un **squelette carboné** (~ 55 – 60 %).

- **Contenant de l'azote – C/N de l'ordre de 10**

## - Ce sont des molécules **en interaction avec le monde vivant**

- Elles en sont issues

- Elles le constituent

- Elles constituent une ressource énergétique et nutritive

## - Elles sont aussi **en interaction physique avec la matière minérale** des sols

<figure><img src="image_44.png" /><figcaption>labile</figcaption></figure>

<caption>lent</caption>

<figure><img src="image_45.png" /><figcaption>stable</figcaption></figure>

<figure><img src="image_46.png" /></figure>

<figure><img src="image_47.png" /></figure>

<figure><img src="image_48.png" /></figure>

<figure><img src="image_49.png" /></figure>

<figure><img src="image_50.png" /></figure>

<figure><img src="image_51.png" /></figure>

<figure><img src="image_52.png" /></figure>

<figure><img src="image_53.png" /></figure>

1 m² soil

>10000 bacterial and fungal types

100-1000 invertebrate species

<figure><img src="image_54.png" /></figure>

<figure><img src="image_55.png" /></figure>

<figure><img src="image_56.png" /></figure>

<figure><img src="image_57.png" /></figure>

<figure><img src="image_58.png" /></figure>

<figure><img src="image_59.png" /></figure>

<figure><img src="image_60.png" /></figure>

<figure><img src="image_61.png" /><figcaption>µagrégat avec des particules d'illites autour d'une colonie bactérienne en décomposition (Feller et Chenu, 2012)</figcaption></figure>
> les stocks de MO dans les sols?

<figure><img src="image_62.png" /></figure>

D'après Arrouyas et Martin, 2015
<figure><img src="image_63.png" /><figcaption># Schéma simplifié de la décomposition des matières organiques dans les sols</figcaption></figure>

Source : Nicolardot B.
L'ammonification

* Ce processus correspond à la dégradation des protéines, peptides, amides, acides aminés, acides nucléiques, et même de molécules de très haut poids moléculaires jusqu'à la forme $NH_4^+$.

* Ce sont des réactions d'**hydrolyse** (Hydrolyse des protéines et des peptines catalysées par des protéinases et peptidases appartenant à différents groupes selon leur mécanismes de catalyse (exemple sérine protéases, les acides protéases, ..)), de **déamination**, de **décarboxylation**, ...

* Ces enzymes peuvent avoir des origines différentes : microbiennes, végétales et animales. Ces enzymes peuvent fonctionner de façon endocellulaire, dans des cellules vivantes ou mortes, adsorbées sur des colloïdes du sol ou libres dans la solution du sol. Certaines étapes nécessitent la synthèse d'enzymes nouvelles.

* Le groupe azotée d'une molécule reçoit un proton ($H^+$) et l'atome de C de la liaison C-N reçoit $OH^-$.
* Minéralisation de matières humifiées

<figure><img src="image_64.png" /></figure>

$$Norg = N_0 + N_s$$

$N_0$ : N minéralisable

$N_s$ : N stable

$$\frac{dN}{dt} = \frac{d(N_0 - N)}{dt} = k (N_0 - N)$$

$$N = N_0 (1 - e^{-kt})$$

N : quantité de N minéral produite à t

$N_0$ : quantité de N minéral, potentiellement productible, ou N minéralisable

k constante de vitesse caractéristique

k et $N_0$ : paramètres à définir, utilisation de méthodes d'ajustement mathématique.

* Minéralisation de matières organiques fraîches

<figure><img src="image_65.png" /></figure>

Cinétique de minéralisation dans le sol témoins et le sol enrichi d'eaux résiduaires, à 20°C, sur 258 jours

<figure><img src="image_66.png" /></figure>

Même type de cinétique, mais meilleure description si on considère 3 compartiments :

$$N_{orga} = N_1 + N_2 + N_3$$

$N_1$ : Norga facilement minéralisable

$N_2$ : Norga lentement minéralisable

$N_3$ : Norga stable

Process aussi très dépendant des conditions de température, d'humidité du sol ainsi que du sol lui-même
<figure><img src="image_67.png" /><figcaption># Schéma simplifié de la décomposition des matières organiques dans les sols</figcaption></figure>

Source : Nicolardot B.
Des formes minérales aux formes organiques, les étapes d'immobilisation ou de réorganisation, et d'humification

* L'immobilisation est définie comme la transformation des composés azotés inorganiques en composés organiques. Les organismes du sol assimilent des composés inorganiques et les transforment en constituants organiques de leurs cellules et tissus.

* Rq : l'assimilation par les plantes et la fixation de N₂ sont exclus des processus d'immobilisation.

* La minéralisation et la réorganisation fonctionnent simultanément dans le sol. On parle en général selon le cas de réorganisation nette ou de minéralisation nette :

* V(minéralisation) > V(réorganisation) : minéralisation nette

* V(minéralisation) < V(réorganisation) : réorganisation nette
# Réorganisation 2

* Pour distinguer le fonctionnement de ces deux étapes du cycle de l'azote, l'utilisation des techniques isotopiques est quasiment indispensables.

* L'équilibre entre de ces deux processus dépend de nombreux facteurs, dont :

* Les conditions climatiques (alternances de phases aéro / anaérobies)

* La présence de plantes

* Les propriétés physico-chimiques des sols (pH, la présence de composés toxiques, ...)

* Des apports de composés organiques ou inorganiques dans le sol

* La combinaison minéralisation / réorganisation évolue dans le temps – Nicolardot et al. 2002.

* En cas d'apport d'azote dans le sol sous forme d'effluents, le type d'effluent a un impact sur la vitesse de réorganisation qui, elle – même dépend des caractéristiques du sol.
# Réorganisation 3

<figure><img src="image_68.png" /></figure>

Time (days at 15°C)

<table><caption>Figure 5: Minéralisation-organisation de l'azote de 7 effluents étudiés (CM(1) : FB(8) ; CM(2) : FB manure : FV ; Pig sawdust litter : Lit P)</caption><tr><td>CM (1)</td><td>Compost from CM (1)</td></tr><tr><td>CM (2)</td><td>Compost from CM (2)</td></tr><tr><td>Poultry manure</td><td>Compost of pig manure</td></tr><tr><td>Pig sawdust litter</td><td></td></tr></table>
<figure><img src="image_69.png" /><figcaption>Les réactions d'oxydo-réduction du cycle de l'azote</figcaption></figure>
<figure><img src="image_70.png" /><figcaption>Les réactions d'oxydo-réduction du cycle de l'azote</figcaption></figure>
<figure><img src="image_71.png" /><figcaption>Valeurs issues de l'annexe à l'arrêté préfectoral BFC, 2019 (p 24)</figcaption></figure>

<table><thead><tr><td>Type de sol</td><td>Cultures de céréales</td></tr></thead><tbody><tr><td>Limons argileux profonds</td><td>20 à 25 selon le taux de MO</td></tr><tr><td>Argilo-calcaires superficiels</td><td>15</td></tr><tr><td>Alluvions argileuses</td><td>35</td></tr></tbody></table>
# Nitrification

* Réalisée par des microorganismes autotrophes (bactéries et archébactéries) – très spécifiques

<figure><img src="image_72.png" /></figure>

$$ \mathrm{NH_3/NH_4^+ + 3/2 O_2} \longrightarrow \mathrm{NO_2^- + H_2O + 2 H^+} $$

$$ \mathrm{NO_2^- + 1/2 O_2} \longrightarrow \mathrm{NO_3^-} $$

La nitrification peut conduire à une acidification du milieu

$N_2O$ peut être libéré au cours de l'oxydation de l'ammonium

Il existe des inhibiteurs commercialisés pour ralentir cette transformation, afin de réguler la libération du nitrate

(réduit aussi les émissions de $N_2O$)
La nitrification

* La nitrification est définie comme une oxydation biologique de l'ammonium en nitrite et nitrate, ou comme une augmentation de l'état d'oxydation de l'azote.

