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N d ordre : 4333 ANNEE 2011 THESE / UNIVERSITE DE RENNES 1 Sous le sceau de l Université Européenne de Bretagne pour le grade de DOCTEUR DE L UNIVERSITE DE RENNES 1 Mention : Biologie ECOLE DOCTORALE VIE-AGRO-SANTE

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N d ordre : 4333 ANNEE 2011 THESE / UNIVERSITE DE RENNES 1 Sous le sceau de l Université Européenne de Bretagne pour le grade de DOCTEUR DE L UNIVERSITE DE RENNES 1 Mention : Biologie ECOLE DOCTORALE VIE-AGRO-SANTE (VAS) présentée par LUTH préparée dans les unités de recherche : EcoBio, CNRS-Université de Rennes 1, UMR 6553 Sols, Agro et hydrosystèmes, Spatialisation, INRA-Agrocampus Ouest, UMR SAS 1069 Effet de la combinaison de la lombrifiltration et du lagunage à macrophytes sur le recyclage des effluents sur le site d élevage Thèse soutenue à Rennes le 21 juin 2011 devant le jury composé de : Gabrielle THIEBAUT Professeure, Université de Rennes 1, Présidente Patrick LAVELLE Professeur, Université Paris VI, Rapporteur Gérard MERLIN Professeur, Université de Savoie, Rapporteur Baogui ZHANG Professeur, Université d Agriculture de Chine, Examinateur Bernadette PICOT Professeure, Université de Montpellier, Examinatrice Yvan HURVOIS Ingénieur, Agence de l Eau Loire-Bretagne, Examinateur Daniel CLUZEAU Maître de Conférence, Université de Rennes1, Directeur de thèse Paul ROBIN Chargé de recherches, INRA, Co-directeur de thèse Avant propos Cette thèse est le résultat de trois années de travail au sein de l UMR EcoBio (CNRS - Université de Rennes 1) et de l UMR SAS (Sol, Agro et hydrosystèmes, Spatialisation ; INRA Agrocampus Ouest). Elle a été encadrée par Daniel Cluzeau (Université Rennes 1, UMR EcoBio), Philippe Morand (CNRS, UMR EcoBio), Paul Robin (INRA, UMR SAS) et Yinsheng Li (Université Jiao Tong, Shanghai). Elle a été financée par une bourse du gouvernement Indonésien et de l ambassade de France en Indonésie sur le sujet «rôle des lombriciens dans le déterminisme des émissions gazeuses d'un lombrifiltre associé à une porcherie». Elle a contribué aux projets sur le recyclage des effluents d élevage conduits à Guernévez en collaboration avec les Chambres d Agriculture de Bretagne (financements Région Bretagne, Département du Finistère, CASDAR, CNRS-ingénierie écologique, ARCUS Languedoc-Roussillon Chine) et au projet de métrologie des émissions gazeuses (financement ADEME). Ce travail a été suivi par un comité de pilotage auquel ont participé les encadrants, Jean-Marie Paillat (CIRAD), Manuel Blouin (UMR BioEmCo) et Daniel Boujard (Université de Rennes 1). Je m intéresse depuis longtemps à l agriculture biologique car ce mode de production répond à un besoin fondamental de la population, se nourrir, et il fournit des produits favorables à la santé de la population tout en préservant l environnement et les ressources naturelles. L un des facteurs limitants de l agriculture biologique est la disponibilité en fertilisants organiques. C est pourquoi j ai cherché à améliorer mes connaissances sur ce sujet en développant des collaborations internationales, d abord par une formation de Master de Science du Sol. Puis, pour approfondir mes connaissances, j ai obtenu une bourse de gouvernement de l Indonésie et de l Ambassade de France pour faire une thèse dans ce domaine. Après cette thèse, j envisage d appliquer ces connaissances pour améliorer les productions de l agriculture biologique. En agriculture, les fertilisants organiques sont fabriqués à partir de produits de l activité d agricole : déjections animales, paille, résidus horticoles, etc. Le dispositif pilote sur lequel j ai travaillé a pour but de conserver les effluents d un élevage en vue de leur recyclage et de limiter les fuites polluantes. Il se situe à Guernévez (Finistère). Mon sujet initial a évolué pour s adapter au contexte des projets en cours. Il a été étendu à l ensemble du système de recyclage de Guernévez qui inclut des systèmes de lagunage à macrophytes. Mon sujet définitif a donc porté sur l intérêt de «combiner la lombrifiltration et le lagunage à macrophytes sur le recyclage des effluents sur le site d élevage». En effet, le traitement peut améliorer le recyclage : par exemple la décantation préalable d un liquide favorise le fonctionnement de la lagune où il est apporté (moins d accumulation de boues), mais si le traitement est trop poussé il peut défavoriser son fonctionnement biologique, par exemple si l on enlève trop d azote et de phosphore les plantes pousseront moins bien. C est pourquoi mon travail de thèse stricto sensu a porté sur la compréhension d un système biologique de recyclage, pour en préciser les avantages et les limites. Il s est inscrit dans un projet plus large incluant la modélisation, la production horticole, la réalisation d un court-métrage scientifique. Ainsi, mon projet a commencé en Septembre 2007 et il s est déroulé en 4 étapes : 3 - analyser l influence de