Biofuels, greenhouse gases and climate change. A review

International audienceBiofuels are fuels produced from biomass, mostly in liquid form, within a time frame sufficiently short to consider that their feedstock (biomass) can be renewed, contrarily to fossil fuels. This paper reviews the current and future biofuel technologies, and their development impacts (including on the climate) within given policy and economic frameworks. Current technologies make it possible to provide first generation biodiesel, ethanol or biogas to the transport sector to be blended with fossil fuels. Still under-development 2nd generation biofuels from lignocellulose should be available on the market by 2020. Research is active on the improvement of their conversion efficiency. A ten-fold increase compared with current cost-effective capacities would make them highly competitive. Within bioenergy policies, emphasis has been put on biofuels for transportation as this sector is fast-growing and represents a major source of anthropogenic greenhouse gas emissions. Compared with fossil fuels, biofuel combustion can emit less greenhouse gases throughout their life cycle, considering that part of the emitted CO2 returns to the atmosphere where it was fixed from by photosynthesis in the first place. Life cycle assessment (LCA) is commonly used to assess the potential environmental impacts of biofuel chains, notably the impact on global warming. This tool, whose holistic nature is fundamental to avoid pollution trade-offs, is a standardised methodology that should make comparisons between biofuel and fossil fuel chains objective and thorough. However, it is a complex and time-consuming process, which requires lots of data, and whose methodology is still lacking harmonisation. Hence the life-cycle performances of biofuel chains vary widely in the literature. Furthermore, LCA is a site- and timeindependent tool that cannot take into account the spatial and temporal dimensions of emissions, and can hardly serve as a decision-making tool either at local or regional levels. Focusing on greenhouse gases, emission factors used in LCAs give a rough estimate of the potential average emissions on a national level. However, they do not take into account the types of crop, soil or management practices, for instance. Modelling the impact of local factors on the determinism of greenhouse gas emissions can provide better estimates for LCA on the local level, which would be the relevant scale and degree of reliability for decision-making purposes. Nevertheless, a deeper understanding of the processes involved, most notably N2O emissions, is still needed to definitely improve the accuracy of LCA. Perennial crops are a promising option for biofuels, due to their rapid and efficient use of nitrogen, and their limited farming operations. However, the main overall limiting factor to biofuel development will ultimately be land availability. Given the available land areas, population growth rate and consumption behaviours, it would be possible to reach by 2030 a global 10% biofuel share in the transport sector, contributing to lower global greenhouse gas emissions by up to 1 GtCO2 eq.year−1 (IEA, 2006), provided that harmonised policies ensure that sustainability criteria for the production systems are respected worldwide. Furthermore, policies should also be more integrative across sectors, so that changes in energy efficiency, the automotive sector and global consumption patterns converge towards drastic reduction of the pressure on resources. Indeed, neither biofuels nor other energy source or carriers are likely to mitigate the impacts of anthropogenic pressure on resources in a range that would compensate for this pressure growth. Hence, the first step is to reduce this pressure by starting from the variable that drives it up, i.e. anthropic consumptions

La diversité variétale à l’échelle d’un territoire est-elle un levier pour améliorer les performances agronomiques de la luzerne ? Analyse d’une étude de simulation avec le modèle STICS

La diversité variétale à l’échelle d’un territoire est-elle un levier pour améliorer les performances agronomiques de la luzerne ? Analyse d’une étude de simulation avec le modèle STICS. 2. Rencontres Francophones sur les Légumineuses (RFL2

Soil organic carbon models need independent time-series validation for reliable prediction

Numerical models are crucial to understand and/or predict past and future soil organic carbon dynamics. For those models aiming at prediction, validation is a critical step to gain confidence in projections. With a comprehensive review of ~250 models, we assess how models are validated depending on their objectives and features, discuss how validation of predictive models can be improved. We find a critical lack of independent validation using observed time series. Conducting such validations should be a priority to improve the model reliability. Approximately 60% of the models we analysed are not designed for predictions, but rather for conceptual understanding of soil processes. These models provide important insights by identifying key processes and alternative formalisms that can be relevant for predictive models. We argue that combining independent validation based on observed time series and improved information flow between predictive and conceptual models will increase reliability in predictions

Ensemble modelling, uncertainty and robust predictions of organic carbon in long-term bare-fallow soils

