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Emissions d’Ammoniac et de Gaz à Effet de Serre des Fumiers Bovins

Ammonia and Greenhouse Gas emissions from cattle Farm Yard Manure

Décembre 2015

Rapport final

Etude réalisée pour le compte de l’ADEME par l’Institut de l’Elevage N° contrat ADEME : 12-60-C0024 Date de début de contrat : 2012 Durée du contrat : 36 mois Responsable ADEME : Thomas Eglin

Coordination technique :

Elise Lorinquer, Alicia Charpiot, Jean Raynal et Jean-Baptiste Dollé (Institut de l’Elevage) Paul Robin, Mélynda Hassouna, Didier Oudart et Julien Planchais (INRA UMR SAS)

Fabrice Guiziou et Laurence Loyon (IRSTEA Rennes) Marc Fougère et Bruno Couilleau (Ferme expérimentale de Derval – 44)

L’ADEME EN BREF

L'Agence de l'Environnement et de la Maîtrise de l'Energie (ADEME) participe à la mise en œuvre des politiques publiques dans les domaines de l'environnement, de l'énergie et du développement durable. Afin de leur permettre de progresser dans leur démarche environnementale, l'agence met à disposition des entreprises, des collectivités locales, des pouvoirs publics et du grand public, ses capacités d'expertise et de conseil. Elle aide en outre au financement de projets, de la recherche à la mise en œuvre et ce, dans les domaines suivants : la gestion des déchets, la préservation des sols, l'efficacité énergétique et les énergies renouvelables, la qualité de l'air et la lutte contre le bruit.

L’ADEME est un établissement public sous la tutelle du ministère de l'écologie, du développement durable et de l'énergie et du ministère de l'enseignement supérieur et de la recherche. www.ademe.fr

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REMERCIEMENTS Cette étude a été accompagnée par un groupe d’experts sur les émissions gazeuses en élevage dans le cadre de l’axe Environnement de l’UMT Recherche et ingénierie en élevage laitier (RIEL), dont nous tenons à remercier les membres. Nous remercions également le personnel de l’installation expérimentale de Derval qui a joué un rôle essentiel dans le bon déroulement et la qualité des essais expérimentaux ainsi que les éleveurs de nous avoir ouvert les portes de leur ferme. Merci aux membres du comité de pilotage de ce projet, un grand merci à Alicia Charpiot pour la coordination et la mise en route de ce projet, ainsi qu’aux établissements Gangloff SARL pour nous avoir fourni les bâches que nous avons testé. Merci également à Jean-Marie Paillat pour sa proposition d’un modèle statistique de perte de C au compostage. Enfin, merci à l’ADEME d’avoir financé ce projet et Thomas Eglin de suivre les avancées de cette étude.

12/2015 Emissions d’Ammoniac et de Gaz à Effet de Serre des Fumiers Bovins (EMAFUM)


SOMMAIRE REMERCIEMENTS ......................................................................................................................................... 2 TABLE DES FIGURES .................................................................................................................................... 4 TABLE DES TABLEAUX ................................................................................................................................. 7 RESUME……… ............................................................................................................................................ 9 ABSTRACT ………………………………………………………………………………………………………..11 1 Contexte et positionnement du projet ......................................................................................... 12

1.1 Contexte environnemental et enjeux économiques et sociétaux .................................................. 12 1.2 Positionnement du projet .............................................................................................................. 14

2 Description scientifique et technique .......................................................................................... 15 2.1 État de l'art .................................................................................................................................... 15 2.2 Objectifs et caractères ambitieux et novateur du projet ................................................................ 19

3 Programme scientifique et technique, organisation du projet ................................................... 19 3.1 Programme scientifique et structuration du projet ........................................................................ 19 3.2 Management du projet .................................................................................................................. 21 3.3 Description des travaux par tâche ................................................................................................ 22

3.3.1 Tâche 1 : Synthèse bibliographique et mise au point du protocole de mesures continues des émissions d’NH3 et de GES .................................................................................................................. 22 3.3.2 Tâche 2 : Suivis en ferme expérimentale et mise au point de la méthode ponctuelle de mesures des émissions d’NH3 et de GES ............................................................................................ 22 3.3.3 Tâche 3 : Suivis en laboratoire ............................................................................................. 23 3.3.4 Tâche 4 : Mise au point de la mesure ponctuelle des émissions d’NH3 et de GES des fumiers en élevage ............................................................................................................................... 23 3.3.5 Tâche 5 : Valorisation, diffusion ........................................................................................... 24

3.4 Calendrier des tâches, livrables et jalons ..................................................................................... 25 4 Mise en œuvre des différentes tâches ......................................................................................... 27

4.1 Tâche 1 : Synthèse bibliographique et mise au point du protocole de mesures continues des émissions d’NH3 et de GES ...................................................................................................................... 27

4.1.1 Introduction et objectif .......................................................................................................... 27 4.1.2 Processus de production de NH3, N2O, CH4 et CO2 au cours du stockage des fumiers bovins ……………………………………………………………………………………………………………………27 4.1.3 Facteurs d’émissions de NH3, N2O, CH4 et CO2 au cours du stockage des fumiers bovins . 29 4.1.4 Impact de la gestion du stockage des fumiers sur les émissions gazeuses ........................ 32

4.2 Tâche 2 : Suivis en ferme expérimentale ...................................................................................... 33 4.2.1 Objectifs ................................................................................................................................ 33 4.2.2 Mise en œuvre du suivi ........................................................................................................ 33 4.2.3 Traitement des données ....................................................................................................... 37 4.2.4 Résultats et discussion ......................................................................................................... 38 4.2.5 Limites et conclusions .......................................................................................................... 66

4.3 Tâche 3 : Suivis en laboratoire ..................................................................................................... 69 4.3.1 Objectifs ................................................................................................................................ 69 4.3.2 Matériels et méthodes .......................................................................................................... 69 4.3.3 Résultats et discussions ....................................................................................................... 74 4.3.4 Limites et conclusions .......................................................................................................... 81

4.4 Tâche 4 : Mise au point de la méthode ponctuelle de mesure des émissions d’NH3 et de GES .. 82 4.4.1 Objectifs ................................................................................................................................ 82 4.4.2 Modélisation dynamique des émissions de NH3, N2O, CO2, CH4 et H2O au cours du compostage .......................................................................................................................................... 82 4.4.3 Protocole pour la mesure ponctuelle des émissions ............................................................ 99 4.4.4 Procédure de calcul de l’incertitude de mesure .................................................................. 106 4.4.5 Usage des mesures ponctuelles en élevage dans une stratégie de réduction des émissions . ………………………………………………………………………………………………………………….110

4.5 Tâche 5 : Valorisation, diffusion .................................................................................................. 112 4.5.1 Objectif ............................................................................................................................... 112 4.5.2 Valorisations réalisées et envisagées ................................................................................ 112 4.5.3 Discussion des résultats et suites au projet ....................................................................... 112

BIBLIOGRAPHIE ......................................................................................................................................... 113 ANNEXES ........................................................................................................................................... 121



TABLE DES ANNEXES Annexe 1: Fiches de lecture ................................................................................................................ 121

Annexe 2 : Protocole de mesure des émissions gazeuses (NH3, N2O, CH4, CO2, H2O) sur des tas de fumiers bovins au cours du stockage .................................................................................................. 141

Annexe 3 : Description détaillée du modèle ........................................................................................ 152

TABLE DES FIGURES Figure 1 : schéma de l’articulation des tâches ...................................................................................... 21

Figure 2 : Diagramme de Gantt du projet .............................................................................................. 25

Figure 3 : Bâtiment et aire paillée de la ferme retenue ......................................................................... 33

Figure 4 : Curage du fumier au sein du bâtiment des vaches laitières (A : litière avant curage ; B et C litière au cours du curage ; D : bâtiment en fin de curage) ................................................................... 34

Figure 5 : Constitution des tas de fumier (A,B et C) et tassement du tas S3 pour la modalité tassé-bâché (D) ............................................................................................................................................... 34

Figure 6 : Tas S1 (témoin, non tassé, non bâché) ................................................................................ 35

Figure 7 : Tas S2 (non tassé, bâché) .................................................................................................... 35

Figure 8 : observations réalisées pour calculer le volume des tas ; les largeurs et hauteurs ont été observées environ tous les 0,5 m le long du tas ................................................................................... 35

Figure 9 : Illustration d'une serre avec l'entrée d'air lors d'une série de mesures ................................ 36

Figure 10 : Arrière d'une serre et extracteur d'air (Fancom) ................................................................. 36

Figure 11 : dispositif d’échantillonnage de l’air "hors serre" (A : mesure intérieur, B : mesure extérieur") ............................................................................................................................................................... 37

Figure 12 : évolution de la température et de l'hygrométrie durant la période d'observation ............... 38

Figure 13 : évolution des précipitations et du vent au cours de la période d'observation ..................... 39

Figure 14 : Evolution des différents tas de fumiers au cours du temps ................................................ 41

