Action 1: Caractérisation de la Minéralisation


Tâche 1-1 : inventaire des substrats et engrais organiques utilisables et sélection des produits de référence :
Cette tâche consiste dans un premier temps à lister de manière exhaustive et sur la base de l’expertise des partenaires impliqués, les différents types de supports de culture et d’engrais organiques utilisés dans les différents secteurs concernés par le projet et utilisables en hors-sol. Les informations recueillies concerneront a minima la composition exacte (matières premières, origines et proportions), le mode de formulation (température de pressage des granulés, autres procédés), la répartition granulométrique, les teneurs en éléments avec les différentes formes d’azote, le pH. Des analyses complémentaires pourront être mises en oeuvre pour caractériser le plus précisément possible les substrats et engrais de référence telles que les fractions biochimiques des substrats (Van Soest), les propriétés hydrodynamiques (rétention en eau et aération), la signature biochimique complexe par spectroscopie moyen infrarouge (SMIR). La problématique de variabilité dans l’approvisionnement des différentes matières premières (gisements limités et priorité par rapport à d’autres usages) sera prise en compte en concertation avec les différents acteurs du marché (fabricants d’engrais et de substrats au travers du syndicat AFAÏA).
A partir de cette liste, un nombre restreint d’engrais et de substrats sera identifié pour constituer les produits de référence qui serviront pour la conduite de la tâche 1.2. Ces substrats et engrais seront sélectionnés par rapport à leur représentativité vis-à-vis des différents secteurs concernés.

Ainsi, 4 couples substrats-engrais seront retenus pour la production ornementale en pot, comprenant :
  • Deux substrats organiques : un premier de structure fine pour les cultures florales et les plantes aromatiques en pot ; un second plus grossier, adapté aux cultures d’arbres et d’arbustes d’ornement en conteneurs.
  • Deux engrais organiques : un premier avec un profil de libération lent et un second avec un profil de libération rapide.

En production de plants maraîchers biologiques, 4 couples substrats-engrais seront retenus :
  • Deux substrats : un premier avec une teneur en tourbe classique (de 80% à 100%) et un second avec un taux de tourbe plus faible (< à 70%). Afin de réduire l’impact de la filière sur l’exploitation des tourbières dont les ressources sont limitées, la filière bio souhaite réduire l’utilisation des tourbes (composant majeurs des terreaux). Certains cahiers des charges privés imposent d’ores et déjà l’utilisation de terreaux contenant moins de 70% de tourbe (Biobreizh, Biosuisse,…). Des travaux sur la recherche d’alternatives à la tourbe sont en cours chez certains fabricants (Jiffy), ou dans des stations de recherche-expérimentation (P.A.I.S. en Bretagne). La fraction restante est généralement complétée par un amendement ou du compost (à profil de minéralisation lente) utilisable en AB.
  • Deux modalités de fertilisation : une première sans intrant (le suivi de minéralisation concernera le support de culture et sa fraction amendement/engrais), et un second avec un profil de libération rapide (matière organique végétale de type vinasse ou animale de type farine de plume, guano...), généralement utilisé en élevage de plants par les maraîchers / pépiniéristes pour assurer l’alimentation azotée des plants dans le cas de cultures longues.
Les modalités seront adaptées en fonction du résultat de l’inventaire de l’action 1 et de l’identification des besoins professionnels (concernant la teneur en tourbe des terreaux, mais aussi de la cohérence de l’origine des matières organiques utilisées avec les principes de l’Agriculture Biologique).


Tâche 1-2 : Caractérisation de l’effet de différents paramètres sur la minéralisation de l’azote en conditions hors-sol :
Afin d’être capable de prédire la minéralisation de l’azote d’engrais organiques dans des substrats, il est nécessaire d’identifier les paramètres influant sur la minéralisation et de modéliser leurs effets.
De nombreux travaux ont été réalisés sur la minéralisation de l’azote organique des sols et des matières fertilisantes organiques dans un contexte agricole (Machet et al., 1990 ; Nicolardot et al., 2001 ; projet DOSTE PROLAB, …). Les paramètres identifiés dans la littérature sont les caractéristiques des sols (texture, pH, …) et des matières fertilisantes organiques (rapport C/N, fractions biochimiques, …), ainsi que la température et l’humidité dont les lois d’action sont regroupées dans le concept de jours normalisés (Mary et al., 1999 ; Valé, 2006).
Il n’existe quasiment aucune référence scientifique sur la minéralisation de l’azote organique dans les substrats hors-sol. Les premiers travaux réalisés par AUREA Agro Sciences semblaient indiquer que les paramétrages des fonctions définis pour les sols agricoles n’étaient pas applicables pour les substrats hors-sol (amplitude de température et humidité plus importante, variations plus brutales, optimum de minéralisation différent). De plus, la nature même des substrats hors-sol fait que les caractéristiques à prendre en compte sont spécifiques aux substrats : nature des constituants (tourbe, fibre, écorce, ..), granulométrie, pH, … Enfin les substrats hors-sol sont avant tout des supports physiques, donc biologiquement stables. Ils sont donc généralement pauvres en vie microbienne, ce qui pourrait être une des causes des faibles taux de minéralisation constatés lors d’expérimentations menées sur culture ornementale (en comparaison aux données de référence disponibles en sol agricole pour les mêmes engrais organiques). Ces mêmes études ont mis en évidence que ce taux pouvait être doublé par l’ajout d’une fraction de terre agricole (10%) (Valé, 2012), ce qui laisse supposer qu’il s’agit d’une limitation par l’inoculum microbien initial.
Les travaux menées dans la Tache 1-2 ont pour objectif de modéliser les effets :
  • de la température et de l’humidité (via le concept des jours normalisés),
  • des caractéristiques du substrat et des engrais organiques,
  • de l’activité biologique des mélanges substrats-engrais organiques.

