# Etude des voies d'insertion de la méthanisation en agriculture biologique et évaluation de son impact sur les flux d'azote et de phosphore

Jérémie Raoul

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Jérémie Raoul. Etude des voies d'insertion de la méthanisation en agriculture biologique et évaluation de son impact sur les flux d'azote et de phosphore. Sciences de l'environnement. 2025. hal-05386717

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MINISTERE DE L'AGRICULTURE

ECOLE NATIONALE SUPERIEURE des SCIENCES AGRONOMIQUES de BORDEAUX AQUITAINE

1, cours du Général de Gaulle - CS 40201 – 33175 GRADIGNAN cedex

MEMOIRE DE FIN D'ETUDES

Pour l'obtention du titre
d'Ingénieur de Bordeaux Sciences Agro

Etude des voies d'insertion de la
méthanisation en agriculture biologique et
évaluation de son impact sur les flux d'azote
et de phosphore

RAOUL Jérémie

Spécialisation : Filières Animales Durables (FAD)

Étude réalisée à : INRAE, UMR SAS, 65 Rue de Saint-Brieuc, Bâtiment 13, 35042 Rennes CEDEX

-2025-
THE FRENCH MINISTRY OF AGRICULTURE

NATIONAL SCHOOL of AGRICULTURAL SCIENCES and ENGINEERING, BORDEAUX AQUITAINE
1, cours du Général de Gaulle - CS 40201 – 33175 GRADIGNAN cedex

MASTER THESIS

Submitted in fulfillment of the requirements for the degree of Agricultural
Engineer, Bordeaux Sciences Agro

Study of ways of integrating methanization
into organic farming and assessment of its
impact on nitrogen and phosphorus flows

RAOUL Jérémie

Specialization : Filières Animales Durables (FAD)

Study completed at : INRAE, UMR SAS, 65 Rue de Saint-Brieuc, Bâtiment 13, 35042 Rennes CEDEX
# Etude des voies d'insertion de la méthanisation en agriculture biologique et évaluation de son impact sur les flux d'azote et de phosphore

RAOUL Jérémie

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INRAO

<figure><img src="image_2.png" /></figure>

Tuteur de stage : Guillaume DURAND

Maître de stage : Fabrice BELINE
REMERCIEMENTS

J'adresse mes remerciements à Fabrice BELINE, mon encadrant, pour sa disponibilité, sa bienveillance, son écoute et ses remarques. Travailler avec Fabrice a été un plaisir.

Merci également, à Guillaume DURAND pour son encadrement et ses remarques, toujours à l'écoute et disponible. Il a su me rassurer et me guider.

Merci à tous mes collègues de SAS (Sol, Agro et hydrosystème, Spatialisation) pour votre accueil et votre bienveillance. J'ai pu, à chaque fois, trouver l'un de vous pour répondre à mes questions, même les plus naïves. Merci également aux non-titulaires avec qui j'ai passé des moments très conviviaux. Merci à Léopold, fidèle compagnon de BSA, qui m'a autant intégré à l'équipe de SAS qu'à la vie étudiante sur Rennes.

Merci à l'équipe encadrante de FAD pour avoir rendu cette dernière année d'école d'ingénieur passionnante et enrichissante. Les échanges avec les enseignants, professionnels et personnels, ont été précieux.

Enfin, merci à tous ceux avec qui j'ai passé cette dernière année d'école d'ingénieur et avec qui j'ai pu m'investir dans les associations tout au long de ma scolarité. J'espère que nous continuerons à nous revoir régulièrement. Merci à Jean et Tristan mes deux colocs avec qui j'ai passé 6 mois incroyables sur Rennes. Merci à ma famille pour leur soutien dans mes études. Sans eux, tout ce chemin parcouru depuis le lycée n'aurait pas été possible. Et bien entendu merci à Pauline avec qui j'ai vécu l'intégralité de ces 4 années d'école d'ingénieur, marquant je l'espère le début d'une longue histoire.
# SOMMAIRE

<table><tr><td>TABLE DES FIGURES</td><td>a</td></tr><tr><td>TABLE DES TABLEAUX</td><td>b</td></tr><tr><td>TABLE DES ANNEXES</td><td>b</td></tr><tr><td>SIGLES ET ACRONYMES</td><td>c</td></tr><tr><td>INTRODUCTION</td><td>- 1 -</td></tr></table>

1 Contexte, enjeux et problématisation : l'autonomie en fertilisants de l'agriculture biologique. - 3 -

1.1 Une dépendance aux engrais de synthèse : des cycles biogéochimiques perturbés - 3 -

1.1.1 Une performance agricole construite sur une dépendance aux intrants de synthèse... - 3 -

1.1.2 Les cycles biogéochimiques de l'azote et du phosphore perturbés - 4 -

1.2 Les enjeux de l'autonomie azotée et phosphorée de l'agriculture biologique - 6 -

1.2.1 Une agriculture biologique confrontée à une dépendance vis-à-vis de l'agriculture conventionnelle. - 6 -

1.2.2 Des perspectives ambitieuses pour l'agriculture biologique fragilisées par des verrous structurels. - 8 -

1.3 La recherche publique à l'appui de l'autonomie en AB : le positionnement de l'INRAE. - 9 -

1.4 Le projet MethAB : évaluer la méthanisation comme levier d'autonomie en agriculture biologique - 10 -

1.4.1 La méthanisation un atelier de production énergétique et de circularité des nutriments. - 10 -

1.4.2 Etude de l'impact de la méthanisation sur l'autonomie azotée et les flux de phosphore par la modélisation des flux de nutriments sur une diversité de fermes types - 11 -

2 Matériel et méthode - 13 -

2.1 Sélection de fermes types dans un objectif de diversité pour une évaluation représentative - 13 -

2.2 Scénarisation de l'insertion de la méthanisation dans les fermes - 17 -

2.2.1 Cadre méthodologique pour la construction des scénarios - 17 -

2.2.2 Construction de deux types de scénarios par ferme : deux méthodes selon le type d'exploitation - 18 -
<table>
  <tbody>
    <tr>
      <td>2.3</td>
      <td>Construction d'un modèle de quantification des flux d'azote et de phosphore</td>
      <td>20 -</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>2.3.1</td>
      <td>Paramétrage initial du modèle à partir des cas-types</td>
      <td>20 -</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>2.3.2</td>
      <td>Estimation des flux sur la base de références bibliographiques</td>
      <td>21 -</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>2.4</td>
      <td>Evaluation multicritère des systèmes : définition et choix des indicateurs</td>
      <td>23 -</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>2.4.1</td>
      <td>Identification d'indicateurs clés donnant une vue d'ensemble des dynamiques sur la ferme</td>
      <td>23 -</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>2.4.2</td>
      <td>Analyse de sensibilité globale du modèle</td>
      <td>26 -</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>3</td>
      <td>Résultats et discussion</td>
      <td>27 -</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>3.1</td>
      <td>L'aboutissement des travaux de scénarisation</td>
      <td>27 -</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>3.1.1</td>
      <td>Exploitation en grande culture : Intégration de légumineuses et de CIVE</td>
      <td>27 -</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>3.1.2</td>
      <td>Les exploitations en polyculture élevage : optimiser l'intégration de la méthanisation au-delà de l'unique utilisation des effluents</td>
      <td>30 -</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>3.2</td>
      <td>Méthanisation et performances des systèmes : arbitrages entre gains et pertes potentiels</td>
      <td>32 -</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>3.2.1</td>
      <td>Des scénarios et des fermes diversifiés formant quatre groupes distincts</td>
      <td>32 -</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>3.2.2</td>
      <td>Les performances des groupes de scénarios analysées à travers leurs indicateurs de fonctionnement</td>
      <td>35 -</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>3.3</td>
      <td>La méthanisation pour la pérennité agronomique de l'agriculture biologique</td>
      <td>38 -</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>3.3.1</td>
      <td>L'impact de la méthanisation sur l'équilibre en nutriments dans l'environnement</td>
      <td>38 -</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>3.3.2</td>
      <td>Mise en lumière d'un compromis entre autonomie, performance et durabilité</td>
      <td>39 -</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>3.4</td>
      <td>Limites et perspective du modèle</td>
      <td>40 -</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>3.4.1</td>
      <td>Sensibilité du modèle aux paramètres clés</td>
      <td>40 -</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>3.4.2</td>
      <td>Scénarisation et choix du modèle d'étude : limites et perspectives</td>
      <td>41 -</td>
    </tr>
    <tr>
      <td colspan="2">CONCLUSION</td>
      <td>42 -</td>
    </tr>
    <tr>
      <td colspan="2">BIBLIOGRAPHIE</td>
      <td>44 -</td>
    </tr>
    <tr>
      <td colspan="2">ANNEXES</td>
      <td>49 -</td>
    </tr>
  </tbody>
</table>
TABLE DES FIGURES

<table><tr><td>Figure 1: Schéma simplifié du cycle de l'azote (Lemaire, Nicolardot 1997)</td><td>5</td></tr><tr><td>Figure 2: Schéma simplifié du cycle biogéochimique du phosphore (Mollier, Denoroy, Morel 2019)</td><td>6</td></tr><tr><td>Figure 3: Rotations du cas-type VL1</td><td>14</td></tr><tr><td>Figure 4: Rotations du cas-type VL2</td><td>14</td></tr><tr><td>Figure 5: Rotation du cas-type GC1</td><td>15</td></tr><tr><td>Figure 6: Rotations du cas-type GC2</td><td>15</td></tr><tr><td>Figure 7: Rotation du cas-type GC3</td><td>16</td></tr><tr><td>Figure 8: Rotations du cas-type GC4</td><td>17</td></tr><tr><td>Figure 9: Schéma de la représentation des flux d'azote et de phosphore au sein d'une ferme polyculture élevage selon le modèle mis en place pour l'étude</td><td>23</td></tr><tr><td>Figure 10: Rotation du scénario NRJ du cas-type GC1</td><td>28</td></tr><tr><td>Figure 11: Rotations des scénarios AGRO (A) et NRJ (B) du cas-type GC2</td><td>28</td></tr><tr><td>Figure 12: Rotation du scénario NRJ du cas-type GC3</td><td>29</td></tr><tr><td>Figure 13: Rotation du scénario NRJ du cas-type GC4</td><td>30</td></tr><tr><td>Figure 14: Rotations des scénarios NRJ du cas-type VL1</td><td>31</td></tr><tr><td>Figure 15: Rotations des scénarios NRJ du cas-type VL2</td><td>32</td></tr><tr><td>Figure 16: Biplot des scénarios des fermes et des quatre indicateurs de performance sur les deux dimensions de l'ACP</td><td>34</td></tr><tr><td>Figure 17: Biplot des scénarios des fermes et des indicateurs sur les deux dimensions de l'ACP</td><td>36</td></tr><tr><td>Figure 18: Graphique représentant l'évolution de l'autonomie en fonction de l'évolution du minage du phosphore pour tous les scénarios</td><td>38</td></tr></table>
SIGLES ET ACRONYMES

**AB** (Agriculture biologique)

**ACP** (Analyse en composante principale)

**ADEME** (Agence de la transition écologique)

**ADN** (Acide désoxyribonucléique)

**CIVE** (Culture intermédiaire à vocation énergétique)

**COMIFER** (Comité français d'étude et de développement de la fertilisation raisonnée)

**CORPEN** (Comité d'orientation pour des pratiques agricoles respectueuses de l'environnement)

**INRAE** (Institut national de recherche pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement)

**NH₃** (Ammoniac)

**NH₄⁺** (Ammonium)

**NO₂⁻** (Nitrite)

**NO₃⁻** (Nitrate)

**PRO** (Produits résiduaires organiques)

**SAU** (Surface agricole utile)

**SNBC** (Stratégie nationale bas carbone)

**UGB** (Unité gros bovin)
En septembre 2023, le *Stockholm Resilience Centre* a publié une actualisation du cadre conceptuel des neuf limites planétaires proposé en 2009 par Rockström et al. et révisé en 2015 par Steffen et al. Pour la première fois, les neuf limites planétaires sont quantifiées (Richardson et al. 2023). Les scientifiques établissent que six des neuf limites planétaires sont désormais dépassées. Cela signifie que la planète se trouve dorénavant bien au-delà de l'espace de fonctionnement sûr pour l'humanité. Parmi ces limites, se trouve la perturbation des cycles biogéochimiques de l'azote et du phosphore. La quantité d'azote rejetée par l'activité humaine à l'échelle mondiale, atteint 150 millions de tonnes par an (Mt/an) et dépasse largement le seuil maximal fixé à 82 Mt/an. De même, la quantité de phosphate dans les engrais épandus sur les sols agricoles dépasse le seuil de 11 Mt/an avec plus de 14 Mt/an (Richardson et al. 2023). La part de l'agriculture dans l'utilisation mondiale de l'azote d'origine anthropique a été estimée à 85 % (Campbell et al. 2017). Et près de 50 % du phosphore disponible dans les sols cultivés mondiaux est d'origine anthropique (Demay 2024). Ces perturbations mettent ainsi en évidence les dérèglements environnementaux engendrés par les modèles de productions agricoles intensifs. Ceci découle de l'avènement de techniques agricoles plus productives associées à l'industrialisation et à la mécanisation de l'agriculture au milieu du XXe siècle. Ces pratiques ont conduit les systèmes agricoles vers un usage accru des engrais minéraux et une très forte spécialisation des systèmes de production. L'azote perdue se retrouve dans l'environnement, altérant la qualité de l'eau, de l'air et perturbant les écosystèmes.

Face à ces conclusions alarmantes, et avec un objectif d'amélioration de la santé publique, la stratégie « Farm to Fork », adoptée en 2020 dans le cadre du Pacte vert, prévoit une expansion de l'agriculture biologique (AB) de 10 % à 25 % de la SAU (Surface Agricole Utile) européenne d'ici à 2030 (Aubert, Poux 2021). En effet, l'AB basée sur le respect des équilibres naturels proscrit l'usage des engrais de synthèse dans son cahier des charges. L'autonomie en fertilisation en AB repose essentiellement sur le principe de recirculation de la matière organique issue de la ferme, notamment les effluents d'élevage. Elle fait aussi appel à la capacité fixatrice d'azote des légumineuses pour subvenir aux besoins des cultures, et, dans une moindre mesure, aux ressources organiques du territoire (composts de déchets verts, biodéchets, ...). Cependant, les spécialisations croissantes des exploitations, la réduction du cheptel à l'échelle nationale et la volatilité des prix dans le secteur agricole accentuent les tensions autour de l'accès aux sources organiques. En conséquence, de nombreuses fermes
biologiques ont recours à des intrants organiques issus de l'agriculture conventionnelle, ce qui interroge sa capacité d'expansion et sa cohérence environnementale sur le long terme (Nowak 2013). L'expansion de l'AB, promue par les pouvoirs publics, nécessite donc la mise en œuvre de levier pour favoriser l'autonomie en fertilisation de l'agriculture biologique.

Dans cette optique, la méthanisation se présente comme un levier potentiellement pertinent. En transformant localement la matière organique en énergie et en digestat valorisable comme fertilisant, cette technologie pourrait permettre de mieux recycler les nutriments à l'échelle des fermes, tout en contribuant aux objectifs de réduction de l'usage des énergies fossiles porté par le Pacte vert. Cependant, ses effets sur l'autonomie en éléments fertilisants, la productivité agricole, la gestion des pertes azotées ou encore les risques d'épuisement des ressources de phosphore du sol restent peu explorés, notamment dans les systèmes agricoles biologiques.

Dans cette perspective, il semble primordial d'élaborer des axes de recherche pour étudier l'impact de la méthanisation sur l'autonomie en fertilisant des fermes en agriculture biologique. Dans cette optique, le projet MethAB initié en 2024 et porté par INRAE, étudie les potentiels et les risques de l'insertion de la méthanisation dans les systèmes biologiques. L'objectif est double : mieux comprendre dans quelles conditions la méthanisation peut renforcer la durabilité des systèmes biologiques, et identifier les compromis nécessaires pour concilier enjeux alimentaires, environnementaux et énergétiques.

Cette étude se fera à travers une modélisation fine des flux d'azote et de phosphore sur plusieurs fermes types. À partir de scénarios contrastés d'insertion de la méthanisation, certains orientés vers l'agroécologie, d'autres vers une maximisation de la production énergétique, l'étude cherchera à mesurer l'impact de la méthanisation sur des indicateurs clés décrivant les enjeux auxquels est confronté l'agriculture biologique aujourd'hui.
# 1 CONTEXTE, ENJEUX ET PROBLEMATISATION : L'AUTONOMIE EN FERTILISANTS DE L'AGRICULTURE BIOLOGIQUE

La croissance et le développement des plantes reposent sur l'absorption de plusieurs éléments minéraux présents dans le sol, dont certains sont dits essentiels, car ils sont absolument nécessaires au cycle de vie de la plante. Parmi ces éléments, les macronutriments tels que l'azote (N) et le phosphore (P) jouent un rôle central dans la formation des protéines, de l'ADN ou des membranes cellulaires. Ces nutriments sont dits limitants, car leur disponibilité dans le sol est souvent insuffisante par rapport aux besoins de la plante, ce qui peut freiner sa croissance même si tous les autres éléments sont présents en quantité adéquate. Ce concept, souvent illustré par la "loi du minimum" de Liebig, souligne que la productivité végétale est contrainte par l'élément minéral le plus déficient dans le sol (Boulaine 1995). L'identification et la gestion de ces fertilisants sont donc au cœur des pratiques agricoles visant à optimiser la fertilité des sols.

## 1.1 Une dépendance aux engrais de synthèse : des cycles biogéochimiques perturbés

### 1.1.1 Une performance agricole construite sur une dépendance aux intrants de synthèse

Depuis la seconde moitié du XXe siècle, l'agriculture mondiale a connu un recours massif aux engrais de synthèse, principalement pour répondre à la volonté d'augmenter les rendements agricoles. Ces engrais dit de synthèse sont issus d'une réaction chimique contrôlée et leur application sous forme assimilable a permis une absorption directe par les cultures, contribuant de manière déterminante à la Révolution verte (Tilman et al. 2002). Couplés à la mécanisation et à l'usage de pesticides, ces apports d'éléments minéraux ont contribué à l'augmentation des rendements (Nowak 2013). Si bien que d'après le livre *Our Nutrient World* publié en 2013, près de la moitié de la population mondiale dépendrait aujourd'hui de ces apports d'engrais de synthèse pour se nourrir (Sutton et al. 2013).