* La disponibilité en carbone et en énergie dans les sols est généralement un facteur limitant l'assimilation de $NH_4^+$ pour former de la biomasse microbienne. $NH_4^+$ est généralement oxydé en $NO_3^-$ Cette transformation est la nitrification.

* La nitrification dans les milieux naturels peut être réalisée par une microflore hétérotrophe.

* La nitrification dans les sols est généralement réalisée par des bactéries gram négative, autotrophe de la famille des *Nitrobacteriaceae*. Le processus de nitrification fonctionne dans de nombreux environnements. Malgré cela la diversité des organismes nitrifiants apparaît peu importante.

* Depuis récemment, la participation des archéobactéries à la nitrification apparaît essentielle
# Nitrification autotrophe

$$ \bullet \ \mathrm{NH_4^+ / NH_3} \rightarrow \mathrm{NH_2OH} \rightarrow \mathrm{NO_2^-} \rightarrow \mathrm{NO_3^-} $$

* La **nitritation** est la transformation de l'ammonium en nitrites. La première étape de la nitritation est catalysée par l'enzyme ammoniac mono-oxygénase qui permet l'incorporation d'un atome d'oxygène dans la molécule NH3 pour former NH2OH (hydroxylamnine). Cette étape consomme de l'énergie.

* L'hydroxylamine ainsi formée est ensuite oxydée en nitrites. Un atome d'oxygène qui provient d'une molécule d'eau est introduit dans la molécule d'hydroxylamine grâce à l'enzyme hydroxylamine oxydase (HAO)

* Les différentes enzymes de cette chaîne de réactions sont situées dans la membrane cellulaire, celle-ci présentant une structure particulière avec de nombreux sites d'activités enzymatiques.

$$ \begin{align*} \mathrm{NH_3} + \mathrm{O_2} + 2\mathrm{H^+} + 2\mathrm{e^-} &\rightarrow \mathrm{NH_2OH} + \mathrm{H_2O} \\ \mathrm{E} + \mathrm{H_2NOH} &\rightarrow \mathrm{E-NO^+} + 3\mathrm{H^+} + 4\mathrm{e^-} \\ \mathrm{E-NO^+} + \mathrm{H_2O} &\rightarrow \mathrm{E} + \mathrm{NO_2^-} + 2\mathrm{H^+} \end{align*} $$

* Cette transformation implique le passage par l'intermédiaire [NOH] et produit de l'énergie.

* Les nitrifiants autotrophes synthétisent leurs constituants cellulaires à partir du CO2 (cycle de Calvin) et d'ATP.

* L'étape d'oxydation de l'ammonium en nitrites est réalisée généralement par les bactéries du genre *Nitrosomonas*, *Nitrosospira*, *Nitrosovibrio*, *Nitrosolobus*,...+ archéo

* L'autre étape de la nitrification est l'oxydation des NO2⁻ en NO3⁻ par *Nitrobacter*. C'est la **nitratation**. Cette réaction libère de l'énergie.

$$ \bullet \ \mathrm{NO_2^-} + \frac{1}{2} \mathrm{O_2} \rightarrow \mathrm{NO_3^-} $$

* Cette reaction implique une nitrite oxydase
# Nitrification hétérotrophe

$$ \begin{array}{ccccl} \cdot & \mathrm{RNH_2} & \rightarrow & \mathrm{RNHOH} & \rightarrow & \mathrm{R-NO} \\ & (-3) & & (-1) & (+1) & (+3) \\ & & & & & (+5) \end{array} \rightarrow \mathrm{RNO_3} \rightarrow \mathrm{NO_3^-} $$

* Très peu étudiée

* Réalisée majoritairement par des champignons (*Aspergillus*), y compris des ectomycorrhizes
<figure><img src="image_73.png" /><figcaption>Emissions gazeuses au cours de la nitrification</figcaption></figure>
A ce stade, on a : $(bY + Rf) > Ri + Mh$

<figure><img src="image_74.png" /></figure>
<figure><img src="image_75.png" /></figure>

N₂

Fixation symbiotique

labile

lent

stable

Minéralisation de l'humus

Nitrification

NH₄⁺

Organisation
<figure><img src="image_76.png" /></figure>

N₂

Fixation symbiotique

labile

lent

stable

Minéralisation de l'humus

Nitrification

NH₄⁺

Organisation
Azote absorbé par la culture
BESOIN (bY)

MINERALISATION

• Humus (Mh)

• Résidus du précédent cultural (Mr)

<figure><img src="image_77.png" /></figure>

<figure><img src="image_78.png" /></figure>

AZOTE MINERAL DU SOL

• État initial (N hiver) (Ri)

• État final (N récolte) (Rf)
Azote absorbé par la culture
BESOIN (bY)

MINERALISATION

• Humus (Mh)

• Résidus du précédent cultural (Mr)

<figure><img src="image_79.png" /></figure>

AZOTE MINERAL DU SOL

• État initial (N hiver) (Ri)

• État final (N récolte) (Rf)

<figure><img src="image_80.png" /></figure>

<table><thead><tr><td>Précédent</td><td>Mr - Sortie hiver</td></tr></thead><tbody><tr><td>Betterave</td><td>20</td></tr><tr><td>Céréales pailles enfouies</td><td>-20</td></tr><tr><td>Colza</td><td>20</td></tr><tr><td>Pois</td><td>20</td></tr></tbody></table>

Valeurs issues de l'annexe à l'arrêté préfectoral BFC, 2019 (p 27)
A ce stade, on a : $(bY + Rf) > Ri + Mh + Mr$

<figure><img src="image_81.png" /></figure>
MINERALISATION

• Humus (Mh)

• Résidus du précédent cultural (Mr)

Azote absorbé par la culture
BESOIN (bY)

<figure><img src="image_82.png" /></figure>

AZOTE MINERAL DU SOL

• État initial (N hiver) (Ri)

• État final (N récolte) (Rf)

<figure><img src="image_83.png" /></figure>

Fuites vers l'environnement
F

Pb de **synchronie** entre le
besoin de la plante et la
fourniture de Nmin
Azote absorbé par la culture
BESOIN (bY)

MINERALISATION

• Humus (Mh)

• Résidus du précédent cultural (Mr)

AZOTE MINERAL DU SOL

• État initial (N hiver) (Ri)

• État final (N récolte) (Rf)

