Les thèmes de recherche

A travers 4 thèmes de recherche, l'unité veut proposer des solutions pour recycler les matières organiques et les déchets (effluents d'élevage, bio-solides issus du traitement des eaux usées, effluents de l'agro-industrie, déchets verts et ordures ménagères) par des pratiques agricoles à risques agro-environnementaux contrôlés.

Perspectives scientifiques

Le projet scientifique de l’unité est basé sur quatre thèmes avec une  ambition d’intégration affichée. Ce dernier point, à l’interface entre les quatre thèmes, répond au souhait d’un renforcement de l’intégration dans les collectifs du Cirad affiché dans la politique scientifique de l’établissement. Sur le plan des grandes orientations de recherche, les activités de l’unité contribuent à l’axe 1 (Inventer une agriculture écologiquement intensive et durable pour satisfaire les besoins actuels et futurs des populations), l’axe 2 (Innover pour des valorisations durables de la biomasse à des fins non alimentaires) et l’axe 6 (Accompagner les sociétés dans la gestion durable des territoires) du schéma stratégique du Cirad (OSS 2013).

Thème 1 : Modélisation de la gestion territoriale des PRO

Les travaux réalisés dans l’unité ont conduit à la réalisation de modèles mathématiques et informatiques permettant de simuler les principaux cas de gestion de PRO aux niveaux de l’exploitation et du territoire et à un cadre de modélisation de systèmes de production agricole ayant une certaine portée générique.

Au-delà, les questions méthodologiques que nous prévoyons de traiter sont (i) la finalisation du cadre de simulation des activités humaines par l’intégration des dimensions temporelle (ACL 20) et spatiale (thèse de Z. Afoutni) dans sa formalisation mathématique et son implémentation informatique ; (ii) l’adaptation de la granularité de représentation des modèles de gestion de flux aux échelles d’évaluation des stratégies de gestion simulées et (iii) le développement de méthodes ou d’outils informatiques permettant de mieux représenter les connaissances hétérogènes relevant des processus biophysiques et des systèmes de production agricole.

Thème 2 : Qualification des transformations des PRO de leur production à leur utilisation

L’étude des processus de biotransformation de la matière organique a été abordée en contexte de recyclage des PRO à haut niveau d’intrants en milieu tropical selon deux axes : les biotransformations hors sol (compostage principalement) et dans les sols (approche au laboratoire essentiellement).

Dans la continuité des recherches et des collaborations mises en œuvre pour la thèse de D. Oudart (2013), nous poursuivrons les travaux de modélisation du compostage (émissions gazeuses et spécification des produits) en faisant le lien avec la représentation adoptée pour les biotransformations dans le sol. De même, la caractérisation des potentiels des PRO, pour leur recyclage agronomique par retour au sol ou leur valorisation énergétique par combustion ou méthanisation (thèse de N. Rabetokotany, 2013), sera poursuivie, essentiellement pour les PRO issus des procédés de transformation comme les digestats et les composts.

Deux inflexions seront envisagées par rapport au précédent quadriennal. La première concerne les recherches visant à mieux comprendre et modéliser les processus de minéralisation (ammonium, nitrate, GES) et stockage de la matière organique (C et N) à court-moyen terme. Nous procéderons à l’identification et à la hiérarchisation des biais (pour envisager leur correction) qui peuvent exister entre les potentiels de laboratoire et l’expression de ces potentiels sur le terrain (projet ADEME DOSTE Prolab 2013-2016). La seconde inflexion concernera l’étude du statut organique des sols et son évolution à long terme. Celle-ci sera envisagée en exploitant pleinement la spectroscopie dans le proche infrarouge en collaboration avec l’UMR Eco&Sols et d’autres UR du Cirad, sur la base des bibliothèques spectrales et analytiques déjà élaborées (près de 6 000 échantillons à la Réunion).

Thème 3 : Interactions entre PRO, eau, sols et plantes

Dans la continuité du précédent quadriennal, l’unité souhaite renforcer sa compréhension des transferts réactifs des ETM dans le continuum « PRO-eau-sol-plante », sous deux angles en particulier : (i) les interactions entre matières organiques dissoutes et ETM dans la rhizosphère et leur conséquence sur la phytodisponibilité des ETM (thèse T. Djae, 2012-2015) et (ii) les transferts verticaux des ETM par lixiviation et transport particulaire.

La phytotoxicité liée à la présence des ETM dans les PRO sera caractérisée par la mise en œuvre, sur les terrains au Sud (la Réunion et le Sénégal), de biotests végétaux (RHIZOtest et test d’élongation racinaire). Les réponses seront parallèlement interprétées à l’aide de modèles écotoxicologiques (p. ex. modèle du ligand biotique, BLM). De plus, l’évaluation de la phytodisponibilité de contaminants émergents, les nanomatériaux, visera à hiérarchiser l’impact de différents effets susceptibles de moduler leur phytodisponibilité : l’effet « nano » (i.e. la taille, la nature chimique, la charge de surface, l’enrobage ou non des nanomatériaux), l’effet « sol » et l’effet « plante ».