Or, la fabrication des engrais de synthèse a un coût énergétique important ou utilise des ressources non-renouvelables en voie d'épuisement. Bien que la quantité d'azote dans l'air soit quasiment inépuisable, la fixation du diazote de l'air pour la production d'engrais azoté nécessite, via le procédé Haber-Bosch, une consommation énergétique très élevée, et contribue de manière significative aux émissions de gaz à effet de serre (Bion, Can, Courtois 2024). De
leur côté, les engrais enrichis en phosphore, bien que d'origine minérale, reposent sur
l'extraction de ressources inégalement réparties dans le monde. Les gisements connus de
phosphore sont aujourd'hui partagés entre la Chine, les Etats-Unis et le Maroc. Du fait de la
disponibilité limitée du phosphore en raison notamment de sa faible solubilité, la fertilité
phosphorée des sols agricoles résulte en grande partie d'un héritage d'apports passés d'engrais
minéraux. En effet, aujourd'hui près de 50 % du phosphore disponible dans les sols cultivés
mondiaux est d'origine anthropique (Demay 2024). Mais malgré l'amélioration des techniques
d'extraction qui permettent l'accès à de nouvelles ressources, le phosphore reste une ressource
non-renouvelables dont le temps de régénération se compte en milliards d'années, donc avec un
épuisement certain dans le siècle à venir.

Ainsi, dans un objectif de durabilité de l'agriculture, il est aujourd'hui nécessaire de réduire la dépendance de la production agricole aux engrais de synthèse. Dans ce cadre, les travaux de cette étude se concentreront sur l'autonomie azotée des exploitations agricoles en agriculture biologique et son impact sur les flux de phosphore.

1.1.2 Les cycles biogéochimiques de l'azote et du phosphore perturbés

L'azote est un élément chimique fondamental à la vie sur Terre. Il est présent dans de
nombreuses biomolécules vitales (ADN, protéines). Bien que l'azote compose 78 % de
l'atmosphère terrestre, une très faible partie des êtres-vivants peut en tirer profit, puisque plus
de 99% de cet azote est présent sous forme inerte telle que le diazote de l'air (N₂) (Peyraud et
al. 2012). L'azote utilisée par les plantes est sous forme dite réactive, c'est-à-dire capable de
participer à des réactions chimiques dans l'environnement. Cela inclut notamment les oxydes
d'azote (NOx), l'ammoniac (NH₃), les nitrates (NO₃⁻), les nitrites (NO₂⁻). Néanmoins, une
poignée d'espèces végétales ont la capacité de capter le N₂ grâce à une association symbiotique
avec des bactéries fixatrices situées au niveau des racines. C'est une étape importante du cycle
de l'azote (cf. figure n°1). De plus dans le sol l'azote réactive peut être perdu facilement, soit par des échange gazeux (volatilisation) ou des précipitations vers la phase liquide (lixiviation).

<figure><img src="image_3.png" /><figcaption>Figure 1: Schéma simplifié du cycle de l'azote (Lemaire, Nicolardot 1997)</figcaption></figure>

Le phosphore est, lui aussi, indispensable à la vie. Il est présent dans de nombreuses biomolécules vitales (ADN, phospholipides). Le phosphore ne circule pas dans l'atmosphère. Il est absorbé par les plantes sous forme d'ions orthophosphates ($H_2PO_4^-$ ou $HPO_4^{2-}$) présents en solution dans le sol et peut donc lui aussi être lixivié (cf. figure n°2). Mais, la majeure partie du phosphore présent dans les sols est stockée dans la phase solide inorganique, indisponible pour la plante (Morel et al. 2018). Globalement, la disponibilité du phosphore est sous le contrôle de processus physico-chimiques complexes dépendants principalement du pH du sol (Demay 2024).
<figure><img src="image_4.png" /><figcaption>Figure 2: Schéma simplifié du cycle biogéochimique du phosphore (Mollier, Denoroy, Morel 2019)</figcaption></figure>

A l'échelle des systèmes agricoles, les cycles des éléments minéraux sont nécessairement ouverts suite à l'exportation d'une partie de la production pour l'alimentation humaine (Doré et al. 2011). Mais le recours massif aux engrais de synthèse a conduit à un accroissement de l'ouverture de ces cycles naturels, avec une augmentation des pertes en direction des écosystèmes naturels. Le Noé et al., ont démontré en 2019, que les tendances à la spécialisation, la dépendance aux engrais de synthèse et l'augmentation des exportations ont fortement contribué à la modification de la répartition des flux d'azote (Le Noë, Billen, Garnier 2019). En effet, la plupart des cultures ne parviennent à absorber que 50 % ou moins de l'azote fourni dans les systèmes de culture conventionnels, accentuant les pertes vers les écosystèmes naturels (Carpenter et al. 1998; Matassa et al. 2023).

Un meilleur recyclage des nutriments au sein de la ferme permettrait non seulement de limiter les pertes, mais également de réduire la dépendance aux apports extérieurs. Outre les bénéfices environnementaux, l'autonomie en fertilisants des exploitations agricoles augmenterait leur résilience en échappant à la volatilité des prix du marché.

## 1.2 Les enjeux de l'autonomie azotée et phosphorée de l'agriculture biologique

### 1.2.1 Une agriculture biologique confrontée à une dépendance vis-à-vis de l'agriculture conventionnelle

Dans les années 20 un nouveau courant de pensée écologique cherche à initier un mode alternatif de production agricole, qui sera en 1991 encadré par une réglementation européenne : l'agriculture biologique (AB). Ce nouveau mode de production va se détacher de la course aux
fertilisants de synthèse pour favoriser le recyclage de la matière organique, comme le fumier produit dans les élevages. En effet, L'agriculture biologique interdit l'usage d'engrais de synthèse et promeut le recyclage et les synergies entre productions végétales et animales, conformément à ses principes fondateurs (Luttikholt 2007). Le règlement européen (CE n°834/2007) impose notamment :

* L'interdiction des engrais et produits phytosanitaires de synthèse.

* L'utilisation de rotations culturales et de matières organiques comme base de la fertilité.

* L'approvisionnement des troupeaux en aliments issus de l'AB et produits localement.

* L'épandage des effluents d'élevage sur les parcelles de l'exploitation ou, au moins, sur d'autres exploitations biologiques de la même région.

Cependant, malgré ce cadre, ce mode de production écologique n'a pas échappé à la spécialisation des exploitations agricoles, comme dans l'agriculture conventionnelle. Cette réduction des échanges possibles entre culture et élevage essentiels à la fertilisation organique remet en question la viabilité des exploitations sans élevage (Colomb et al. 2013), notamment à cause des difficultés d'approvisionnement en fertilisant organique. Cette spécialisation des exploitations agricoles s'accompagne d'une spécialisation des territoires agricoles. Ainsi, les travaux de Nowak en 2013, montrent que l'agriculture biologique a recours de manière significative à des importations d'exploitations conventionnelles que ce soit pour de la paille pour les ateliers d'élevage ou de la fumure pour des exploitations en grande culture. Ces importations de l'agriculture conventionnelle vers l'AB sont d'autant plus importantes dans les régions spécialisées que dans des régions mixtes. L'étude souligne le caractère préoccupant de ces « transferts d'éléments fertilisant initialement apportés par les engrais de synthèse », proscrit dans le cahier des charges de l'AB (Nowak 2013). Les importations de fertilisants organiques de ces régions spécialisées n'ont fait qu'augmenter, ainsi les cycles biogéochimiques du phosphore et de l'azote se sont trouvés de plus en plus ouvert.

Dans ce contexte, l'autonomie constitue un levier stratégique pour réduire cette dépendance aux importations tout en préservant les ressources naturelles et en limitant les pertes dans l'environnement. L'autonomie en fertilisants représente la capacité d'un système agricole à couvrir ses besoins en nutriments à partir de ressources internes, en minimisant le recours aux intrants extérieurs (Nowak 2013). Elle repose sur des pratiques telles que l'intégration des légumineuses, le recyclage des effluents organiques et une gestion agroécologique des sols.
### 1.2.2 Des perspectives ambitieuses pour l'agriculture biologique fragilisées par des verrous structurels

En 2023, l'AB représente 14 % des exploitations françaises et 10 % de la SAU nationale (Agence BIO 2024). Bien que minoritaire, elle incarne un levier stratégique pour répondre aux enjeux environnementaux, sanitaires et de résilience alimentaire. La stratégie européenne « Farm to Fork », adoptée en 2020, prévoit une expansion de l'AB de 10 % à 25 % de la SAU européenne d'ici à 2030 (Aubert, Poux 2021). L'agriculture biologique est donc une réponse envisagée face aux problématiques liées au changement climatique. Cependant, la capacité de l'AB à répondre à la demande alimentaire mondiale fait encore l'objet de recherches et de débats (Borghino et al. 2024).

Tout d'abord, des travaux ont révélé que les rendements biologiques étaient inférieurs de 20 % à 25 % aux rendements conventionnels (Ponisio et al. 2015). Cela s'explique notamment sur les céréales d'hiver comme le blé ou l'orge d'hiver qui ont besoin d'azote minéral au réveil végétatif au printemps. Cet azote minéral (NH₃) provient de la minéralisation de la matière organique (fumier) par les bactéries du sol lorsque celui-ci se réchauffe. La culture de céréales d'hiver en AB est donc tributaire des conditions pédoclimatiques contrairement à l'agriculture conventionnelle.

De plus, comme mentionné par Barbieri et al., en 2023, « Selon certains exercices de modélisation récents, la productivité des cultures biologiques pourrait être encore plus limitée par l'azote si l'agriculture biologique devait se développer radicalement » (Barbieri et al. 2023). En effet, l'expansion de l'AB impliquerait une reconfiguration profonde des systèmes agricoles, avec une relocalisation de l'élevage afin de fertiliser les cultures avec le fumier produit à proximité. Cette tendance contraste avec la spécialisation agricole qui s'opère depuis plusieurs décennies et bouleverserait les flux de nutriments, au sein des systèmes agricoles, ce qui pourrait avoir de fortes répercussions sur la production alimentaire.

Ainsi, au-delà des aspects économiques, la légitimité de l'agriculture biologique et ses possibilités d'expansion sont donc questionnées, sur sa capacité à répondre à la demande alimentaire. Des travaux de recherche sur les leviers permettant d'augmenter l'autonomie en fertilisants de l'AB apparaissent donc nécessaire pour favoriser ces ambitions.
## 1.3 La recherche publique à l'appui de l'autonomie en AB : le positionnement de l'INRAE

L'institut national de recherche pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (INRAE) tente de répondre à des enjeux sociétaux majeurs : sécurité alimentaire et nutritionnelle, transition des agricultures (agroécologie, réduction de la chimie), gestion des ressources naturelles et des écosystèmes (eau, sol, forêt), érosion de la biodiversité et économie circulaire et risques naturels (INRAE 2025). A travers ses travaux de recherche, INRAE soutient l'AB et a consolidé ses engagements pour cette agriculture avec la création du Comité Interne de l'Agriculture Biologique (CIAB) en 2000, pour coordonner et valoriser les recherches dédiées à l'AB et le financement de projets de recherche via son programme MétaBIO. Des projets d'étude comme le projet CIRCUL'AB, voient alors le jour. Ce projet conduit entre 2022 et 2024, visait à documenter et à accompagner le développement de l'AB dans les territoires à travers l'étude des déterminants et facteurs limitants de la circularité des flux de matières et d'énergies.

Il a ouvert la porte à de nouveaux travaux sur l'étude de la circularité en AB. Ainsi, le projet ORGANIC 4 ORGANIC s'est intéressé aux potentiels et risques des effluents et déchets organiques dans la circularité des flux de nutriments en AB à l'échelle des exploitations et des territoires. Ce projet a notamment scénarisé divers leviers pour plus d'autonomie azotée en agriculture biologique en étudiant différentes exploitations types dans 3 grandes régions agricoles : la Bretagne, les Deux-Sèvres et le Bassin Parisien. Parmi ces leviers, la méthanisation est apparue, en première approche, comme une technologie intéressante pour améliorer cette autonomie azotée en agriculture biologique (Cristofaro 2024).

Des travaux complémentaires et plus approfondis apparaissent cependant nécessaires pour mieux comprendre les liens entre la production d'énergie, l'autonomie azotée mais également l'impact sur les autres flux de nutriments de l'exploitation.
## 1.4 Le projet MethAB : évaluer la méthanisation comme levier d'autonomie en agriculture biologique

### 1.4.1 La méthanisation un atelier de production énergétique et de circularité des nutriments

En parallèle de ces problématiques agro-alimentaires et environnementales, la France fait également face au défi de la transition du secteur énergétique. En effet, après plus d'un siècle d'augmentation quasi exponentielle de la consommation mondiale d'énergie fossile, le changement climatique impose de revoir ces consommations d'un point vue quantitatif et qualitatif. Face à ce défi de transition énergétique, la méthanisation est une technologie mise en avant dans le secteur agricole, par des perspectives comme Afterres 2050 proposé par Solagro ou la stratégie nationale bas carbone (SNBC) proposée par le gouvernement. La méthanisation est un procédé biologique de dégradation de la matière organique par des micro-organismes en conditions anaérobies, transformant la matière organique en matière minérale et en gaz, principalement composé de méthane ($CH_4$) et de dioxyde de carbone ($CO_2$). La matière première, appelée substrat, peut être d'origine agricole, agroalimentaire, ou encore issue des collectivités. En sortie de méthaniseur, on obtient deux coproduits : le gaz appelé aussi biogaz, valorisable sous forme d'énergie (électricité et chaleur) et le digestat, résidu organique riche en nutriment (azote, phosphore, ...) dans les mêmes proportions que la matière organique en entrée car ces éléments ne sortent pas ou peu sous forme gazeuse. Ce digestat peut être utilisé comme fertilisant dans les exploitations agricoles. Ainsi, d'un point de vue théorique, la méthanisation présente potentiellement des atouts aux niveaux agronomiques, énergétiques et environnementaux : réduction des émissions de gaz à effet de serre (en limitant les émissions de méthane et de protoxyde d'azote libre des fosses à lisier ou des fumiers), valorisation des déchets organiques, substitution aux énergies fossiles.

C'est pourquoi les politiques publiques, à travers le Plan Énergie Méthanisation Autonomie Azote (EMAA) lancé en 2013, soutiennent activement le développement de cette filière, notamment dans une logique d'économie circulaire et de transition agroécologique. En 2023, la France comptait environ 1 500 installations de méthanisation, dont près de 70 % sont d'origine agricole (ADEME 2024). Le secteur agricole représente ainsi la principale source de substrats méthanisables, notamment via les effluents d'élevage (fumier, lisier) et les résidus de culture. Toujours selon l'ADEME, la méthanisation agricole a produit environ 9 TWh d'énergie en 2022.
Toutefois, au-delà de ces potentiels atouts, la méthanisation agricole soulève également des controverses, notamment en matière de concurrence d'usage des terres, d'autonomie azotée et d'équilibre agronomique des apports de digestats au sol. L'étude de son développement intégré aux systèmes agricoles, notamment biologique, est donc cruciale pour mieux comprendre ses effets sur les cycles biogéochimiques.

1.4.2 Etude de l'impact de la méthanisation sur l'autonomie azotée et les flux de phosphore par la modélisation des flux de nutriments sur une diversité de fermes types

L'agriculture se retrouve ainsi face à un triple défi alimentaire/énergétique/environnemental et la filière de méthanisation se retrouve au cœur de celui-ci. A ce jour, les premiers résultats montrent que les modèles actuels de développement de la méthanisation sont construits très majoritairement pour répondre à l'enjeu énergétique et conduisent souvent à une intensification du système de production agricole, notamment de la production végétale (Levavasseur et al. 2024). Ces modèles de développement ne semblent pas cohérents avec les pratiques de l'AB. C'est dans ce cadre que s'intègre le projet MethAB porté par l'INRAE au sein du programme MétaBIO. L'objectif de ce projet est donc d'identifier, de co-construire et de documenter des systèmes en grande culture et en polyculture élevage avec méthanisation sur les bases pratiques et théoriques déjà existantes afin de faire émerger des systèmes de méthanisation agroécologique permettant d'augmenter l'autonomie azotée des exploitations, spécifiquement en AB. Du point de vue de l'agroécologie, l'enjeu majeur autour de la méthanisation est donc d'améliorer l'autonomie azotée et le bouclage des cycles. Cependant, il existe très peu de références scientifiques et techniques sur des modèles de méthanisation agroécologique et sur leurs impacts réels sur le cycle de l'azote. De plus, aucun travail scientifique de ce type incluant l'étude sur le phosphore n'est développé en France spécifiquement à l'AB et très peu de références techniques sont disponibles. Ainsi, les principaux verrous identifiés et auxquels répond ce projet concernent :

* La production de connaissances et de références techniques sur ces systèmes.

* L'identification et la co-construction de systèmes de polyculture-élevage-méthanisation agroécologiques et compatibles avec l'AB favorisant l'autonomie azotée.