<figure><img src="image_84.png" /></figure>

<figure><img src="image_85.png" /></figure>

C

Fuites vers l'environnement
F
<figure><img src="image_86.png" /></figure>

<figure><img src="image_87.png" /><figcaption>**Figure 4.** Long-term trends in anthropogenic nitrogen inputs to terrestrial ecosystems during the period from 1860 to 2019. N input to global terrestrial ecosystems stems from three major categories: N fertilizer, manure N, and N deposition. These categories are further divided into 10 specific types: $NH_4^+$-N fertilizer applied to cropland, $NO_3^-$-N fertilizer applied to cropland, $NH_4^+$-N fertilizer applied to pasture, $NO_3^-$-N fertilizer applied to pasture, manure N application on cropland, manure N application on pasture, manure N deposition on pasture, manure N deposition on rangeland, $NH_3$-N deposition, and $NO_y$-N deposition.</figcaption></figure>
A ce stade, on a : $(bY + Rf) > Ri + Mh + Mr - F + C$

<figure><img src="image_88.png" /></figure>
<figure><img src="image_89.png" /></figure>

N₂

Fixation

labile

lent

stable

Nitrification

NH₄⁺

Organisation

Minéralisation de l'humus
<figure><img src="image_90.png" /></figure>

N₂

Fixation

labile

lent

stable

Nitrification

NH₄⁺

Organisation

Minéralisation de l'humus
MINERALISATION

• Humus (Mh)

• Résidus du précédent cultural (Mr),

• Amendements organiques (Ma)

Azote absorbé par la culture
BESOIN (bY)

<figure><img src="image_91.png" /></figure>

Fuites vers l'environnement
F

ENGRAIS
(X)

AZOTE MINERAL DU SOL

• État initial (N hiver) (Ri)

• État final (N récolte) (Rf)
A ce stade, on doit s'arranger pour que
(bY + Rf) = Ri + Mh + Mr + Ma + X - F + C, en minimisant F

<figure><img src="image_92.png" /></figure>
# Spécificités de Ma

• Ma = Npro x Q x Keq

Avec

Npro : teneur en azote total du produit (kg N par unité de volume ou de masse

Q : volume ou masse de produit épandu à l'hectare

Keq : coefficient d'équivalence engrais minéral efficace
## Teneur en azote par type d'effluents (Npro)

Types de produits :

- A = fumiers et composts (décomposition lente)

- B et C = autres, ainsi que les fumiers de volaille (décomposition rapide)

Dans le cas où plusieurs types de produits sont apportés (des A et des BC), alors on privilégie les types A.

## Références de composition des effluents par type et espèce animale

(en kg par tonne de produit brut pour les solides et par m3 de produit brut pour les liquides)

### BOVINS

<table><thead><tr><td>Matière organique</td><td>Type</td><td>Observations</td><td>Npro</td><td>Source</td></tr></thead><tbody><tr><td>Compost de fumier de bovins</td><td>A</td><td>litière accumulée</td><td>6,5</td><td>COMIFER</td></tr><tr><td>Compost élevage laitier</td><td>A</td><td>(23%MS)</td><td>6,1</td><td>CA70</td></tr></tbody></table>
## Coefficient d'équivalence engrais

* pour les principaux effluents d'élevage (Keq)

### Cultures d'automne (céréales, colza...)

<table><thead><tr><th rowspan="2">Exemples de types PRO</th><th rowspan="2">Type</th><th colspan="2">Périodes d'apport</th></tr><tr><th>Apports automne</th><th>Apports printemps</th></tr></thead><tbody><tr><td>Compost de fumier de bovins et de porcs</td><td>A/B</td><td>0,05</td><td>0,10</td></tr><tr><td>Fumier de bovins pailleux et décomposés</td><td>A</td><td>0,10</td><td>0,15</td></tr><tr><td>Fumiers de porcs, fumiers de volailles,</td><td>B</td><td>0,10</td><td>0,20</td></tr><tr><td>Lisier de porcs et de volailles, lisier de bovins</td><td>C</td><td>0,15</td><td>0,45</td></tr></tbody></table>
Les engrais minéraux issus de l'industrie
(processus Haber Bosch)

- À base

- D'ammonium

- De nitrate

- D'urée, ...
F

Lessivage : hypothèse : se produit hors période d'ouverture du bilan (L=0) dans le calcul

Volatilisation : Eviter ou réduire les pertes par volatilisation d'ammoniac (annexe 10)
<figure><img src="image_93.png" /><figcaption>Figure 2. Photographie de la façade ouest du lysimètre (photo : EMMAH).</figcaption></figure>

<figure><img src="image_94.png" /><figcaption>Figure 4. Photographie des drains avant l'installation des débitmètres (photo : EMMAH).</figcaption></figure>

<table><tbody><tr><td rowspan="2">Mineral N (kg N ha<sup>-1</sup>)</td><td>2014</td><td>102</td><td>84</td><td>84</td><td>45</td><td>114</td><td>132</td></tr><tr><td>2015</td><td>120</td><td>120</td><td>54</td><td>120</td><td>160</td><td>135</td></tr><tr><td rowspan="3">Organic N (kg N ha<sup>-1</sup>)</td><td>2016</td><td>96</td><td>98</td><td>61</td><td>57</td><td>98</td><td>92</td></tr><tr><td>2017</td><td>80</td><td>76</td><td>48</td><td>91</td><td>89</td><td>111</td></tr><tr><td>2014</td><td>0</td><td>233</td><td>23</td><td>156</td><td>30</td><td>42</td></tr><tr><td rowspan="3">Mineral N is the sum of ammoniacal N</td><td>2015</td><td>0</td><td>0</td><td>21</td><td>0</td><td>47</td><td>38</td></tr><tr><td>2016</td><td>0</td><td>201</td><td>27</td><td>131</td><td>40</td><td>31</td></tr><tr><td>2017</td><td>0</td><td>0</td><td>29</td><td>0</td><td>34</td><td>35</td></tr></tbody></table>

<table><thead><tr><th colspan="5">TS/MO trial</th></tr><tr><th></th><th>T_MIN</th><th>CT_CM</th><th>RT_MIN</th><th>RT_CM</th></tr></thead><tbody><tr><td>2014-2015</td><td>113</td><td>27.4</td><td>113</td><td>27.4</td></tr><tr><td>2015-2016</td><td>120</td><td>120</td><td>80</td><td>80</td></tr><tr><td>2016-2017</td><td>102</td><td>68</td><td>102</td><td>68</td></tr><tr><td>2017-2018</td><td>95</td><td>80</td><td>95</td><td>80</td></tr><tr><td>Nitrate concentration (mg N03 l-1)</td><td>0</td><td>233</td><td>0</td><td>233</td></tr></tbody></table>

<figure><img src="image_95.png" /><figcaption>Fig. 2. Dynamics of nitrate concentrations over the 4 drainage seasons at depths of 40 and 90 cm. Whiskers indicate 1.5 times the interquartile range.</figcaption></figure>
<caption>**Table 2**</caption>

Rates of mineral and organic nitrogen (N) applied per year from 2014 to 2017 (mineral N is the sum of ammoniacal N of the organic waste product (OWP) and the N from the mineral fertilizer).