Figure 15 : Régression linéaire présentant les jus récoltés en fonction de la pluviométrie .................. 42

Figure 16 : température au sein des 3 tas selon 3 dispositions (fond – cœur – haut) durant l’intégralité de la période expérimentale (°C) ........................................................................................................... 46

Figure 17 : débits d'air obtenus avec l'anémomètre en fonction du pourcentage de ventilation .......... 48

Figure 18 : Dispositif de mesure d’ammoniac par barbotage (Installation Irstea) (A et B : prélèvement d’air à l’entrée de la serre ; C : prélèvement d’air dans le caisson en sortie ; D : caisson de gestion des débits d’air) ............................................................................................................................................ 51

Figure 19 : Rapport des gradients de concentrations du C-CO2 / C-CH4 obtenus pour les mesures ponctuelles et les mesures bâchées (Serre / hors serre) ...................................................................... 53

Figure 20 : émission d'eau, émission interpolée et pluviométrie, pour les 3 tas sur toute la période de mesure ................................................................................................................................................... 54

Figure 21 : émission cumulée d'eau pour les 3 tas sur toute la période de mesure ............................. 55

Figure 22 : émission de dioxyde de carbone et l'émission interpolée, pour les 3 tas sur toute la période de mesure .............................................................................................................................................. 56

Figure 23 : émission de méthane et émission interpolée, pour les 3 tas sur toute la période de mesure ............................................................................................................................................................... 58

Figure 24 : émission cumulée de méthane pour les 3 tas sur toute la période de mesure .................. 59



Figure 25 : Emissions d’ammoniac ponctuelles et interpolées, pour les 3 tas sur toute la période de mesure ................................................................................................................................................... 60

Figure 26 : Rapport de gradients du C-CO2 / N-NH3 obtenus pour les mesures ponctuelles et les mesures bâchées (Serre / hors serre) ................................................................................................... 61

Figure 27 : émission cumulée d'ammoniac pour les 3 tas sur toute la période de mesure .................. 62

Figure 28 : émission de protoxyde d’azote et émission interpolée, pour les 3 tas sur toute la période de mesure ................................................................................................................................................... 63

Figure 29 : Emission cumulée de protoxyde d'azote pour les 3 tas sur toute la période de mesure .... 64

Figure 30 : Schéma bilan des pertes gazeuses pour les 3 modalités de stockage .............................. 68

Figure 31 : schéma de répartition des prélèvements de fumier par carotage effectués dans un bâtiment en litière accumulée de vaches laitières ................................................................................. 69

Figure 32 : prélèvement des échantillons de fumier en bâtiment de vaches laitières (a) aire de couchage en litière accumulée (b) prélèvement par carotteuse (c) carotte de litière prélevée (d) mise en cellule de stockage pour le suivi en laboratoire ............................................................................... 71

Figure 33 : plateau d'émission et cellule de stockage des fumiers étudiés .......................................... 73

Figure 34 : bilan de masse relatif aux 4 fumiers étudiés selon la zone de prélèvement ...................... 75

Figure 35 : évolution des concentrations en N2O (mg/m3) de l'air en entrée (Air Ambiant) et en sortie des cellules contenant les 4 types de fumiers ....................................................................................... 77

Figure 36 : évolution des concentrations en CO2 (mg/m3) de l'air en entrée (Air Ambiant) et en sortie des cellules contenant les 4 types de fumiers ....................................................................................... 78

Figure 37 : évolution des concentrations en CH4 (mg/m3) de l'air en entrée (Air Ambiant) et en sortie des cellules contenant les 4 types de fumiers ....................................................................................... 79

Figure 38 : quantité cumulée moyenne de N-NH3 (mg) émise au cours du stockage des 4 fumiers étudiés ................................................................................................................................................... 80

Figure 39 : Représentation conceptuelle du modèle - Processus majeurs et objectifs de modélisation des différents modules représentés (flèches : interactions entre les modules) .................................... 86

Figure 40 : Représentation schématique des processus du module biodégradation (gauche : dynamiques de consommation d’oxygène (OUR) et d’émissions de CO2 à la température interne globale ; droite : structure générale du module biodégradation) ........................................................... 87

Figure 41 : Structure globale des modules thermique et porosité......................................................... 88

Figure 42 : Structure globale du module azote ..................................................................................... 89

Figure 43 : Représentation schématique du bilan massique d’un andain ............................................ 91

Figure 44 : Répartition des paramètres selon la méthode de calibration .............................................. 93

Figure 45 : Résultats de simulation pour le tas témoin (DC : "dépôt champ") ...................................... 95

Figure 46 : Résultats de simulation pour le tas bâché (DB : "dépôt bâche") ........................................ 96

Figure 47 : Résultats de simulation pour le tas tassé et bâché (TB: "tassé bâché") ............................ 97

Figure 48 : principe de calcul de l'émission au stockage des fumiers bovins par la méthode simplifiée (adapté de Hassouna et Eglin, 2015) .................................................................................................. 100

Figure 49 : variabilité des concentrations en CH4 au voisinage des tas ............................................. 103



Figure 50 : diagramme d'Ishikawa pour la mesure simplifiée des émissions au stockage des fumiers bovins .................................................................................................................................................. 107

Figure 51 : Limitation de la croissance microbienne par la température ............................................ 157

Figure 52 : Représentation de la fonction de limitation de l’oxydation du méthane (flimOxT) par la température ......................................................................................................................................... 161

Figure 53 : Représentation de l’évolution de la température en fonction de la hauteur dans un andain ............................................................................................................................................................. 165

Figure 54 : Représentation du paramètre de perméabilité K .............................................................. 167

Figure 55 : Evolution de peffO2 en fonction de la matière sèche ........................................................ 172



TABLE DES TABLEAUX Tableau 1 : Calendrier des tâches, livrable et jalons ............................................................................ 25

Tableau 2 : Effets des paramètres sur la production du NH3, N2O, CH4, CO2 ...................................... 29

Tableau 3 : Facteurs d'émission de NH3, N2O, CH4 au cours du stockage des fumiers bovins proposés par Webb et al (2012) ............................................................................................................................ 30

Tableau 4 : Synthèse des facteurs d'émission de NH3, N2O, CH4 et CO2 au cours du stockage des fumiers bovins reportés dans les publications retenues (nm : non mesuré, VL : vache laitière) .......... 31

Tableau 5 : masses initiales et finales des 3 tas ................................................................................... 39

Tableau 6 : Bilan eau des tas de fumier ................................................................................................ 40

Tableau 7 : Bilan de masse de l'azote total ........................................................................................... 43

Tableau 8 : bilan de masse des éléments non-volatils (Ca, K, Mg, P).................................................. 43

Tableau 9 : bilan de masse de l'azote ammoniacal .............................................................................. 44

Tableau 10 : bilan de masse de l'azote nitrique .................................................................................... 44

Tableau 11 : bilan de masse du carbone .............................................................................................. 45

Tableau 12 : Rapport C/N initiaux et finaux des tas de fumiers ............................................................ 45

Tableau 13 : moyenne des températures à l'intérieur des tas en fonction de la position de la sonde, sur toute la durée d'expérimentation (moyenne [ min ; max ]) .............................................................. 46

Tableau 14 : Différences de températures entre l'intérieur et l'extérieur des serres (°C) ..................... 47

Tableau 15 : comparaison des concentrations en gaz CH4, CO2 et N2O) obtenues par chromatographie en phase gazeuse (CPG) et par l'analyseur Innova ................................................. 49

Tableau 16 : comparaison des gradients de concentrations en gaz CH4, CO2 et N2O) obtenues par chromatographie en phase gazeuse (CPG) et par l'analyseur Innova ................................................. 50

Tableau 17 : comparaison des concentrations en gaz (NH3) obtenues par barbotage et par l’analyseur Innova .................................................................................................................................................... 52

Tableau 18 : comparaison des pertes en eau selon le bilan de masse et les émissions gazeuses ..... 55

Tableau 19 : bilan des pertes en carbone des trois tas ........................................................................ 59

Tableau 20 : bilan des pertes en azote des trois tas ............................................................................. 64

Tableau 21 : bilan sur les gaz à effet de serre et impact sur le réchauffement climatique (par tonne de fumier brut) ............................................................................................................................................ 65

Tableau 22 : composition finale des fumiers et comparaison avec le guide "fertiliser avec les engrais de ferme" ............................................................................................................................................... 65

Tableau 23 : récapitulatif des prélèvements de fumiers effectués dans un bâtiment en litière accumulée de vaches laitières .............................................................................................................. 70

Tableau 24 : Limites de détection (LD) de l'analyseur Innova du banc d'émission [LumaSense Technologies, 2013] .............................................................................................................................. 72

Tableau 25 : masse (g) de fumier stocké dans les cellules du plateau d'émission .............................. 73

Tableau 26 : principales caractéristiques physico-chimiques des 4 fumiers initiaux étudiés en laboratoire .............................................................................................................................................. 74

