Split injection with BNI breaks the trade-off between NH3 and greenhouse gas emissions in rice-wheat rotations

Les agriculteurs sont confrontés depuis longtemps à un choix difficile pour nourrir leurs cultures. Pour produire suffisamment de nourriture pour un monde en pleine croissance, ils doivent appliquer de l'engrais azoté, mais la manière dont ils l'appliquent crée souvent une cascade de problèmes environnementaux. Lorsque les agriculteurs répandent de l'engrais sec à la surface de leurs champs, une grande partie de cet azote s'échappe dans l'air sous forme d'ammoniac gazeux, contribuant ainsi au smog et aux pluies acides. S'ils tentent de remédier à cela en enfouissant l'engrais profondément dans le sol pour l'empêcher de s'échapper, ils déclenchent souvent un problème différent : l'azote enfoui peut se transformer en protoxyde d'azote, un puissant gaz à effet de serre qui piège la chaleur bien plus efficacement que le dioxyde de carbone. Pendant des décennies, les scientifiques ont lutté pour trouver une méthode capable d'empêcher l'ammoniac de monter et la formation de gaz à effet de serre sans sacrifier le rendement des cultures.

Dans les champs de riz et de blé de la région de Taihu en Chine, une équipe de chercheurs a testé une nouvelle approche qui semble résoudre ce dilemme. Ils ont combiné deux techniques spécifiques : l'injection d'engrais liquide profondément dans le sol en deux doses distinctes, et l'ajout d'une substance naturelle qui ralentit la décomposition chimique de l'azote. Les résultats, observés sur deux cycles de culture complets, montrent que cette combinaison non seulement réduit les émissions d'ammoniac et de gaz à effet de serre, mais augmente également la quantité de grains récoltés. L'étude suggère qu'en changeant l'endroit et la manière dont l'azote est délivré à la plante, les agriculteurs peuvent protéger l'air et le climat tout en nourrissant la population.

L'expérience s'est déroulée dans une région connue pour son agriculture intensive, où le riz est cultivé en été et le blé en hiver. Les chercheurs ont mis en place une série de parcelles d'essai pour comparer différentes méthodes de gestion de l'azote. Un groupe a reçu le traitement traditionnel : de l'urée sèche épandue à la surface du champ en trois applications distinctes. Un autre groupe a reçu une quantité réduite de ce même engrais de surface. Un troisième groupe a reçu la quantité réduite mais avec l'ajout d'un inhibiteur de nitrification biologique, une substance dérivée des racines de sorgho qui ralentit naturellement la conversion de l'ammonium en nitrate. Le dernier groupe, qui est devenu le point central de la percée, a reçu un engrais liquide hydrosoluble injecté à dix centimètres de profondeur dans le sol. Cette injection a eu lieu deux fois : une fois au début de la saison et une seconde fois plus tard, en fonction des besoins de croissance de la culture. Ce groupe d'injection profonde a également été testé avec et sans l'inhibiteur biologique.

Les résultats ont révélé un contraste frappant entre les méthodes. L'épandage traditionnel de l'engrais en surface a entraîné des pertes massives d'ammoniac. Lors de la saison du riz, le traitement de surface a libéré plus de quarante-six kilogrammes d'azote par hectare sous forme d'ammoniac gazeux. Lors de la saison du blé, la perte était de près de quatorze kilogrammes par hectare. Cette perte ne pollue pas seulement l'air, elle représente aussi de l'argent gaspillé pour l'agriculteur. Lorsque les chercheurs ont ajouté l'inhibiteur biologique à l'engrais de surface, le problème s'est aggravé. L'inhibiteur a réussi à ralentir la décomposition de l'azote, mais comme l'engrais reposait sur la surface, l'azote y est resté plus longtemps sous une forme pouvant facilement s'échapper sous forme de gaz. Lors de la saison du blé, cette combinaison a en fait augmenté la perte d'ammoniac de soixante-sept pour cent par rapport à l'engrais réduit seul.

La méthode d'injection profonde, cependant, a totalement changé la donne. En poussant l'engrais liquide dix centimètres sous terre, les chercheurs ont efficacement piégé l'azote là où les racines des plantes peuvent l'atteindre. Dans les parcelles où l'engrais a été injecté sans l'inhibiteur, les pertes d'ammoniac sont tombées à moins d'un kilogramme par hectare, un niveau statistiquement indiscernable des parcelles témoins qui n'ont reçu aucun engrais. L'azote n'était simplement pas disponible pour s'échapper dans l'air car il était enfoui profondément dans le sol, loin de l'atmosphère.

