La culture de saules en taillis sur courtes rotations au Québec

Michel Labrecque Chef de division recherche, Jardin botanique de Montréal

Chercheur, IRBV Professeur associé, Université de Montréal

Collaborateurs

Collaborateurs scientifiques

• Nicolas Bélanger, UQAM

• François Courchesne, UdeM

• Stéphane Daigle, IRBV

• Marc Olivier Gasser, IRDA

• Philippe Juneau, UQAM

• Hafssa Kadri, IRBV

• Marc M. Lucotte, UQAM

• Frédéric Pitre, IRBV

• Larry Smart, Cornell University

• Marc St-Arnaud, IRBV

• Traian Ion Teodorescu, IRBV

• Adela Voicu, IRBV

Étudiants

• Laurence Bissonnette, MSc

• Annie Cavanagh, MSc

• Maud Fillion, MSc

• Marcelo Gomes

• Rémy Fluet, MSc

• Werther Guidi, post doc

• Louise Hénault-Éthier, PhD

• Ahmed Jerbi, MSc

• Aurelien Lauron-Moreau, PhD

• Rosalie Lefebvre, MSc

• Thomas J. Pray, MSc

Plan de la présentation • Introduction

• La culture intensive sur courtes rotations de saules

• La technologie

• Les rendements potentiels

• Suivi sur plusieurs années • Comparaison selon les régions

• Facteurs limitants ⁻ Les ravageurs ⁻ Les maladies ⁻ Les sols marginaux

• CICR et environnement

⁻ Séquestration du CO2 ⁻ Valorisation des lisiers ⁻ Valorisation des eaux usées (laboratoire rural) ⁻ Projet SABRE

• Conclusion

Situation des milieux ruraux québécois

Les milieux ruraux québécois

• Une dévitalisation se manifestant par un déclin démographique, un sous-développement social épuisement des ressources;

• Une déstructuration associée à l’insertion désordonnée d’usages urbains dans les milieux agricole, agroforestier ou de villégiature;

• Une dégradation du cadre physique due à des facteurs comme le déboisement, la banalisation des paysages ou diverses formes de pollution.

Vézina G. et al. 2003

Des opportunités pour les cultures énergétiques

• Besoin de stimuler les économies régionales.

• Grande disponibilité de terres en friche ou marginales pour l’agriculture.

• Possibilité d’utiliser les cultures énergétiques pour solutionner des problèmes environnementaux régionaux.

• Possibilité de répondre à certains besoins en ressources pour lesquels la demande est croissante.

Les cultures énergétiques

• Ont connu un essor avec le premier choc pétrolier (années 70)

• Notamment dans les pays d’Europe du Nord (UK, Suède, Pologne, etc.)

Les cultures énergétiques

Huiles

Canola, soya, tournesol

Amidons et sucres Maïs, blé, triticale,

betterave, millet perlé sucré

Matière lignocellulosique Panic érigé, chanvre, saule, miscanthus,

sorgho

Biodiesel Biocombustibles solides

Éthanol

Pourquoi les saules?

• Bien adaptés aux conditions

hydroclimatiques du Québec

• Faibles exigences (sols lourds, peu fertiles…)

• Facilité d’implantation

• Rapidité de croissance

• Production de rejets après la taille

• Diversité d’espèces et de cultivars

Caractéristiques de diverses cultures destinées à la production énergétique1

Espèces GES (CO2) (Kg/MJ)

Bilan énergétique

Besoin en eau

Besoin en fertilisants

Rendement énergétique

(l/ha)

Maïs 81- 85 1,25 Élevé Élevé 1135 - 1900

Panic - 24 1,8 – 4.4 Moyen Bas 2750 – 5000

Saule - 24 - 11

10 Bas - moyen

Bas -moyen 5 500 – 9 000

1. Groom et al. Conservation Biology 2008

La culture intensive sur courtes rotations (CICR)

Short rotation coppice (SRC)

Culture intensive sur courtes rotations

• Haute densité de plantation

(18 000/ha)