Tableau 27 : émissions horaires moyennes de N2O, CH4 et CO2 au cours du stockage en laboratoire (27 jours) des 4 fumiers étudiés (Nm : non mesuré) ............................................................................. 76

Tableau 28 : quantité cumulée moyenne de N-NH3 (mg) émise par les 4 fumiers étudiés au cours des séquences de piégeage ........................................................................................................................ 81

Tableau 29 : Interaction entre les modules par la limitation des processus ......................................... 86



Tableau 30 : production de fumier par les élevages bovins (d'après Capdeville et al., 2014 : les valeurs en gras sont données en kg/UGB/jour ; la densité varie de 400 kg/m3 pour les fumiers pailleux à 1000 kg/m3 pour les fumiers mous ............................................................................................................... 102

Tableau 31 : prédiction des paramètres du modèle simplifié de perte de C par régression multiples sur les caractéristiques du tas; ces équations sont basées sur les expérimentations décrites par Paillat et al. (2005a)............................................................................................................................................ 105

Tableau 32 : Variables d’état du modèle de compostage ................................................................... 152

Tableau 33 : Paramètres du modèle de compostage ......................................................................... 153

Tableau 34 : Constantes universelles ................................................................................................. 155

Tableau 35 : Matrice de Petersen du module biodégradation de la matière organique (DCO) .......... 159

Tableau 36 : Matrice de Petersen des modules porosité et thermique ............................................... 174

Tableau 37 : Matrice de Petersen du module azote ........................................................................... 181

Tableau 38 : Valeurs des paramètres issus de la littérature ............................................................... 184

Tableau 39 : Valeurs des paramètres calibrés via les expérimentations ............................................ 187

Tableau 40 : Calcul des facteurs de conversion de DCO ................................................................... 189

Tableau 41 : Paramètres spécifiques des situations de compostage ................................................. 191



RESUME Sur le plan environnemental, les émissions d’ammoniac sont en partie responsables de l’acidification et de l’eutrophisation des milieux. En France, l’agriculture contribue à hauteur de 97% aux émissions nationales d’ammoniac dont 46% proviennent des élevages bovins laitiers et allaitants (CITEPA, 2010). Différentes réglementations au niveau international, européen et national ont été établies afin de limiter les émissions de particules, dont l’ammoniac, et s’inscrivent pour partie dans le cadre du Plan National Santé Environnement (PNSE). Dans le cadre des mesures proposées pour réduire les émissions gazeuses en élevage, il est nécessaire de prêter attention à leur faisabilité tant du point de vue de leur efficacité environnementale que de leur pertinence par rapport aux conditions de productions. Le poste stockage qui représente près de 13% des pertes en azote (sous forme d’ammoniac) de l’exploitation d’élevage bovine a toutefois été peu étudié en France. C’est notamment le cas des fumiers bovins dont les émissions sont méconnues alors que 68,7 millions de tonnes de fumiers de bovins sont produits chaque année en France soit 80% de la masse totale d’effluents bovins produits. Le projet EMAFUM avait 3 objectifs principaux : (i) La mise au point d’une méthode de mesure simplifiée des fumiers bovins au stockage (modélisation et mesure ponctuelle), (ii) l’acquisition de valeurs de référence relatives aux cinétiques d’émissions lors du stockage de fumiers très compact (FTC) en conditions représentatives des élevages, (iii) l’évaluation de l’effet de trois modes de gestion des fumiers (tas témoins, tas couvert par une bâche géotextile, tas tassé et bâché) de litière accumulée au cours du stockage sur les émissions. Cette étude montre que les émissions de N-NH3, N-N2O et C-CH4 ont lieu majoritairement au cours du premier mois de stockage pour les fumiers bovins très compacts (FTC), respectivement dans une fourchette de 97 à 100%, 41 à 56% et 82 à 90% selon les modalités. Les émissions d’ammoniac au stockage sont assez faibles allant de 4 à 12% l’azote total initialement présent dans les tas probablement en lien avec la faible teneur en azote ammoniacal de ce type d’effluent. Les émissions de N2O sont négligeables comprises entre 0,075 et 0,15% de l’azote total initialement présent. Les pertes d’azote par les jus (nitrate, ammoniac) sont également négligeables inférieur à 1% de l’azote total initial. La diminution des quantités d’azote lors du stockage des fumiers de bovins très compacts se produit essentiellement sous forme de diazote (N2). La couverture du tas témoin par une bâche poreuse a réduit les transformations biologiques. Toutefois ce résultat n’est pas extrapolable à toutes les situations de climats et de pluie. Les traitements envisagés dans ce projet étaient supposés réduire les émissions d’ammoniac (Pedersen & Sommer 2011). Par contre il se posait des questions au niveau des émissions de méthane, notamment concernant le tassement. Pour les émissions d’ammoniac, une tendance semble confirmée, toutefois les émissions cumulées restent inférieures à 12% de l’azote initial et les différences entre tas restent inférieures à 6% de l’azote initial. Ces différences sont faibles en regard de l’incertitude sur la composition initiale du fumier (supérieure à 20%). Concernant le méthane, le simple bâchage ne semble pas avoir un effet significatif sur les émissions (petite diminution), mais le tassement a un effet considérable : multiplication par 6 de la quantité de méthane émis. Ceci est rédhibitoire pour pouvoir envisager de recommander le tassement des fumiers à grande échelle. Le raisonnement à l’échelle du seul stockage est un peu réducteur, notamment au niveau de l’ammoniac. En effet, le tas témoin ne contient plus d’azote ammoniacal à la fin du stockage, ce qui laisse présager une volatilisation limitée lors de l’épandage. Le tas bâché a eu une volatilisation certes moins importante lors du stockage, mais il contient encore 3 kg d’NH3 à la fin de la période, qui pourrait être plus facilement volatilisé au champ.

Sur le plan méthodologique, cette expérimentation montre que le rapport des gradients de concentration (par exemple grad C-CO2/grad C-CH4) est bon indicateur de terrain pour évaluer la propension des stockages de fumier à émettre de l’ammoniac ou des gaz à effet de serre. Ainsi, il pourrait être mis en œuvre pour confirmer l’arrêt des émissions d’NH3 environ deux semaines après la mise en tas ou encore pour confirmer que l’émission de C-CH4 est généralement inférieure à 2% du stock initial de C (rapport grad C-CO2/grad C-CH4 supérieur 100) ou que les émissions de N-N2O sont inférieures à 0,1% de l’azote initial (rapport grad C-CO2/grad N-N2O supérieur à 300). Cet indicateur peut s’avérer intéressant en contrôle de procédé sur des plateformes de compostage en indiquant la stabilisation de la matière organique. On peut également envisager l’usage de cet indicateur par les techniciens pour vérifier l’absence d’impact négatif d’innovations techniques sur les émissions gazeuses associées à la gestion des fumiers. Enfin, on peut envisager de tester cet



indicateur sur d’autres procédés de transformation des effluents (lombricompostage, biofiltre, etc.), de préférence en l’associant à un bilan de masse du procédé étudié.



ABSTRACT On the environmental point of view, ammonia emissions are partly responsible for acidification and eutrophication. In France, agriculture contributes 97% to national ammonia emissions which 46% comes from bovine farms (CITEPA, 2010). Different regulations at international, european and national have been established to limit particulate emissions, including ammonia, and sign up for part in the National Health and Environment Plan (NESP). As part of the proposed measures to reduce gas emissions in agriculture, it is necessary to pay attention to their feasibility from the point of view of their environmental efficiency and of their relevance at the farmer scale. Emissions from storage represent nearly 13% of nitrogen losses (as ammonia) of the bovine livestock operation has however been little studied in France. This is particularly the case of cattle solid manure whose emissions are ignored while 68.7 million tons of cattle manure are produced each year in France 80% of the total mass of products cattle effluents.

EMAFUM project had three main objectives: (i) development of a simplified method for the measurement of cattle manure storage (modeling and spot), (ii) acquisition of reference values on emission kinetics deep litter heap (DLH) in representative conditions of livestock, (iii) evaluating the effect on gas emissions of three manure management modes (control heap, heap covered by a geotextile covering, covered + compacted heap) of deep litter during storage.