* L'évaluation de ces systèmes, en termes d'autonomie azotée, de bouclage du cycle de l'azote et du phosphore et de production alimentaire et énergétique.
Dans la continuité des projets CIRCUL'AB et ORGANIC 4 ORGANIC, le projet MethAB s'inscrit dans les réflexions de cette communauté pluridisciplinaire sur l'évaluation de la méthanisation à travers le prisme de l'autonomie en éléments fertilisants. Ainsi, la présente étude se concentrera sur les deux derniers verrous du projet MethAB, en se basant sur les résultats du premier, afin de répondre à la problématique suivante : **En quoi la méthanisation pourrait-elle améliorer l'autonomie en azote des exploitations en agriculture biologique ? Et quels sont les impacts sur les flux de phosphore ainsi que sur le nexus alimentation/énergie/environnement ?**

Pour répondre à ces questions, un modèle de quantification des flux d'azote et de phosphore est développé. Le modèle s'inspire de modèles d'analyse de flux azotés déjà mis en place pour les projets CIRCUL'AB et ORGANIC 4 ORGANIC et propose une analyse plus détaillée des flux notamment sur l'atelier élevage et l'intégration de l'élément phosphore. Ainsi, six fermes types sont modélisées et l'intégration de la méthanisation est scénarisée notamment par la co-construction de nouvelles rotations culturales et/ou niveaux d'élevage, adaptés aux scénarios. Les données du modèle sont analysées sur la base de divers indicateurs clés afin d'étudier l'impact de la méthanisation sur les performances et le fonctionnement de ces fermes types. Finalement, la pertinence du modèle sera évaluée et ses limites discutées.
Pour évaluer l'impact de l'insertion de la méthanisation sur l'autonomie azotée et les flux de phosphore dans les systèmes de production agricole, six fermes types en agriculture biologique et sans méthanisation issues de références techniques d'instituts ont été sélectionnées. Ensuite, une méthodologie de modélisation a été développée afin de quantifier les flux d'entrées, de sorties et internes. Plusieurs scénarios d'insertion de la méthanisation dans ces exploitations ont ensuite été co-construits puis leurs flux de nutriments ont été modélisés, pour tous les cas (avec et sans méthanisation). Pour l'évaluation de ces scénarios des indicateurs clés ont été sélectionnés. Ce qui a permis d'évaluer l'impact de la méthanisation sur l'autonomie azotée des fermes et le nexus alimentation/énergie/environnement, ainsi que ces conséquences sur les flux de phosphore au sein de la ferme. Enfin, afin de mieux comprendre la pertinence des résultats obtenus et les limites du modèle, une étude de sensibilité a été réalisée sur deux fermes avec et sans méthanisation

### 2.1 Sélection de fermes types dans un objectif de diversité pour une évaluation représentative

Afin de déterminer l'impact de l'intégration de la méthanisation comme levier d'autonomie en fertilisant en agriculture biologique, l'étude s'est appuyée sur six exploitations types en AB, sans méthanisation, dans trois régions agricoles distinctes. Quatre d'entre elles sont spécialisées en production végétale, les deux autres sont des systèmes bovins laitiers. Ces six exploitations types ont été sélectionnées pour représenter des systèmes agricoles variés afin d'étudier l'impact de la méthanisation sur différents systèmes de production agricole. La sélection de ces fermes types s'est faite au lancement du projet MethAB par ses coordinateurs, leurs caractéristiques sont précisées par la suite.

* L'exploitation vache laitière en Bretagne (VL1) :
L'exploitation VL1, publié par Inosys-Réseaux d'élevage, repose sur une SAU de 70 ha, avec 86 UGB dont 65 vaches laitières. Environ 11% de la SAU est en prairie naturelle. 80% de la SAU est en prairie temporaire et les cultures fourragères de maïs ensilage et méteil viennent compléter la ration en fourrage (cf. figure n°3). Les vaches laitières sont de race Normande et Prim'Holstein et la production laitière s'élève à 6 388 L/VL. L'exploitation importe du lisier de porc pour fertiliser ses sols en plus du fumier de bovin produit sur la ferme. Elle importe également une partie de la paille et des concentrés pour les animaux.

<figure><img src="image_5.png" /><figcaption>Figure 3: Rotations du cas-type VL1</figcaption></figure>

* L'exploitation vache laitière en Bretagne (VL2) :

Cette exploitation type a été proposée par des experts du groupement Agrobio 35 partenaire du projet MethAB. La ferme est composée d'une SAU de 91 ha avec 103 UGB. 70% de la SAU est en prairies temporaires, l'ensilage de maïs et de luzerne viennent compléter l'apport fourrager. La production végétale repose sur trois rotations assez similaires (cf. figure n°4) et est complétée par environ 6% de la SAU en prairies naturelles. Avec 79 vaches laitières de race Prim'Holstein, la production laitière moyenne s'élève à 5 096 L/VL. L'exploitation est autonome en fertilisation, elle n'importe donc pas de matière organique. Cependant, elle importe une partie de la paille et des concentrés pour les animaux.

<figure><img src="image_6.png" /><figcaption>Figure 4: Rotations du cas-type VL2</figcaption></figure>
* L'exploitation en grandes cultures du Bassin parisien (GC1) :

L'exploitation type GC1 a été renseignée à dire d'expert avec l'appui technique de la Chambre d'Agriculture d'Île-de-France et Arvalis. L'exploitation s'appuie sur une SAU de 180 ha avec en tête de rotation 3 années de luzerne destinée à la déshydratation (cf. figure n°5). Des fientes de poules et de la vinasse de sucrerie sont importées pour la fertilisation des cultures non légumineuses.

<figure><img src="image_7.png" /><figcaption>Figure 5: Rotation du cas-type GC1</figcaption></figure>

* L'exploitation en grandes cultures des Deux-Sèvres (GC2) :

Cette exploitation type représente une réalité pouvant être couramment observable dans le contexte pédoclimatique des Deux-Sèvres et a été renseignée à dire d'expert avec l'appui technique de la Chambre d'Agriculture de la Vienne. L'exploitation s'étend sur une SAU de 120 ha et repose sur deux rotations de culture. La première rotation est irriguée, tant dis que la deuxième ne l'est pas. Les rotations ne comprennent pas de légumineuses fourragères (cf. figure n°6), elles bénéficient donc de l'importation de fumier de volaille comme produits résiduaires organiques (PRO) pour fertiliser ses sols.

<figure><img src="image_8.png" /><figcaption>Figure 6: Rotations du cas-type GC2</figcaption></figure>
* L'exploitation en grandes cultures en Bretagne (GC3) :

Ce cas-type proposé par Arvalis, avec l'aide de la chambre d'agriculture de Bretagne, s'étend sur une SAU de 90 ha. 3 années de prairies sont en tête de rotation (cf. figure n°7). Cette rotation, comme celle des fermes précédentes, est caractérisée par sa grande diversité de culture de rente. Cette caractéristique met en lumière l'un des principes de l'agriculture biologique qui est la diversité de l'assolément. Cette pratique permet notamment de mieux lutter contre les adventices, les ravageurs et les pathogènes. Des fientes de poule et du fumier de bovin sont néanmoins importés et épandus sur le blé et sur les prairies en début de rotation.

<figure><img src="image_9.png" /><figcaption>Figure 7: Rotation du cas-type GC3</figcaption></figure>

* L'exploitation en grandes cultures en Bretagne (GC4) :

La dernière exploitation en grande culture a été élaborée à dire d'expert du groupement Agrobio 35. Sur une SAU de 100 ha, l'exploitation tourne sur deux rotations de 50 ha (cf. figure n°8). Les rotations s'étalent sur 11 et 12 années avec une grande diversité de culture. Les implantations fréquentes de luzerne et de prairies riches en légumineuses témoignent de la maximisation du premier levier utilisé en AB pour l'autonomie en azote sur l'exploitation. Des fientes de poules et du compost sont importés pour amender les céréales et le colza.
<figure><img src="image_10.png" /><figcaption>Figure 8: Rotations du cas-type GC4</figcaption></figure>

La sélection de ces 6 fermes types offre une diversité d'asselement, de pratiques et de systèmes d'exploitation. Les données précises de toutes ces exploitations sont fournies dans les annexes I à VI. Sur ces bases, des scénarios d'insertion de la méthanisation dans ces exploitations ont été co-construits et les flux d'azote et de phosphore ont été modélisés puis évalués pour chacune des fermes.

## 2.2 Scénarisation de l'insertion de la méthanisation dans les fermes

### 2.2.1 Cadre méthodologique pour la construction des scénarios

La méthanisation permet de valoriser un large panel de matières organiques, telles que les cultures, les effluents d'élevage, les boues urbaines, les composts ou bien les co-produits industriels. Pour l'étude, la composition de la ration du méthaniseur est limitée aux seules ressources produites sur la ferme. L'étude se place dans le cadre théorique d'une méthanisation collective où l'agriculteur apporte ce qu'il souhaite à l'unité de méthanisation et il reçoit en retour théoriquement un digestat équivalent en azote et phosphore à sa contribution.

L'alimentation du méthaniseur peut suivre différents scénarios, mais dans le cadre de l'agriculture biologique, les cultures principales destinées à l'alimentation humaine sont exclues. Pour améliorer l'autonomie en fertilisants organiques, une partie des fourrages, riche en légumineuses, peut être valorisée en méthanisation, en particulier les coupes de moindre qualité. Pour des raisons de conservation des filières existantes sur les territoires, seulement 25% à 30% de la production de fourrage sont considérés potentiellement à destination du méthaniseur selon les scénarios, ainsi à minima 70% demeure envoyé à la coopérative. Dans cette étude, le terme « fourrage » désigne uniquement la luzerne pluriannuelle et les prairies, excluant le méteil, le maïs ensilage ou la féverole.
Certains scénarios intègrent également des Cultures Intermédiaire à Valeur Energétique (CIVE), cultures largement utilisées dans les unités existantes actuellement. Ces cultures s'intercalent entre deux cultures principales (en été ou en hiver) dans le but de maximiser la production de biomasse. Par ailleurs, l'implantation de CIVE a des conséquences sur la culture suivante. En effet, celle-ci exerce une compétition pour l'eau en diminuant la réserve utile du sol, mais aussi dans un objectif de rentabilité, la récolte de la CIVE peut être retardée au détriment de l'implantation de la culture suivante. Ainsi, il est considéré que le rendement de la culture suivant une CIVE est réduit de 5% à 20% suivant l'objectif de maximisation de la production de biomasse sur la CIVE (Marsac et al. 2023). Ensuite, un mélange et un rendement commun à toutes les CIVE des différentes fermes est définis à l'issu d'un travail de bibliographie. Pour le modèle, la CIVE d'hiver est un mélange de seigle (40%), Orge (40%) et Vesce (20%) avec un rendement moyen entre 6 et 8 tMS/ha selon l'objectif de maximisation de la production de biomasse sur la CIVE (Ferrand 2022; ARVALIS 2019). La CIVE d'été quant à elle, est composée d'une plante avec un cycle court, le sorgho. Une CIVE d'été a un rendement moyen entre 6 et 8 tMS/ha uniquement dans le cas où la rotation serait irriguée (Bodilis et al. 2023). Sinon, le modèle considère que seulement 30% des surfaces de CIVE sont récoltées.

### 2.2.2 Construction de deux types de scénarios par ferme : deux méthodes selon le type d'exploitation

Dans l'objectif d'étudier l'impact de la méthanisation sur les fermes sélectionnées, il s'agit de construire un ou plusieurs scénarios précis comparables au système initial et réalisable agronomiquement. La viabilité économique des scénarios n'est pas prise en compte dans le raisonnement, en considérant que la méthanisation collective permet d'envisager toutes les possibilités. Pour tous les scénarios, la SAU des fermes reste la même. Les cultures présentes dans la rotation de référence sont conservées dans la mesure du possible afin que les systèmes restent comparables entre eux sur une même ferme. L'intégralité du digestat produit est restitué au sol afin de limiter les importations de fertilisant organique. Si le digestat est insuffisant pour la fertilisation, une partie des importations initialement présentes sur la ferme est conservée afin de maintenir l'équilibre. Le digestat produit est épandu sur les cultures et prioritairement sur les céréales. En effet, le digestat riche en azote minéral apporté sur les céréales d'hiver au printemps fait grimper le rendement de 10 à 25% (Abras et al. 2020). Pour le modèle, l'augmentation de rendement sur les céréales d'hiver grâce au digestat a été fixée à 15%.
Alors, deux types de scénarios sont créés pour les fermes. Les scénarios se distinguent selon leur objectif de production énergétique :

* Le premier type de scénario, dit « AGRO », repose sur l'utilisation partielle des fourrages et des effluents comme intrant de la méthanisation afin de minimiser l'importation de fertilisant organique, sans venir changer la rotation initiale de la ferme. Des CIVE peuvent être implantées à la place d'interculture déjà présentes dans la rotation. Dans ce cas le rendement de la CIVE est fixé à 6 tMS/ha, alors le rendement de la culture suivante ne sera réduit que de 5%. Dans la suite de l'étude, l'expression « le scénario AGRO » sera désigné par AGRO.

* Le second type de scénario, dit « NRJ », vise à maximiser la production énergétique issue de la méthanisation, dans un objectif de s'aligner avec les perspectives de production d'énergie issue de la méthanisation des pouvoirs publics, comme celle de la SNBC. Ainsi, les rotations sont modifiées, afin d'imbriquer le maximum de Culture Intermédiaire à Valeur Energétique (CIVE), tout en respectant les contraintes agronomiques. Dans ces scénarios, le rendement des CIVE est fixé à 8 tMS/ha, alors le rendement de la culture suivante sera réduit de 20% pour mettre en avant l'impact que peut avoir un retard dans la date de récolte de la CIVE sur la culture suivante (Marsac et al. 2023). Une partie des fourrages est toujours utilisée pour la méthanisation et dans certains cas de nouveaux fourrages sont ajoutés dans la rotation. Dans la suite de l'étude, l'expression « le scénario NRJ » sera désigné par « NRJ ».

Les scénarios pour l'ensemble des quatre fermes en grande culture ont été élaborés à l'issue d'un état de l'art. Les scénarios ont été présentés lors d'une réunion avec l'intégralité de l'équipe du projet MethAB afin d'y apporter un regard critique et de valider la faisabilité des rotations par un professionnel en grande culture du groupe Agrobio 35.

L'élaboration de scénarios pour les systèmes d'élevage s'est appuyée sur trois entretiens semi-directifs menés auprès d'éleveurs de bovins laitiers engagés dans une unité de méthanisation collective située aux alentours de Rennes. Les réponses aux questions ont permis de comprendre comment s'insérait la méthanisation dans un système bénéficiant déjà d'une recirculation de l'azote grâce à l'utilisation des effluents de l'atelier de production animal. Ces entretiens portaient sur des questions qualitatives dans le but d'échanger avec l'agriculteur sur son itinéraire technique avant et après l'apparition de la méthanisation. Le questionnaire complet est disponible en annexe XII.
De plus, la maximisation de la production énergétique grâce à la méthanisation impose qu'une partie de la biomasse fourragère produite sur la ferme soit incorporée dans le méthaniseur. Ainsi, dans l'objectif de minimisation des importations, la réduction des fourrages disponibles pour l'alimentation des bovins, impose une diminution du cheptel. De plus, l'augmentation du temps au bâtiment des animaux augmente la quantité d'effluents méthanisables. Ainsi, pour ces exploitations en polyculture élevage deux scénarios NRJ sont construits. Chacun d'eux joue sur la modification du temps de pâturage et la réduction du cheptel au profit de la méthanisation :

* Le scénario NRJ_1 réduit le temps de pâturage tout en augmentant la quantité de fourrage apporté au méthaniseur, entrainant une réduction du cheptel du fait de la réduction de la quantité d'aliments apporté à l'atelier d'élevage.

* Le scénario NRJ_2, repose sur l'extensification du système, combiné à la réduction du cheptel pour libérer davantage de ressources pour la méthanisation.

Deux à trois scénarios d'insertion de la méthanisation par ferme, soit au total 22 scénarios, sont élaborés en fonction de l'intensité de la production d'énergie sur la ferme. Alors, pour les six fermes types, représentant une diversité de systèmes de culture et d'élevage, les flux d'azote et de phosphore peuvent être modélisés.

## 2.3 Construction d'un modèle de quantification des flux d'azote et de phosphore

### 2.3.1 Paramétrage initial du modèle à partir des cas-types

L'évaluation de nouvelles formes d'organisation à même d'améliorer le recyclage des nutriments au sein des systèmes agricoles, nécessite de s'intéresser aux flux de ces éléments nutritifs à l'échelle de l'exploitation. De nombreux travaux ont ainsi été menés à l'échelle de la ferme. Les premiers de ces travaux ont utilisé des bilans de matières, qui sont calculés comme la différence entre la quantité d'éléments entrant sur l'exploitation via les importations de matières (grains, fourrages, effluents d'élevage...), en ajoutant éventuellement les entrées d'azote atmosphérique, et la quantité d'éléments sortant via les exportations des productions (grain, lait, viande...) (Simon et al. 2000; Eyasu Elias, Morse, Belshaw 1998). Les fiches descriptives des différents cas-types fournissent les informations nécessaires à l'élaboration d'un modèle basé sur ces entrées et sorties. En effet, on y retrouve la quantification des éléments en entrée (achats de paille, de concentrés et de fertilisants) ainsi que ceux en sortie (production de lait, viande, céréales, fourrages et paille) sur l'exploitation. Ainsi, à partir de ces cas-types un premier modèle peut être élaboré.
Ce modèle comprend principalement les entrées et les sorties et permet d'en déduire les pertes et stocks par un bilan de matière. Néanmoins, le détail des flux internes et des pertes, n'est pas quantifiable uniquement à partir des informations fournit par ces fiches descriptives. En effet, ces modèles considèrent l'exploitation agricole comme une boite noire, à l'intérieur de laquelle les flux d'éléments minéraux ne sont pas étudiés (Nowak 2013). Ils ne fournissent donc pas d'informations concernant le recyclage de l'azote ou du phosphore au sein des exploitations agricoles. Or, l'étude s'intéresse aussi aux dynamiques des flux de ces nutriments à l'intérieur même du système, puisque l'objectif recherché est le recyclage de la matière dans l'exploitation. De ce fait, pour le modèle de l'étude, il convient d'incrémenter un niveau de détail sur les flux internes et sur différentes pertes d'azote et de phosphore.