<table><thead><tr><th rowspan="2">Parameter</th><th rowspan="2">Date</th><th colspan="5">PROs trial</th><th colspan="5">TS/MO trial</th></tr><tr><th>MIN</th><th>CM+N</th><th>PoM</th><th>CPigM+N</th><th>PS</th><th>PS-DIG</th><th>CT_MIN</th><th>CT_CM</th><th>RT_MIN</th><th>RT_CM</th></tr></thead><tbody><tr><td rowspan="4">Mineral N (kg N ha<sup>-1</sup>)</td><td>2014</td><td>102</td><td>84</td><td>84</td><td>45</td><td>114</td><td>132</td><td>113</td><td>27.4</td><td>113</td><td>27.4</td></tr><tr><td>2015</td><td>120</td><td>120</td><td>54</td><td>120</td><td>160</td><td>135</td><td>120</td><td>120</td><td>80</td><td>80</td></tr><tr><td>2016</td><td>96</td><td>98</td><td>61</td><td>57</td><td>98</td><td>92</td><td>102</td><td>68</td><td>102</td><td>68</td></tr><tr><td>2017</td><td>80</td><td>76</td><td>48</td><td>91</td><td>89</td><td>111</td><td>95</td><td>80</td><td>95</td><td>80</td></tr><tr><td rowspan="3">Organic N (kg N ha<sup>-1</sup>)</td><td>2014</td><td>0</td><td>233</td><td>23</td><td>156</td><td>30</td><td>42</td><td>0</td><td>233</td><td>0</td><td>233</td></tr><tr><td>2015</td><td>0</td><td>0</td><td>21</td><td>0</td><td>47</td><td>38</td><td>0</td><td>0</td><td>0</td><td>0</td></tr><tr><td>2016</td><td>0</td><td>201</td><td>27</td><td>131</td><td>40</td><td>31</td><td>0</td><td>201</td><td>0</td><td>201</td></tr><tr><td></td><td>2017</td><td>0</td><td>0</td><td>29</td><td>0</td><td>34</td><td>35</td><td>0</td><td>0</td><td>0</td><td>0</td></tr></tbody></table>

<figure><img src="image_96.png" /><figcaption>**Fig. 2.** Dynamics of nitrate concentrations over the 4 drainage seasons at depths of 40 and 90 cm. Whiskers indicate 1.5 times the interquartile range.</figcaption></figure>
# F : fuites vers l'environnement

<figure><img src="image_97.png" /></figure>

## Concentrations moyennes annuelles en nitrates

Champ: France entière. Eaux souterraines.

Sources: Système d'information sur l'eau - https://www.eaufrance.fr/, Traitements: SDES, 2019

## Classe de concentration

(en mg/l) :

<figure><img src="image_98.png" /></figure>

Année

2017

Niveau

Tout

Nombre de stations
de mesure

Tout

<figure><img src="image_99.png" /><figcaption>Carte 8: Carte de l'évolution de la concentration moyenne en nitrates entre la 1ère et la 7ème campagne pour les stations communes avec mesures en eau souterraine</figcaption></figure>
Application du 6ème Programme d'Actions en zones vulnérables

Fertilisants de type I :

Les fertilisants azotés C/N élevé, déjections animales avec litière. La valeur limite de C/N supérieur à 8, éventuellement corrigée selon la forme du carbone, est retenue comme valeur guide.

Fertilisants de type II :

Les fertilisants azotés à C/N bas, déjections animales sans litière (lisiers bovin et porcin, fumier et lisier de volailles, fientes de volailles, digestats bruts de méthanisation). La valeur limite de C/N inférieur ou égal à 8 est retenue comme valeur guide. Certaines associations de produits comme les déjections associées à des matières carbonées difficilement dégradables (type sciure ou copeaux de bois), malgré un C/N élevé sont à rattacher au type II.

Fertilisants de type III :

Les fertilisants azotés minéraux et uréiques de synthèse y compris en fertirrigation.

• Les apports d'azote minéral doivent respecter les modalités de fractionnement figurant au tableau ci-après :

<table><thead><tr><th>Culture</th><th>Fractionnement de l'apport minéral</th><th>Plafonnement des apports du 1er février au 15 février</th><th>Plafonnement des apports du 1er mars février au 1er mars</th><th>Plafonnement des apports d'azote suivants</th></tr></thead><tbody><tr><td>Céréales à paille</td><td>2 apports minimum</td><td>Le total des apports effectués est plafonné à 50 kgN/ha</td><td>Le total des apports effectués est plafonné 80 kgN/ha</td><td>Plafonnés à 120 kg N/ha</td></tr><tr><td>Colza - Moutarde</td><td>2 apports minimum</td><td>Le total des apports effectués est plafonné 80 kgN/ha</td><td></td><td>Plafonnés à 120 kg N/ha</td></tr></tbody></table>

<table><thead><tr><th>Culture</th><th>Fractionnement de l'apport minéral</th><th>Modalités du premier apport minéral</th><th>Plafonnement des apports d'azote suivants</th></tr></thead><tbody><tr><td>Mais</td><td>2 apports minimum</td><td>Plafonné à 80 kgN/ha s'il est effectué avant le 1er juin</td><td>Plafonnés à 120 kg N/ha</td></tr></tbody></table>

Calendrier d'interdiction d'épandage des fertilisants azotés
(PAN arrêté du 19 décembre 2011 + 6<sup>ème</sup> PAR)

<table><thead><tr><th rowspan="3">OCCUPATION DU SOL<br>Pendant ou suivant l'épandage<br>(culture principale)</th><th colspan="4">TYPES DE FERTILISANTS</th></tr><tr><th colspan="2">Type I</th><th rowspan="2">Type II</th><th rowspan="2">Type III</th></tr><tr><th>Fumiers compacts pailleux<br>et composites d'effluents<br>d'élevage <sup>(1)</sup></th><th>Autres effluents de type I</th></tr></thead><tbody><tr><td>Sols non cultivés</td><td colspan="4">Toute l'année</td></tr><tr><td>Cultures implantées à<br>l'automne ou en fin d'été<br>(autres de colza)</td><td>Du 15 novembre au 15 janvier</td><td>Du 1er octobre au 31 janvier</td><td>Du 1er juillet au 31 janvier</td><td>Du 1er juillet au 31 janvier</td></tr><tr><td>Colza implanté à l'automne</td><td>Du 15 novembre au 15 janvier</td><td>Du 15 octobre au 31 janvier</td><td>Du 1er septembre au 31 janvier</td><td>Du 1er juillet au 31 janvier</td></tr><tr><td>Cultures implantées au<br>printemps non précédées par<br>une CIPAN ou une culture<br>dérobée</td><td>Du 1er juillet au 31 août et du<br>15 novembre au 15 janvier</td><td>Du 1er juillet au 15 janvier</td><td>Du 1er juillet au 31 janvier <sup>(2)</sup><br>(mais : du 1er au 15 février<br>pour les départements 70 et<br>90)</td><td>Du 1er juillet <sup>(3)</sup> au 15 février</td></tr><tr><td>Cultures implantées au<br>printemps précédées par une<br>CIPAN<br>ou une culture dérobée</td><td>De 20 jours avant destruction<br>de la CIPAN ou la récolte de<br>la dérobée et jusqu'au 15<br>janvier</td><td>Du 1er juillet à 15 jours<br>avant l'implantation de la<br>CIPAN ou de la dérobée<br>et de 20 jours avant la<br>destruction de la CIPAN<br>ou la récolte de la<br>dérobée et jusqu'au 15<br>janvier</td><td>Du 1er juillet <sup>(7)</sup> à 15 jours<br>avant l'implantation de la<br>CIPAN ou de la dérobée et<br>de 20 jours avant la<br>destruction de la CIPAN ou<br>la récolte de la dérobée et<br>jusqu'au 31 janvier<br>(mais : du 1er au 15 février<br>pour les départements 70<br>et 90)</td><td>Du 1er juillet <sup>(3)</sup> <sup>(4)</sup> au 15 février</td></tr><tr><td colspan="5">Le total des apports avant et sur la dérobée est limité à 70 kg d'azote efficace/ha <sup>(5)</sup><br>Le total des apports avant et sur la CIPAN est limité à 40 kg d'azote efficace/ha <sup>(5)</sup></td></tr><tr><td>Prairies implantées depuis<br>plus de 6 mois dont prairies<br>permanentes, luzerne</td><td>Du 15 décembre au 15 janvier <sup>(6)</sup></td><td></td><td>Du 15 novembre au 15 janvier <sup>(6)</sup><br>(Du 16 au 31 janvier pour les<br>départements 70 et 90)</td><td>Du 1er octobre au 15 février<br>Du 15 au 28 février (en zones de<br>montagne)</td></tr><tr><td>Pépinières forestières,<br>horticulture, pépinières<br>ornementales et vergers</td><td>Du 15 décembre au 15 janvier</td><td></td><td>Du 1er novembre au 31 janvier</td><td>Du 1er octobre au 31 janvier</td></tr><tr><td>Vignes</td><td>Du 1er juillet jusqu'aux vendanges<br>et du 15 décembre au 15 janvier</td><td></td><td>Du 1er juillet au 31 janvier <sup>(7)</sup></td><td>Du 1er juillet au 31 janvier</td></tr><tr><td>Cultures maraîchères</td><td>Du 15 décembre au 15 janvier</td><td></td><td>Du 1er novembre au 15 janvier</td><td>Du 15 novembre au 15 janvier</td></tr><tr><td>Autres cultures (cultures<br>pérennes, cultures porte-<br>graines...)</td><td>Du 15 décembre au 15 janvier</td><td></td><td>Du 15 décembre au 15 janvier</td><td>Du 15 décembre au 15 janvier</td></tr></tbody></table>