Cette séparation physique de l'azote et de l'air a également résolu le problème des gaz à effet de serre. L'étude a mesuré les émissions de protoxyde d'azote et de méthane, les deux principaux gaz à effet de serre issus de l'agriculture. La méthode traditionnelle de surface a produit les niveaux les plus élevés de ces gaz. La méthode d'injection profonde, même sans l'inhibiteur, a réduit considérablement les émissions de protoxyde d'azote de près de soixante pour cent pour le riz et de quarante-trois pour cent pour le blé. Lorsque les chercheurs ont ajouté l'inhibiteur biologique à la méthode d'injection profonde, la réduction a été encore plus spectaculaire. Lors de la saison du riz, les émissions de protoxyde d'azote ont chuté de soixante-onze pour cent par rapport à la méthode traditionnelle. Lors de la saison du blé, la réduction était de cinquante-quatre pour cent. Les émissions de méthane, principalement produites dans les rizières inondées, ont également diminué d'environ trente-quatre pour cent dans le riz et de quarante-sept pour cent dans le blé lors de l'utilisation de la méthode combinée d'injection profonde et d'inhibiteur.

Le mécanisme de ce succès réside dans la façon dont l'azote circule et se transforme dans le sol. Lorsque l'engrais est répandu en surface, il repose dans la couche supérieure où l'oxygène est abondant, permettant aux bactéries de le convertir rapidement en nitrate, qui s'échappe ensuite sous forme de protoxyde d'azote ou est emporté par le ruissellement. Lorsque l'engrais est injecté profondément, il reste dans une zone moins oxygénée, où il demeure sous forme d'ammonium, une forme préférée par les plantes. L'inhibiteur biologique ralentit davantage les bactéries qui, autrement, transformeraient cet ammonium en nitrate. Parce que l'azote est maintenu profondément dans le sol et conservé sous forme d'ammonium, il n'est pas disponible pour être converti en gaz nocifs pour le climat. L'étude a confirmé cela en mesurant directement le sol, montrant que l'ammonium restait concentré près du site d'injection tandis que les niveaux de nitrate restaient bas.

Au-delà des avantages environnementaux, la nouvelle méthode a amélioré la récolte. Les parcelles utilisant l'injection profonde fractionnée avec l'inhibiteur biologique ont produit les rendements les plus élevés de tous. La récolte de riz a augmenté de près de six pour cent par rapport à la méthode traditionnelle, et celle du blé a bondi de presque vingt pour cent. Cela a été réalisé alors même que les chercheurs appliquaient une quantité totale d'azote moins importante. La méthode traditionnelle utilisait trois cents kilogrammes d'azote par hectare pour le riz, tandis que la nouvelle méthode n'en utilisait que cent quatre-vingts. L'efficacité de la nouvelle méthode signifiait qu'une plus grande partie de l'engrais finissait dans le grain plutôt que d'être perdue dans l'air ou le sol. L'analyse économique a montré que, malgré le coût plus élevé de l'engrais liquide et de l'équipement spécialisé nécessaire pour l'injecter, les économies réalisées grâce à la réduction des dommages environnementaux et à l'augmentation de la valeur des cultures rendaient la nouvelle méthode globalement plus rentable.

L'étude souligne une leçon cruciale concernant la technologie agricole : l'emplacement d'une solution compte autant que la solution elle-même. L'inhibiteur biologique, lorsqu'il est utilisé en surface, a aggravé le problème de l'ammoniac. Mais lorsqu'il a été utilisé avec l'injection profonde, il est devenu partie d'un système hautement efficace. Le placement profond a empêché l'ammoniac de s'échapper, permettant à l'inhibiteur de remplir sa fonction de ralentissement de la formation de nitrate sans le pénalité d'une augmentation de la pollution atmosphérique. Cette combinaison d'injection profonde et d'inhibition biologique offre un moyen de rompre l'arbitrage qui tourmente les agriculteurs depuis des années. Elle démontre qu'il est possible de réduire simultanément la pollution azotée et les émissions de gaz à effet de serre tout en augmentant la production alimentaire, à condition que l'engrais soit délivré directement là où la plante en a besoin. Les chercheurs notent que pour que cette méthode se généralise, de meilleures machines pour injecter l'engrais liquide à grande échelle seront nécessaires, mais le potentiel pour une agriculture plus propre et plus productive est désormais clairement à portée de main.