### 2.3.2 Estimation des flux sur la base de références bibliographiques

Au-delà des données techniques spécifiques renseignées dans les fiches descriptives, un état de l'art a été réalisé permettant d'identifier les différents flux internes et les différentes formes de pertes et d'acquérir des références bibliographiques dans le but de les quantifier. L'exploitation est ainsi divisée en 4 compartiments (production végétale, production animale, bâtiment et stockage des effluents, méthanisation) et l'ensemble des flux pris en compte est représenté sur la figure n°9. Ainsi, une méthodologie spécifique de modélisation a été développée pour quantifier ces flux internes et ces pertes. Cette méthode de modélisation a deux objectifs principaux. Le premier est de gagner un niveau de détail en décomposant les flux. Par exemple, les flux de pertes d'azote peuvent être décomposés en lixiviation, dénitrification, volatilisation. Le second est d'éviter une interdépendance trop forte entre les calculs de ces flux, ce qui accentuerait l'impact d'un seul paramètre lors de l'évaluation du système. Par exemple, en estimant par une bibliographie la quantité d'azote dans les excrétions des bovins sans le déduire par un bilan de matière. La modélisation des flux de nutriments repose alors aussi sur des valeurs estimées à l'issue de l'état de l'art. Les données et méthodes utilisées sont les suivantes :

* la déposition atmosphérique d'azote et de phosphore (Ronceux, Czeryba 2016; Senthilkumar et al. 2012) (Annexe X),

* la teneur en azote et phosphore des cultures (COMIFER 2013) (Annexe VIII),

* les quantités d'azote et de phosphore excrétées par animal en fonction de son âge et du pourcentage d'herbe dans la ration (Giovanni, Dulphy 2008) (Annexe VII),
* les facteurs d'émission de l'azote à diverses étapes de la gestion des effluents (IPCC 2010) (Annexe IX),

* la lixiviation de l'azote et du phosphore (Vandenberghe et al. 2013; Senthilkumar et al. 2012) (Annexe IX),

* la dénitrification (Ronceux, Czeryba 2016) (Annexe IX),

* le facteur des émissions de digestat au stockage et à l'épandage (valeur issue des travaux du projet MethAB) (Annexe IX),

* le taux de minéralisation dans le digesteur (Base de données Sysmétha; Projet MethAB) (Annexe IX),

* le potentiel méthanogène des cultures et effluents (IFIP : base de données MéthaSim) (Annexe XI),

* le facteur de diminution des émissions ammonicales en fonction de la méthode d'épandage et de stockage (Huguenin-Elie et al. 2018; Chambre d'agriculture Normandie 2014) (Annexe XI),

* Stockage et déstockage maximum de carbone d'une prairie (Pellerin et al. 2021), rapporté en quantité d'azote selon le rapport C/N du sol égal à 10 (Annexe X).

La fixation symbiotique unitaire de chaque culture fixatrice, quant à elle, diverge en fonction des sources dans l'état de l'art, passant parfois du simple au double. Des valeurs ont été choisies lors de travaux précédents dans le cadre du projet ORGANIC 4 ORGANIC (Cristofaro 2024). Ainsi, les mêmes valeurs ont été reprises pour ce modèle (Annexe X). Du fait de la grande disparité entre les valeurs de divers travaux scientifiques, la fixation symbiotique, bien qu'importante pour l'évaluation du modèle, est un paramètre sensible dans les conditions réelles. Il en sera tenu compte dans la discussion des résultats. L'ensemble des valeurs issues de la littérature sont disponibles dans les annexes VII à XI. Les flux d'azote et de phosphore des fermes sont modélisées sur le logiciel Excel.
<figure><img src="image_11.png" /><figcaption>Figure 9: Schéma de la représentation des flux d'azote et de phosphore au sein d'une ferme polyculture élevage selon le modèle mis en place pour l'étude</figcaption></figure>

Afin de valider la modélisation, la méthode utilisée est celle du bilan annuel : chaque compartiment du modèle (végétale, animale, infrastructure d'élevage et méthanisation) doit avoir un bilan (entrées-sorties) proche de 0, à 10% près pour que la modélisation soit considérée comme valide. Dans le cas d'un modèle qui ne conduit pas à un bilan valide une correction est apporté à la valeur de stockage ou déstockage de l'azote dans le sol.

## 2.4 Evaluation multicritère des systèmes : définition et choix des indicateurs

### 2.4.1 Identification d'indicateurs clés donnant une vue d'ensemble des dynamiques sur la ferme

Chaque ferme représente un agrosystème bien différent des autres et l'objectif de cette étude est d'étudier l'impact de la méthanisation sur l'autonomie azotée de ces fermes de manière générique. Il convient alors d'identifier un indicateur permettant de rendre compte de l'autonomie. Dans le cadre de ce travail, un agrosystème est considéré comme autonome lorsqu'il valorise au mieux les ressources naturelles présentes sur l'exploitation. Cela signifie qu'une exploitation totalement autonome ne dépend que des ressources naturelles de l'exploitation, caractérisées par la déposition atmosphérique et la fixation symbiotique, dans le cas de l'azote (cf. tableau n°1).
Mais une exploitation peut se montrer autonome et peu productive en générant d'importante pertes d'azote. L'autonomie seule ne suffit pas à rendre compte de l'impact de la méthanisation sur un système de production et plus particulièrement sur le nexus alimentation/énergie/environnement. Il semble donc important de caractériser en parallèle les performances de ce nexus. Pour cette raison quatre indicateurs de performances sont mis en avant pour caractériser l'autonomie, la production alimentaire, la production d'énergie par la méthanisation et les pertes d'azote vers l'environnement responsable de diverses pollutions environnementales comme l'eutrophisation des milieux aquatiques (cf. tableau n°1).

Afin de mieux comprendre les liens et compromis entre ces performances, quatre indicateurs de fonctionnement ont également été caractérisés : circularité, recyclage, efficience et fixation symbiotique. En effet, la méthanisation vise précisément à faire circuler l'azote à l'intérieur du système. Il est donc important d'intégrer un indicateur permettant de quantifier les flux internes. La recirculation de la matière limite les sorties productives. Il convient alors d'évaluer l'efficience de la ferme à convertir ses entrées en production alimentaire. Pour finir, les légumineuses constituant le principal levier de l'AB pour atteindre l'autonomie azotée, il est judicieux de quantifier la fixation symbiotique sur l'exploitation (cf. tableau n°1).

Enfin, le phosphore ne pouvant être capté par la plante uniquement dans les ressources du sol, une réduction des importations de matière organique au profit de la fixation symbiotique de l'azote soulève l'hypothèse d'un potentiel déficit en phosphore à long terme. Afin d'étudier cette hypothèse, un indicateur appelé « minage du phosphore » cherchera à étudier l'impact de la méthanisation sur les ressources en phosphore du sol. Ainsi, le minage du phosphore est calculé sur l'équilibrage des flux de phosphore du modèle pour atteindre un bilan annuel (entrée-sortie) de 0. Cette valeur permet de comprendre si le système est déficitaire en phosphore et donc s'il le puise dans le sol ou inversement. Un système puisant de façon trop importante du phosphore dans le sol est considéré comme un système non-viable sur le long terme.
<table><caption>Tableau 1: présentation des indicateurs évaluant l'impact de la méthanisation sur les exploitations</caption><thead><tr><th>INDICATEUR</th><th>TYPOLOGIE</th><th>UNITE</th><th>FORMULE</th><th>DESCRIPTION</th><th>REFERENCE</th></tr></thead><tbody><tr><td>AUTONOMIE</td><td>PERFORMANCE</td><td>%</td><td>Entrées atmosphériques / Σ Entrées du système x100</td><td>Les entrées atmosphériques correspondent aux dépôts atmosphériques et à la fixation symbiotique.</td><td>(Regan et al. 2017)</td></tr><tr><td>PRODUCTIVITE ALIMENTAIRE</td><td>PERFORMANCE</td><td>kgN/ha/an ou kgP/ha/an</td><td>Σ Sorties consommables par l'homme / SAU</td><td>Uniquement, la viande, le lait et les céréales sont concernés par les sorties consommables par l'homme</td><td></td></tr><tr><td>ENERGIE PRODUITE</td><td>PERFORMANCE</td><td>MWh/ha/an</td><td>Flux de matière rentrant dans le méthaniseur (tMS/an) * Pouvoir méthanogène de la matière (Nm³/tMS) * Rendement de conversion dans le méthaniseur * Conversion du PCS (pouvoir calorifique supérieur) du méthane en MWh/Nm³ * Rendement de l'injection du méthaniseur / SAU</td><td>Le rendement de conversion est de 85%. Le PCS est de 0,01107 MWh/Nm³. Le rendement de l'injection du méthaniseur est estimé à 90%. Le lixiviation, la dénitrification et la volatilisation sont considérées dans les pertes.</td><td>(Metha - 3G 2025)</td></tr><tr><td>PERTES</td><td>PERFORMANCE</td><td>kgN/ha/an ou kgP/ha/an</td><td>Σ Sorties non productives / SAU</td><td></td><td></td></tr><tr><td>EFFICIENCE</td><td>FNCTIONNEMENT</td><td>%</td><td>Σ Sorties productives (sauf digestat) / Σ Entrées du système x100</td><td>Les flux internes correspondent aux flèches en orange dans la figure n°10, ainsi qu'aux trois flèches violettes des cultures vers la méthanisation.</td><td>(Kleinpeter et al. 2023)</td></tr><tr><td>TAUX DE CIRCULARITE</td><td>FNCTIONNEMENT</td><td>%</td><td>Σ Flux internes / Σ Ensemble des flux sauf pertes x100</td><td>Les pailles, les intercultures, les fourrages et les effluents d'élevage sont considérés comme des sous-produits.</td><td></td></tr><tr><td>TAUX DE RECYCLAGE DES SOUS-PRODUITS</td><td>FNCTIONNEMENT</td><td>%</td><td>Σ Flux issus des sous - produits restant dans le système / Σ Ensemble de la production des sous - produits x100</td><td></td><td></td></tr><tr><td>FIXATION SYMBIOTIQUE</td><td>FNCTIONNEMENT</td><td>kgN/ha/an</td><td>Σ Fixation unitaire d'une légumineuse / SAU</td><td>Les valeurs de fixation unitaire sont présentées en annexe X.</td><td></td></tr><tr><td>MINAGE DU PHOSPHORE</td><td>PHOSPHORE</td><td>kgP/ha/an</td><td>Σ Flux entrants - Σ Flux sortants / SAU</td><td>Le minage du phosphore est calculé sur l'équilibrage des flux de phosphore dans le système pour atteindre un bilan annuel (entrée-sortie) de 0%.</td><td>(Phospho-BIO 2025)</td></tr></tbody></table>

La pluralité des indicateurs permet de rendre compte de l'influence de la méthanisation sur les flux d'azote et de phosphore ainsi que sur les dynamiques de l'exploitation face aux grands défis auxquels est confronté l'agriculture biologique : alimentaire, énergétique, dépendance aux importations d'engrais organiques et pollution environnementale. L'évaluation des fermes repose néanmoins sur plusieurs sources et décisions pour construire le modèle. L'étude s'attachera donc à questionner la sensibilité du modèle et à mettre en lumière ses limites.
### 2.4.2 Analyse de sensibilité globale du modèle

Dans la modélisation d'agrosystèmes, les résultats produits dépendent fortement des hypothèses formulées sur les paramètres en entrée, dont leurs valeurs sont incertaines (conditions pédoclimatiques). Une analyse de sensibilité permet d'évaluer la robustesse du modèle et sa variabilité. Elle identifie les paramètres les plus déterminants dans la variabilité des indicateurs de sortie, offrant ainsi une valeur d'incertitude pour chacun d'eux.

Parmi les méthodes d'analyse de sensibilité, l'approche Monte Carlo est particulièrement utilisée pour évaluer la propagation des incertitudes des paramètres en entrée d'un modèle sur ses indicateurs en sortie (Iooss 2011). Elle repose sur la simulation de nombreuses configurations du système, à partir de tirages aléatoires de valeurs de paramètres selon une loi de distribution uniforme.

Dans la présente étude, environ 10 000 simulations ont été menées pour chaque scénario, sur une quarantaine de paramètres. Pour garantir la cohérence des résultats, seules les simulations respectant un bilan azoté global (entrée-sortie) équilibré, soit plus ou moins 10%, sont conservées. Chaque indicateur du modèle est ensuite associé à un intervalle d'incertitude à 90 % de confiance. L'analyse, réalisée sous Python, est portée sur les fermes GC1 et VL1, en version sans et avec méthanisation.

Alors, pour les six fermes types, représentant une diversité de systèmes de culture et d'élevage, les flux d'azote et de phosphore peuvent être modélisés. Deux à trois scénarios d'insertion de la méthanisation par ferme, soit au total 22 scénarios, sont élaborés en fonction de l'intensité de la production d'énergie sur la ferme. Le modèle construit sur des valeurs issues des fiches descriptives et de l'état de l'art permet de ressortir neuf grands indicateurs d'évaluation des fermes. Une analyse de sensibilité permet de déterminer l'incertitude de ces indicateurs et de rendre compte des limites de ce modèle. C'est par cette méthode que sont élaborés les résultats de l'étude qui seront présentés et discutés par la suite.
Sur la base de la méthodologie exposée précédemment, les scénarios des différentes fermes sont construits. Ces scénarios ont permis de quantifier les flux de nutriments et de les comparer aux exploitations sans méthanisation. Les gains et pertes de performances observés sont discutés sur la base des indicateurs de fonctionnement, mettant en évidence des groupes de scénarios présentant des dynamiques similaires.

### 3.1 L'aboutissement des travaux de scénarisation

#### 3.1.1 Exploitation en grande culture : Intégration de légumineuses et de CIVE

Comme cela a pu être démontré par les rotations des 6 fermes présentées dans la seconde partie de cette étude, les légumineuses sont parties intégrantes des rotations en agriculture biologique. En effet, il est largement admis que l'implantation de légumineuses fourragères est le principal levier en AB pour la fertilisation azotée des sols. Bien que ces plantes captent le diazote atmosphérique, elles sont exportées sous forme de fourrage à destination des animaux. Pour la scénarisation de l'insertion de la méthanisation, les premières ou les dernières coupes des légumineuses fourragères sont à destination du méthaniseur. Ainsi, la rotation initiale est inchangée pour les scénarios AGRO, seulement la destination des fourrages va varier entre export et méthanisation. Pour les scénarios NRJ, les CIVE viennent renforcer la biomasse à destination du méthaniseur pour augmenter la production d'énergie. Sur ces bases, l'ensemble des rotations des scénarios NRJ construites pour les fermes en grande culture sont présentées par la suite.

* L'exploitation en grandes cultures du Bassin parisien (GC1) :

Pour AGRO, la rotation de l'exploitation type GC1 n'est pas modifiée, seulement une partie des coupes de luzerne est dirigée à la méthanisation. Les céréales d'hiver sont alors fertilisées avec le digestat au lieu de la vinasse et des fientes de poules initialement.

Pour NRJ, une idée de maximisation de la production énergétique proposée par le programme de recherche Metha - 3G, financé par l'ADEME, est utilisée dans ce scénario. Il s'agit d'implanter une CIVE sous couvert de luzerne, sur trois années. La CIVE d'hiver est implantée en octobre et est récoltée aux alentours de début mai (cf. figure n°10). Dans ce cas une perte de rendement de la luzerne est considérée pour les coupes suivant la récolte de la CIVE. A l'inverse
du scénario AGRO, le scénario NRJ, augmente les importations initiales de vinasses et fientes de poules par rapport au scénario initial.

<figure><img src="image_12.png" /><figcaption>Figure 10: Rotation du scénario NRJ du cas-type GC1</figcaption></figure>

* L'exploitation en grandes cultures des Deux-Sèvres (GC2) :

La ferme GC2 est une exception, car elle n'a pas de légumineuse fourragère en tête de sa rotation initiale. Pour AGRO, il a été décidé de respecter le fait que la rotation doit rester inchangée par rapport à la rotation initiale. Ainsi, les couverts végétaux sont remplacés par des CIVE (cf. figure n°11 - A). D'autant plus que la première rotation peut produire des CIVE d'été rentables puisqu'elle est irriguée. Néanmoins, ses importations de PRO augmente par rapport au scénario initial.

<figure><img src="image_13.png" /><figcaption>Figure 11: Rotations des scénarios AGRO (A) et NRJ (B) du cas-type GC2</figcaption></figure>
Pour NRJ, 3 années de luzernes sont implantées en tête de la rotation irriguée (cf. figure n°11 - B). L'objectif est d'améliorer l'autonomie en apportant une plante fixatrice d'azote dans la rotation tout en augmentant la biomasse à destination du méthaniseur. La SAU de l'exploitation restant inchangée, la proportion de la surface des cultures produites initialement diminue au profit de la luzerne.

* L'exploitation en grandes cultures en Bretagne (GC3) :

Cette ferme, caractérisée par sa grande diversité de culture de rente et complétée par trois années de prairie est caractéristique des rotations des fermes en AB. Pour AGRO, une coupe des prairies est mise dans le méthaniseur, soit 30% de la production.

Tandis que pour NRJ, deux CIVE viennent remplacer les couverts initialement présents. L'enchaînement de la culture de maïs et du blé est inversé pour retrouver le schéma classique de l'implantation d'une CIVE d'hiver entre le blé et le maïs (cf. figure n°12). Le rendement de la culture de maïs sera donc réduit de 20% puisqu'on considère que la production de biomasse de la CIVE est maximisée et donc l'implantation du maïs est retardée.

<figure><img src="image_14.png" /><figcaption>Figure 12: Rotation du scénario NRJ du cas-type GC3</figcaption></figure>

* L'exploitation en grandes cultures en Bretagne (GC4) :

La ferme GC4, caractérisée par sa longue rotation et ses multiples fourrages, témoignent de la maximisation du premier levier utilisé en AB pour l'autonomie en azote sur l'exploitation. Pour le scénario AGRO, une partie des coupes de luzerne et prairie sont à destination du méthaniseur. Le digestat obtenu est restitué au sol sur les céréales d'hiver, au printemps, puisqu'il apporte une augmentation de rendement de l'ordre de 15% (Abras et al. 2020).
Le scénario NRJ est quant à lui caractérisé par l'implantation de CIVE d'hiver et d'été lorsque la période d'interculture est suffisamment grande (cf. figure n°13). Pour les deux scénarios, on retrouve toujours la présence de fientes de poule ou de compost comme fertilisant.