<footnote>(1) Peuvent également être considérés comme relevant de cette colonne certains effluents relevant d'un plan d'épandage sous réserve que l'effluent brut à épandre ait un C/N ≥ 25 et que le comportement dudit effluent vis à vis de la libération d'azote ammoniacal issu de sa minéralisation et vis à vis de l'azote du sol soit tel que l'épandage n'entraîne pas de risque de lixiviation de nitrates.</footnote>
# Mecanismes sous-jacents

<figure><img src="image_100.png" /><figcaption>## Des équilibres physico-chimiques</figcaption></figure>

<figure><img src="image_101.png" /><figcaption>## Des respirations microbiennes</figcaption></figure>
<figure><img src="image_102.png" /><figcaption>Les tunnels de ventilation, d'une surface expérimentale d'un mètre-carré, sont utilisés pour étudier l'effet d'un ou de plusieurs facteurs.</figcaption></figure>

## AGRÉGATION TEMPORELLE : estimer les émissions sur quelques heures comme sur une année culturale

<figure><img src="image_103.png" /><figcaption>**Figure 2** Agrégation sur l'année culturale 2010-2011 des émissions d'ammoniac estimées par Cadastre_NH₃ à l'échelle de quelques km². Le total des émissions françaises agrégées cette année-là est de 249 000 tonnes de NH₃. L'outil traduit ainsi la variabilité des émissions d'ammoniac, notamment selon le type d'engrais épandu (effluents d'élevage en Bretagne et en Lorraine, par exemple) et selon le type de sol (pH élevés en Champagne).</figcaption></figure>
<figure><img src="image_104.png" /></figure>

**Methods:** The pH of digested pig slurry was adjusted to 5.0 or 7.0 by the addition of sulfuric acid and untreated as a control. The pig slurry urea of each treatment was labeled with $ ^{15}N $ urea and applied at a rate of 200 kg N/ha immediately after cutting. Soil and herbage samples were collected at 7, 14, and 56 d of regrowth. The flux of pig slurry-N to regrowth yield and soil N mineralization were analyzed, and N losses via NH$_3$, N$_2$O emission and $NO_3^-$ leaching were also estimated.
<figure><img src="image_105.png" /></figure>

© C. Le Gall - Terres / Joyeux

Au lieu d'être épandus en surface, les granulés d'engrais sont déposés au fond d'un sillon de 7-8 cm de profondeur creusé par le soc. Le sillon est ensuite refermé par le passage des éléments de binage.

## ENFOUISSEMENT DE L'ENGRAIS : les émissions diminuent avec la profondeur

<figure><img src="image_106.png" /></figure>

D'après Sommer & Hutchinson, 2001.

**Figure 1 :** Réduction des émissions d'ammoniac obtenue suite à l'enfouissement de lisier dans le sol, qu'il soit nu ou avec une culture implantée. En pratique, il faut faire un compromis entre la réduction des émissions et la disponibilité de l'engrais pour les cultures.
# Dénitrification

* La dénitrification est le terme générique des réductions successives de l'azote minéral sous forme $NO_3^-$ et/ou $NO_2^-$ en composés gazeux, successivement le monoxyde d'azote, le protoxyde d'azote et le diazote.

$$NO_3^- \rightarrow NO_2^- \rightarrow NO \rightarrow N_2O \rightarrow N_2$$

* C'est un processus essentiellement microbien, parfois chimique qui concerne environ de 1 à quelques dizaines de kg d'azote par ha et par jour.

* Ce processus a un impact agronomique car il est en compétition avec l'assimilation par les plantes de la forme $NO_3^-$.

* Il a surtout un impact environnemental (-) par libération de polluants atmosphériques, (+) par l'élimination des nitrates
# Dénitrification

Pour les microorganismes dénitrifiants du sol, c'est un processus respiratoire alternatif en conditions limitantes en oxygène. Dans ce cas les composés azotés servent d'accepteurs d'électrons. Cette réaction implique la présence de donneurs d'électrons.

Cette réduction se combine à des réactions d'oxydation. Les donneurs d'électrons les plus couramment rencontrés sont :

$$ \begin{array}{lcl} \text{des composés organiques} & (\text{CH}_2\text{O}) & \rightarrow \text{CO}_2 \\ \text{des composés sulfure} & (\text{HS}^-) & \rightarrow \text{SO}_4^{2-} \end{array} $$

$$ 4 \text{NO}_3^- + 24 \text{H}^+ + 20 \text{e}^- \rightarrow 2 \text{N}_2 + 12 \text{H}_2\text{O} \quad \text{réduction} $$

$$ 5 \text{CH}_2\text{O} + 5 \text{H}_2\text{O} \rightarrow 5 \text{CO}_2 + 20 \text{H}^+ + 20 \text{e}^- \quad \text{oxydation} $$

$$ 4 \text{NO}_3^- + 5 \text{CH}_2\text{O} + 4 \text{H}^+ \rightarrow 2 \text{N}_2 + 5 \text{CO}_2 + 7 \text{H}_2\text{O} \quad \text{redox} $$

$$ 8 \text{NO}_3^- + 48 \text{H}^+ + 40 \text{e}^- \rightarrow 4 \text{N}_2 + 24 \text{H}_2\text{O} \quad \text{réduction} $$

$$ 5 \text{HS}^- + 20 \text{H}_2\text{O} \rightarrow 5 \text{SO}_4^{2-} + 45 \text{H}^+ \quad \text{oxydation} $$

$$ 8 \text{NO}_3^- + 3 \text{H}^+ + 5 \text{HS}^- \rightarrow 4 \text{N}_2 + 5 \text{SO}_4^{2-} + 4 \text{H}_2\text{O} \quad \text{redox} $$

Ces réactions peuvent être catalysées par des agents abiotiques. C'est la denitrification chimique ou chemodenitrification.