• Recépage selon des cycles très courts (2, 3, 4 ans)

Mode de culture

• Année 1

– Établissement

– Contrôle de mauvaises herbes • Année 2

– Fertilisation

– Contrôle de mauvaises herbes

• Année 3

– Première récolte

Rendements potentiels

Évolution des rendements d’une plantation de S. viminalis à Huntingdon, Qc au cours de 5 cycles

Tonnes/ha

Première rotation (1995-1997) 45,28

Rendement annuel moyen 15,1

Seconde rotation (1998-2001) 88,1

Rendement annuel moyen 22,0

Troisième rotation (2002-2004) 51,7

Rendement annuel moyen 17,2

Quatrième rotation (2005-2008) 67,4

Rendement annuel moyen 16,9

Cinquième rotation (2009-2011) 42,0

Rendement annuel moyen 14,0

0

5

10

15

20

25

Me

an A

nn

ual

Yie

ld (

od

t)

First Second Third Fourth

Non fert. Fertilised

Comparaison du rendement annuel moyen de S. viminalis (5027) durant quatre cycles de croissance

0

5

10

15

20

25

Me

an

An

nu

al Y

ield

(o

dt)

First Second Third Fourth

Non fert. Fertilised

0

100

200

300

400

500

600

700

1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 normal

May June July August Sept. Total

0.29 12.42 32.57 20.16 18.4 31.8 17.71 12.24 14.45 25.04 12.49 18.65 34.74

mm

Biomass annual production from fertilized plots (DMt/ha)

49°

45°

Plantations expérimentales suivies par notre équipe de recherche

Réseau des plantes bio-industrielles du Québec: Suivi de plantations de saules

Sites Area Coordinates Status in 2011

Abitibi 40 ha 48° 39’ N - 77° 38’ W Roots 4 years – Stems 3

years

Boisbriand 15 ha 45° 37’ ’’ N - 73° 53’ W Roots 7 years – Stems 3

years

Laval 4 ha 45° 33’ N - 73° 49’ W Roots 7 years – Stems 3

years

Mont-Laurier 3 ha 46° 24’ N - 75° 27’ W Roots 4 years – Stems 3

years

Roxton Pound 3 ha 45° 30’ N - 72° 39’ W Roots 4 years – Stems 3

years

Saint-Jean-Port-Joli 8 ha 45° 50’’ N - 73° 38’ W Roots 7 years – Stems 3

years

Saint-Roch-de-l’Achigan 75 ha 45° 50’ N - 73° 38’ W Roots 4 years – Stems 3

years

Comparaison du rendement des plantations

1 1 2 2 1 2 2

0,38 0,55

1,26 1,26 1,50 1,93

2,83

MTL ABI SJP STR RXP BOI LAV

Kg

/pla

nte

Cycle

Comparaison du rendement des plantations

1 1 2 2 1 2 2

0,38 0,55

1,26 1,26 1,50 1,93

2,83

MTL ABI SJP STR RXP BOI LAV

Kg

/pla

nte

Cycle

15 t/ha/an

2 t/ha/an

Facteurs limitants

• Les ravageurs: insectes

• Les maladies

• Dilemme culture énergétique vs alimentaire implique qu’il faille exploiter davantage les terres marginales

Les ravageurs courramment observés

• Cèphe du saule (Janus abbreviatus)

• Calligraphe du saule (Calligrapha

multipunctata bigsbyana)

• Chysomèle versicolore du saule

(Plagiodera versicolora)

• Cicadelle de la pomme de terre

(Empoasca fabae)

• Puceron géant du saule (Tuberolachnus

salignis)

Récolte des insectes par battage

Abondance relative des insectes sur des saules en plantation à Boisbriand entre 2009 et 2011

Quelques prédateurs potentiels: des armes pour le biocontrôle

• La punaise prédatrice (Orius sp.)

• Le chrysope (Chrysopa perla ) principalement échantillonnés sur S. miyabeana SX64.