ACKNOWLEDGEMENTS This study was supported by the project “C and N models inter-comparison and improvement to assess management options for GHG mitigation in agro-systems worldwide” (CN-MIP, 2014- 2017), which received funding by a multi-partner call on agricultural greenhouse gas research of the Joint Programming Initiative ‘FACCE’ through national financing bodies. S. Recous, R. Farina, L. Brilli, G. Bellocchi and L. Bechini received mobility funding by way of the French Italian GALILEO programme (CLIMSOC project). The authors acknowledge particularly the data holders for the Long Term Bare-Fallows, who made their data available and provided additional information on the sites: V. Romanenkov, B.T. Christensen, T. Kätterer, S. Houot, F. van Oort, A. Mc Donald, as well as P. Barré. The input of B. Guenet and C. Chenu contributes to the ANR “Investissements d’avenir” programme with the reference CLAND ANR-16-CONV-0003. The input of P. Smith and C. Chenu contributes to the CIRCASA project, which received funding from the European Union's Horizon 2020 Research and Innovation Programme under grant agreement no 774378 and the projects: DEVIL (NE/M021327/1) and Soils‐R‐GRREAT (NE/P019455/1). The input of B. Grant and W. Smith was funded by Science and Technology Branch, Agriculture and Agri-Food Canada, under the scope of project J-001793. The input of A. Taghizadeh-Toosi was funded by Ministry of Environment and Food of Denmark as part of the SINKS2 project. The input of M. Abdalla contributes to the SUPER-G project, which received funding from the European Union's Horizon 2020 Research and Innovation Programme under grant agreement no 774124.Peer reviewedPostprin

Contribution à une méthode d'évaluation écologique et technique de la gestion des bordures de champs en exploitation agricole

 Diplôme : Diplôme d'Ingénieur Agronomeil s'agit d'un type de produit dont les métadonnées ne correspondent pas aux métadonnées attendues dans les autres types de produit : DISSERTATIONL’objectif de ce travail est de tester et de développer une méthode permettant un diagnostic des pratiques de gestion des bordures de champs en exploitation agricole, dans un objectif d’aide à la décision.A partir du cas de quatre exploitations laitières d’Ille-et-Vilaine, nous avons analysé l’organisation des pratiques de gestion : étude des niveaux de contraintes et comparaison des résultats obtenus par 3 méthodes différentes (enquêtes à l’échelle de l’exploitation / de la bordure, observations de terrain). Puis nous avons testé et développé un indicateur à partir de relevés floristiques sur les bordures de champs des quatre exploitations ; nous avons utilisé pour cela des méthodes statistiques d’analyse multivariée. Enfin, nous avons confronté des résultats de l’indicateur à l’échelle des exploitations et des pratiques recensées pour chacune d’elle.Pour l’organisation des pratiques de gestion, les agriculteurs prennent en compte des contraintes à différents niveaux (de la bordure de champ à l’exploitation entière). Dans les quatre exploitations étudiées, les différences entre le modèle stratégique exprimé par les agriculteurs, pour prendre en compte ces contraintes, et les pratiques effectives sont faibles. L’enquête à l’échelle de la bordure permet d’observer précisément la prise en compte des contraintes locales (bordure et parcelle adjacente) par les agriculteurs. Les observations sur le terrain permettent de vérifier des données obtenues par enquête et de connaître l’importance du pâturage et du piétinement des bordures par les animaux.La situation d’une bordure de champ par rapport à 3 couverts végétaux de référence (forestier, prairial et à adventices) apporte une information écologique et peut être mise en rapport avec les pratiques agricoles. Ces couverts de référence peuvent être définis par un référentiel d’une dizaine d’espèces herbacées. Les proportions entre espèces de chaque couvert présentes sur la bordure peuvent être utilisées comme un indicateur synthétique. Elles permettent en outre une représentation, sur le principe du triangle de texture, visuellement intéressante. Cet indicateur permet d’évaluer l’impact des pratiques de gestion des bordures mais aussi des pratiques culturales ayant lieu dans les parcelles adjacentes et qui sont liées à la succession culturale.Cette méthode permet de mettre en rapport l’évaluation écologique des bordures de champs avec les pratiques agricoles. Elle est une base intéressante pour discuter des possibilités de changements avec l’agriculteur, en tenant compte de ses contraintes. Elle met aussi en avant des difficultés liées à l’évolution de l’agriculture, aux politiques agricoles... Pour utiliser cette méthode dans un objectif d’aide à la décision, il reste à savoir comment évolue l’état écologique des bordures de champs après un changement des pratiques