Les catalyseurs sont alors des acides puissants. La dénitrification chimique concerne davantage la forme nitrite que la forme nitrate et s'arrête généralement aux formes NO et/ou N₂O.

De nombreux microorganismes du sol sont capables de dénitrifier les nitrates : environ 80 % de la microflore totale du sol serait capable de réduire les nitrates en nitrites. Ce taux diminue pour les étapes avec formation de gaz.

La diversité des microorganismes dénitrifiants apparaît relativement large. Les genres *Pseudomonas* et *Alcaligenes* sont globalement les plus cités, mais d'autres genres microbiens ont été démontré comme dénitrifiant.
# Dénitrification

## VARIABILITE TEMPORELLE DE LA DENITRIFICATION

1°) Etude en parallèle des variations de la vitesse de dénitrification et de quelques paramètres du sol dans deux champs cultivés de Bourgogne pendant une année.

<figure><img src="image_107.png" /></figure>

2°) Conclusions.

La dénitrification est un phénomène très fugace, qui fonctionne par pulse. L'extrapolation de vitesses mesurées sur une courte période à une quantité d'azote perdue sur une plus longue période doit être faite avec prudence.

## VARIABILITE SPATIALE DE LA DENITRIFICATION

1°) Distribution des vitesses de dénitrification.

<figure><img src="image_108.png" /></figure>

2°) Origines de la variabilité spatiale.

<figure><img src="image_109.png" /></figure>

3°) Conclusions.

Les données expérimentales sont bien décrites par une distribution lognormale. Ceci implique de conduire les expérimentations avec un grand nombre d'échantillons, de taille suffisamment importante pour obtenir un échantillonnage représentatif de la population et d'utiliser un mode de calcul adapté à cette distribution pour l'estimation des paramètres résumant les résultats expérimentaux.
# Régulation de la dénitrification dans les sols

<figure><img src="image_110.png" /></figure>

Distal

Proximal

Regulators
Aspects quantitatifs de la dénitrification dans les sols

<table><thead><tr><th>Sol</th><th>Culture</th><th>Fertilisation<br>kg N / ha</th><th>Période de<br>mesure</th><th>Méthode<br>de mesure</th><th>Dénitrification<br>kg N / ha / an</th></tr></thead><tbody><tr><td>Limon.</td><td>Légumes irrigués</td><td>290 à 665</td><td>1 an</td><td>Enceintes - C<sub>2</sub>H<sub>2</sub></td><td>95 à 233</td></tr><tr><td>Arg.Limon.</td><td>Prairie perm.</td><td>0</td><td>1 an</td><td>Enceintes - C<sub>2</sub>H<sub>2</sub></td><td>1.6</td></tr><tr><td>•</td><td>•</td><td>250</td><td>•</td><td>•</td><td>11.1</td></tr><tr><td>•</td><td>•</td><td>500</td><td>•</td><td>•</td><td>29.1</td></tr><tr><td>Chemozem</td><td>Blé (2 parcelles)</td><td>50</td><td>26/5-31/8</td><td>Cylindres-C<sub>2</sub>H<sub>2</sub></td><td>1.2 et 1.8</td></tr><tr><td>Chemozem</td><td>Blé (Labouré)</td><td>45 - 75</td><td>1 an</td><td>Cylindres-C<sub>2</sub>H<sub>2</sub></td><td>3 à 7</td></tr><tr><td>•</td><td>Blé (non labouré)</td><td>45 - 75</td><td>•</td><td>•</td><td>12 à 16</td></tr><tr><td>•</td><td>Jachère</td><td>0</td><td>•</td><td>•</td><td>12 à 33</td></tr><tr><td>Arg.Limon.</td><td>Blé</td><td>155</td><td>1/2-20/10</td><td>Enceintes-C<sub>2</sub>H<sub>2</sub></td><td>15.9</td></tr><tr><td>Limon.</td><td>Blé</td><td>153</td><td>1/3-18/10</td><td>Enceintes-C<sub>2</sub>H<sub>2</sub></td><td>10.4</td></tr><tr><td>Arg.Limon.</td><td>Maïs</td><td>200</td><td>1/5-31/8</td><td>Enceintes-<sup>15</sup>N</td><td>3</td></tr><tr><td>•</td><td>Orge</td><td>•</td><td>1/5-31/7</td><td>•</td><td>0.7</td></tr><tr><td>Limon.Sabl.</td><td>Blé</td><td>203</td><td>1 an</td><td>Cylindres - C<sub>2</sub>H<sub>2</sub></td><td>0.7</td></tr><tr><td>•</td><td>Ray gras</td><td>107</td><td>•</td><td>•</td><td>1.7</td></tr><tr><td>Limon.</td><td>Forêt</td><td>0</td><td>1 an</td><td>Cylindres-C<sub>2</sub>H<sub>2</sub></td><td>10 à 24</td></tr><tr><td>Limon.Arg.</td><td>•</td><td>0</td><td>•</td><td>•</td><td>17 à 40</td></tr><tr><td>Sabl.</td><td>•</td><td>0</td><td>•</td><td>•</td><td>0.5 à 0.8</td></tr><tr><td>Arg.Limon.</td><td>Prairie perm.</td><td>120</td><td>1/3-15/9</td><td>Enceintes-C<sub>2</sub>H<sub>2</sub></td><td>17.6</td></tr><tr><td>Limon.</td><td>Prairie temp.</td><td>100 (+lisier)</td><td>15/3-15/9</td><td>•</td><td>19.1</td></tr><tr><td>•</td><td>•</td><td>0 (+lisier)</td><td>•</td><td>•</td><td>15.2</td></tr><tr><td>•</td><td>Forêt d'Aulnes</td><td>0</td><td>1 an</td><td>Enceintes-C<sub>2</sub>H<sub>2</sub></td><td>4.9</td></tr><tr><td>Limon.</td><td>Prairie</td><td>0</td><td>1 an</td><td>Cylindres-C<sub>2</sub>H<sub>2</sub></td><td>19.2</td></tr><tr><td>Limon.</td><td>Prairie</td><td>0</td><td>•</td><td>•</td><td>47.5</td></tr><tr><td>Sol humique</td><td>Forêt</td><td>0</td><td>1 an</td><td>Cylindres-C<sub>2</sub>H<sub>2</sub></td><td>1.3</td></tr><tr><td>Limon.</td><td>Blé</td><td>220</td><td>25/5-10/6</td><td>Enceintes-C<sub>2</sub>H<sub>2</sub></td><td>11.8</td></tr><tr><td>•</td><td>Prairie temp.</td><td>220</td><td>•</td><td>•</td><td>8</td></tr><tr><td>Limon.Arg.</td><td>Prairie</td><td>0</td><td>20/4-5/10</td><td>Cylindres-C<sub>2</sub>H<sub>2</sub></td><td>0 à 10</td></tr></tbody></table>