la saison sur le traitement en utilisant les observations acquises depuis 2006, - modéliser le recyclage de l eau et la production des plantes dans le dispositif pilote, - proposer un système économiquement viable de production de plantes en pots à partir des produits issus des différentes étapes du traitement, - analyser les possibilités du lombrifiltre pour réduire au maximum les pertes gazeuses d azote. J ai travaillé sur deux dispositifs existant. Le premier s appelle «station expérimentale», le deuxième système, «prototype». La station expérimentale est un dispositif de petites dimensions permettant de comparer trois combinaisons de lagunes à macrophytes, chacune étant composée de quatre niveaux successifs. Le prototype est un dispositif plus grand qui assure le recyclage de la chasse d eau de la porcherie avec un seul traitement à chaque niveau. Il permet l expérimentation en conditions d exploitation. L ensemble de ces dispositifs incluant la porcherie est appelé «Pilote». Le premier stade de traitement est un tamisage suivi d une lombrifiltration (l utilisation de lombricompost pour filtrer des effluents des élevages). Le système de lombrifiltration de Guernévez est associé à un système de lagunage qui comporte quatre lagunes : deux en eau libre alternent avec deux en filtres plantés. Le système a été conçu pour diminuer le niveau des éléments chimiques de l effluent d élevage jusqu'à un seuil sans danger pour l environnement et pour pouvoir nettoyer les déjections à l intérieur du bâtiment d élevage. Le système recycle l eau. L eau est stockée dans le dernier bassin avant d être utilisée pour nettoyer les déjections produites dans le bâtiment d élevage. La première étape a conduit à un projet d article sur l influence de la saison. J ai analysé le changement de quelques espèces chimiques à chaque niveau sur la période J ai trouvé qu il y avait une influence de la saison sur notre lagunage. Pour la deuxième étape, j ai choisi d utiliser l environnement Matlab. La modélisation est importante pour dimensionner le système pour d autres élevages ainsi que pour interpréter les observations et vérifier que notre compréhension des processus est juste. Dans le programme, j ai défini des paramètres chimiques et des paramètres caractéristiques des plantes. Le programme modifie les résultats de traitement lorsqu il y a des changements de combinaisons de plantes. Je suis en train d ajouter au programme des relations pour tenir compte des dernières observations. J ai choisi la troisième étape car je crois que le système de lombrifiltration et de lagunages ajoute une valeur économique à l élevage. Le système que je propose est destiné à l horticulture. Il utilise tous les matériels qui existent dans la lombrifiltration et les bassins : pour le substrat d orchidée, j utilise les plaquettes de bois de la lombrifiltration ; les plantes produites dans les bassins seront compostées pour produire des fertilisants organiques solides ; l eau des bassins sera utilisée comme fertilisant organique liquide. J utilise le Poinsettia ou étoile de noël pour comparer le système proposé à celui basé sur un support de culture classique. Pour cette étape, j ai suivi une formation d entrepreneurs destinée aux doctorants intéressés par le montage d entreprises innovantes et j ai élaboré un protocole destiné à évaluer le potentiel du lombricompost pour la plantation d orchidée et de Poinsettia en tenant compte du besoin d eau pendant la plantation. Le comité des Entrepreneuriales de l Ille Vilaine a soutenu ce projet. Je n ai pas gagné le prix récompensant le meilleur projet en 2009 mais j ai ainsi acquis beaucoup de connaissances sur la création d entreprise. 4 La quatrième étape concerne les émissions gazeuses car les élevages ont un fort impact sur l air (ammoniac, gaz à effet de serre) et les nouveaux systèmes ne doivent pas dégrader cet impact même si les productions animales se développent pour améliorer l alimentation des populations. L objectif de ce chapitre est de tester l influence de la population de lombriciens et de la quantité d azote sur la perte gazeuse d azote totale et la proportion sous forme d ammoniac et de protoxyde d azote. J ai conçu et réalisé deux expérimentations. Elles ont permis d accueillir un étudiant dans le cadre d une collaboration avec l Université Jiao Tong (Shanghai, Chine). Il a travaillé sur la porosité libre à l air. J ai utilisé les observations de chaque étape pour écrire mes articles scientifiques et communiquer les nouvelles connaissances vers le monde scientifique. J espère que les autres chercheurs s en serviront et j utiliserai leurs critiques, corrections et idées pour améliorer mes prochaines expérimentations. Ce mémoire de thèse permet d apporter des éléments nouveaux (émissions gazeuses du lombrifiltre et rôle des lombriciens) et de proposer une nouvelle synthèse des travaux effectués à Guernévez par plusieurs équipes coordonnées par Philippe Morand (illustration en annexe 2). J ai réalisé un très court film documentaire scientifique destiné à communiquer mes résultats au grand public. Le film parle du principal sujet de ma thèse «la lombrifiltration». J ai utilisé un langage simple pour expliquer la vie des vers de terre dans le lombrifiltre. Mon film est une contribution à l éducation du public sur la possibilité de pollution de notre environnent par les effluents d élevage, la fonction des vers de terre pour réduire cette pollution et leurs réactions à différentes doses de matières organiques apportées à la lombrifiltration. Mon but est d informer les personnes sur les problèmes d environnement, afin qu elles essayent de réduire la pollution et de préserver l environnement, pour une meilleure vie maintenant et pour les futures générations. Ce film est aussi un media pour expliquer ma recherche aux scientifiques non spécialistes de mon domaine dans un langage simple (cf. annexe 3). En septembre 2010, il y a eu une conférence scientifique internationale sur les vers de terre au Mexique. C était une possibilité de présenter les résultats de ma recherche sur la relation entre les vers de terre, l apport de matière organique et les émissions gazeuses. J ai pu aussi présenter mon film et échanger des informations sur la recherche sur les vers de terre avec d autres chercheurs dans ce domaine et j ai enrichi mes connaissances sur les développements actuels de ces recherches. 5 6 Remerciements Premièrement, je voudrais remercier Allah / Dieu qui facilite toujours mes études et mes vies. Je remercie M. Nawawi Rasyid (mon père) et Nurhamidah (ma mère) qui toujours me soutiennent et sont toujours disponibles pour moi. N oublie pas, remercie la famille d Hud (mon petit frère) ; Devi, Aleta et son futur enfant. Je remercie la famille de Dyah (ma petite sœur) ; Budi, Hasan, Nadia et Lala. Je remercie Daniel Cluzeau et Philippe Morand de l UMR EcoBio (CNRS - Université de Rennes 1) qui m ont accueilli et m ont encadré à la Station Biologique de Paimpont. Je remercie particulièrement à Paul Robin, chercheur de l UMR SAS INRA de Rennes qui m a encadré et aidé pour réaliser mes projets de recherche et mes futur projets. Je remercie pour toutes les discussions et conseils. Je remercie l Ambassade de France de Jakarta et le CROUS de Rennes qui facilitent mes études. Je remercie Pak Abe Susanto avec son équipe de Beasiswa Unggulan (Unggulan Scholarship) et le Département d Education National d Indonésie pour toutes les aides au financement de mes études Je remercie Brigitte Landrain et tout le personnel de la station de Guernévez, Paul Landrain, Marcel Mérour, Yannig Moysan, Raymond Derrien (Roger), Erwann Bleunven, Philippe Coantic et Marc Toudic pour leur accueil et leur aide. Je remercie Mélynda Hassouna pour toutes les discussions et son aide. Je remercie tous les membres de l UMR SAS, INRA de Rennes, en particulier Philippe Germain et Marcel Lecomte pour leur implication dans les expérimentations à Guernévez. Je n oublie pas de remercier les étudiants Indonésiens de l Association des Etudiants Indonésiens de Rennes pendant que je suis à Rennes. Et particulièrement à Istas, Rizki, Adrian, Rheza, bu Mona, Talitha, Nindya, Anne, David, Kahfi, Mathieu/Memet, om Ayah/pak Toton et Paul Tran. Sans vous, il n y aurait pas eu mon premier film scientifique. C est ma clé pour mes futurs films. Je remercie tous les gens qui m ont aidé mais qui sont trop nombreux pour les citer un par un. 7 8 Résumé La production animale augmente continuellement à l'échelle mondiale depuis quelques décennies, dans les pays développés d'abord et maintenant dans les pays en développement. Des systèmes industriels ont été développés pour améliorer la productivité des élevages, pour augmenter rapidement la production animale et pour fournir la nourriture consommée par les villes. Ils sont efficaces en termes de biosécurité et d'efficacité de conversion des aliments du bétail mais ils ont des incidences sur l'environnement telles que les émissions d'odeur, les émissions d'ammoniac ou de gaz à effet de serre, ou la pollution de l'eau. La durabilité de ces systèmes dépend de leur capacité à limiter leurs impacts sur la raréfaction des ressources naturelles et à limiter leurs fuites de sorte que l'environnement naturel et la biodiversité puissent être préservés près des élevages. Des systèmes de traitement onéreux ne pouvant pas être employés pour des raisons économiques, l'ingénierie écologique fournit les concepts qui peuvent aider à trouver des solutions plus efficientes économiquement et écologiquement. Notre travail a commencé avec la mise en route d'un système associant un bâtiment d'élevage de porcs, une séparation de phase liquide/solide de l'effluent du bâtiment, un lombrifiltre et un ensemble de zones humides artificielles. Destiné à augmenter l'efficacité de recyclage de l'eau et à produire des biomasses utilisables pour la nutrition animale, la fertilisation, la