Deux types de dispositifs seront mis en oeuvre :
1. Les dispositifs en conditions contrôlées :
  • La minéralisation de l’azote organique sera mesurée par incubation en conditions contrôlées en croisant chaque paramètre avec différentes modalités :
    • Température (4 à 5 modalités constantes),
    • Humidité (3 à 4 modalités constantes + une succession de cycle dessiccation / humectation afin de caractériser les flushs de minéralisation mis en évidence en conditions de culture et dans la littérature),
    • Nature du substrat (substrats de référence définis dans la tache 1-1),
    • Nature de l’engrais organique (engrais de référence définis dans la tache 1-1),
    • Présence ou non d’adjuvant pour stimuler la minéralisation.
Les caractéristiques physicochimiques mesurées sur les substrats seront : composition minérale et organique, propriétés physiques (masse volumique, porosité, capacité de rétention en eau). Les caractéristiques mesurées sur les engrais organiques seront : composition minérale et organique, fractionnement biochimique et indice de stabilité biologique.
L’activité biologique des supports de culture sera évaluée à la fois avec des outils de biologie moléculaire et d’indicateur biochimique. Au niveau moléculaire, cela concerne la caractérisation des communautés microbiennes globales et spécifiques impliquées dans la dégradation de la MO et le cycle de l’azote. Ceci grâce à des mesures de PCR quantitative (qPCR) pour évaluer les populations bactériennes (gène 16S) et fongiques (gène18S) et les populations microbiennes ammonifiantes (gène Amoa). Cette caractérisation sera réalisée sur les supports de culture et les engrais initiaux et leur dynamique au cours du cycle cultural sera suivie.
Parallèlement à cette approche moléculaire, l’activité des communautés microbiennes liée au cycle du C et du N (profils cataboliques) sera évaluée par la méthode de microrespirométrie. Cette approche fonctionnelle sera conduite en lien avec l'évaluation de la qualité biochimique des couples substrats et engrais par spectroscopie dans le Moyen Infra Rouge. La biomasse microbienne totale et active sera caractérisée par fumigation et respiration induite par ajout de glucose, respectivement.
En lien avec l’étude de l’activité biologique, l'étude s’intéressera aux moyens de simuler la minéralisation par ajout d’un « ferment ». Comme indiqué précédemment, l’ajout d’une fraction de terre végétale peut améliorer de manière significative l’efficacité de la minéralisation dans un substrat. Mais cette pratique n’est pas envisageable à cause du risque de contamination par les adventices et du poids supplémentaire ajouté au terreau. Un certain nombre de résultats obtenus dans le cadre d’expérimentations menées en conditions in situ ont montré la possibilité d’améliorer l’efficacité de la minéralisation en utilisant des adjuvants microbiens dans les substrats (CDHR Centre). Les fabricants de substrats utilisables en AB ajoutent couramment une fraction de compost pour jouer le rôle de catalyseur de la minéralisation mais une grande diversité de produits à base de micro-organismes sont également disponibles sur le marché et facilement accessibles aux producteurs. Nous avons peu de recul par rapport à l’efficacité de ces différents adjuvants sur l’activation de la minéralisation. L’objectif est d’évaluer l’efficacité de ces produits sur les couples engrais-substrats de référence.
Cette thématique sera étudiée uniquement pour la partie "horticulture ornementale ". En effet, ce sont les cultures pour lesquelles les blocages de minéralisation sont les plus fréquemment observés en culture. Pour les productions en mottes maraîchères (mini-mottes ou mottes pressées), l’incorporation systématique de compost dans les terreaux assure un inoculum suffisant ne justifiant pas de stimuler la minéralisation.