This study shows that NH3-N, N-N2O and C-CH4 emissions occur predominantly during the first months of storage for deep litter heap, respectively in the range of 97 to 100%, 41 to 56% and 82 to 90% depending on the treatment. Ammonia storage emissions are quite low ranging from 4 to 12% total nitrogen originally present in the heap probably related to the low ammonia nitrogen content of this type of effluent. N2O emissions are insignificant between 0.075 and 0.15% of total nitrogen initially present. The loss of nitrogen through liquid effluent (nitrate, ammonia) are also negligible less than 1% of the initial total nitrogen. The decrease in nitrogen of deep litter cattle manure occurs primarily in the form of dinitrogen (N2). Covering the heap by a porous sheet has reduced biological transformations. However this result cannot be extrapolated to all situations of climates and rain. The treatments proposed in this project were supposed to reduce ammonia emissions (Pedersen & Sommer, 2011). As against it was questioning the level of methane emissions, especially concerning the compaction treatment. For ammonia emissions, a trend seems to be confirmed, however, cumulative emissions remain below 12% of the initial nitrogen and differences between heaps remain below 6% of the initial nitrogen. These differences are small compared to the uncertainty about the initial composition of manure (above 20%). Regarding methane, cover does not seem to have a significant effect on emissions (small decrease), but the compaction has a significant impact: 6-fold increase the amount of methane emitted. This is unacceptable to consider recommending compaction heap at storage. Staying at the scale of single storage is a bit simplistic, particularly at the level of ammonia. Indeed, the control heap contains no more ammonia nitrogen at the end of storage, which suggests a limited volatilization during spreading. The covered heap had little bit less volatilization during storage, but it still contains 3 kg of NH3 at the end of the period, which could be more easily volatilized during spreading.

Methodologically, this experiment shows that the ratio of concentration gradients (eg grad CO2-C / grad CH4-C) is good field indicator to assess the propensity of deep litter manure storages to emit ammonia or Greenhouse gas. Thus, it could be used to confirm the judgment of NH3 emissions about two weeks after starting storage or to confirm that the CH4-C emission is generally less than 2% of the initial C stock (grad CO2-C report / grad CH4-C higher to 100) or that emissions of N2O-N are less than 0.1% of the initial nitrogen (ratio grad CO2-C / grad N2O-N greater than 300). This indicator can be advantageous in process control on composting platforms indicating the stabilization of organic matter. One can also consider the use of this indicator by technicians to verify the absence of negative impact of technological innovations on gaseous emissions associated with manure management. Finally, we can consider testing this indicator on other effluent processing methods (worm composting, bio-filter, etc.), preferably by associating it with a mass balance study process.



Contexte et positionnement du projet L’élevage bovin contribue pour près de la moitié des émissions nationales d’ammoniac (NH3). Ces émissions sont principalement liées à la chaîne de gestion des déjections (bâtiment-stockage-épandage). Ce projet vise à mettre au point un protocole de mesure de la volatilisation d’ammoniac et des émissions de gaz à effet de serre adapté aux conditions de stockage des fumiers de bovins ; à acquérir de nouveaux facteurs d’émissions (FE) sur le poste stockage ; à appréhender la variabilité des émissions des fumiers ; et enfin à tester l’influence de modes de gestion sur les émissions des tas de fumiers.

Ce projet constitue un travail de recherche pour l’acquisition de connaissances nouvelles et pour le développement de méthodes expérimentales. Il a pour but d’appliquer des méthodes de mesure de l’ammoniac (NH3) et des gaz à effet de serre (GES : N2O, CH4, CO2) afin d’acquérir de nouvelles données d’émissions de ces différents gaz en élevage bovin pour le stockage des fumiers très compacts (FTC). Différentes méthodes de mesures seront appliquées en parallèle afin d’assurer le succès du projet. Par ailleurs, nous étudierons tout particulièrement la variabilité des émissions des fumiers liées (i) à l’hétérogénéité de ces produits en termes de structure et de composition ; (ii) à leurs modes de gestion.

Les approches expérimentales en laboratoire ou en élevages seront associées à une démarche de modélisation afin de faciliter :

l’estimation des émissions entre périodes de mesures, la compréhension de la variabilité entre élevages, l’analyse des pratiques performantes des éleveurs, en termes de maîtrise des pertes

gazeuses polluantes, en vue de leur développement, la valorisation de jeux de données existants, en particulier ceux pour lesquels un bilan de

masse et un suivi des températures à cœur des tas de fumiers sont disponibles.

1.1 Contexte environnemental et enjeux économiques et sociétaux Sur le plan environnemental, les émissions d’ammoniac sont en partie responsables de l’acidification et de l’eutrophisation des milieux. L’eutrophisation consécutive aux dépôts d’azote ammoniacal concerne les milieux continentaux. Elle accélère le développement d’espèces nitrophiles qui peuvent supplanter les espèces natives. Cet effet d’eutrophisation peut conduire localement à des pertes de biodiversité de la flore et de la faune. Le dépôt d’ammoniac ou d’ammonium induit aussi une intensification de la nitrification dans les sols, réaction génératrice d’acidité (CORPEN 2006). Les dépôts d’azote ammoniacal entraînent également une augmentation des GES tels que le protoxyde d’azote dont les émissions sont estimées à environ 1 % de l’azote ammoniacal déposé. Les émissions de GES affectent le climat de la Terre. Le changement climatique global est lié aux émissions anthropiques de GES dont les effets s’ajoutent à l’effet de serre dû aux variations naturelles de la composition de l’atmosphère. La réduction des émissions d’azote réactif et l’amélioration du recyclage de l’azote consommé par les élevages, apporté notamment via l’importation d’aliments du bétail, sont considérés comme des enjeux majeurs des évolutions agricoles à venir (FAO, 2006 ; Galloway et al. 2008). Steinfeld et al. (2010) identifient la gestion des effluents solides comme un enjeu de gestion majeur de la durabilité des élevages pour deux raisons principales : (i) des savoir-faire traditionnels existent pour la gestion de ces produits, il est en conséquence plus simple de s’appuyer dessus pour disséminer de bonnes pratiques et moins coûteux que de remplacer ces systèmes sur l’ensemble du globe par des équipements étanches de gestion des effluents liquides ; (ii) la répartition des cheptels et des lieux de production d’effluents ne correspond pas aux lieux de production agricole, il est moins coûteux de transporter des effluents solides que liquides, en outre la gestion des fumiers permet d’incorporer du carbone en élevage dans le double but d’améliorer son stockage dans les sols agricoles et de réduire les pertes gazeuses d’éléments azotés. Sur le plan de la santé humaine, l’NH3 est un précurseur de particules qui affectent l’espérance de vie. L’Organisation Mondiale pour la Santé a décrit une baisse de l’espérance de vie de près de 8 mois en Europe en lien avec les fortes concentrations de particules fines dans l’air (OMS, 2006). En France, l’agriculture contribue à hauteur de 97% aux émissions nationales d’ammoniac dont 46% proviennent des élevages bovins laitiers et allaitants (CITEPA, 2010). En termes de qualité de l’air, la France se doit aujourd’hui de respecter des plafonds d’émissions concernant certaines substances. Le plafond concernant l’NH3 était de 780kt/an en 2010 (France, 2008 :