Étude des bilans d'eau, d'azote et de carbone dans des agrosystèmes dédiés à la production de biomasse en fonction des espèces et des pratiques culturales

Second generation biofuels could provide renewable energy to the transportation sector while mitigating climate change. However, their greenhouse gas, energy and environmental balances will probably depend on the feedstock used for their production. Bioenergy crops that could be used for second generation biofuels will have to fulfil several requirements, including high productivity, low input requirements, and low environmental impacts. The objective of this work was to assess the water, N and C balances at the plot scale for various bioenergy crops with different management. The study is based on a long term field experiment, called “Biomass & Environment”, established at the INRA experimental station in Estrées-Mons, northern France. This experiment includes two perennial C4 crops (Miscanthus × giganteus and switchgrass), two semi-perennial forage C3 crops (fescue and alfalfa) and two annual C4/C3 crops (fibre sorghum and triticale). It compares two nitrogen treatments and two dates of harvest of perennial crops: early (October) or late harvest (February). Measurements have been carried out on: i) biomass production; ii) soil water stocks, monitored continuously during 7 years; iii) root depth and density; iv) drainage and nitrate concentration in drained water, assessed from soil water and mineral N content measurements (in mid-autumn and late winter) and using the STICS model; v) soil organic carbon (SOC) stocks in 2006 and 2011-2012; vi) the fate of 15N-labelled fertiliser applied during 4 or 5 successive years.Thanks to their deep rooting system, perennial and semi-perennial crops consumed more water than annual crops. The amount of drained water was lower under semi-perennial than annual crops (64 vs. 133 mm yr-1 average over 7 years), despite an equivalent biomass production. It was intermediate under perennial crops (56-137 mm yr-1) and negatively correlated to biomass production, itself depending on crop species and N rate. Nitrate concentration in drained water varied between 2 and 23 mg l-1. It was generally lower under perennial than other crops, except for miscanthus on the first year of measurement. SOC stocks increased markedly over time under semi-perennial crops (+0.93 t C ha-1 yr-1), whereas no significant change occurred under perennial and annual crops. The 15N recovery in the harvested biomass was lower for perennial than other crops, particularly when harvested late, but compensated by a higher 15N recovery in belowground organs and soil. The overall 15N recovery in the soil-plant system was 69% in perennials, 61% in semi-perennials and 56% in annual crops, suggesting that important fertiliser losses occurred through volatilisation and denitrification. In our pedo-climatic conditions, the C4 perennial crops performed best in terms of production, water and nitrogen use efficiency, and nitrogen losses towards the groundwater and the atmosphere. However, only semi-perennial crops yielded in SOC sequestration.Les biocarburants de 2ème génération pourraient fournir une énergie renouvelable au secteur des transports et ainsi permettre de lutter contre le changement climatique. Toutefois, leurs bilans gaz à effet de serre, énergétiques et environnementaux seront probablement très dépendants des ressources utilisées. Les cultures lignocellulosiques candidates à la production de biocarburant 2G devront ainsi concilier forte productivité, faibles besoins en intrants et faibles impacts environnementaux. L’objectif de la thèse a été de quantifier les bilans d’eau, d’azote et de carbone à l’échelle de la parcelle, pour différentes cultures candidates et différentes pratiques culturales. Nous nous sommes appuyés sur le dispositif expérimental de long terme « Biomasse & Environnement », mis en place en 2006 à Estrées-Mons, en Picardie. Il compare deux cultures pérennes en C4 (Miscanthus × giganteus et switchgrass), deux cultures pluriannuelles fourragères en C3 (fétuque et luzerne) et deux cultures annuelles récoltées en plante entière (sorgho fibre et triticale). Il inclut deux niveaux de fertilisation et deux dates de récolte pour les cultures pérennes : récolte précoce (octobre) ou récolte tardive (février). Les mesures effectuées ont porté sur : i) la production de biomasse, ii) l’évolution des stocks d’eau du sol en continu pendant 7 ans, iii) la profondeur et la densité des systèmes racinaires, iv) le drainage et la concentration en nitrate de l’eau drainée, évalués avec le modèle STICS à partir des stocks d’eau et d’azote minéral du sol mesurés en milieu d’automne et fin d’hiver, v) les stocks de carbone organique du sol en 2006 et 2011-2012, vi) le devenir de l’engrais azoté, suivi par marquage isotopique 15N de l'engrais pendant 4 ou 5 années successives.Grâce à leur enracinement profond, les cultures pérennes et pluriannuelles ont prélevé davantage d’eau que les cultures annuelles, notamment en profondeur. Le drainage sous les cultures pluriannuelles a été plus faible que sous les cultures annuelles (64 contre 133 mm an-1 en moyenne sur 7 ans), malgré une production de biomasse équivalente. Il a été intermédiaire pour les cultures pérennes (56-137 mm an-1) et très fortement lié à la production (elle-même fonction de l’espèce et de la fertilisation azotée). La concentration en nitrate a varié de 2 à 23 mg l-1. Elle a été en général plus faible sous les cultures pérennes, sauf pour le miscanthus lors de la première année de mesure. Les stocks de carbone du sol ont augmenté fortement sous les cultures pluriannuelles (+0.93 t C ha-1 an-1) mais n'ont pas varié significativement pour les autres cultures. Le 15N retrouvé dans la biomasse récoltée a été plus faible pour les cultures pérennes, particulièrement lorsqu’elles sont récoltées tardivement, mais cela est compensé par une plus forte proportion de 15N dans leurs organes souterrains et dans le sol. Le 15N retrouvé dans le système sol-plante a été de 69% de l’azote apporté pour les cultures pérennes, 61% pour les cultures pluriannuelles et 56% pour les cultures annuelles, ce qui suggère que des pertes importantes ont eu lieu par volatilisation et dénitrification. Dans nos conditions pédoclimatiques, les cultures pérennes en C4 sont les plus intéressantes pour concilier forte production de biomasse, forte efficience d’utilisation de l’eau et de l’azote et faibles pertes d’azote vers l’hydrosphère et l’atmosphère. En revanche, seules les cultures pluriannuelles permettent de stocker du carbone à court terme