• Les coccinelles Harmonia axyridis et Colleomegilla maculata

Présence de maladies fongiques

Vujanovic V. and M. Labrecque. 2002. Can. Plant Dis. Sur. 82: 138-139

SPECIES Québec (SPPQ, 96) Canada (Ginns, 86) U.S.A. (Farr, 89) Identifed on S. viminalis S. viminalis Salix spp. S. v S. spp. S. v. S. spp.

Alternaria sp. x x x x x -

Apostemidium quernisaci x x x x x x

Botriosphaeria sp. x x x x x -

Coelomycetes sp. x x x x x x

Conyothirium sp. x x x x x -

Cucurbutaria sp. x ? x ? ? ?

Cryptodiaporthe salicina x x x - x x

Cryptodiaporthe salicella x - x - x -

Cryptomyces maximus x - x - - -

Cytospora sp. x - x - x -

Discosia sp. x x x x x x

Discosporina sp. x x x x x x

Glomerella miyabeana x - x - x -

Phoma sp. x x x - x -

Phomopsis sp. x x x - x -

Kerssleriella sp. x x x x x x

Leucostoma sp. x - x - x -

Leptosphaeria sp. x x x - x -

Lophiostoma sp. x x x x x x

Marsoninna sp. x - x - x -

Massarina sp. x x x x x x

Melampsora spp x x x - - -

Monostichella salicis x - x - x -

Ophiobolus x x x x x x

Pezicula ocellata x x x x x -

Phyllosticta apicalis x - x - x -

Phomatospora sp. x x x x x -

Sphaeropsis sp. x x x - x x

Xalsa sordida x - x - x -

Xalsa sp. x - x - - -

Xenturia sp. x x x - x -

Xenturia saliciperda x - x - x -

Truncatella angustata x x x x x x

Uncinula adunca x - x - x - Note x : Disease mentioned for the first time.

Défi des cultures sur terres marginales

Evaluating the effectiveness of a mixed arbuscular mycorrhizal and ectomycorrhizal inoculum in short rotation coppice willow agriculture

Thomas J. Pray, PhD student

Objectifs:

• Vérifier l’impact de la mycorhization sur la performance des saules cultivés sur des sites marginaux

• Étudier le profil de colonisation des racines de saules

Approches

• Trois sites marginaux (sablonneux, pierreux, témoin)

• Dispositif expérimental comportant 12 blocs, 2 espèces, 2 traitements d’inoculation, 2 niveaux de fertilisation

• Inoculation avec un mélange d’ecto et d’endomychorizes

• Étudier la diversité fongique par des approches moléculaires (DGGE et pyroséquençage)

Comparaison de la masse humide (g/plante) en fonction du site, de la fertilisation et de l’inoculation

pour S. miyabeana SX64

Impacts sur l’environnement

Évaluation du potentiel de séquestration de carbone dans le sol des CICR de saules dans le sud du Québec Jérémie Lockwell, MSc.

• Comparer et suivre la dynamique du carbone dans le sol de plantations de saules en CICR vs champs agricoles.

• Étudier les différences entre des plantations de saules récemment établies et vieilles de 9 ans.

Figure 1. Représentation schématique du cycle du carbone dans les sols agricoles. Redessinée à partir d’une étude de Janzen et al. (1997)

Comparaison du COTS suivant la mise en place de saules en CICR

Lockwell et al. 2012. Plant and Soil, in press

Comparaison du COTS après 9 ans de CICR de saules

b

b

b

• Peu de différence observée entre les champs agricoles vs jeunes CICR.

• Dans les plus vieilles plantations on observe une augmentation significative du carbone organique du sol . Important pour mieux juger du rôle des CICR de saules comme puits de C.

• Le mode de culture permet d’intégrer facilement le recyclage de résidus organiques et ainsi de valoriser localement ces

« déchets ». • Les saules bénéficient d’un important système racinaire hautement

densifié dont la majorité des racines se situe dans les couches superficielles (0-15 cm) (Volk 2002; Rytter and Hansson 1996).