<figure><img src="image_15.png" /><figcaption>Figure 13: Rotation du scénario NRJ du cas-type GC4</figcaption></figure>

### 3.1.2 Les exploitations en polyculture élevage : optimiser l'intégration de la méthanisation au-delà de l'unique utilisation des effluents

Les bovins valorisent les légumineuses au même titre qu'un méthaniseur. Ainsi, dans un premier temps la méthanisation est utilisée uniquement afin de valoriser les effluents d'élevage dans un système en polyculture élevage. C'est ce qui est ressorti des entretiens auprès des éleveurs. De plus, ils conservaient une partie de leur fumier pour fertiliser directement leur prairie. C'est sur ces observations qu'a été élaboré le scénario AGRO. Ensuite, pour étudier l'impact de la maximisation de la production énergétique issu de la méthanisation dans des systèmes bovins laitiers, l'intégralité des effluents est à destination du méthaniseur. D'autre part, le sursemis de CIVE dans de la luzerne proposé par le programme Métha-3G est adopté pour alimenter le méthaniseur dans les scénarios NRJ. La récolte d'une partie des fourrages pour le méthaniseur impose une réduction du cheptel. De plus, la maximisation de la production énergétique joue sur le temps de pâturage qui permet de récolter plus ou moins d'effluent au bâtiment. Ainsi, les scénarios NRJ_1 et 2 diffèrent selon le temps de pâturage et la taille du cheptel, mais possèdent la même rotation.

Voici les caractéristiques des rotations des scénarios NRJ des 2 fermes types en vache laitière :

* L'exploitation vache laitière en Bretagne (VL1) :
Pour le scénario AGRO, la rotation de l'exploitation type VL1 n'est pas modifiée, seulement 76% des effluents sont dirigés vers la méthanisation. Les céréales d'hiver sont alors fertilisées avec le digestat au lieu des effluents de porc initialement.

Ensuite, pour NRJ quatre années de luzerne en sursemis de CIVE ont été implantées dans la première rotation à la place de quatre années de prairie. En plus, on retrouve en fin de rotation un enchaînement classique Blé-CIVE-Maïs. Il est important de préciser que dans le cas des scénarios NRJ, 100% des effluents sont à destination du méthaniseur. De plus, pour NRJ_1 le temps de pâturage est réduit de 20%. Pour équilibrer les flux, le cheptel est réduit de 16%. Cette diminution est proportionnelle à la réduction de la disponibilité en fourrage pour les bovins. Dans le cas NRJ_2, la réduction du cheptel est fixée à 15%. L'objectif d'extensification se caractérise par une augmentation de 30% de temps de pâturage et une suppression d'achat de concentrés induisant une baisse de la production laitière.

<figure><img src="image_16.png" /><figcaption>Figure 14: Rotations des scénarios NRJ du cas-type VL1</figcaption></figure>

* L'exploitation vache laitière en Bretagne (VL2) :

Pour le scénario AGRO, la rotation de l'exploitation type VL2 n'est pas modifiée, seulement 76% des effluents sont dirigés vers la méthanisation. Les céréales d'hiver sont alors fertilisées avec le digestat.

Ensuite, pour le scénario NRJ, une quatrième année de luzerne est ajoutée à la rotation initiale et sur trois ans un sursemis de CIVE est implanté dans la luzerne, sur la seconde rotation. En plus, on retrouve en fin de rotation un enchaînement classique Blé-CIVE-Maïs. Pour cette ferme, comme précédemment, 100% des effluents sont à destination du méthaniseur. De plus, pour NRJ_1 le temps de pâturage est aussi réduit de 20%. Pour équilibrer les flux, en raison de la réduction de la disponibilité en fourrage, le cheptel est alors réduit de 21%. Dans le cas NRJ_2, la réduction du cheptel est fixée à 20%. L'objectif d'extensification se caractérise par
une augmentation de 30% de pâturage et une suppression d'achat de concentrés induisant une baisse de la production laitière.

<figure><img src="image_17.png" /><figcaption>Figure 15: Rotations des scénarios NRJ du cas-type VL2</figcaption></figure>

Pour chacun des scénarios NRJ en vaches laitières, la production de digestat est trop importante par rapport aux besoins des cultures. De ce fait, une partie du digestat est exporté et comptabilisé comme une production de l'exploitation au même titre que les cultures ou le lait. Sur la base de ces rotations et à partir du modèle développé, les flux d'azote et de phosphore ont été calculés pour l'ensemble des scénarios et les valeurs des indicateurs sont extraites afin d'être analysées.

## 3.2 Méthanisation et performances des systèmes : arbitrages entre gains et pertes potentiels

### 3.2.1 Des scénarios et des fermes diversifiés formant quatre groupes distincts

Les valeurs des indicateurs ont été obtenues à partir des modélisations pour les différents scénarios (INITIAL – AGRO – NRJ) sur les six fermes types. Les résultats de ces indicateurs sont disponibles en annexe XIII. Néanmoins dans un souci de comparaison et au vu de la diversité des exploitations, l'impact de la méthanisation sera étudié en considérant l'évolution de ces indicateurs entre les scénarios avec méthanisation (AGRO et NRJ) et sans (INITIAL). Dans un premier temps, l'étude se focalise sur l'impact de la méthanisation sur les performances des fermes en matière d'autonomie azotée, de production alimentaire, de production d'énergie et de pollution environnementale. Les résultats de l'évolution de ces indicateurs sont synthétisés dans le tableau n°2. Ainsi, si le résultat est négatif, cela témoigne d'une diminution de l'indicateur alors qu'un résultat positif marque une augmentation de l'indicateur du fait de la méthanisation.
<table><caption>Tableau 2: Evolution des indicateurs de performance entre l'état initial sans méthanisation et les scénarios avec méthanisation</caption><thead><tr><th>Fermes</th><th>Scénarios</th><th>Autonomie (%)</th><th>Productivité alimentaire (kgN/ha/an)</th><th>Pertes (kgN/ha/an)</th><th>Energie produite par méthanisation (MWh/ha)</th></tr></thead><tbody><tr><td rowspan="2">GC1</td><td>AGRO</td><td>13</td><td>3</td><td>-3</td><td>2</td></tr><tr><td>NRJ</td><td>-6</td><td>-5</td><td>12</td><td>9</td></tr><tr><td rowspan="2">GC2</td><td>AGRO</td><td>-12</td><td>2</td><td>15</td><td>4</td></tr><tr><td>NRJ</td><td>40</td><td>-11</td><td>-6</td><td>8</td></tr><tr><td rowspan="2">GC3</td><td>AGRO</td><td>17</td><td>3</td><td>-14</td><td>3</td></tr><tr><td>NRJ</td><td>26</td><td>0</td><td>-16</td><td>6</td></tr><tr><td rowspan="2">GC4</td><td>AGRO</td><td>3</td><td>2</td><td>2</td><td>2</td></tr><tr><td>NRJ</td><td>10</td><td>-2</td><td>0</td><td>4</td></tr><tr><td rowspan="3">VL1</td><td>AGRO</td><td>8</td><td>0</td><td>-11</td><td>2</td></tr><tr><td>NRJ_1</td><td>25</td><td>-6</td><td>-9</td><td>10</td></tr><tr><td>NRJ_2</td><td>36</td><td>-9</td><td>-23</td><td>6</td></tr><tr><td rowspan="3">VL2</td><td>AGRO</td><td>1</td><td>0</td><td>-9</td><td>2</td></tr><tr><td>NRJ_1</td><td>1</td><td>-4</td><td>-2</td><td>8</td></tr><tr><td>NRJ_2</td><td>2</td><td>-6</td><td>-16</td><td>5</td></tr></tbody></table>

Tout d'abord, l'évolution de l'autonomie azotée pour les différents scénarios varie entre -12 et 40%. Même si la majorité des scénarios engendre une augmentation de l'autonomie, deux scénarios (GC1 NRJ et GC2 AGRO) conduisent à une diminution de celle-ci. La méthanisation ne renforce donc pas systématiquement l'autonomie. La diversité des résultats obtenus ne permet pas, en première analyse, de comprendre les dynamiques d'évolution hétérogènes observées sur le nexus alimentation/énergie/environnement. L'étude se tourne alors vers l'analyse en composante principale (ACP). Cette méthode statistique multivariée permet de réduire la dimensionnalité des données corrélées tout en conservant l'essentiel de leur variabilité, en projetant les observations sur un nombre restreint de nouvelles variables appelées composantes principales. L'ACP est particulièrement utile pour détecter des structures sous-jacentes, identifier des regroupements d'individus ou de variables, mettre en évidence des corrélations, et faciliter l'interprétation graphique des données.

Dans un premier temps, l'ACP est réalisée sur les données du tableau d'évolution des quatre indicateurs de performance. Les deux premières composantes principales expliquent 88,2% de la variance des valeurs, il a donc été décidé d'exprimer les valeurs selon ces deux composantes. Les résultats sont représentés sur la figure n°16.
<figure><img src="image_18.png" /><figcaption>Figure 16: Biplot des scénarios des fermes et des quatre indicateurs de performance sur les deux dimensions de l'ACP</figcaption></figure>

La disposition des vecteurs met, tout d'abord, en évidence une opposition entre l'autonomie et les pertes azotées, montrant une corrélation négative. De plus, l'opposition entre la production alimentaire et la production d'énergie, présente également leur corrélation négative. D'autre part, l'autonomie apparaît relativement indépendante de la production d'énergie puisque les vecteurs forment un angle proche de la perpendiculaire.

Ensuite, ce graphique met en lumière quatre grands groupes. Tout d'abord, le groupe VL1 NRJ_1 et 2 avec GC2 NRJ, fait référence aux trois points entourés en vert à la droite du graphique de la figure n°16. Ce sont ces trois scénarios qui ont la plus forte augmentation d'autonomie avec simultanément, une production relativement importante d'énergie. Dans la suite de l'étude se groupe sera désigné par le nom « l'énergie pour l'autonomie »

D'un autre côté, le groupe reprenant les fermes GC1 NRJ et GC2 AGRO, entourées en rouge sur le graphique, se distingue par une réduction de l'autonomie couplée à une augmentation des pertes. Ce sont les seuls scénarios à avoir simultanément une baisse d'autonomie et une augmentation des pertes. Ils sont aussi caractérisés par une production énergétique relativement importante. Dans la suite de l'étude se groupe sera désigné par le nom « l'énergie à tout prix »

Un troisième groupe caractérisé par l'indicateur production alimentaire vient regrouper les scénarios AGRO, à l'exception de GC2 AGRO. Ce groupe, entouré en bleu sur le graphique, est le seul à voir la production alimentaire de ses fermes se stabiliser ou augmenter. En parallèle, ce groupe est caractérisé par une faible production énergétique et une faible augmentation de
l'autonomie. Dans la suite de l'étude ce groupe sera désigné par le nom « l'alimentation en priorité »

Enfin, on observe un dernier groupe qui se situe au centre de la représentation et donc ne semble pas être caractérisé par un indicateur particulier, c'est le groupe en gris qui reprend les scénarios GC3 NRJ, GC4 NRJ, VL2 NRJ_1 et 2. Les scénarios de ce groupe présentent ainsi les valeurs moyennes des indicateurs de performance. Il semble alors que ces scénarios échappent aux dynamiques imposées aux trois groupes précédents et peuvent atteindre une production d'énergie significative tout en augmentant leur autonomie et en minimisant les pertes de productivité alimentaire et la pollution environnementale. Dans la suite de l'étude ce groupe sera désigné par le nom « les équilibristes »

### 3.2.2 Les performances des groupes de scénarios analysées à travers leurs indicateurs de fonctionnement

Dans un second temps, l'étude cherche à expliquer l'impact de la méthanisation sur les performances des fermes et leur autonomie par les indicateurs de fonctionnement calculés dans le modèle. Les résultats de l'évolution des indicateurs de performance et de fonctionnement sont ainsi synthétisés dans le tableau n°3. Ainsi, si le résultat est négatif, cela témoigne d'une diminution de l'indicateur alors qu'un résultat positif marque une augmentation de l'indicateur.

<table><caption>Tableau 3: Evolution des indicateurs de performance et de fonctionnement entre l'état initial sans méthanisation et les scénarios avec méthanisation</caption><thead><tr><th>Fermes</th><th>Scénarios</th><th>Productivité alimentaire (kgN/ha/an)</th><th>Autonomie (%)</th><th>Pertes (kgN/ha/an)</th><th>Energie produite par méthanisation (MWh/ha)</th><th>Fixation symbiotique (kgN/ha/an)</th><th>Efficience (%)</th><th>Taux de circularité (%)</th><th>Taux de recyclage des sous-produits (%)</th></tr></thead><tbody><tr><td rowspan="2">GC1</td><td>AGRO</td><td>3</td><td>13</td><td>-3</td><td>2</td><td>0</td><td>-1</td><td>16</td><td>20</td></tr><tr><td>NRJ</td><td>-5</td><td>-6</td><td>12</td><td>9</td><td>-34</td><td>-14</td><td>42</td><td>49</td></tr><tr><td rowspan="2">GC2</td><td>AGRO</td><td>2</td><td>-12</td><td>15</td><td>4</td><td>-7</td><td>-6</td><td>16</td><td>-3</td></tr><tr><td>NRJ</td><td>-11</td><td>40</td><td>-6</td><td>8</td><td>27</td><td>0</td><td>42</td><td>-7</td></tr><tr><td rowspan="2">GC3</td><td>AGRO</td><td>3</td><td>17</td><td>-14</td><td>3</td><td>0</td><td>4</td><td>16</td><td>31</td></tr><tr><td>NRJ</td><td>0</td><td>26</td><td>-16</td><td>6</td><td>9</td><td>3</td><td>32</td><td>48</td></tr><tr><td rowspan="2">GC4</td><td>AGRO</td><td>2</td><td>3</td><td>2</td><td>2</td><td>3</td><td>-2</td><td>11</td><td>5</td></tr><tr><td>NRJ</td><td>-2</td><td>10</td><td>0</td><td>4</td><td>6</td><td>-1</td><td>21</td><td>15</td></tr><tr><td rowspan="3">VL1</td><td>AGRO</td><td>0</td><td>8</td><td>-11</td><td>2</td><td>1</td><td>4</td><td>2</td><td>2</td></tr><tr><td>NRJ_1</td><td>-6</td><td>25</td><td>-9</td><td>10</td><td>38</td><td>13</td><td>0</td><td>-6</td></tr><tr><td>NRJ_2</td><td>-9</td><td>36</td><td>-23</td><td>6</td><td>44</td><td>21</td><td>0</td><td>-6</td></tr><tr><td rowspan="3">VL2</td><td>AGRO</td><td>0</td><td>1</td><td>-9</td><td>2</td><td>3</td><td>10</td><td>-2</td><td>-1</td></tr><tr><td>NRJ_1</td><td>-4</td><td>1</td><td>-2</td><td>8</td><td>-4</td><td>-2</td><td>5</td><td>3</td></tr><tr><td>NRJ_2</td><td>-6</td><td>2</td><td>-16</td><td>5</td><td>-4</td><td>12</td><td>2</td><td>0</td></tr></tbody></table>
L'évolution des indicateurs de fonctionnement varie sur une très grande amplitude pouvant aller de -14% pour l'efficience à +49% pour le taux de recyclage des sous-produits. Dans certains cas la méthanisation réduit ces indicateurs et dans d'autres elle les fait croître de façon importante. Afin d'expliquer les évolutions sur les indicateurs de performance et de comprendre les dynamiques des différents groupes de scénario, les indicateurs de fonctionnements ont été représentés sur le graphique de l'ACP des indicateurs de performance. Ces variables supplémentaires sont représentées comme combinaison linéaire des composantes principales. Le biplot des scénarios et des indicateurs est présenté sur la figure n°17.

<figure><img src="image_19.png" /><figcaption>Figure 17: Biplot des scénarios des fermes et des indicateurs sur les deux dimensions de l'ACP</figcaption></figure>

Cette représentation de l'ACP permet d'expliquer les indicateurs de performance par les indicateurs de fonctionnement. Tout d'abord, on remarque une corrélation positive entre l'autonomie et la fixation symbiotique tant dis que l'autonomie semble indépendante du taux de circularité. Ainsi, l'autonomie en azote pour les scénarios est garantie par l'incorporation de légumineuses dans la rotation plus que par la recirculation de l'azote par la méthanisation. Ensuite, les pertes azotées sont corrélées positivement avec le taux de recyclage des sous-produits mais opposé à l'efficience de l'exploitation à utiliser l'azote disponible pour sa production. La production alimentaire, quant à elle, semble indépendante de l'évolution des indicateurs de fonctionnement choisis.

A la lumière de ces indicateurs de fonctionnement, on peut de nouveau analyser les 4 groupes identifiés. Tout d'abord, pour le groupe « l'énergie pour l'autonomie », en vert, caractérisé par
leur gain important d'autonomie tout en produisant de l'énergie est caractérisé par une augmentation importante de la fixation symbiotique au sein de ces fermes. En effet, ces scénarios se distinguent par une implantation de luzerne à la place de culture ou de prairie. Ainsi, il y a une augmentation importante de la part de légumineuses fixatrice d'azote atmosphérique. Alors, les scénarios de ce groupe engendrent une réduction des importations de PRO, ce qui les rend moins dépendants des intrants organiques en provenance d'autres fermes.

A l'opposé, le groupe « l'énergie à tout prix », en rouge, est caractérisé par une forte augmentation de la production d'énergie et une baisse de l'autonomie qui s'expliquent par une augmentation du taux de circularité de la biomasse accompagnée d'une diminution de la fixation symbiotique. En effet, pour GC1 NRJ et GC2 AGRO, le semis de CIVE pour le méthaniseur augmente le recyclage de la matière sur la ferme mais cette production de biomasse supplémentaire se fait au détriment du rendement des légumineuses. Cette réduction de la fixation d'azote atmosphérique au sein des exploitations impose une augmentation des importations de PRO pour combler les besoins en azote des cultures. Par conséquent, ces exploitations cultivent une dépendance aux apports en matière organique issues d'autres fermes, pouvant parfois être d'origine conventionnelle.

Le groupe « l'alimentation en priorité », en bleu, caractérisé par le maintien ou l'augmentation de la production alimentaire vient regrouper les exploitations AGRO. Comme exposé sur le graphique de l'ACP, la production alimentaire n'est pas expliquée par des indicateurs de fonctionnement, probablement lié aux faibles changements pour les scénarios AGRO par rapport au scénario INITIAL. En effet, les rotations restent identiques au cas initial, seulement, les céréales sont fertilisées avec du digestat, riche en azote minéral, ce qui augmente leur rendement et donc la productivité alimentaire.