Water, nitrogen and carbon balance of perennial and annual bioenergy crops

CT 3 ; EnjS 1-4 ; Département E.AWater, nitrogen and carbon balance of perennial and annual bioenergy crops. Exploring lignocellulosic biomass

Water, nitrogen and carbon balance of bioenergy crops : impact of crop species and cropping practices

Les biocarburants de 2ème génération pourraient fournir une énergie renouvelable au secteur des transports et ainsi permettre de lutter contre le changement climatique. Toutefois, leurs bilans gaz à effet de serre, énergétiques et environnementaux seront probablement très dépendants des ressources utilisées. Les cultures lignocellulosiques candidates à la production de biocarburant 2G devront ainsi concilier forte productivité, faibles besoins en intrants et faibles impacts environnementaux. L’objectif de la thèse a été de quantifier les bilans d’eau, d’azote et de carbone à l’échelle de la parcelle, pour différentes cultures candidates et différentes pratiques culturales. Nous nous sommes appuyés sur le dispositif expérimental de long terme « Biomasse & Environnement », mis en place en 2006 à Estrées-Mons, en Picardie. Il compare deux cultures pérennes en C4 (Miscanthus × giganteus et switchgrass), deux cultures pluriannuelles fourragères en C3 (fétuque et luzerne) et deux cultures annuelles récoltées en plante entière (sorgho fibre et triticale). Il inclut deux niveaux de fertilisation et deux dates de récolte pour les cultures pérennes : récolte précoce (octobre) ou récolte tardive (février). Les mesures effectuées ont porté sur : i) la production de biomasse, ii) l’évolution des stocks d’eau du sol en continu pendant 7 ans, iii) la profondeur et la densité des systèmes racinaires, iv) le drainage et la concentration en nitrate de l’eau drainée, évalués avec le modèle STICS à partir des stocks d’eau et d’azote minéral du sol mesurés en milieu d’automne et fin d’hiver, v) les stocks de carbone organique du sol en 2006 et 2011-2012, vi) le devenir de l’engrais azoté, suivi par marquage isotopique 15N de l'engrais pendant 4 ou 5 années successives.Grâce à leur enracinement profond, les cultures pérennes et pluriannuelles ont prélevé davantage d’eau que les cultures annuelles, notamment en profondeur. Le drainage sous les cultures pluriannuelles a été plus faible que sous les cultures annuelles (64 contre 133 mm an-1 en moyenne sur 7 ans), malgré une production de biomasse équivalente. Il a été intermédiaire pour les cultures pérennes (56-137 mm an-1) et très fortement lié à la production (elle-même fonction de l’espèce et de la fertilisation azotée). La concentration en nitrate a varié de 2 à 23 mg l-1. Elle a été en général plus faible sous les cultures pérennes, sauf pour le miscanthus lors de la première année de mesure. Les stocks de carbone du sol ont augmenté fortement sous les cultures pluriannuelles (+0.93 t C ha-1 an-1) mais n'ont pas varié significativement pour les autres cultures. Le 15N retrouvé dans la biomasse récoltée a été plus faible pour les cultures pérennes, particulièrement lorsqu’elles sont récoltées tardivement, mais cela est compensé par une plus forte proportion de 15N dans leurs organes souterrains et dans le sol. Le 15N retrouvé dans le système sol-plante a été de 69% de l’azote apporté pour les cultures pérennes, 61% pour les cultures pluriannuelles et 56% pour les cultures annuelles, ce qui suggère