754 kT, dont 731 kT imputables à l’agriculture-sylviculture et 572 kT à l’élevage ; CITEPA, 2010). Ce plafond sera prochainement revu à la baisse. Les particules (ou PM pour « Particulate Matter ») sont aussi soumises à des plafonds d’émissions, qui régissent les quantités annuelles émises ainsi que les épisodes de pollutions ponctuels. A l’issu du Grenelle de l’environnement le groupe en charge de l’agriculture a décidé d’informer les consommateurs sur l’impact environnemental des produits, en se basant sur une grille de notation ou une certification environnementale. L’affichage environnemental prévu devrait associer les émissions de GES à d’autres critères comme la biodiversité, l’acidification et l’eutrophisation. Les impacts sont quantifiés à partir de facteurs d’émissions (FE), notamment les GES et l’ammoniac qui concernent le changement climatique, l’acidification et l’eutrophisation. A la base de ces méthodes, les facteurs d’émissions (FE) sont donc une clé d’entrée essentielle dans l’évaluation environnementale à l’échelle nationale. Toutefois, pour comptabiliser une réduction d’émission à l’échelle d’une exploitation on doit disposer (i) d’une méthode de mesure spécifique du système de production, (ii) d’un mode de calcul permettant d’estimer l’émission annuelle. Dans le cas d’un marché de quotas qui permet de minimiser les coûts de transaction liés à la réduction des émissions (i.e. le coût de la vérification effective de la réduction d’émission), on doit disposer d’un scénario de référence pour quantifier la réduction additionnelle par rapport à une évolution normale du système de production (scénario dit « baseline », cf. http://cdm.unfccc.int/about/index.html). Le contexte réglementaire évolue et il apparaît que l’élevage bovin, peu touché jusqu’à présent par des réglementations portant sur la qualité de l’air, peut être mis à contribution. A l’échelle internationale, le Protocole de Göteborg, dit « multi-polluants/multi-effets » concerne les polluants suivants : NH3, NOx, SO2, COV, (+PM 2.5). Son objectif est de réduire les pollutions atmosphériques transfrontalières. Il a été ratifié par les pays de la CEE-NU (soit l’Europe géographique, le Canada, les Etats-Unis, et l’ex-URSS). Des mesures pour réduire les émissions d’ammoniac sont à prévoir, concernant les bâtiments d’élevage, le stockage des effluents et l’épandage des engrais organiques. A l’échelle européenne, la Directive NEC (National Emission Ceiling) 2001/81/CE, du 23 octobre 2001, fixe les plafonds d’émissions nationaux des polluants suivants : NH3, NOx, SO2, COV. Cette directive est en cours de révision. Les plafonds d’émissions d’ammoniac risquent d’être revus à la baisse d’environ 25%, atteignant un niveau très bas de l’ordre de 600 kt/an. La Directive IED (« Industrial Emission Directive », directive 2010/75/EU du 24 novembre 2010) concerne par ailleurs les polluants des sols, de l’eau mais aussi de l’air (NH3, NOx, PM). Elle a vocation à soumettre à autorisation les activités industrielles et agricoles qui ont un fort potentiel de pollution. Elle ne concerne jusqu’à présent que certains élevages de porcs et volailles. La Directive 2008/50/CE du 21 mai 2008, concerne la qualité de l’air ambiant en Europe. Elle définit et fixe des seuils en termes de qualité de l’air ambiant afin de réduire les effets nocifs sur la santé humaine et sur l’environnement. Les substances concernées sont NH3, NO2, NO, NOx, PM2.5 et PM10, Plomb, Benzène et Anhydride sulfureux. Sur ce point, la France a reçu un avis motivé de l’Europe pour non-respect des seuils en PM10. La commission européenne donnerait un délai supplémentaire, à condition que la France propose un plan d’action convaincant dans les mois à venir. A l’échelle nationale, l’Arrêté du 08/07/03 portant approbation du Programme national de Réduction des Emissions de Polluants Atmosphériques (SO2, NOx, COV et NH3) (dit « PREPA ») a pour objectif de réduire la pollution atmosphérique. L’annexe D de ce document comprend un ensemble de mesures relatives à la réduction des émissions d’ammoniac en élevage qui devraient être révisées. L’Arrêté du 31/08/2008 relatif au registre et à la déclaration annuelle des émissions polluantes et des déchets, impose la déclaration des émissions de polluants lorsqu’ils dépassent certains seuils. Les polluants atmosphériques concernant l’élevage sont : CH4, NH3, N2O, CO2, NOx, PM 10, poussières totales. Enfin, le Plan Particules (2009-2013), qui vise à réduire les émissions de particules (primaires et secondaires), fait suite à la directive 2008/50/CE du 21 mai 2008, dans le cadre d’un plan plus vaste : le Plan National Santé Environnement 2, 2009-2013 (PNSE 2). Dans la version finale du PNSE 2, des mesures sont énoncées concernant l’agriculture (couverture des fosses, techniques d’épandage, adaptation de l’alimentation azotée). Dans le cadre des mesures proposées pour réduire les émissions gazeuses, il est nécessaire de prêter attention à leur faisabilité tant du point de vue de leur efficacité environnementale que de leur pertinence par rapport aux conditions de productions. Compte tenu de la contribution du cheptel bovin aux émissions d’ammoniac et de GES, la réduction des émissions de ces élevages contribuera à une réduction importante des impacts environnementaux. Le poste stockage qui représente près de 13% des pertes en azote (sous forme d’ammoniac) de l’exploitation d’élevage bovine a toutefois été peu étudié en France. C’est notamment le cas des fumiers bovins dont les émissions sont méconnues alors que 68,7 millions de tonnes de fumiers de bovins sont produits chaque année en France soit 80% de la masse totale d’effluents produits. Gac et



al. (2007) ne dénombrait que 6 publications internationales concernant les émissions d’ammoniac pour le poste stockage en systèmes fumiers, contre 28 en systèmes lisier. A l’interface du bâtiment et de l’épandage, la connaissance des émissions au stockage est essentielle afin de limiter les émissions sur l’ensemble de la chaîne de gestion des déjections. Le développement et la dissémination d’une métrologie de ces émissions adaptée à la diversité des élevages bovins et l’identification des déterminants de la variabilité des émissions en élevage sont essentiels pour les filières de production. Elles pourront ainsi s’engager dans une boucle de progrès basée sur le repérage des pratiques liées à de fortes émissions et sur l’homogénéisation des systèmes vers les moins émetteurs. Parmi les fumiers bovins, on différencie 3 principales catégories, les Fumiers Très Compacts (FTC), les Fumiers Compacts (FC) et les Fumiers Mous (FM). Au regard des différences de composition de ces produits, nous pouvons nous attendre à des comportements en termes d’émissions ammoniacales et de GES différents. Ces fumiers représentent chez les vaches laitières et les vaches allaitantes respectivement : 24 % et 71 % pour le FTC, 28 % et 21 % pour le FC et 68 % et 7 % pour les FM (Capdeville, Bioteau, Degueurce, Peu, & Perrot , 3-5 février 2015). . Au regard de la représentativité du système, il semble que des travaux sur les FTC produits par le parc des bâtiments en aire paillée (litière accumulée) semblent le choix le plus pertinent.

1.2 Positionnement du projet Ce projet s’inscrit dans la continuité de trois projets récents touchant la filière bovine :

Projet CASDAR RFI « Volat’NH3 » 2010-2012 portant sur les mesures de la volatilisation ammoniacale après épandage. Une partie des essais de ce projet sont menés par l’Institut de l’élevage en étroite collaboration avec la ferme expérimentale de Derval (CA 44). Les essais portent sur la volatilisation à l’épandage (sur sol nu, avant maïs) des fumiers et lisiers bovins.

Projet Ademe 2010-2012, « Acquisition de références complémentaires en vue d’appliquer une méthode simplifiée de mesure des émissions d’ammoniac en bâtiments d’élevage bovin », a permis d’acquérir des résultats intéressants sur 2 modes de logements (étable entravée lisier et litière accumulée). Les émissions de la litière accumulée semblent relativement fortes comparativement à l’étable entravée pour l’NH3 et le CH4. De plus, nous avons pu mettre en évidence certaines limites d’application de la méthode simplifiée de mesure des émissions d’NH3 et de GES en bâtiment d’élevage bovin. Ces résultats nécessitent de poursuivre les acquisitions de données concernant les systèmes fumiers français, notamment au stockage et à l’épandage afin d’aboutir une vision plus juste des émissions du système sur l’ensemble de la chaine de gestion des déjections.

Projet Ademe 2011-2013 s’intitulant « Emission d’ammoniac en Bâtiment bovins laitiers ». Les travaux concernent l’évaluation des émissions en bâtiment d’élevage produisant des déjections sous forme lisier et fumier. Des nouveaux modes de logement seront testés par rapport au projet précédemment évoqué. Ces données permettront de combler les lacunes de la bibliographie internationale sur le sujet. Il s’appuie également sur des synergies développées avec les productions avicoles et porcines et contribuera à les entretenir :

Projets 41b et 42c du programme Porcherie Verte qui ont permis d’une part la mise au point de protocoles de mesure des émissions par traçage en bâtiment d’élevage (Robin et al., 2004), d’autre part l’acquisition d’une base de données des émissions au compostage représentative des effluents d’élevage solides français en termes de disponibilité du carbone, disponibilité de l’azote, porosité du tas, teneur en eau de l’effluent ainsi que l’initiation d’une démarche de modélisation (Paillat et al., 2005).

Projet ACTA 2006-2008 s’intitulant « Mise au point méthodologique de mesures simplifiées des émissions de gaz à effet de serre, en bâtiments et stockages, avicoles, porcins et bovins, en vue de leur quantification en France». Dans le cadre de ce projet, des suivis comparatifs d’émissions gazeuses ont été réalisés en laboratoire sur 3 produits bovins : un lisier, un fumier d’aire raclée (mou) et un fumier de litière accumulée (compact).

Projet Ademe-métrologie « mise au point de procédures de référence pour la mesure des émissions en bâtiments d’élevages et au stockage d’effluents » (2006-2011) qui a permis la



discussion internationale de ces méthodes ainsi que l’acquisition de jeux de données pour leur comparaison.

Thèse CIFRE CIRAD-Crête d’Or Entreprise « modélisation de la transformation de la matière organique et des émissions gazeuses lors du compostage de fumiers de volaille » (2010-2012) qui a permis d’initier une modélisation dynamique des processus de biodégradation des effluents d’élevage solides. Ce projet relatif à la mise au point d’une méthode de mesure des émissions sur site lors du stockage des fumiers s’inscrit dans la parfaite continuité des projets antérieurs. Il s’insère dans la thématique «Ammoniac et oxydes d’azote dans le secteur agricole en tant que précurseurs de particules» de l’appel à projet Cortea 2012. La mise au point méthodologique proposée ici s’inscrit dans les choix stratégiques des partenaires du projet. Le renforcement des synergies entre eux et avec les autres productions agricoles s’exprime notamment dans leur participation au Réseau Mixte Technologique « Elevage et Environnement ». Des objectifs chiffrés de réduction pourraient voir le jour en s’appuyant sur des réductions d’émissions vérifiées et une typologie des élevages adaptée (vis-à-vis des émissions gazeuses).