Les CICR de saules pour le traitement des lisiers de porc

• Étudier l’effet des apports en lisier et en engrais minéraux sur les rendements en biomasse ainsi que sur les prélèvements nutritionnels des saules.

• Juger de l’impact sur l’environnement

Annie Cavanagh, MSc.

Qtés appliquées (kg/ha)

Traitement N P K

F0 : témoin 0 26 50 Lisier F1 (30 m3/ha) 148 32 75 F2 (60 m3/ha) 295 64 150 F3 (90 m3/ha) 443 96 225 F4 (120 m3/ha) 590 127 300 Fert. minéral F5 100 26 50 F6 200 26 50 F7 300 26 50

Quantités de nutriments ajoutées au sol selon les divers traitements.

Traitement Biomasse (t/ha)

F0 : Témoin 26.4 Lisier F1 (148 kg N/ha) 30.3 F2 (295 kg N/ha) 31.3 F3 (443 kg N/ha) 31.6 F4 (590 kg N/ha) 32.9 Fert. minéral F5 (100 kg N/ha) 29.4 F6 (200 kg N/ha) 30.9 F7 (300 kg N/ha) 30.2

Rendements en (t/ha) après deux saisons en fonction des traitements.

Willow dry matter yields as a function of the N amount applied with mineral fertilizer (a) or pig slurry (b) for the first and second growing seasons

(a) Mineral fertlizer

0

10

20

30

40

0 100 200 300

N amount applied (kg/ha)

Yiel

d (t/

ha)

Second year

First year

(b) Pig Slurry

0

10

20

30

40

0 200 400 600

N amount applied (kg/ha)

Yiel

d (t/

ha)

Second year

First year

Maximum yield: 30.8 t/ha

Optimum amount of N: 220 kg/ha

R2 : 0.34

Maximum yield: 32.5 t/ha

Optimum amount of N: 546 kg/ha

R2 : 0.21

Cavanagh et al. 2011. Biomass and Bioenergy

Impact sur l’environnement Concentration of nitrate and total phosphorus collected in lysimeters during the second growing season.

Dates 19

A pril 1

M ay 14

M ay 12

J une 2

J uly 15

J uly 29

J uly Treatment N applied (kg/ha) N - NO 3 (mg/L) Control 0 0.87 1.30 0.51 0.24 0.34 0.16 0.13 Pig slurry 590 17.5 19.0 16.1 9.2 7.5 6.1 6.1 Mineral fertilizer 300 19.0 17.5 17.8 9.5 7. 4 6.8 5.5 Dates

19 A pril

1 M ay

14 M ay

12 J une

2 J uly

15 J uly

29 July

Treatment P applied (kg/ha) P ( g/L) Control 26 27 23 27 26 36 44 46 Pig slurry 127 29 34 34 35 40 54 50 Mineral fer t ilizer 26 34 27 42 24 47 73 64

En résumé • Les lisiers de porc constituent un bon engrais

pour les saules en CICR.

• Des rendements jusqu’à 33 tms/ha ont été obtenus après deux ans, c’est énorme!

• Dans les sol, une légère augmentation des teneurs en nitrates résiduelles, qui s’accroît avec la dose.

• Dans l’eau du sol des parcelles fertilisées avec les plus fortes doses, les nitrates excèdent les limites.

• Le P demeure sous le seuil critique.

Projet laboratoire rural

Projets de mémoire de maîtrise de: • Rémy Fluet

• Ahmed Jerbi

P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8

B4

SUD

EST

──

──

──

──

──

──

──

──

──

──

──

──

rout

e 33

9 ─

──

──

──

──

──

──

──

──

──

──

──

──

B1 B2 B3

Nombre de parcelles: 32, Nombre de blocs: 4Surface d'une parcelle: 225 m2 (18 m X 12,5 m)Surface d'un bloc: 1800 m2 (72 m X 25 m)