que des pertes importantes ont eu lieu par volatilisation et dénitrification. Dans nos conditions pédoclimatiques, les cultures pérennes en C4 sont les plus intéressantes pour concilier forte production de biomasse, forte efficience d’utilisation de l’eau et de l’azote et faibles pertes d’azote vers l’hydrosphère et l’atmosphère. En revanche, seules les cultures pluriannuelles permettent de stocker du carbone à court terme.Second generation biofuels could provide renewable energy to the transportation sector while mitigating climate change. However, their greenhouse gas, energy and environmental balances will probably depend on the feedstock used for their production. Bioenergy crops that could be used for second generation biofuels will have to fulfil several requirements, including high productivity, low input requirements, and low environmental impacts. The objective of this work was to assess the water, N and C balances at the plot scale for various bioenergy crops with different management. The study is based on a long term field experiment, called “Biomass & Environment”, established at the INRA experimental station in Estrées-Mons, northern France. This experiment includes two perennial C4 crops (Miscanthus × giganteus and switchgrass), two semi-perennial forage C3 crops (fescue and alfalfa) and two annual C4/C3 crops (fibre sorghum and triticale). It compares two nitrogen treatments and two dates of harvest of perennial crops: early (October) or late harvest (February). Measurements have been carried out on: i) biomass production; ii) soil water stocks, monitored continuously during 7 years; iii) root depth and density; iv) drainage and nitrate concentration in drained water, assessed from soil water and mineral N content measurements (in mid-autumn and late winter) and using the STICS model; v) soil organic carbon (SOC) stocks in 2006 and 2011-2012; vi) the fate of 15N-labelled fertiliser applied during 4 or 5 successive years.Thanks to their deep rooting system, perennial and semi-perennial crops consumed more water than annual crops. The amount of drained water was lower under semi-perennial than annual crops (64 vs. 133 mm yr-1 average over 7 years), despite an equivalent biomass production. It was intermediate under perennial crops (56-137 mm yr-1) and negatively correlated to biomass production, itself depending on crop species and N rate. Nitrate concentration in drained water varied between 2 and 23 mg l-1. It was generally lower under perennial than other crops, except for miscanthus on the first year of measurement. SOC stocks increased markedly over time under semi-perennial crops (+0.93 t C ha-1 yr-1), whereas no significant change occurred under perennial and annual crops. The 15N recovery in the harvested biomass was lower for perennial than other crops, particularly when harvested late, but compensated by a higher 15N recovery in belowground organs and soil. The overall 15N recovery in the soil-plant system was 69% in perennials, 61% in semi-perennials and 56% in annual crops, suggesting that important fertiliser losses occurred through volatilisation and denitrification. In our pedo-climatic conditions, the C4 perennial crops performed best in terms of production, water and nitrogen use efficiency, and nitrogen losses towards the groundwater and the atmosphere. However, only semi-perennial crops yielded in SOC sequestration