Thème 4 : Evaluation des conséquences environnementales du recyclage des PRO

Nos travaux ont montré que le territoire s’imposait comme l’échelle à privilégier pour le raisonnement d’un recyclage pertinent aux points de vue agronomique, environnemental et socio-économique. La démarche retenue pour l’évaluation environnementale des systèmes que nous étudions s’appuie sur (i) la construction de scénarios prospectifs avec l’appui de collègues des sciences humaines et sociales et (ii) la représentation spatio-temporelle de ces systèmes qui repose sur les modèles de gestion territoriale des PRO (thème 1). Si cette démarche relève du domaine émergent de l’écologie territoriale, elle s’en distingue par son approche prospective et participative (l’écologie territoriale s'intéressant pour l'heure principalement aux diagnostics).

Cette conception de l’évaluation environnementale, ex-ante et considérant les acteurs à informer, est donc novatrice, ce qui nécessite de conduire des recherches spécifiques dont certaines ont été initiées avec le projet Girovar et la thèse de F. Dumoulin. Ainsi, nous avons identifiés pour ce thème, les objectifs suivants : (i) l’élaboration d’un cadre conceptuel pour l’évaluation environnementale territorialisée, (ii) la représentation dynamique des conséquences globales et locales des flux de C et N et de contaminants, (iii) l’estimation quantitative des impacts (avec une attention particulière à la représentation de l’incertitude) et l’élaboration d’indicateurs adaptés aux attentes des porteurs d'enjeux.

Dans la continuité de cette démarche, explicitée dans l’article « Returning Organic Residues to Agricultural Land (RORAL) – Fuelling the Follow the Technology approach » (Agricultural systems), nous avons l’ambition d’initier un projet international en écologie territoriale qui s’intéresserait à un ou plusieurs territoires périurbains en forte croissance (la région de Dakar où l’unité renforce sa présence pourrait être un de ces territoires). Cela constituerait, pour l'ensemble des composantes de l'unité (sciences analytiques et gestion de production), un support permettant de tester la généricité des méthodes développées et, au-delà, un moyen de promotion de l’approche en cours de construction, auprès de la communauté scientifique de l’écologie territoriale.

Ambition de l’intégration au sein de l’unité

L’unité Recyclage et risque a d’ores et déjà produit des connaissances aussi bien dans le domaine des sciences biophysiques (thèmes 2 et 3) que dans celui de la modélisation et de l’évaluation environnementale des systèmes de production agricole (thèmes 1 et 4). Un enjeu scientifique majeur pour l’unité est donc de réaliser l’intégration des connaissances multidisciplinaires, nombreuses et hétérogènes, portant sur les composants biophysiques (PRO, sols, cultures) et humains (pratiques de gestion des agriculteurs) des systèmes de production (systèmes de cultures ou d’élevage, exploitation) pour concevoir et évaluer des stratégies de gestion des PRO au niveau du territoire. La modélisation conjointe des systèmes biophysiques et de gestion est requise pour répondre à cet enjeu d’intégration et, in fine, d’aide à la gestion. Or, peu de travaux se sont intéressés à la simulation dynamique des systèmes de production agricoles en prenant explicitement en compte les pratiques des agriculteurs. Appliquée à la gestion des PRO, cette modélisation intégrée doit permettre de représenter les dynamiques des éléments d’intérêt agronomique et des contaminants présents dans les PRO. La recherche des moyens d’articuler la représentation des processus biophysiques sous-jacents et celle des processus liés aux pratiques des agriculteurs est nécessaire et cette démarche devra être formalisée.

Cette recherche sur l’intégration n’a été traitée jusqu’à présent que de manière ponctuelle et n’est pas spécifiquement prise en charge par un chercheur de l’unité. Or, ce thème nous apparaît central dans le projet de l’unité. Il doit, en effet, nécessairement se situer à l’interface de nos recherches : celles issues d’une démarche analytique (qualification des transformations de PRO de leur production à leur utilisation, interactions entre PRO, eau, sols, plantes et atmosphère), ainsi que celles issues d’une démarche systémique (simulation de la gestion de PRO dans les territoires, évaluation des impacts environnementaux du recyclage). L’ambition de l’unité est donc d’accroître ses compétences dans son approche systémique avec une mission explicite d’intégration transversale. Un renforcement des travaux de modélisation dans les thèmes 2 et 3 sera également nécessaire. On attend de ces nouvelles orientations, la mise en œuvre d’interactions fructueuses, en interne et avec nos partenaires extérieurs, venant ainsi consolider la dynamique scientifique collective de l’unité.

 Les activités de recherche à conduire pour mener à bien cette intégration recouvrent les objectifs suivants :

1. représenter sous la forme de modèles synthétiques les connaissances des processus biophysiques impliqués dans le recyclage agricole des PRO (thèmes 2 et 3) : évolution des matières organiques et émission de substances polluantes lors de la transformation hors sol ou de l’épandage des PRO ; cycles biogéochimiques des ETM et éléments majeurs suite à l’apport de PRO au sol ;

2. généraliser ces représentations aux niveaux de gestion ou d’évaluation appropriés, notamment en réalisant l’adaptation ou le couplage cohérent de modèles, d’outils et de méthodes mathématiques ou informatiques (thème 1), et contribuer ainsi à la modélisation systémique et à l’évaluation des systèmes de recyclage de PRO à l’échelle du territoire (thème 4).

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