production d'énergie, etc., ce système combine la dilution élevée des effluents, permettant la diminution des émissions, à la réutilisation de l'eau et des nutriments. L'eau utilisée pour l'évacuation fréquente des déjections est ainsi recyclée. Les nutriments sont réutilisés sur l'exploitation agricole ou exportés. L'emprise au sol du système est environ 50 fois inférieure à celle requise pour l'épandage des effluents. L'objectif fondamental de la thèse était d'améliorer la compréhension du système pour en préciser les avantages et les limites. L'objectif finalisé était d'étudier si les connaissances produites permettaient d'améliorer la conception et la gestion du système. Des méthodes spécifiques ont été développées pour étudier, sous l'angle des processus et sous l'angle systémique, un dispositif dont les dimensions ne permettaient pas une reproduction dans un laboratoire. Elles ont été appliquées aux émissions gazeuses du lombrifiltre et à l'efficacité de traitement des zones humides artificielles. Nos résultats permettent de définir une «quantité optimale» d'effluent qui maximise la population de vers de terre (preferendum). Au-dessus de ce seuil, les vers de terre meurent en raison de conditions anoxiques. Quand la population de vers de terre est maximale, les émissions d'ammoniac et de gaz à effet de serre sont limitées en regard du flux d'intrant. Par conséquent, l'abondance de vers de terre peut être employée comme bioindicateur de faibles émissions dans les systèmes de transformation d'effluent. L'effet des lombriciens sur les émissions gazeuses est surtout indirect, par leur influence sur la structure de la couche organique, sa porosité, les transferts de matière et sa population microbienne. La «quantité optimale» transférée entre deux niveaux successifs peut être définie pour la production de végétation des zones humides artificielles. Par rapport à un système ouvert, le recyclage de l'eau induit un changement de la stoechiométrie des nutriments, en raison d'efficacités de traitement différentes de ces nutriments : par exemple, le taux de réduction du potassium est inférieur à celui de l'azote ; cette différence induit une augmentation de concentration en potassium dans l'eau par rapport à l'azote. La concentration en potassium se stabilise lorsque la rétention par tous les compartiments correspond à une diminution de masse équivalente au flux de potassium excrété par les animaux. Cela montre que la stoechiométrie des nutriments devrait changer dans les milieux agricoles et probablement dans les productions où l'efficacité du recyclage est augmentée. L'estimation du bilan de matière du système, montre que les émissions d'ammoniac et de gaz à effet de serre sont réduites par rapport aux flux d'azote, et que les produits organiques (lombricomposts et boues des lagunes) contribuent majoritairement à l'abattement des nutriments. Des recommandations pour la conception et la gestion des systèmes qui améliorent le recyclage des effluents sont proposées à partir de ces connaissances. Nos résultats ont été et pourront être mobilisés pour des buts socio-économiques. 9 Abstract Animal production increased regularly since some decades, in developed countries at first, and now in developing countries. Industrial systems have been developed to increase rapidly the productivity of animal farms and to supply the food consumed by the towns. They are efficient in terms of biosecurity and of feed conversion efficiency but they have severe environmental impacts such as the odor emissions, the ammonia or greenhouse gas emissions, or the water pollution. The sustainability of these systems depends on their ability to limit their impact on resource depletion and to limit their leakages so that the wild environment and the biodiversity can be preserved beside the producing areas. Expensive treatment systems can not be used because of economical reasons. Ecological engineering provides concepts that can help finding solutions more efficient economically and ecologically. Our work began with the starting up of a new system of animal production that associates a pig house with manure flushing and screening, a vermifilter, lagooning, and constructed wetlands. This system was designed to increases the recycling efficiency of water and to produce biomass for animal feed, fertilization, biogas, etc. The system combines high manure dilution, which allows a decrease in polluting emissions, to the reuse of water and nutrients. Water is reused for excretion flushing. The nutrients are either reused within the farm or exported. The needed surface is around 50 times less than for manure spreading. The fundamental objective of the present work was to improve the understanding of the system and to define more precisely its advantages and its limits. The applied objective was to study if this new knowledge was useful to improve the design and t
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