Tab n° 4 : Estimations de pertes annuelles d'azote par dénitrification dans les sols
## 2. N₂O emission measurements at the plot and landscape scales, using 3 different methods

- Measurement campaign → 16th March to 19th May 2015

<figure><img src="image_111.png" /><figcaption>Eddy covariance system</figcaption></figure>

<figure><img src="image_112.png" /><figcaption>Fast-box</figcaption></figure>

<figure><img src="image_113.png" /></figure>
<figure><img src="image_114.png" /></figure>
### EC system

<figure><img src="image_115.png" /><figcaption>QCL</figcaption></figure>

<figure><img src="image_116.png" /></figure>

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Anemometer

+

gas inlet

Integration
<figure><img src="image_119.png" /></figure>

## Les propositions techniques d'intervention sur les émissions de N₂O ?

<figure><img src="image_120.png" /></figure>

<table><thead><tr><th colspan="2">Propositions formulées par IPCC, 2014 (Supply-side)</th><th colspan="2">Propositions complémentaires étudiées dans NatAdGES<br/>➤ To manage the microbial processes by the use of natural additives</th></tr></thead><tbody><tr><td>Plant management</td><td>Improve N efficiency</td><td rowspan="5">To promote N₂O reduction into N₂</td><td>- By the use of liming products<br/>- Liu et al., 2014 - mBio<br/>- Shaaban et al., 2015 – Env Sci Pollut Res<br/>- Hénault et al., 2019 – Sci Rep</td></tr><tr><td>Nutrient management</td><td>Change N fertilizer application rate, fertilizer-type, timing precision application, inhibitors</td><td>- By the use of leguminous crops inoculated with Rhizobia strains able to reduce N₂O<br/>- Sameshima-Saïto et al., 2006 -<br/>- Hénault et Revellin, 2011 – Plant Soil</td></tr><tr><td>Water management</td><td>Drainage, run-off management;</td><td></td></tr><tr><td>Set aside and LUC</td><td>N inputs decrease</td><td></td></tr><tr><td>Biochar application</td><td>Reduce N inputs</td><td>To manage soil nitrification</td><td>- By the use of BNI<br/>- Subbarao et al., 2012</td></tr></tbody></table>

<figure><img src="image_121.png" /></figure>
Chaulage agro-pédologique
Chaulage
climatique

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$r_{max}$
* <0,2
* 0,2-0,4
* 0,4-0,6
* 0,6-0,8
* 0,8-1
* >1

<figure><img src="image_129.png" /></figure>

Hénault et al., 2019
- Sci. Reports

<table><thead><tr><th>Phénomène du sol</th><th>[sol]<sub>PHN2ORED-</sub></th><th>[sol]<sub>PHN2ORED+/-</sub></th><th>[sol]<sub>PHN2ORED+</sub></th></tr></thead><tbody><tr><td>Valeur de l'indicateur r<sub>max</sub></td><td>&gt; 0,8</td><td>0,4 &lt; r<sub>max</sub> &lt; 0,8</td><td>&lt; 0,4</td></tr><tr><td>% des échantillons RMQS</td><td>40</td><td>28</td><td>32</td></tr></tbody></table>

<figure><img src="image_130.png" /></figure>

<figure><img src="image_131.png" /></figure>

<figure><img src="image_132.png" /></figure>

* Potentiel d'abattement de N₂O estimé à 15.7% (8.3% - 21.2%)

* Soit 1.02% (0.5% - 1.4%) des émissions totales DE GES

<figure><img src="image_133.png" /></figure>
<figure><img src="image_134.png" /><figcaption>Figure 2. Illustration of the nitrogen (N) cascade showing the sequential effects that a single atom of N can have in various reservoirs after it has been converted from a nonreactive to a reactive form. Abbreviations: GH, greenhouse effect; NH₃, ammonia; NO₃⁻, nitrate; NOₓ, nitrogen oxide; N₂O, nitrous oxide; PM, particulate matter.</figcaption></figure>
<figure><img src="image_135.png" /><figcaption>Figure 2 : Schéma simplifié de la cascade de l'azote, mettant en évidence la fabrication industrielle d'azote réactif (procédé Haber-Bosch), les principales formes d'azote réactif utilisées ou produites dans l'environnement et les impacts environnementaux.</figcaption></figure>
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<figure><img src="image_139.png" /></figure>

Biogeochemistry **70**: 153–226, 2004.
© 2004 Kluwer Academic Publishers. Printed in the Netherlands.

**Figure 1.** Components of the global nitrogen cycle for (a) 1860, (b) early 1990s, and (c) 2050, Tg N yr⁻¹. All shaded boxes represent reservoirs of nitrogen species in the atmosphere. Creation of Nr is depicted with bold arrows from the N₂ reservoir to the Nr reservoir (depicted by the dotted box). ‘N-BNF’ is biological nitrogen fixation within natural ecosystems, ‘C-BNF’ is biological nitrogen fixation within agroecosystems. Denitrification creation of N₂ from Nr within the dotted box is also shown with bold arrows. All arrows that do not leave the dotted box represent inter-reservoir exchanges of Nr. The dashed arrows within the dotted box associated with NHₓ represent natural emissions of NH₃ that are re-deposited on fast time-scales to the oceans and continents.

**Nitrogen cycles: past, present, and future**

J.N. GALLOWAY¹,*, F.J. DENTENER², D.G. CAPONE³,
E.W. BOYER⁴, R.W. HOWARTH⁵, S.P. SEITZINGER⁶, G.P. ASNER⁷,
C.C. CLEVELAND⁸, P.A. GREEN⁹, E.A. HOLLAND¹⁰, D.M. KARL¹¹,
A.F. MICHAELS³, J.H. PORTER¹, A.R. TOWNSEND⁸ and
C.J. VÖRÖSMARTY⁹
<figure><img src="image_140.png" /><figcaption>Schéma du cycle de l'azote</figcaption></figure>

Fig n°1 : Cycle de l'azote, (d'après Mariotti, 1982)
<figure><img src="image_141.png" /></figure>
CAU : coefficient apparent d'utilisation de
l'engrais

$$
CAU = \frac{(\text{azote absorbé par la culture fertilisée} - \text{azote absorbé par le témoin } T_0)}{\text{dose d'engrais } (X)} \times 100
$$

$bY = NabsT0 + CAU.X$

C'est la méthodologie appliquée En BFC

- Pour le maïs et le sorgho avec CAU = 0,72

- Pour les prairies avec CAU = 0,60
# Gestion de l'azote : augmenter CAU

## Les leviers

* La gestion des couverts

* L'enchainement cultural

* Les méthodes de pilotage de l'azote

* Le matériel d'épandage

* La forme des engrais

* Les légumineuses et la fixation libre

* La gestion des sources d'azote organique
# Les méthodes alternatives / complémentaires de gestion de la fertilisation

* Basées sur le suivi de l'INN des cultures

* Jubil

* APPI-N : accepter des carences en azote. Apporter l'azote en conditions favorables (CAU élevé) pour éviter les pertes.

* Basées sur la prise en compte de la variabilité du milieu

* Farmstar :

La végétation réfléchit la lumière du soleil de façon différente en fonction de son développement. Ce signal est capté par le satellite, traité et converti en mesures de l'état végétal (biomasse, chlorophylle). Les instituts en déduisent tous les conseils Farmstar.
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AGRIALPRO
FRTOUT L'AGRI-EN-LIEU

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MAGASINS

Recherchez un mot-clé, un produit, une marque...