Nombre de rangs en expérimentation: 40 espacés de 1,8 m

Surface totale: 7200 m2 (72 m largeur X 100 m longueur)Espèce en expérimentation: Salix miyabeana plantée en 2008 Doses d'irrigation annuelles:

2009: D0=témoin sans irrigation, D1=3002 m3/ha, D2=3930 m3/ha, D3=5827 m3/ha2010: D0=témoin sans irrigation, D1=4000 m3/ha, D2=6000 m3/ha, D3=9000 m3/ha

: parcelles fertilisées: parcelles non-fertilisées

D3

D2

D1

D0

Photo: Francis Allard

Juillet 2008

Juillet 2009

Août 2010

Novembre 2010

Avril 2011

Mai 2011

Rendement de S. miyabeana SX67 après deux ans

0

10

20

30

40

50

60

Dose 0 Dose 1 Dose 2 Dose 3

Tonn

e/ha

N fert Fert

La plus forte dose d’irrigation (9000 m3/ha) entraîne une production annuelle moyenne de plus de 26 tonnes sèches!

En résumé

• Permet le traitement de l’effluent

• Diminue la décharge à la rivière

• Favorise une grande production de biomasse

• Permet la production d’un combustible de source renouvelable et la substitution d’un combustible fossile

• La création d’activités économiques à l’échelle de la région

Projet SABRE Salix en Agriculture pour des Bandes

Riveraines Énergétiques

• Marc Lucotte Géotop‐UQAM Géochimie Environnementale

• Michel Labrecque IRBV Biomasse énergétique

• Philippe Juneau UQAM Écotoxicologie

• Laurent Lepage UQAM Aspects socio‐économiques

Objectif général • Déterminer les bénéfices environnementaux et

l’acceptabilité socio‐économique de bandes riveraines constituées de Salix miyabeana SX64

B1

B2

B33 m

17 m

51 m

Chemin

Salix5 rangées30 000 tiges/ha

Salix3 rangées 15 000 tiges/ha

Site Boisbriand

Zone de forêt naturelle

TémoinAucune

Végétation

Culture jusqu’àla rive

Fossé

Ruisseau

Culture maïs/soya

Échantillonnage typique pour chaque traitement

Carotte de solCollecteur d’eau de ruissellementLysimètre 0,3mLysimètre 1,2mSac d’eau de percolation

Vue du dispositif et de l’emplacement des équipements d’échantillonnage

Suivi de la dérive des fertilisants et des pesticides notamment le glyphosate et de son principal produit de dégradation l'acide aminométhylphosphonique La présence de glyphosate ou de AMP a été constatée plusieurs mois après l’épandage de Round up!

Conclusions • Les cultures de saules pour des fins

énergétiques au Québec ont un réel potentiel. • Rendements importants peuvent être obtenus

et être maximisés avec la valorisation de résidus ou d’eau usée.

• De hauts rendements peuvent être maintenus même après plusieurs rotations.

• Les meilleures chances de succès: usage local et couplé à d’autres utilisations.

• Les bénéfices environnementaux sont nombreux.

• Domaine encore relativement jeune, reste beaucoup à faire…

REMERCIEMENTS

Agro Énergie Canadian Federal Interdepartmental Program on Energy Research and Development (PERD)

Cogenor Lanaudière La Coop fédérée du Québec

Conseil pour le développement de l’agriculture du Québec (CDAQ) Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada (CRSNG)

Fédération des producteurs de porcs du Qc (FPPQ) Program on Energy Research and Development (PERD)

FQRNT- Actions concertées consolidation de la recherche sur l’environnement rural

Genivar Inspec Sol Inc.

Jardin botanique de Montréal Laboratoires ruraux de la Politique nationale de la ruralité 2007-2014 Ministère des Affaires municipales, des Régions et de l'Occupation

du territoire (MAMROT) Ministère de l’Agriculture, des Pêcheries et de l’Alimentation du Québec

Municipalité de Saint-Roch-de-l’Achigan Technologie et Innovation du Réseau canadien d'innovation dans la biomasse

Ville de Boisbriand – CERVEAU Ville de Montréal