Pour finir, le quatrième groupe « les équilibristes », en gris, est assez mal représenté par les axes de l'ACP. Néanmoins, les scénarios GC4 NRJ et VL2 NRJ_1 semblent caractérisés par les indicateurs de recyclage des sous-produits et de taux de circularité, témoignant d'une proximité avec les dynamiques du groupe « l'énergie à tout prix ». Ce n'est pas le cas des scénarios GC3 NRJ et VL2 NRJ_2, qui quant à eux sont plus caractérisés par l'indicateur autonomie, se rapprochant ainsi des dynamiques du groupe « l'énergie pour l'autonomie ».

Ainsi l'autonomie se gagne sur l'exploitation majoritairement grâce à l'implantation de légumineuses dont une partie de leur matière sera recirculée par la méthanisation pour se séparer
d'une partie ou de la totalité des importations de fertilisants organiques. Une maximisation de la production énergétique se fait majoritairement au détriment de la production alimentaire.

## 3.3 La méthanisation pour la pérennité agronomique de l'agriculture biologique

### 3.3.1 L'impact de la méthanisation sur l'équilibre en nutriments dans l'environnement

L'enjeu pour l'AB est de se séparer de ces importations parfois d'origine conventionnelle. Si les légumineuses sont un bon moyen, par la méthanisation, de gagner en autonomie azotée sur la ferme, l'étude cherche à comprendre l'impact de ce gain d'autonomie par la méthanisation sur les dynamiques en phosphore (cf. figure n°18).

Tout d'abord, on constate que ce sont seulement les fermes GC1 NRJ et GC2 AGRO qui ont une valeur de minage négative, soit un bilan excédentaire en phosphore dans le sol. Ce sont aussi les seules fermes ayant un recours important aux importations de PRO. De plus, l'indicateur minage du phosphore et l'indicateur autonomie sont corrélés (R²=0,80). Ainsi l'autonomie azotée des fermes poussée par la méthanisation implique un déficit en phosphore entre les entrées et sorties et donc un épuisement des ressources en phosphore du sol. Cette dynamique entrainant un déséquilibre dans l'environnement, pose des questions quant à la viabilité de ces systèmes autonomes en azote sur le long terme, puisque le phosphore ne peut être apporté aux sols que par des intrants.

<figure><img src="image_20.png" /><figcaption>Figure 18: Graphique représentant l'évolution de l'autonomie en fonction du minage du phosphore pour tous les scénarios</figcaption></figure>
### 3.3.2 Mise en lumière d'un compromis entre autonomie, performance et durabilité

L'étude a démontré que la décision d'insérer la méthanisation dans les pratiques agricoles d'une ferme en AB pour se séparer des importations de PRO par la méthanisation reste un compromis. Il s'agit maintenant de discuter sur la pertinence pour le développement de l'AB des différentes dynamiques observées.

Tout d'abord, la dynamique « l'énergie à tout prix », bien qu'elle garantisse une production importante d'énergie grâce aux CIVE, elle est en opposition avec l'enjeu d'autonomie en fertilisant de l'agriculture biologique. De plus, la pollution azotée est plus importante. Cette voie d'insertion de la méthanisation ne semble donc pas adaptée face aux enjeux de l'AB.

Ensuite, la dynamique « l'énergie pour l'autonomie » permet d'allier autonomie et production énergétique en passant par l'implantation de légumineuse. Face aux attentes des politiques européennes et nationales de production énergétique par l'agriculture et d'expansion de l'agriculture biologique, ce groupe semble être la réponse adaptée. Néanmoins, la perte de production alimentaire questionne cette dynamique face à l'objectif premier de l'agriculture qui est de nourrir la population mondiale. De plus, les bilans fortement déficitaires en phosphore observés à travers les modélisations posent question sur la viabilité de ces exploitations sur le long terme.

Quant à la dynamique « l'alimentation en priorité », elle répond en premier lieu au principe même de l'agriculture biologique de production de denrées alimentaires. De plus, l'insertion de la méthanisation permet une légère augmentation d'autonomie et une petite production énergétique. Cette dynamique témoigne des synergies potentielles que peut avoir l'insertion de la méthanisation sur l'autonomie et le nexus alimentation/énergie/environnement des fermes en AB, tout en limitant le déséquilibre en phosphore. Cependant, les gains d'autonomie restent faibles et surtout la production énergétique est très modérée. Cette faible production énergétique ne semble pas en mesure de répondre aux politiques de transition énergétique telles qu'envisagées actuellement.

Bien que, le groupe « l'alimentation en priorité » présente un compromis intéressant pour l'insertion de la méthanisation sur les performances de la ferme, la méthanisation ne semble pas être un outil inévitable pour un développement de l'AB à l'échelle nationale, sur le plan agronomique. Quand bien même l'insertion de la méthanisation peut conférer des avantages
notoires en autonomie azotée et/ou en production énergétique pour certaines fermes, il convient
avant tout de définir clairement ce que l'agriculture française attend de la méthanisation et
prendre en compte les conséquences sur le nexus alimentation/énergie/environnement.

3.4 Limites et perspective du modèle

3.4.1 Sensibilité du modèle aux paramètres clés

Pour finir il est important de questionner la fiabilité et la sensibilité du modèle et d'en exposer
ses limites. L'analyse de sensibilité est réalisée sur les scénarios des fermes GC1 et VL1 par la
méthode de Monte-Carlo. A partir des résultats, il est alors possible d'estimer pour chaque
indicateur une valeur d'incertitude avec un intervalle de confiance de 90%. Les résultats de
cette incertitude sont exprimés en pourcentage de la valeur calculée pour les indicateurs de
performance (cf. tableau n°4). Par exemple, l'indicateur productivité alimentaire du scénario
GC1 initial calculé par le modèle a une incertitude de plus ou moins 7%.

<table><caption>Tableau 4: Incertitudes sur les indicateurs de performance exprimées en pourcentage de la valeur calculée</caption>
  <thead>
    <tr>
      <th>Fermes</th>
      <th>Scénarios</th>
      <th>Autonomie</th>
      <th>Productivité alimentaire</th>
      <th>Pertes</th>
      <th>Energie produite par méthanisation</th>
    </tr>
  </thead>
  <tbody>
    <tr>
      <td rowspan="3">GC1</td>
      <td>INITIAL</td>
      <td>4%</td>
      <td>7%</td>
      <td>24%</td>
      <td>-</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>AGRO</td>
      <td>3%</td>
      <td>8%</td>
      <td>26%</td>
      <td>8%</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>NRJ</td>
      <td>5%</td>
      <td>10%</td>
      <td>18%</td>
      <td>9%</td>
    </tr>
    <tr>
      <td rowspan="4">VL1</td>
      <td>INITIAL</td>
      <td>11%</td>
      <td>1%</td>
      <td>18%</td>
      <td>-</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>AGRO</td>
      <td>5%</td>
      <td>1%</td>
      <td>19%</td>
      <td>35%</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>NRJ_1</td>
      <td>2%</td>
      <td>1%</td>
      <td>16%</td>
      <td>9%</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>NRJ_2</td>
      <td>0%</td>
      <td>1%</td>
      <td>20%</td>
      <td>10%</td>
    </tr>
  </tbody>
</table>

Tout d'abord, on remarque que les incertitudes sont relativement faibles, malgré un très grand
nombre d'itération. Cela semble témoigner que le modèle est robuste et que des variations dans
les paramètres du modèle ne viennent pas déstabiliser fondamentalement la valeur de ces
indicateurs. Cette robustesse peut provenir de l'indépendance des calculs de chaque
compartiment qui minimise la propagation d'une incertitude d'un paramètre sur l'ensemble du
système. Néanmoins, on constate que les pertes et la quantité d'énergie produite par la
méthanisation ont des incertitudes plus élevées. Pour mieux comprendre les causes de ces
incertitudes, les paramètres influant du modèle sont identifiés. Pour ce faire, le paramètre faisant
parti d'un couple de paramètre-indicateur avec un coefficient de corrélation supérieur à 0,5 en
valeur absolue, est considéré comme très influent. Ces paramètres sont synthétisés dans le
tableau n°5.
<table><caption>Tableau 5: Les paramètres très influents mis en évidence par la méthode Monte-Carlo pour chaque scénario</caption><thead><tr><td>Indicateurs</td><td>Autonomie</td><td>Production alimentaire</td><td>Pertes</td><td>Production d'énergie</td></tr></thead><tbody><tr><td>Paramètres influents</td><td>-Déstockage d'une prairie<br/>-Taux de légumineuse des prairies temporaires<br/>-Teneur en azote des PRO</td><td>-Augmentation du rendement des céréales d'hiver<br/>-Poids de l'animal en sortie d'élevage</td><td>-Dénitrification<br/>-Lixiviation de l'azote<br/>-Temps de pâturage des vaches laitières</td><td>-Rendement de la luzerne<br/>-Rendement d'une CIVE d'hiver<br/>-Teneur en azote de la luzerne<br/>-Temps de pâturage des vaches laitières</td></tr></tbody></table>

Comme cela a pu être pressenti à l'élaboration du modèle, les paramètres les plus influents du système sont les paramètres qui touchent aux légumineuses comme leur rendement ou la teneur en azote. En effet, c'est une part importante des cultures et comme cela a été démontré précédemment, la fixation symbiotique est responsable directement de l'autonomie et indirectement du minage du phosphore. De plus, ce sont les fourrages comme la luzerne ou les prairies qui sont prioritairement incorporés dans le méthaniseur et qui vont donc influencer la production d'énergie.

### 3.4.2 Scénarisation et choix du modèle d'étude : limites et perspectives

La construction des scénarios d'insertion de la méthanisation a nécessité des choix méthodologiques, impliquant certaines hypothèses. Par exemple, une réduction de 50 % des pertes ammoniacales lors de l'épandage de digestat par rapport aux PRO a été intégrée. Ce choix repose sur l'amélioration des pratiques d'épandage observée dans certaines unités collectives, mais il ne reflète pas toutes les situations. En réalité, la qualité de l'épandage, qu'il s'agisse de digestat ou de PRO, dépend du matériel utilisé et des conditions pédoclimatiques. Ainsi, les bénéfices de la méthanisation en termes de réduction des pertes d'azote doivent être relativisés. Par ailleurs, des ajustements de rendement ont été appliqués : baisse après une CIVE, hausse après fertilisation au digestat. Si ces effets sont reconnus dans la littérature, leur ampleur reste difficile à anticiper, car fortement influencée par les conditions pédoclimatiques. Les gains de productivité alimentaire restent donc théoriques. L'étude montre également que l'implantation de légumineuses pour l'alimentation du méthaniseur peut améliorer l'autonomie azotée, mais entraîne un déficit en phosphore. Toutefois, ce déficit est à nuancer, car les sols contiennent des réserves mobilisables, et des apports ponctuels de PRO peuvent compenser ce manque. Enfin, l'impact sur le potassium, non étudié ici, mériterait une analyse complémentaire.
L'étude menée grâce à la modélisation des flux d'azote et de phosphore sur six fermes biologiques types (quatre en grandes cultures et deux en polyculture élevage) avec et sans méthanisation met en évidence les effets contrastés de l'intégration de la méthanisation dans les systèmes en agriculture biologique. Les résultats montrent que la méthanisation peut contribuer à renforcer l'autonomie en azote des fermes, notamment grâce à l'azote capté par les légumineuses qu'elle recircule dans l'agrosystème. Elle permet aussi d'améliorer le rendement des céréales d'hiver grâce à l'azote minérale des digestats, tout en produisant une énergie renouvelable, participant ainsi aux objectifs de transition énergétique du secteur agricole.

Toutefois, ces bénéfices reposent sur un équilibre délicat entre productivité alimentaire, maintien des ressources phosphorées du sol et réduction des impacts environnementaux. Les scénarios de maximisation énergétique, pouvant être soutenus par les politiques publiques, tendent à réduire la productivité alimentaire et à intensifier le minage du phosphore, voir réduire l'autonomie azotée, mettant en lumière les effets non recherchés d'une stratégie principalement axée sur la production de biogaz. À l'inverse, les scénarios plus agroécologiques visant à maintenir la production alimentaire montrent des améliorations plus équilibrées des performances, mais les gains d'autonomie et la production énergétique restent généralement modestes, questionnant la viabilité économique de ces modèles et leur capacité à répondre aux enjeux énergétiques. Enfin, les scénarios privilégiant autonomie et énergie permettent de répondre à ces 2 enjeux, au détriment de l'alimentation et avec une problématique de minage du phosphore importante. La méthanisation n'est donc pas un levier systématique pour augmenter l'autonomie en nutriments des exploitations en AB. La méthanisation ne doit pas se réduire à un simple outil de production d'énergie, mais doit être un élément stratégique répondant aux objectifs alimentaires, environnementaux, énergétique et d'autonomie de l'agriculture biologique.

Cette étude ouvre ainsi plusieurs pistes de réflexions et de recherches. Notamment, l'intégration d'une analyse technico-économique des scénarios permettrait d'évaluer la viabilité financière de ces modèles dans un contexte de volatilité des prix de revente des fourrages et d'achat de produits résiduaires organiques. De plus, avec les résultats de cette étude on remarque que les fermes en polyculture élevage semblent avoir un plus gros potentiel de production énergétique. Ainsi, élargir le nombre de cas étudiés afin de comparer les différentes dynamiques d'insertion
de la méthanisation entre les fermes en grande culture et les fermes en polyculture élevage est
une perspective pour de prochaines études. Enfin, une approche territoriale, à l'échelle des
filières ou des bassins versants, permettrait d'appréhender les synergies possibles entre
exploitations et d'identifier les conditions de gouvernance nécessaires à une méthanisation
circulaire et durable répondant aux grands enjeux de l'AB.
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TILMAN, David, CASSMAN, Kenneth, MATSON, Pamela A., NAYLOR, Rosamond et POLASKY, Stephen, 2002. Agricultural sustainability and intensive production practices. *Nature*. août 2002. Vol. 418, pp. 671-677. DOI 10.1038/nature01014.

VANDENBERGHE, Christophe, TOFFOLI, Marc De, BACHELART, Florent, IMBRECHT, Olivier, LAMBERT, Richard et MARCOEN, Jean Marie, 2013. Contrôle de l'azote potentiellement lessivable dans le sol en début de période de lixiviation. Établissement des valeurs de référence. *Biotechnologie, Agronomie, Société et Environnement*. 2013. Vol. 12, n° S1, pp. 231-236.
# ANNEXES
# ANNEXE I – Données techniques détaillées pour la ferme VL1

## CULTURES

### Assolements, BNF et productions végétales

<table><thead><tr><td>Cultures</td><td>Surface (ha)</td><td>Rendement de la culture (tMS/ha)</td><td>Taux de légumineuses (%)</td></tr></thead><tbody><tr><td>Prairies permanentes</td><td>7,84</td><td>4,95</td><td>15%</td></tr><tr><td>Prairies temporaires</td><td>48,16</td><td>7,5</td><td>26%</td></tr><tr><td>Maïs ensilage</td><td>7</td><td>11,5</td><td>0%</td></tr><tr><td>Mélange céréales-protéagineux immature</td><td>1,7</td><td>9</td><td>40%</td></tr><tr><td>Mélange céréales-protéagineux</td><td>5,3</td><td>3,6</td><td>40%</td></tr></tbody></table>

### Importations

<table><thead><tr><td>Type</td><td>Azote (kgN)</td><td>Phosphore (kgP)</td></tr></thead><tbody><tr><td>Fumier de porc à l'engrais à base de paille</td><td>1701</td><td>1311</td></tr></tbody></table>

<table><tr><td>Type de machine utilisée pour épandage de lisier</td><td>Epandeur à buse</td></tr></table>

## ELEVAGE

### Informations

<table><tr><td>Age au premier vêlage (mois)</td><td>27</td></tr><tr><td>Type de bâtiment pour les vaches laitières</td><td>Aire paillée + aire d'exercice raclée fumier VL</td></tr><tr><td>Type de bâtiment pour les génisses</td><td>Aire paillée intégrale</td></tr><tr><td>Couverture de fosse à lisier</td><td>Pas de couverture de la fosse à lisier</td></tr></table>

### Effectifs et excrétions

<table><thead><tr><td>Catégorie d'animaux</td><td>Effectif</td><td>Temps passé au pâturage</td></tr></thead><tbody><tr><td>Vaches laitières (VL)</td><td>65</td><td>63%</td></tr><tr><td>Génisses laitières renouvellement >2 ans</td><td>4,875</td><td>72%</td></tr><tr><td>Génisses laitières renouvellement 1 à 2 ans</td><td>19,5</td><td>72%</td></tr><tr><td>Génisses < 1 an</td><td>19,5</td><td>25%</td></tr><tr><td>Veaux</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

### Ration

<table><tr><td>Part d'herbe pâturée dans la ration</td><td>60%</td></tr><tr><td>Part d'herbe récoltée et utilisée dans la ration</td><td>18%</td></tr><tr><td>Total herbe dans la ration</td><td>78%</td></tr></table>

### Pailles et litières

<table><thead><tr><td>Cultures</td><td>Rendement (tMS/ha)</td></tr></thead><tbody><tr><td>Mélange céréales-protéagineux</td><td>2,8</td></tr></tbody></table>

### Production

<table><thead><tr><td></td><td>Quantité (L ou kg/an)</td><td>Taux protéique (g/l ou %)</td></tr></thead><tbody><tr><td>Lait</td><td>415240</td><td>32,89</td></tr><tr><td>Vache de réforme</td><td>17</td><td></td></tr><tr><td>Veaux vendus</td><td>41</td><td></td></tr><tr><td>Total viande</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

<table><tr><td>Poids par tête des vaches de réforme (kg)</td><td>648</td></tr><tr><td>Poids par tête des veaux (kg)</td><td>50</td></tr></table>

### Alimentation&litière

<table><thead><tr><td></td><td>Quantité N (kgN/an)</td><td>Quantité P2O5 (kgP2O5/an)</td></tr></thead><tbody><tr><td>Fourrages achetés</td><td>-</td><td>-</td></tr><tr><td>Concentrés achetés</td><td>1001</td><td>672</td></tr><tr><td>Litière achetée</td><td>455</td><td>189</td></tr></tbody></table>
# ANNEXES II – Données techniques détaillées pour la ferme VL2