Ce projet permettra d’augmenter le nombre de références d’émissions selon différents modes de gestion des fumiers au stockage représentatifs des pratiques françaises. Ces références ou facteurs d’émissions permettront d’affiner les évaluations faites à un niveau plus global (échelle exploitation, échelle produit agricole) nécessaires dans le cadre de l’évaluation environnementale, particulièrement de son affichage.

Globalement, les émissions gazeuses, qui sont calculées au travers de FE, tant pour les GES que l’ammoniac, sont issues de la bibliographie internationale, et ne sont pas systématiquement adaptés à nos contextes de production. Les valeurs d’émissions que nous établirons au travers des mesures au stockage du fumier pourront être intégrées à ces évaluations environnementales afin d’avoir des données plus proches de la réalité française et contribuer à la mise en place d’une estimation selon le niveau le plus détaillé (« tier 3 » des méthodologies d’inventaire ; Reidy et al. 2009, EMEP-EEA, 2009-2010).

Description scientifique et technique

2.1 État de l'art Les émissions d’ammoniac et de GES par les fumiers résultent de processus physiques, chimiques et biologiques en interactions. L’ammoniac est le résultat de la dégradation de l’urée des urines par l’uréase ou des protéines par l’action des microbes, présentes dans les déjections liquides et solides produites par les animaux. Le mélange des urines et des fécès se fait sur le sol ou dans la litière pour les systèmes sur paille. Avant l’enlèvement des déjections par raclage ou par curage, la volatilisation d’ammoniac dépend de facteurs relatifs aux animaux (stades physiologiques, poids), à leur alimentation (taux de protéines dans l’aliment), de la présence de litière (substrat, quantité, etc.), aux conditions d’ambiance (température ambiante, taux de renouvellement de l’air), aux conditions climatiques (saison, vitesse du vent, etc.). Les mécanismes dont dépendent les émissions d’ammoniac en élevage ont été explicités dans la synthèse de Sommer et al. (2006). Les principaux paramètres en élevage bovin sont rappelés dans le rapport FAT n°641 (2006) : azote excrété, surface souillée, température de l’air, pH, débit d’air. Ces éléments sont également rappelés dans les guides pour la réalisation des inventaires nationaux d’émission (EMEP-EEA, 2009-2010).

Au stockage, les émissions d’NH3 dépendent de la teneur en matière organique (MO) jouant un rôle dans des mécanismes tels que les fermentations, la formation de « croûte », la minéralisation et l’immobilisation de l’azote et la rétention d’eau. Au cœur de ces phénomènes on retrouve les interactions complexes entre le carbone et l’azote. (Pedersen & Sommer, 2011). Cela se confirme au travers du modèle établi pour le compostage par Paillat et al. (2005) pour lequel les variables contribuant à l’équation de l’émission ammoniacale des tas sont la disponibilité du carbone et de l’azote. Au-delà du produit lui-même, les conditions météorologiques (vent, température, hygrométrie, etc.) affectent les émissions d’NH3 et de GES des fumiers au stockage, ajoutant une variabilité temporelle à la variabilité liée au produit. Ces deux variabilités ne sont pas indépendantes dans la mesure où elles déterminent conjointement l’évolution de la température et de l’humidité du tas sous l’influence de son aération (refroidissement et séchage) et des



apports d’eau de pluie (humectation). Enfin, dans le cas des systèmes bovins français, les bâtiments sont curés plusieurs fois au cours de l’hiver. Le fumier des curages successifs constitue un andain de stockage au champ où des parties âgées de quelques mois émettent simultanément à des parties récentes de quelques jours. Cela constitue une situation singulière non abordée jusqu’à présent par la littérature.

Une synthèse bibliographique récemment réalisée par l’INRA (Faburé, 2011) montre l’absence de données sur les émissions d’ammoniac pour les postes bâtiment-stockage et plus particulièrement des systèmes fumiers spécifiques à la France. Cette étude se réfère à la synthèse bibliographique de Gac et al. (2007) qui, comme déjà évoqué, ne comporte que 6 valeurs d’émissions au stockage pour les bovins en systèmes fumiers : cela est insuffisant au regard de la diversité des fumiers existants et de la grande variabilité qui les caractérise (sur 6 valeurs, l’écart type représente 75% de la moyenne selon Gac et al. 2006). La synthèse bibliographique se réfère également au guide EMEP/EEA (European Monitoring and Evaluation Program of long range transmission of air pollution/ European Environment Agency) qui énonce que, même si des incertitudes demeurent, les FE pour les postes les plus importants sont en général couverts par plus de mesures que ceux ayant un poids moindre. Néanmoins, le guide européen émet une exception pour les FE d’ammoniac concernant les bovins et ovins au pâturage et au bâtiment-stockage en système fumier pour lesquels la pénurie de données constitue une difficulté. Ainsi les connaissances disponibles pour expliquer la variabilité des émissions ne se traduisent pas dans des typologies d’élevage pertinentes vis-à-vis des émissions d’ammoniac et de GES puisque les facteurs d’émissions restent assortis de fortes incertitudes.

Un enjeu scientifique majeur consiste à lever la contradiction entre d’une part l’usage de facteurs d’émission simples pour caractériser l’ensemble des systèmes fumiers (EMEP-EEA, 2010 ; Reidy et al. 2009) et d’autre part l’ensemble de la bibliographie sur les émissions d’ammoniac au stockage des fumiers qui montre la diversité de ces émissions et explicite les facteurs de variabilité. Ce défi passe par (i) la compréhension des interactions entre processus physiques, chimiques et biologiques, et de leurs conséquences au cours du stockage, (ii) la hiérarchisation de ces processus selon les caractéristiques des fumiers, pour aboutir in fine à (iii) l’identification de variables-clés, observables en élevage et permettant de relier des pratiques de gestion à des résultats d’émissions reproductibles (on parlera alors de typologie pertinente vis à vis des émissions gazeuses).

La modélisation est un outil privilégié d’agrégation des connaissances et d’analyse d’interactions complexes entre processus. Une analyse de sensibilité utilisant le modèle statistique développé par Paillat et al. (2005) montre clairement que les deux principaux facteurs permettant réduire les émissions ammoniacales dans une stratégie de gestion des tas de fumier sont la porosité du tas, qui conditionne son aération, ainsi que la densité du tas en matière sèche, dont l’augmentation favorise les processus d’organisation de la matière organique (Oudart et al., 2010). La modélisation statistique selon les caractéristiques intrinsèques d’un tas de fumier n’est adaptée à la prise en compte de la variabilité climatique temporelle que dans le cas où des mesures régulières d’émissions permettent de recalibrer régulièrement les paramètres du modèle. A l’inverse, les modèles mécanistes permettent d’intégrer des caractéristiques initiales et des scénarios climatiques pour calculer les émissions au cours du temps. Dans ce cas, le grand nombre de processus à représenter conduit à un nombre de paramètres pouvant rendre ce type de modèle inapplicable aux conditions d’élevage. Ainsi les transformations de la matière organique lors du compostage sont modélisées par Sole-Mauri et al. (2007) sous forme de six populations microbiennes dégradant six substrats et par Vlyssides et al. (2009) sous forme de deux populations dégradant cinq substrats caractérisés par l’analyse chimique de 14 substances et une analyse granulométrique. La conception de ces modèles s’inspire des modèles développés pour le traitement des eaux (générations de modèles ASM1, ASM2, etc.) à des fins de dimensionnement et de gestion des stations de traitement par boues activées. Dans ces deux cas l’aération et la température sont des variables de forçage, et le choix des paramètres nécessite une analyse chimique des matériaux ce qui convient pour les stations industrielles de compostage mais non pour le compostage à la ferme. C’est pourquoi, dans une optique de gestion des fumiers de ferme et d’optimisation du compostage, nous avons développé un nouveau modèle, également de type mécaniste, dans le cadre d’une thèse CIFRE associant le CIRAD (gestion des risques liés au recyclage des effluents), un industriel de la filière avicole, et l’INSA de Toulouse spécialisé dans le génie des procédés. Les paramètres communs résultent de la bibliographie et du calage avec la base de données sur les composts acquise par Paillat et al. (2005) à l’INRA (UMRSAS). Les paramètres spécifiques d’un tas de compost dépendent du type de produit (disponibilité du carbone et de l’azote, porosité, humidité) et de la géométrie du tas. Les processus représentés



dépendent de la température et de l’humidité extérieure. Ils concernent la biodégradation de la matière organique et l’émission de CO2, la production de chaleur, l’évaporation d’eau, l’aération passive du tas, la minéralisation de l’azote et les émissions d’ammoniac et de protoxyde d’azote (Oudart et al., 2011). Cette modélisation sera adaptée au cas spécifique de la gestion des effluents solides en élevage bovin afin d’étudier les interactions entre variables de gestion et résultats d’émissions d’ammoniac et de GES. Cette modélisation associée à une mesure ponctuelle constitue la méthode ponctuelle ou simplifiée citée dans ce projet.