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CARTE DE
FIDÉLITÉ

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## Farmstar® : comment ça marche ?

Les satellites de télédétection effectuent des **observations** de la Terre. Leur orbite, à 800 km d'altitude, passe régulièrement au-dessus des champs pour suivre leur évolution dans le temps. Depuis l'espace, la couleur et le **développement de la végétation** sont parfaitement visibles. Ce signal lumineux capté par le satellite et ensuite traité puis converti en mesure de l'état végétal telles que la **biomasse** ou la **teneur en chlorophylle**. Les images sont combinées à des données météo et des modèles agronomiques puis réceptionnées, transmises et analysées.

<figure><img src="image_165.png" /></figure>

## Farmstar® : que permet cet outil ?

1. Calculer la dose totale d'azote : pour la sécurité et la conformité réglementaire.

2. Piloter les apports : ajustement des quantités en fonction des besoins réels, justification des apports et des besoins des plantes.

3. Moduler les apports : prise en compte de la variabilité au sein des parcelles.

## Bonnes pratiques pour un
ensilage réussi

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### CULTURE

Préparer l'hivernage de son
pulvérisateur

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### CULTURE

Comment réaliser une aire de
remplissage pour pulvé ?

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### CULTURE

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1

° Pluie et neige

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Rechercher

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09:36

04/12/2023

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# Comment mettre en œuvre la méthode APPI-N ?

## Règles de décision de la méthode APPI-N

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### 1. Décision date de contrôle

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**Jour favorable :**

- 15 jours depuis dernier apport

- Humidité du sol suffisante OU pluie annoncée, pour éviter pertes N

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Estimation INN

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Librairie-F

INN 1er - 15 mars 15 - 31 mars 1er - 15 avril ...

0.4 40

0.5 40

60

0.6 40

60

0.7 40

60

100

0.8 0

80

0.9 0

60

1 0

40

> 1 0

0

**Abaques :**

- Calculés localement

- À partir du modèle Azodyn

- Simulations de stratégies de fertilisation

- sur 20 années climatiques passées

- Tri de celles qui permettent d'atteindre résultats attendus (rendement, Tpl, pertes azotées)

### 2. Décision date et dose d'apport

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10:09 / 20:49

## Présentation de la méthode APPI-N

Non répertoriée

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Pierre Lebreton

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# Résumé de la méthode

* Pas de dose a priori

* Indicateur plante au service de la décision : raisonnement dynamique en cours de culture

* Carences acceptées, et même recommandées

* Tant que l'on reste au dessus de la trajectoire seuil, pas d'effet sur le rendement et le taux de protéines des grains

* Accepter des carences de début de cycle permet de retarder les apports, et donc d'augmenter leur CAU

* Apporter en conditions favorables accroit le CAU

* Un blé qui n'est pas fertilisé s'alimente aux dépens du reliquat: la carence s'installe quand le reliquat est consommé: pas besoin de le mesurer !

* Une carence au début de la montaison réduit le risque de maladies (oïdium, septoriose) et de verse → possibilité de réduire usage des pesticides

* Réduction des doses apportées

* Source d'apprentissage et d'autonomisation

* Compatible avec les technologies émergentes (capteurs)

* Mais nécessité de faire évoluer la réglementation !

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15:19 / 20:49

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Présentation de la méthode APPI-N

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Non répertoriée

P

Pierre Lebreton

S'abonner

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3

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Extrait

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5°C

Nuageux

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11:19
01/12/2023
RESEARCH REVIEW

# A critical review of the impacts of cover crops on nitrogen leaching, net greenhouse gas balance and crop productivity

Mohamed Abdalla¹ ID

Astley Hastings¹

Kun Cheng² ID

Qian Yue²

Dave Chadwick³

Mikk Espenberg⁴ ID

Jaak Truu⁴

Robert M. Rees⁵

Pete Smith¹ ID

## Abstract

Cover crops play an increasingly important role in improving soil quality, reducing agricultural inputs and improving environmental sustainability. The main objectives of this critical global review and systematic analysis were to assess cover crop practices in the context of their impacts on nitrogen leaching, net greenhouse gas balances (NGHGB) and crop productivity. Only studies that investigated the impacts of cover crops and measured one or a combination of nitrogen leaching, soil organic carbon (SOC), nitrous oxide (N₂O), grain yield and nitrogen in grain of primary crop, and had a control treatment were included in the analysis. Long-term studies were uncommon, with most data coming from studies lasting 2–3 years. The literature search resulted in 106 studies carried out at 372 sites and covering different countries, climatic zones and management. Our analysis demonstrates that cover crops significantly (p < 0.001) decreased N leaching and significantly (p < 0.001) increased SOC sequestration without having significant (p > 0.05) effects on direct N₂O emissions. Cover crops could mitigate the NGHGB by 2.06 ± 2.10 Mg CO₂-eq ha⁻¹ year⁻¹. One of the potential disadvantages of cover crops identified was the reduction in grain yield of the primary crop by ≈4%, compared to the control treatment. This drawback could be avoided by selecting mixed cover crops with a range of legumes and non-legumes, which increased the yield by ≈13%. These advantages of cover crops justify their widespread adoption. However, management practices in relation to cover crops will need to be adapted to specific soil, management and regional climatic conditions.

## KEYWORDS

C sequestration, catch crop, cover crop, green manure, N content, N in grain, N leaching, net greenhouse gas balance, nitrate, nitrous oxide emissions, soil organic carbon, yield

<figure><img src="image_303.png" /></figure>

<figure><img src="image_304.png" /></figure>

**FIGURE 2** Comparisons between N leaching (a), grain yield (b), N in grain (c) and SOC (d) from control and cover crops (CC) treatments. Types of cover crops (legume [blue], non-legume [green] or mixed [red]) and their 95% confidence intervals
<figure><img src="image_305.png" /></figure>

<figure><img src="image_306.png" /><figcaption>**Figure 1.** Examples of trajectories followed by countries in the *Y* versus *F* diagram. (a) Examples of type I trajectories. (b) Examples of type II trajectories. (c) Examples of type III trajectories. (d) Examples of type IV trajectories. *R*² is the coefficient of determination, defined as: *R*² = 1 - [Σ(obsᵢ - calcᵢ)²/Σ(obsᵢ—meanobs)²] where obsᵢ are the observed values of yield, calcᵢ the yield value calculated with the relationship and meanobs is the average value of the observed yields over the period considered. Negative values of *R*² indicate poor fit of the relationship on the observed values. This is often the case for the most recent period of type III trajectories because of still evolving agronomical conditions.</figcaption></figure>
<figure><img src="image_307.png" /><figcaption>**Figure 4.** (a) Distribution of the share of symbiotic fixation and synthetic fertilizers in total N inputs to cropland by countries in 2000–2009. (b) Observed relationship between NUE and the proportion of symbiotic fixation, or of synthetic fertilizers in total N inputs to cropland in the period 2000–2009.</figcaption></figure>
# Quelques éléments de conclusion

* Des aspects qui n'ont pu être traités dans ce cours

* Des contradictions apparentes (trajectoires NUE et teneur en nitrates des eaux souterraines)

* Interactions biochimie / agronomie essentielles

* Mesures environnementales