## CULTURES

### Assolements, BNF et productions végétales

<table><thead><tr><td>Cultures</td><td>Surface (ha)</td><td>Rendement de la culture (tMS/ha)</td><td>Taux de légumineuses (%)</td></tr></thead><tbody><tr><td>Prairies permanentes</td><td>5,3</td><td>5,1</td><td>10%</td></tr><tr><td>Prairies temporaires</td><td>63,52</td><td>7,5</td><td>27%</td></tr><tr><td>Luzerne</td><td>7,88</td><td>9,4</td><td>89%</td></tr><tr><td>Maïs ensilage</td><td>7</td><td>13,1</td><td>0%</td></tr><tr><td>Blé tendre</td><td>3</td><td>3,2</td><td>0%</td></tr><tr><td>Autres mélanges céréaliers</td><td>4</td><td>3,8</td><td>25%</td></tr></tbody></table>

### Importations

<table><thead><tr><td>Type</td><td>Azote (kgN)</td><td>Phosphore (kgP)</td></tr></thead><tbody><tr><td>-</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

## ELEVAGE

### Informations

<table><tr><td>Age au premier vêlage (mois)</td><td>27</td></tr><tr><td>Type de bâtiment pour les vaches laitières</td><td>Aire paillée + aire d'exercice raclée fumier VL</td></tr><tr><td>Type de bâtiment pour les génisses</td><td>Aire paillée intégrale</td></tr><tr><td>Couverture de fosse à lisier</td><td>Pas de couverture de la fosse à lisier</td></tr></table>

### Effectifs et excrétions

<table><thead><tr><td>Catégorie d'animaux</td><td>Effectif</td><td>Temps passé au pâturage</td></tr></thead><tbody><tr><td>Vaches laitières (VL)</td><td>79</td><td>63%</td></tr><tr><td>Génisses laitières renouvellement >2 ans</td><td>10</td><td>72%</td></tr><tr><td>Génisses laitières renouvellement 1 à 2 ans</td><td>18</td><td>72%</td></tr><tr><td>Génisses < 1 an</td><td>18</td><td>25%</td></tr><tr><td>Veaux</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

### Pailles et litières

<table><thead><tr><td>Cultures</td><td>Rendement (tMS/ha)</td></tr></thead><tbody><tr><td>Blé tendre</td><td>2,5</td></tr><tr><td>Autres mélanges céréaliers</td><td>2,5</td></tr></tbody></table>

### Production

<table><thead><tr><td></td><td>Quantité (L ou kg/an)</td><td>Taux protéique (g/l ou %)</td></tr></thead><tbody><tr><td>Lait</td><td>402600</td><td>32,2</td></tr><tr><td>Vache de réforme</td><td>18</td><td></td></tr><tr><td>Veaux vendus</td><td>53</td><td></td></tr><tr><td>Total viande</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

<table><tr><td>Poids par tête des vaches de réforme (kg)</td><td>648</td></tr><tr><td>Poids par tête des veaux (kg)</td><td>41</td></tr></table>

### Alimentation&litière

<table><thead><tr><td></td><td>Quantités (tMS/an)</td></tr></thead><tbody><tr><td>Fourrages achetés</td><td>20</td></tr><tr><td>Concentrés achetés</td><td>2</td></tr><tr><td>Litière achetée</td><td>60</td></tr></tbody></table>
# ANNEXE III – Données techniques détaillées pour la ferme GC1

## CULTURES

### Assolements, BNF et productions végétales

<table><thead><tr><td>Cultures</td><td>Surface (ha)</td><td>Rendement de la culture (tMS/ha)</td><td>Taux de légumineuses (%)</td></tr></thead><tbody><tr><td>Luzerne</td><td>60</td><td>8,8</td><td>100%</td></tr><tr><td>Féverole</td><td>20</td><td>2,8</td><td>100%</td></tr><tr><td>Blé tendre</td><td>40</td><td>3,6</td><td>0%</td></tr><tr><td>Triticale</td><td>20</td><td>3,3</td><td>0%</td></tr><tr><td>Orge P</td><td>40</td><td>3,7</td><td>0%</td></tr><tr><td>Trèfle blanc en interculture</td><td>20</td><td>3</td><td>100%</td></tr></tbody></table>

### Importations

<table><thead><tr><td></td><td>Azote (kgN)</td><td>Phosphore (kgP)</td></tr></thead><tbody><tr><td>Fumier de poules pondeuses (séché)</td><td>1580</td><td>660</td></tr><tr><td>Vinasses concentrées de mélasses de sucreries (60%MS)</td><td>2250</td><td>79</td></tr></tbody></table>

<table><tr><td>Type de machine utilisée pour épandage de lisier</td><td>Epandeur à buse</td></tr></table>

### Pailles et litières

<table><thead><tr><td>Cultures</td><td>Rendement (tMS/ha)</td></tr></thead><tbody><tr><td>Blé tendre</td><td>2,8</td></tr><tr><td>Triticale</td><td>2,5</td></tr><tr><td>Orge P</td><td>2,8</td></tr></tbody></table>

# ANNEXE IV – Données techniques détaillées pour la ferme GC2

## CULTURES

### Assolements, BNF et productions végétales

<table><thead><tr><td>Cultures</td><td>Surface (ha)</td><td>Rendement de la culture (tMS/ha)</td><td>Taux de légumineuses (%)</td></tr></thead><tbody><tr><td>Pois de Printemps</td><td>13,3</td><td>2,0</td><td>100%</td></tr><tr><td>Lentille</td><td>21,3</td><td>1,0</td><td>100%</td></tr><tr><td>Soja</td><td>8</td><td>3</td><td>100%</td></tr><tr><td>Tournesol</td><td>13,3</td><td>2</td><td>0%</td></tr><tr><td>Maïs grain</td><td>8</td><td>8</td><td>0%</td></tr><tr><td>Blé tendre</td><td>34,6</td><td>3</td><td>0%</td></tr><tr><td>Orge H</td><td>8</td><td>3,5</td><td>0%</td></tr><tr><td>Avoine</td><td>13,3</td><td>2</td><td>0%</td></tr><tr><td>Avoine/Vesce en interculture</td><td>16</td><td>4,5</td><td>80%</td></tr></tbody></table>

### Importations

<table><thead><tr><td></td><td>Azote (kgN)</td><td>Phosphore (kgP)</td></tr></thead><tbody><tr><td>Fumier de poules pondeuses</td><td>4567</td><td>2108</td></tr></tbody></table>

<table><tr><td>Type de machine utilisée pour épandage de lisier</td><td>Epandeur à buse</td></tr></table>

### Pailles et litières

<table><thead><tr><td>Cultures</td><td>Rendement (tMS/ha)</td></tr></thead><tbody><tr><td>Blé tendre</td><td>2,3</td></tr><tr><td>Orge H</td><td>2,7</td></tr><tr><td>Avoine</td><td>1,5</td></tr></tbody></table>
# ANNEXE V – Données techniques détaillées pour la ferme GC3

## CULTURES

### Assolements, BNF et productions végétales

<table><thead><tr><th>Cultures</th><th>Surface (ha)</th><th>Rendement de la culture (tMS/ha)</th><th>Taux de légumineuses (%)</th></tr></thead><tbody><tr><td>Prairies temporaires</td><td>30</td><td>9,7</td><td>65%</td></tr><tr><td>Féverole P</td><td>10</td><td>3,2</td><td>100%</td></tr><tr><td>Maïs grain</td><td>10</td><td>6,8</td><td>0%</td></tr><tr><td>Blé tendre</td><td>20</td><td>4</td><td>0%</td></tr><tr><td>Sarrasin</td><td>10</td><td>1,3</td><td>0%</td></tr><tr><td>Triticale + Pois H</td><td>10</td><td>4,1</td><td>40%</td></tr></tbody></table>

### Importations

<table><thead><tr><th></th><th>Azote (kgN)</th><th>Phosphore (kgP)</th></tr></thead><tbody><tr><td>Fumier de poules pondeuses</td><td>3500</td><td>1615</td></tr><tr><td>Litière bovine accumulée > 2 mois</td><td>500</td><td>140</td></tr></tbody></table>

<table><tr><td>Type de machine utilisée pour épandage de lisier</td><td>Epandeur à buse</td></tr></table>

### Pailles et litières

<table><thead><tr><th>Cultures</th><th>Rendement (tMS/ha)</th></tr></thead><tbody><tr><td>Blé tendre</td><td>3,1</td></tr><tr><td>Sarrasin</td><td>1,0</td></tr><tr><td>Triticale + Pois H</td><td>3,2</td></tr></tbody></table>

# ANNEXE VI – Données techniques détaillées pour la ferme GC4

## CULTURES

### Assolements, BNF et productions végétales

<table><thead><tr><th>Cultures</th><th>Surface (ha)</th><th>Rendement de la culture (tMS/ha)</th><th>Taux de légumineuses (%)</th></tr></thead><tbody><tr><td>Luzerne</td><td>20</td><td>9,4</td><td>100%</td></tr><tr><td>Prairies temporaire (Trèfles violet/raygras)</td><td>10</td><td>8,1</td><td>70%</td></tr><tr><td>Colza</td><td>14</td><td>2,3</td><td>0%</td></tr><tr><td>Triticale + Pois</td><td>14</td><td>2,8</td><td>25%</td></tr><tr><td>Blé tendre</td><td>14</td><td>2,6</td><td>0%</td></tr><tr><td>Sarrasin</td><td>7</td><td>1,8</td><td>0%</td></tr><tr><td>Orge</td><td>14</td><td>2,2</td><td>0%</td></tr><tr><td>Seigle</td><td>7</td><td>2,2</td><td>0%</td></tr></tbody></table>

### Importations

<table><thead><tr><th></th><th>Azote (kgN)</th><th>Phosphore (kgP)</th></tr></thead><tbody><tr><td>Fumier de poules pondeuses</td><td>1071</td><td>494</td></tr><tr><td>Compost de déchets verts</td><td>350</td><td>92</td></tr></tbody></table>

<table><tr><td>Type de machine utilisée pour épandage de lisier</td><td>Epandeur à buse</td></tr></table>

### Pailles et litières

<table><thead><tr><th>Cultures</th><th>Rendement (tMS/ha)</th></tr></thead><tbody><tr><td>Triticale + Pois</td><td>2,2</td></tr><tr><td>Blé tendre</td><td>2,0</td></tr><tr><td>Sarrasin</td><td>1,4</td></tr><tr><td>Orge</td><td>1,7</td></tr><tr><td>Seigle</td><td>1,7</td></tr></tbody></table>
# ANNEXE VII – Quantités d'azote et de phosphore excrétées pour les vaches laitières
(Giovanni 2008)

## Quantités d'azote et de phosphore excrétées pour une vache en une année en fonction du pourcentage d'herbe dans la surface fourragère principale (SFP)

<table><thead><tr><td>Système (Herbe %SFP)</td><td>Herbe seule (jour)</td><td>Azote excrété (kgN/vache/an)</td><td>Phosphore excrété (kgP<sub>2</sub>O<sub>5</sub>/vache/an)</td></tr></thead><tbody><tr><td>H100</td><td>&gt;210</td><td>130</td><td>43</td></tr><tr><td>H100</td><td>&gt;180</td><td>124</td><td>42</td></tr><tr><td>H90</td><td>180</td><td>119</td><td>40</td></tr><tr><td>H85</td><td>165</td><td>115</td><td>39</td></tr><tr><td>H80</td><td>165</td><td>112</td><td>38</td></tr><tr><td>H75</td><td>150</td><td>109</td><td>38</td></tr><tr><td>H70</td><td>120</td><td>106</td><td>38</td></tr><tr><td>H65</td><td>90</td><td>102</td><td>37</td></tr><tr><td>H60</td><td>75</td><td>100</td><td>37</td></tr><tr><td>H50</td><td>60</td><td>94</td><td>37</td></tr><tr><td>H40</td><td>60</td><td>92</td><td>37</td></tr><tr><td>H30</td><td>0</td><td>88</td><td>37</td></tr><tr><td>Maïs + foin</td><td>0</td><td>86</td><td>37</td></tr></tbody></table>

## Quantités d'azote et de phosphore excrétées pour une génisse en une année

<table><thead><tr><td>Animaux</td><td>Génisse &gt; 2 ans</td><td>Génisse entre 1 et 2 ans</td><td>Génisse &lt; 1 an</td></tr></thead><tbody><tr><td>Azote excrété (kgN/vache/an)</td><td>72</td><td>46</td><td>26</td></tr><tr><td>Phosphore excrété (kg P<sub>2</sub>O<sub>5</sub>/vache/an)</td><td>25</td><td>18</td><td>7</td></tr></tbody></table>
ANNEXE VIII – Teneur en azote des différentes cultures du modèle (COMIFER)

<table><thead><tr><th>ESPECE</th><th>ORGANE / TYPE DE RECOLTE</th><th>TENEUR EN AZOTE (kg/q)</th><th>TENEUR EN P<sub>2</sub>O<sub>5</sub> (kg/q)</th></tr></thead><tbody><tr><td rowspan="2">Avoine</td><td>grain</td><td>1,6</td><td>0,75</td></tr><tr><td>paille</td><td>0,4</td><td>0,3</td></tr><tr><td rowspan="2">Blé tendre</td><td>grain</td><td>1,8</td><td>0,65</td></tr><tr><td>paille</td><td>0,4</td><td>0,17</td></tr><tr><td rowspan="2">Colza</td><td>grain</td><td>2,9</td><td>1,25</td></tr><tr><td>paille</td><td>NA</td><td>0,17</td></tr><tr><td rowspan="2">Féverole</td><td>grain</td><td>3,8</td><td>1,2</td></tr><tr><td>paille</td><td>NA</td><td>NA</td></tr><tr><td>Lentille</td><td>grain</td><td>3,28</td><td>0,9</td></tr><tr><td rowspan="2">Maïs</td><td>grain</td><td>1,2</td><td>0,6</td></tr><tr><td>épi entier</td><td>1,1</td><td>0,65</td></tr><tr><td rowspan="2">Orge brassicole</td><td>grain</td><td>1,5</td><td>0,65</td></tr><tr><td>paille</td><td>0,4</td><td>0,1</td></tr><tr><td rowspan="2">Pois</td><td>grain</td><td>3,1</td><td>0,8</td></tr><tr><td>paille</td><td>NA</td><td>0,21</td></tr><tr><td>Soja</td><td>grain</td><td>3,28</td><td>1</td></tr><tr><td rowspan="2">Seigle</td><td>grain</td><td>1,8</td><td>0,65</td></tr><tr><td>paille</td><td>0,4</td><td>0,3</td></tr><tr><td>Sorgho</td><td>grain</td><td>1,5</td><td>0,7</td></tr><tr><td>Tournesol</td><td>grain</td><td>2,4</td><td>1,2</td></tr><tr><td rowspan="2">Triticale</td><td>grain</td><td>1,6</td><td>0,65</td></tr><tr><td>paille</td><td>0,3</td><td>0,2</td></tr><tr><td rowspan="3">Ray Grass Anglais</td><td>pâture</td><td>2,95</td><td>0,68</td></tr><tr><td>ensilage</td><td>2,34</td><td>0,75</td></tr><tr><td>foin</td><td>1,8</td><td>0,67</td></tr><tr><td rowspan="3">Vesce</td><td>pâture</td><td>3,42</td><td>NA</td></tr><tr><td>ensilage</td><td>NA</td><td>0,69</td></tr><tr><td>foin</td><td>1,15</td><td>0,23</td></tr><tr><td rowspan="3">Trèfle violet</td><td>pâture</td><td>3,1</td><td>NA</td></tr><tr><td>ensilage</td><td>2,8</td><td>0,83</td></tr><tr><td>foin</td><td>2,9</td><td>NA</td></tr><tr><td rowspan="3">Luzerne</td><td>déshydratée</td><td>3,5</td><td>0,58</td></tr><tr><td>ensilage</td><td>3</td><td>0,6</td></tr><tr><td>foin</td><td>2,8</td><td>0,63</td></tr><tr><td rowspan="6">Prairies permanentes ou temporaires, graminées ou multi-espèces</td><td>pâturage à rotation rapide ou continu</td><td>3</td><td>NA</td></tr><tr><td>pâturage à rotation lente</td><td>2,5</td><td>0,71</td></tr><tr><td>ensilage, enrubannage</td><td>2,5</td><td>0,56</td></tr><tr><td>foin précoce</td><td>2</td><td>0,69</td></tr><tr><td>foin tardif</td><td>1,5</td><td>NA</td></tr><tr><td>regain</td><td>1,9</td><td>NA</td></tr></tbody></table>
ANNEXE IX – Valeurs des différentes pertes d'azote et de phosphore à l'échelle de l'exploitation

Facteur d'émission de l'ammoniac (FE(NH3)) pour les vaches laitières (IPCC 2010)

<table><thead><tr><th>Proportion de NH3</th><th>Types d'effluent</th><th>FE(NH3) bâtiment</th><th>FE(NH3) stockage</th><th>FE(NH3) épandage</th><th>FE(NH3) pâturage</th></tr></thead><tbody><tr><td rowspan="2">60%</td><td>Lisier</td><td>0.20</td><td>0.20</td><td>0.55</td><td rowspan="2">0.10</td></tr><tr><td>Fumier</td><td>0.19</td><td>0.27</td><td>0.79</td></tr></tbody></table>

Flux des minéraux vers l'environnement

<table><thead><tr><th>Minéral</th><th>Flux</th><th>Unité</th><th>Valeur</th><th>Source</th></tr></thead><tbody><tr><td rowspan="2">Azote</td><td>Lixiviation</td><td>(kgN/ha/an)</td><td>18.6</td><td>(Vandenberghe et al. 2013)</td></tr><tr><td>Dénitrification</td><td>(kgN/ha/an)</td><td>10</td><td>(Ronceux, Czeryba 2016)</td></tr><tr><td rowspan="2">Phosphore</td><td>Lixiviation</td><td>(kgP/ha/an)</td><td>1.5</td><td>(Senthilkumar et al. 2012)</td></tr><tr><td>Migration en profondeur</td><td>(kgP/ha/an)</td><td>0.1</td><td>(Senthilkumar et al. 2012)</td></tr></tbody></table>