Des interactions entre N2O et NH3, positives ou négatives (Pedersen & Sommer 2011) ont été observées. Certaines techniques réduisant l’NH3 peuvent engendrer des émissions accrues de N2O et inversement. Il convient donc d’être prudent quant aux recommandations qui pourraient être émises. Le tassement et le bâchage des tas de fumier sont évoqués par Pedersen & Sommer (2011). Le tassement réduirait la porosité du tas, i.e. la présence d’oxygène, ce qui freinerait la nitrification et par voie de conséquence la production de N2O. Le tassement, en affectant la porosité, freinerait la montée en température liée aux fermentations (compostage) réduisant ainsi les émissions d’NH3. Ces modalités simples de gestion et ces interactions ont également été évoquées dans le cas des fumiers avicoles (El Kader et al., 2007). Le bâchage réduirait également le passage de l’air sur tas et favoriserait la condensation sous la bâche, réduisant ainsi les émissions d’NH3. Ces mécanismes nécessiteraient d’être approfondis et vérifiés, notamment au regard des émissions de CH4 qui sembleraient être accrues par ces pratiques (Hansen et al. 2010). D’autres techniques ont pu être expertisées comme l’influence du retournement des tas de fumiers sur les émissions d’NH3. Hassouna et al. (2008) ne montre pas d’effet de cette pratique sur les émissions globales d’NH3 des tas de fumiers porcins. Nous pourrions nous interroger aussi sur la structure globale du tas et la « stratification » qui pourrait s’y installer. Blanes et al. (2009) décrivent la croûte paillée sur les fosses à lisier ayant un effet de « biofiltre » vis à vis de l’NH3 (phénomène physique et chimique) : quid de l’observation de phénomènes similaires sur les tas de fumiers ? Hansen et al. (2010) montrent des courbes d’évolution du CH4 et du CO2 dans les litières accumulées qui augmentent avec la profondeur de la litière. A l’inverse, l’oxygène est moindre avec la profondeur. L’oxydation du CH4 n’a pas été observée dans la couche supérieure de la litière toutefois l’hypothèse de son oxydation pendant sa remontée demeure. Une meilleure compréhension de ces phénomènes pourrait amener à proposer des solutions simples de réduction des émissions de GES et de NH3 au stockage des fumiers (pratiques de curage, conservation de la stratification issue du bâtiment, etc.). La compréhension du déterminisme des émissions en station expérimentale ou au laboratoire, en combinant observations et modélisations, peut conduire à l’identification de variables caractéristiques des pratiques de gestion, observables en élevage. La pertinence de ce choix requiert une validation en élevage afin de s’assurer d’une part que ces variables sont les seules à être nécessaires pour décrire la variabilité des émissions de NH3 et de GES, d’autre part que leurs gammes de variation correspondent bien à celles anticipées sur la base des informations existantes. C’est pourquoi l’existence de méthodes de mesure des émissions adaptées à des processus à forte variabilité temporelle et à un grand nombre d’élevages constitue un verrou technologique que ce projet se propose de lever, grâce notamment à la méthode ponctuelle. Les comparaisons de méthodes de référence en conditions optimales ont montré que la mesure d’un même flux pouvait varier de 1 à 5 (Robin et al., 2010) et que la quantification des incertitudes ne permettait pas d’anticiper cette amplitude. Or, la procédure utilisée pour le calcul d’incertitude ne s’est appuyée ni sur les normes de « validation de méthode », ni sur le « Guide of Uncertainty Measurement », ou GUM (BIPM, 2008), et n’a pas pris en compte les erreurs liées à l’interpolation temporelle des données manquantes. La poursuite de ce travail est donc envisagée dans le cadre du présent projet en mobilisant ces normes et en s’appuyant sur (i) le défaut du bilan de masse, reconnu comme mesure de référence des pertes gazeuses globales (procédure 7.2 ; Robin et al., 2010), (ii) des procédures de mesure des émissions en continu (procédures 7.4, 7.10, 7.13), (iii) des procédures de mesure simplifiées, utilisables sur un grand nombre d’élevages (procédure similaire à 7.8, sans les animaux). La modélisation des émissions (Oudart et al., 2011) et la méthode Monte-Carlo seront mises en œuvre pour la quantification des incertitudes (Désenfant & Priel, 2006). A la lecture de ces éléments, il est essentiel : (i) de compléter les connaissances sur les émissions d’NH3 des fumiers au cours du stockage, (ii) que les mesures réalisées portent à la fois sur l’NH3 et les GES, (iii) de valider une méthode de mesure des émissions des fumiers au stockage transposable en fermes commerciales.



2.2 Objectifs et caractères ambitieux et novateur du projet Ce projet vise 3 objectifs majeurs que sont :

Objectif 1 : Mise au point d’une méthode de mesure simplifiée des fumiers bovins au stockage (modélisation+mesure ponctuelle)

De nombreux types de fumier sont produits en élevage bovin (fumier très compact de litière accumulée, fumier compact d’aire raclée et d’étable entravée et fumier mou d’aire raclée) et les données en matière d’émissions au stockage sont quasi inexistantes. La mise au point d’une méthodologie adaptée aux conditions de stockage sur plateforme ou en bout de champ permettra de procéder à un nombre plus important de mesures afin de déterminer les facteurs d’émissions et leurs pratiques associées (dans la perspective d’une typologie pertinente pour la gestion des réductions d’émissions).

Objectif 2 : Acquérir des valeurs de référence relatives aux cinétiques d’émissions lors du stockage de fumiers (FTC) en conditions représentatives des élevages.

Les fumiers sont stockés, sur plateforme ou en bout de champ, sur des périodes relativement longues pouvant atteindre 10 mois. Il est essentiel d’appréhender les cinétiques d’émission des différents gaz afin de comprendre la hiérarchie des processus responsables de ces émissions (verrou scientifique du projet) et de pouvoir conseiller des pratiques qui pourraient limiter ces dégagements. Ces valeurs seront acquises en condition de terrain, (i) en combinant des mesures en continu, (ii) des mesures ponctuelles et (iii) un modèle d’interpolation temporelle en fonction du climat fournit par les stations du réseau national d’observations météorologiques, ainsi qu’en (iv) conditions de laboratoire dans un dispositif permettant la reproductibilité des conditions d’émissions (verrou technologique du projet = mise au point et description précise des protocoles de mesure et des modalités de calcul des incertitudes associées aux émissions des tas de fumier).

Objectif 3 : Tester l’influence des modes de gestion sur les émissions.

Le mode de gestion des fumiers au stockage, qui dépend du type de fumier (apport unique vs. apport régulier) et du mode de stockage (plateforme vs. bout de champ), a des répercussions sur les caractéristiques des déjections stockées et les émissions associées. Les expérimentations et les analyses de sensibilité du modèle d’émissions, conduites dans le cadre de ce projet, permettront de préciser l’incidence des modes de gestion sur les émissions ainsi que les variables à acquérir en élevage pour élaborer une typologie des systèmes de production pertinente vis-à-vis des émissions d’ammoniac et de GES lors du stockage de fumiers bovins.

Programme scientifique et technique, organisation du projet

3.1 Programme scientifique et structuration du projet Ce travail sera découpé en 5 tâches décrites ci-dessous.

Tâche 1 : Synthèse bibliographique et mise au point du protocole de mesures continues des émissions de NH3 et de GES

Objectif : mettre au point un protocole pertinent de mesures des émissions ammoniacales et de GES (par rapport au risque de transfert de pollution) au stockage de fumiers bovin.

Un travail de synthèse bibliographique sur les méthodes de mesures des tas de fumiers bovins nous permettra de mettre au point un protocole avec des chambres dynamiques adapté aux mesures en continu (dispositif lourd) et de débuter l’adaptation d’un autre transposable dans des fermes commerciales (modèle + mesures ponctuelles). Cette synthèse bibliographique permettra un choix pertinent des 3 modes de gestion à tester dans la tâche 2. Elle sera complétée par la recherche des jeux de données existants en vue de constituer une base de références pour la modélisation ainsi que par l’analyse des données acquises lors des enquêtes en élevage (RGA, enquêtes SCEES complémentaires, enquêtes spécifiques de Idele) dans l’éventualité de constituer une typologie des élevages pertinente vis-à-vis des émissions d’ammoniac et de GES, à partir des typologies existantes.



Tâche 2 : Suivis en ferme expérimentale

Objectif : acquisition de FE pour le stockage des fumiers bovins, prise en compte de la variabilité des émissions pour un même produit.

Des mesures d’émissions d’NH3 et GES seront effectuées en conditions réelles sur trois tas à la ferme expérimentale de Derval. On utilisera pour cela le dispositif des chambres dynamiques (serres avec ventilation dynamique). Les concentrations de NH3, CH4, N2O, CO2 et H2O seront mesurées avec l’analyseur de gaz Innova 1412, par chromatographie en phase gazeuse ponctuellement pour les GES et par barbotage pour l’NH3. Les mesures de vitesse d’air seront complétées par des mesures par traçage. L’évolution des tas sera suivi précisément (masse, volume, température, jus, etc.). Chacun des tas consistera en une pratique de gestion des fumiers bovins différente et représentative des pratiques (tassement du tas, mode de curage de la litière, apport régulier, etc.).