2. Les dispositifs en conditions de culture pour validation in situ du paramétrage de la minéralisation de l’azote :
En complément des essais au laboratoire décrits précédemment (incubation sans plante), des expérimentations en
stations d’expérimentation (en conditions de culture) seront menées. Les dispositifs expérimentaux permettront de
valider la modélisation des effets des différents paramètres sur la minéralisation de l’azote à partir des couples
engrais-substrats de référence. Ces dispositifs seront répartis sur plusieurs sites d’expérimentation couvrant les
filières plantes ornementales et aromatiques pour l’amateur et plants maraîchers biologiques en mottes (minimottes
ou mottes pressées) avec des durées de cycle de culture variables.

Pour le secteur "horticulture ornementale", cinq modèles de culture seront étudiés, correspondant aux cycles de production classiques :
  • Modèle « cultures florales – cycle hivernal »
  • Modèle « culture florale - cycle de printemps »
  • Modèle « plantes aromatiques pour l'amateur – cycle hivernal »
  • Modèle « plantes aromatiques pour l'amateur – cycle de printemps »
  • Modèle « cultures d'arbres et d'arbustes d'ornement – cycle de printemps/été »

Pour le secteur "maraîchage", quatre modèles de culture seront étudiés, selon les cycles classiques de production dans les régions des stations d’expérimentation concernées :
  • Culture courte – petite motte (ex. salade)
  • Culture longue – petite motte (poireau)
  • Culture longue – grosse motte (tomate)
  • Culture courte – grosse motte (courge)
Les quatre modèles seront répartis entre les trois stations d’expérimentation partenaires de l’ITAB (P.A.I.S, G.R.A.B., C.I.V.A.M. Bio66) donnant lieu à trois dispositifs expérimentaux par site (soit 2 ou 3 répétitions de chaque modèle), sur des périodes de production classiques d’hiver-printemps.
Ces tests seront conduits sous abri afin de s’affranchir des conditions climatiques et les arrosages seront pilotés au plus juste afin de limiter les pertes d’azote par lixiviation. Ils consisteront, à l’aide d’une conduite de culture précise et d’un suivi rigoureux des paramètres humidité et température dans le substrat, à valider les équations définies lors des tests en conditions contrôlées par le suivi de l'azote minéralisé au cours du temps. Des analyses microbiologiques seront réalisées sur certains dispositifs afin de progresser dans la compréhension du processus de minéralisation et notamment des blocages ou des excès observés dans certaines situations de culture. Les huit couples engrais-substrats seront mis à l'étude et les expérimentations se dérouleront à différentes périodes (séries hivernales et séries estivales) et dans des zones géographiques variées afin de bénéficier naturellement de conditions environnementales très différenciées.
Enfin, les cycles de culture étant courts, certains dispositifs pourront être reproduits au cours du projet pour conforter les données en cas de besoin.
L’ensemble de ces travaux devraient permettre de définir les paramètres caractérisant la minéralisation de l’azote organique dans les substrats et donc de proposer ou d’améliorer les modèles mathématiques existants pour la prédire. Ces paramètres caractérisant à la fois les engrais et les supports de culture, permettront de proposer un OAD utilisable pour une large gamme de supports de culture et d’engrais organiques.


Tâche 1.3 : Acquisition de données de référence pour la caractérisation de la minéralisation de l’azote organique et sa disponibilité en hors-sol.
Cette tâche consistera à initier une base de données des caractéristiques engrais et substrats nécessaires pour prédire la minéralisation de l’azote organique dans les substrats hors sol.
Les couples substrats-engrais étudiés seront issus de l’inventaire réalisé en tache 1.1. Le choix s’effectuera de manière à couvrir le maximum de diversité sur les paramètres supposés impactant la minéralisation :
  • Usage, constituants, granulométrie pour les substrats,
  • Origine (animale, végétale, mixte), procédé de fabrication (compostage, granulation, …), granulométrie pour les engrais organiques.
En plus des cinétiques de minéralisation en conditions contrôlées, les caractéristiques mesurées seront celles définies comme pertinentes dans la tache 1-2 : composition organique et minérale, propriétés physiques et hydriques des substrats, fractionnement biochimique et indice de stabilité de la matière organique des engrais, indicateurs d’activité biologique.
Le protocole des incubations en conditions contrôlées sera ajusté en fonction des conditions optimales d’incubation pour chaque type de substrat testé dans la tache 1-2 (température et humidité optimales).
Ces travaux seront utiles tant aux fabricants qu'aux utilisateurs et conseillers pour une meilleure connaissance des produits et un accompagnement plus efficace des pratiques.