Facteur d'émission et de minéralisation des digestats

<table><thead><tr><th>Facteur</th><th>Cultures</th><th>Valeurs</th><th>Source</th></tr></thead><tbody><tr><td>Facteur d'émission au stockage</td><td>Toutes</td><td>8%</td><td>Projet MethAB</td></tr><tr><td>Facteur d'émission à l'épandage</td><td>Toutes</td><td>40%</td><td>Projet MethAB</td></tr><tr><td rowspan="3">Taux de minéralisation</td><td>Prairie</td><td>32%</td><td>Projet MethAB</td></tr><tr><td>Luzerne</td><td>57%</td><td>Projet MethAB</td></tr><tr><td>CIVE</td><td>44%</td><td>Base de données Sysmétha</td></tr></tbody></table>
ANNEXE X – Flux atmosphériques et stockage

Déposition atmosphérique de l'azote et du phosphore

<table><thead><tr><td>Minéral</td><td>Unité</td><td>Valeur</td><td>Sources</td></tr></thead><tbody><tr><td>Azote</td><td>(kgN/ha/an)</td><td>10</td><td>(Ronceux, Czeryba 2016)</td></tr><tr><td>Phosphore</td><td>(kgP/ha/an)</td><td>0.5</td><td>(Senthilkumar et al. 2012)</td></tr></tbody></table>

Choix des fixations symbiotiques pour chaque culture en fonction des sources

<table><thead><tr><td>Fixation unitaire (kgN/tMS/an)</td><td>Rasmussen et al. 2012</td><td>Vertes</td><td>Duc et al.</td><td>Cap2ER</td><td>Choix du modèle</td></tr></thead><tbody><tr><td>Pois</td><td></td><td>35</td><td>28</td><td></td><td>30</td></tr><tr><td>Féverole</td><td></td><td>25</td><td>28</td><td></td><td>30</td></tr><tr><td>Vesce</td><td></td><td></td><td>28</td><td></td><td>30</td></tr><tr><td>Lentille</td><td></td><td></td><td>28</td><td></td><td>30</td></tr><tr><td>Soja</td><td></td><td>22.5</td><td>42.5</td><td></td><td>30</td></tr><tr><td>Trèfles blanc</td><td>33-41</td><td>52.7</td><td>20.5</td><td>38.7</td><td>37</td></tr><tr><td>Trèfle violet</td><td>24-28</td><td>36.4</td><td>20.5</td><td>24</td><td>26</td></tr><tr><td>Luzerne</td><td>31-32</td><td>28</td><td>20.5</td><td>24</td><td>31.5</td></tr><tr><td>Prairie temporaire</td><td></td><td></td><td></td><td></td><td>%Légumineuses*37</td></tr><tr><td>Prairie permanente</td><td></td><td></td><td></td><td></td><td>%Légumineuses*37</td></tr><tr><td>Fourrage mixte</td><td></td><td></td><td></td><td></td><td>%Légumineuse*fixation de la légumineuse considérée</td></tr></tbody></table>

Stockage et déstockage maximum en carbone d'une prairie selon la méthode 4 pour 1000

<table><thead><tr><td>Minéral</td><td>Unité</td><td>Valeur</td><td>Sources</td></tr></thead><tbody><tr><td>Stockage max d'une prairie</td><td>(kgC/ha/an)</td><td>110</td><td>(Pellerin et al. 2019)</td></tr><tr><td>Déstockage max d'une prairie</td><td>(kgC/ha/an)</td><td>184</td><td>(Pellerin et al. 2019)</td></tr></tbody></table>
ANNEXE XI – Facteur de diminution des émissions ammoniacales en fonction de la méthode d'épandage et de stockage et potentiels méthanogènes

<table><caption>Coefficient de réduction d'émission selon la couverture du lisier (Chambre d'agriculture Normandie 2014)</caption><thead><tr><th>Itinéraires techniques</th><th>Couverture souple ou solide de la fosse à lisier</th><th>Couverture par croûte naturelle</th><th>Pas de couverture de la fosse à lisier</th></tr></thead><tbody><tr><th>Coefficient de réduction d'émission</th><td>80%</td><td>50%</td><td>0%</td></tr></tbody></table>

<table><caption>Coefficient de réduction d'émission selon le type d'épandage du lisier (Huguenin-Elie et al. 2018)</caption><thead><tr><th>Itinéraires techniques</th><th>Epandeur à injecteur à disque ou enfouisseur à dent</th><th>Epandeur avec pendillars ou pâtins</th><th>Epandeur à buse</th></tr></thead><tbody><tr><th>Coefficient de réduction d'émission</th><td>80%</td><td>50%</td><td>0%</td></tr></tbody></table>

<table><caption>Potentiels méthanogènes des intrants du méthaniseur (Base de données Methasim - IFIP - 2021)</caption><thead><tr><th>Culture</th><th>Potentiel méthanogène (m³CH₄/tMS)</th></tr></thead><tbody><tr><td>Ensilage de luzerne</td><td>273</td></tr><tr><td>Ensilage d'herbe</td><td>322</td></tr><tr><td>Ensilage de maïs</td><td>330</td></tr><tr><td>Maïs grain (plante entière)</td><td>289</td></tr><tr><td>Blé (plante entière mature)</td><td>259</td></tr><tr><td>Orge (plante entière mature)</td><td>290</td></tr><tr><td>Seigle (plante entière mature)</td><td>320</td></tr><tr><td>Sarrasin (plante entière mature)</td><td>290</td></tr><tr><td>Triticale (plante entière mature)</td><td>290</td></tr><tr><td>Avoine (plante entière verte)</td><td>288</td></tr><tr><td>CIVE H (40% Seigle 40% Orge 20% Vesce)</td><td>260</td></tr><tr><td>Fumier très compact VL</td><td>164</td></tr><tr><td>Fumier compact VL</td><td>197</td></tr><tr><td>Fumier mou VL</td><td>195</td></tr><tr><td>Lisier VL</td><td>234</td></tr><tr><td>Fumier accumulé très compacte génisses</td><td>158</td></tr></tbody></table>
# ANNEXE XII – Questionnaire complet de l'entretien avec les éleveurs en bovin laitier avec méthanisation

## Caractéristiques générales de l'exploitation :

- Quelle est la SAU ? Quelles surfaces en herbes (PP/PT) ? Autres fourrages (Maïs, luzerne, trèfles)

- Depuis combien de temps votre exploitation est en AB ?

- Quels types d'élevage sont présents sur l'exploitation et quelles sont les tailles du cheptel ?

- Quels types de bâtiment/litière (VL, Génisses, autres) ?

## Caractéristique de l'unité de méthanisation :

- Est-ce une méthanisation collective ou individuelle, combien d'agri sont concernés ? Est-elle sur votre exploitation ? Sinon à combien de km ?

- Qu'est-ce qui part de votre exploitation vers le méthaniseur ? (culture, fourrage, paille, interculture, effluent)

- Dans le cas d'une méthanisation collective, sur quelle base et quantité & qualité de digestat récupérer vous ? Est-ce le digestat de vos résidus ?

- Si collectif, est-ce un méthaniseur uniquement AB ? Et sinon comment s'assurer qu'il n'y a pas d'effluents conventionnels dans le méthaniseur ?

## Caractéristiques de la production animale :

- Combien de temps les vaches passent-elles au pâturage ? Et est-ce que la méthanisation a fait évoluer les choses ? Si oui, comment ?

- Quel est la part d'herbe (prairie) dans la ration ? Et est-ce que la méthanisation a fait évoluer les choses ? Si oui, comment ?

- Quels types d'effluents sont produits sur l'exploitation (lisier/fumier) ? Et est-ce que la méthanisation a fait évoluer les choses ? Si oui, comment ?

- Quelles sont les utilisations et la part d'usage des effluents : valorisation directe sur les cultures, vers méthanisation, exportation ? Et temps de stockage

- Y a-t-il une couverture de fosse à lisier ? Et est-ce que la méthanisation a fait évoluer les choses ? Si oui, comment ?

- Est-ce qu'il y a de l'importation de fourrage/concentré/litière ?

- Quelle est la production laitière et viande moyenne ? Et est-ce que la méthanisation a fait évoluer les choses ?

## Caractéristique de la production végétale :

- Quelles sont vos principales rotations ? Et est-ce que la méthanisation a fait évoluer les choses ? Si oui, comment ?

- Produisez-vous des CIVE, lesquelles ? De quoi sont composées les CIVE ?

- Les CIVE sont-elles aussi adaptées à la ration des animaux ? Et donc ont-elles les deux débouchées ? En quoi elles sont adaptées à la ration des bovins et du méthaniseur ?

- Sur quelles cultures sont mis les digestats, à quelle période ?

- Est-ce qu'il y a de l'importation de PRO pour fertiliser les cultures ? Et est-ce que la méthanisation a fait évoluer les choses ? Si oui, comment ?

- Quel est le devenir des productions végétales et paille/interculture (retour au sol/animal/export/méthanisation) ? Quel est le pourcentage de répartition grossièrement ?

- Quel changement constatez-vous sur le rendement de vos cultures par rapport à avant l'usage ? Si changement, pourquoi ?

- En quoi avez-vous dû adapter votre itinéraire technique et vous a-t-il fallu du nouveau matériel ?

- Comment est géré le stockage du digestat avant épandage ?

- Quel type de machine est utilisé pour épandre ? Et est-ce que la méthanisation a fait évoluer les choses ? Si oui, comment ?

- Que pensez-vous de la qualité des sols à long terme lié à l'usage de digestat ?

## Pour finir :

Quels sont les principaux avantages de la méthanisation selon vous ? Notamment pour l'AB

Quels sont les principaux inconvénients de la méthanisation selon vous ? Notamment pour l'AB
ANNEXE XIII – Résultat de tous les indicateurs des différentes fermes pour les différents scénarios

<table><thead><tr><th>Fermes</th><th>Scénarios</th><th>Productivité alimentaire (kgN/ha/an)</th><th>Autonomie (%)</th><th>Pertes (kgN/ha/an)</th><th>Efficience (%)</th><th>Taux de circularité (%)</th><th>Taux de recyclage des sous-produits (%)</th><th>Energie produite (MWh/ha)</th><th>Minage du phosphore (kgP/ha/an)</th></tr></thead><tbody><tr><td rowspan="3">Incertitudes (90%)</td><td>INITIAL</td><td>3,1</td><td>3,3</td><td>8,4</td><td>7,4</td><td>0,7</td><td>2</td><td>0</td><td>-</td></tr><tr><td>AGRO</td><td>3,7</td><td>2,6</td><td>8,3</td><td>7,7</td><td>1,1</td><td>1,6</td><td>0,2</td><td>-</td></tr><tr><td>NRJ</td><td>3,8</td><td>3,6</td><td>8,6</td><td>7,2</td><td>3,3</td><td>3,5</td><td>0,8</td><td>-</td></tr><tr><td rowspan="3">GC1</td><td>INITIAL</td><td>44</td><td>81</td><td>35</td><td>86</td><td>5</td><td>15</td><td>0</td><td>12</td></tr><tr><td>AGRO</td><td>47</td><td>94</td><td>32</td><td>85</td><td>21</td><td>35</td><td>2</td><td>14</td></tr><tr><td>NRJ</td><td>39</td><td>75</td><td>47</td><td>72</td><td>47</td><td>64</td><td>9</td><td>6</td></tr><tr><td rowspan="3">GC2</td><td>INITIAL</td><td>54</td><td>43</td><td>47</td><td>54</td><td>15</td><td>100</td><td>0</td><td>-8</td></tr><tr><td>AGRO</td><td>56</td><td>31</td><td>62</td><td>48</td><td>31</td><td>97</td><td>4</td><td>-18</td></tr><tr><td>NRJ</td><td>43</td><td>83</td><td>41</td><td>54</td><td>57</td><td>93</td><td>8</td><td>6</td></tr><tr><td rowspan="3">GC3</td><td>INITIAL</td><td>51</td><td>65</td><td>50</td><td>73</td><td>2</td><td>6</td><td>0</td><td>-1</td></tr><tr><td>AGRO</td><td>54</td><td>82</td><td>36</td><td>77</td><td>18</td><td>37</td><td>3</td><td>16</td></tr><tr><td>NRJ</td><td>51</td><td>91</td><td>34</td><td>76</td><td>34</td><td>54</td><td>6</td><td>16</td></tr><tr><td rowspan="3">GC4</td><td>INITIAL</td><td>33</td><td>80</td><td>34</td><td>79</td><td>8</td><td>24</td><td>0</td><td>7</td></tr><tr><td>AGRO</td><td>35</td><td>83</td><td>36</td><td>77</td><td>19</td><td>29</td><td>2</td><td>8</td></tr><tr><td>NRJ</td><td>31</td><td>90</td><td>34</td><td>78</td><td>29</td><td>39</td><td>4</td><td>12</td></tr><tr><td rowspan="4">Incertitudes (90%)</td><td>INITIAL</td><td>0,4</td><td>6,4</td><td>12,4</td><td>4</td><td>2,9</td><td>3,4</td><td>0</td><td>-</td></tr><tr><td>AGRO</td><td>0,5</td><td>3,7</td><td>10,6</td><td>4,7</td><td>2,5</td><td>2,2</td><td>0,7</td><td>-</td></tr><tr><td>NRJ_1</td><td>0,4</td><td>1,4</td><td>9,6</td><td>4,5</td><td>2,0</td><td>2,0</td><td>0,9</td><td>-</td></tr><tr><td>NRJ_2</td><td>0,3</td><td>0,4</td><td>9,1</td><td>5,6</td><td>1,8</td><td>1,6</td><td>0,6</td><td>-</td></tr><tr><td rowspan="4">VL1</td><td>INITIAL</td><td>39</td><td>60</td><td>68</td><td>34</td><td>65</td><td>93</td><td>0</td><td>-17</td></tr><tr><td>AGRO</td><td>39</td><td>68</td><td>57</td><td>38</td><td>67</td><td>95</td><td>2</td><td>-8</td></tr><tr><td>NRJ_1</td><td>33</td><td>85</td><td>59</td><td>47</td><td>65</td><td>87</td><td>10</td><td>6</td></tr><tr><td>NRJ_2</td><td>30</td><td>96</td><td>45</td><td>55</td><td>65</td><td>87</td><td>6</td><td>10</td></tr><tr><td rowspan="4">VL2</td><td>INITIAL</td><td>29</td><td>91</td><td>60</td><td>30</td><td>68</td><td>93</td><td>0</td><td>4</td></tr><tr><td>AGRO</td><td>29</td><td>92</td><td>51</td><td>40</td><td>66</td><td>92</td><td>2</td><td>6</td></tr><tr><td>NRJ_1</td><td>25</td><td>92</td><td>58</td><td>28</td><td>73</td><td>96</td><td>8</td><td>4</td></tr><tr><td>NRJ_2</td><td>23</td><td>93</td><td>44</td><td>42</td><td>70</td><td>93</td><td>5</td><td>6</td></tr></tbody></table>
L'agriculture biologique, bien qu'exempte d'engrais de synthèse, reste aujourd'hui dépendante de ressources organiques issues de l'agriculture conventionnelle, et donc indirectement des engrais de synthèse. Cette dépendance questionne sa légitimité environnementale et sa résilience. Dans ce contexte, la méthanisation apparaît comme un levier potentiel de circularité agronomique, capable de recycler localement la matière organique et de produire un fertilisant (le digestat) ainsi qu'une énergie renouvelable. Ce travail vise à évaluer l'impact de la méthanisation sur l'autonomie azotée de systèmes agricoles biologiques.

Une scénarisation de l'insertion de la méthanisation a été réalisée dans six fermes types en AB (quatre en grandes cultures, deux en polyculture élevage), selon deux types de scénarios : l'un tourné vers l'agroécologie, l'autre maximisant la production énergétique. Une modélisation fine des flux d'azote et de phosphore a été réalisée sur l'ensemble des scénarios avec et sans méthanisation. Les résultats de ces modélisations ont permis d'étudier l'impact de la méthanisation sur l'autonomie azotée mais aussi plus largement sur le nexus alimentation/énergie/environnement ainsi que les dynamiques des flux de phosphore.

Les résultats montrent que la méthanisation n'améliore pas l'autonomie azotée de manière systématique. Les cas les plus favorables en termes de gain d'autonomie et de production énergétique présentent, en contrepartie, une réduction de la productivité alimentaire. De plus, les gains d'autonomie s'accompagnent de risques d'épuisement des ressources phosphorées du sol, en particulier dans les scénarios de maximisation énergétique. L'étude souligne ainsi l'importance d'un compromis entre objectifs agronomiques, alimentaires, environnementaux et énergétiques pour intégrer durablement la méthanisation dans l'agriculture biologique.

**MOTS CLES** : agriculture biologique, méthanisation, azote, phosphore, autonomie
Although organic farming avoids the use of synthetic fertilizers, it remains dependent on organic inputs originating from conventional agriculture and thus, indirectly, on synthetic fertilizers. This dependency raises concerns about its environmental legitimacy and resilience. In this context, anaerobic digestion emerges as a potential lever for agronomic circularity, capable of locally recycling organic matter while producing both a fertilizer (digestate) and renewable energy. This study aims to assess the impact of anaerobic digestion on the mineral autonomy of organic farming systems.

Scenario analysis of biogas integration was carried out on six representative organic farms (four arable farms and two mixed crop-livestock farms), according to two types of scenarios: one focused on agroecological optimization, the other on maximizing energy production. A detailed modeling of nitrogen and phosphorus flows was conducted across all scenarios, with and without anaerobic digestion. The outputs of these models were used to evaluate the impact of AD not only on nitrogen autonomy but also more broadly on the food/energy/environment nexus and the dynamics of phosphorus flows.

Results show that anaerobic digestion does not systematically improve nitrogen autonomy. The most favorable cases in terms of autonomy gains and energy production often come at the cost of reduced food productivity. Moreover, improvements in autonomy may lead to risks of soil phosphorus depletion, particularly in energy-maximizing scenarios. The study thus highlights the need to strike a balance between agronomic, food, environmental, and energy objectives to ensure the sustainable integration of anaerobic digestion into organic farming.

**KEYWORDS** : organic farming, methanization, nitrogen, phosphorus, autonomy