Tâche 3 : Suivis en laboratoire

Objectif : acquisition de valeurs d’émissions indépendantes des conditions du milieu.

Les produits suivis en conditions réelles seront également suivis en laboratoire. Par ailleurs, on prélèvera au moment du curage des échantillons issus des différentes strates composant la litière. Les émissions de NH3, CH4, CO2, H2O, N2O seront mesurées via un plateau de cellules de stockage en laboratoire. Ce plateau, développé et calibré à l’Irstea (Portejoie, 2002 ; Loyon et al. 2008) est constitué de 12 systèmes de stockage. Le plateau permet de disposer d’un circuit témoin et de 4 groupes de trois circuits permettant de faire trois répétitions pour chaque type de déjection étudiée. Ces essais en laboratoire permettent une étude comparative des émissions gazeuses au cours du stockage des déjections. De plus, ces tests menés dans des conditions standardisées doivent permettre d’écarter les effets associés aux conditions de stockage et du milieu, et d’identifier la variabilité des émissions gazeuses liée aux seuls types de déjections. L’usage de ces mesures pour la calibration des paramètres du modèle et leur adaptation éventuelle seront discutées à l’issue des mesures (modalités d’échantillonnage et de conditionnement avant analyse, durée des observations en laboratoire).

Tâche 4 : Mise au point de la méthode ponctuelle de mesure des émissions d’NH3 et de GES

Objectif : Mettre au point une méthode ponctuelle de mesure des émissions sur les tas de fumiers et adapter un modèle pour extrapoler les émissions entre les mesures ponctuelles

Les données de la tâche 2 (cinétiques d’émission de tas observés globalement) et de la tâche 3 (cinétiques d’émissions d’échantillons de 2 kg considérés comme homogènes par rapport à l’ensemble d’un tas) permettront de tester si la structure du modèle préexistant doit être modifiée (notamment l’hypothèse d’homogénéité du tas, les processus biologiques et physico-chimiques représentés) ou s’il est suffisant de calibrer les paramètres existant. Les cinétiques d’émission et les bilans de masse observés serviront de base aux calculs d’incertitude. Des mesures ponctuelles seront mises en œuvre dans des conditions voisines de ce que l’on pourrait faire sur un grand nombre d’élevages, en parallèle des mesures continues. A l’issue de l’analyse des mesures en continu, des hypothèses seront proposées sur les processus dominants et les principales variables indicatrices de ces processus. Des mesures ponctuelles en élevages commerciaux sur des tas de fumier stockés au champ ou à côté des bâtiments, la modélisation avec les données météorologiques du réseau Météo-France, l’analyse de sensibilité aux paramètres du modèle seront mises en œuvre afin d’évaluer la pertinence de ces choix (pertinence des données de référence pour la composition des fumiers ; homogénéité intra-classe et écarts significatifs entre classes des émissions pour la typologie constituée en tâche 1). La capacité du modèle à rendre compte des effets sur les émissions de la variabilité de composition des tas (cf. cinétiques tâche 3), des pratiques de gestion observées (cinétiques tâche 2) ou supposées (tâche 1), en interaction avec la durée de stockage et la variabilité des conditions climatiques sera discutée.



Tâche 5 : Valorisation, diffusion

La présentation du modèle et de la démarche métrologique fera l’objet de réunions dans différentes régions d’élevage et auprès d’éleveurs et de conseillers qui seront choisis en s’appuyant sur les réseaux existant (RMT, Chambres d’Agriculture, Groupes d’Agriculture Biologique, EPLEA).

Les résultats des essais seront publiés dans des revues internationales, nationales scientifique et de vulgarisation. Des posters seront réalisés sur les émissions d’ammoniac et de GES. Ils seront affichés à la ferme expérimentale de Derval afin de profiter du passage de nombreux éleveurs et étudiants sur la ferme expérimentale.

Figure 1 : Schéma de l’articulation des tâches L’articulation des tâches est schématisée par la Figure 1. La tâche 1 permettra de proposer un protocole, basé sur les dernières publications en la matière et nos possibilités métrologiques dans l’optique de la tâche 2. La tâche 3 permettra l’acquisition de données qui devraient aider à la compréhension et à l’interprétation des différences entre tas observées dans la tâche 2. La tâche 4 conduira à un modèle des émissions servant à l’interpolation temporelle de mesures ponctuelles pouvant être réalisées en fermes commerciales, sur des tas au champ. La tâche 5 permettra l’utilisation du support d’expérimentation de la tâche 2 (ferme expérimentale) comme support de communication sur le thème des émissions gazeuses en élevage bovin.

3.2 Management du projet Le projet sera coordonné par l’Institut de l’Elevage (Alicia Charpiot puis Elise Lorinquer, Jean-

Baptiste Dollé), et réalisé en étroite collaboration avec l’INRA (UMR 1069 SAS : Paul Robin et Mélynda Hassouna), l’IRSTEA (Laurence Loyon et Fabrice Guiziou) et la ferme expérimentale de Derval (CA 44, Marc Fougère) grâce à un partage des tâches tel que décrit ci-dessous (cf. 3.3) et des réunions de travail fréquentes entre les différents partenaires. Les responsables des différentes tâches sont précisés ci-dessous (cf. 3.3).

Tâche 1 : Synthèse bibliographique, mise au point du protocole de mesures continues des émissions

d’NH3 et de GES, hypothèse de typologie des émissions

Tâche 2 : effet des pratiques de gestion sur les émissions de GES et de NH3 de tas entiers suivis en

ferme

Tâche 3 : cinétiques d’émission d’échantillons en conditions de

répétabilité

Tâche 5 : Valorisation, diffusion

Tâche 4 : Mise au point de la mesure ponctuelle des émissions d’NH3 et de GES

(Modélisation, calculs d’incertitudes et mesures ponctuelles en élevages

commerciaux)



3.3 Description des travaux par tâche

3.3.1 Tâche 1 : Synthèse bibliographique et mise au point du protocole de mesures continues des émissions d’NH3 et de GES

Responsable : Alicia Charpiot (Idele) / Elise Lorinquer (idele) ; partenaires impliqués INRA SAS, Irstea, ferme expérimentale de Derval

- Synthèse bibliographique sur les émissions gazeuses (NH3 et GES) des tas de fumiers bovins en conditions réelles

Un temps égal sera consacré par chaque partenaire pour la lecture et la synthèse des publications scientifiques sur le sujet. La synthèse sera établie au moyen de fiches de lectures harmonisées entre les partenaires. Ces fiches permettront, au travers d’une réunion, de sélectionner les éléments de protocole intéressants pour notre étude (méthodes de mesures et mode gestion à retenir).

- Choix des modes de gestion des fumiers bovins à retenir

- Mise au point du protocole de mesures continues en ferme expérimentale

- Recensement des données existantes pour la modélisation du stockage des fumiers

- Recensement des variables existantes pour une typologie des modes de production et de gestion des fumiers

Livrables : protocole de mesure en continu des émissions gazeuses sur les tas de fumiers.

3.3.2 Tâche 2 : Suivis en ferme expérimentale et mise au point de la méthode ponctuelle de mesures des émissions d’NH3 et de GES

Responsable : Alicia Charpiot (Idele) /Elise Lorinquer ; partenaires impliqués INRA SAS, ferme expérimentale de Derval, Irstea

- Construction du matériel expérimental et essai du dispositif (réalisation d’un blanc) : les 3 chambres dynamiques seront installées vides. On lancera ensuite l’acquisition de mesures pendant une semaine pour vérifier le bon fonctionnement du dispositif.

- Les suivis se dérouleront sur 6 semaines consécutives et porteront sur les 3 tas simultanément. Chacun des tas représentera un mode de gestion des FTC représentatif des pratiques françaises.

o Les concentrations de NH3, CH4, CO2, N2O, H2O seront mesurées au moyen de l’analyseur de gaz Innova 1412 et de l’échantillonneur (2 voies par tas). L’analyseur sera placé dans une enceinte climatisée à proximité. L’NH3 sera ponctuellement mesuré par barbotage afin contrôler la mesure de l’analyseur (3 jours sur les 3 premières mesures de chaque tas). Le CH4, N2O et CO2 seront contrôlés au moyen de la chromatographie en phase gazeuse (une mesure en début et une autre en fin d’essai). Un gaz traceur (SF6) sera injecté de temps en temps pour vérifier l’indication du débit d’air fournie par le ventilateur.

o Les chambres dynamiques (« serres ventilées ») seront munies de ventilateurs permettant une connaissance précise du débit d’air. Cette valeur associée aux données de concentrations permettra de remonter aux émissions des tas. Les conditions climatiques extérieures seront également suivies grâce à la station météo de la ferme ex

ammonia and greenhouse gas emissions from cattle farm yard … · 2020. 9. 22. · emissions...

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