Agrochar

Le mot Biochar est un néologisme composé du préfixe « bio » et du mot anglais « charcoal », qui signifie « charbon de bois ». Le mot anglais Biochar est parfois traduit par le mot « Biocharbon » par les francophones (bien qu'en réalité tous les charbons, y compris d'origine fossile ont une origine biologique).

Le Biochar est un charbon de bois produit (artisanalement ou industriellement) à partir de la biomasse. Il est parfois nommé Agrichar quand il est destiné à enrichir les sols agricoles

• Le mot Biocharbon désigne plutôt les carburants de substitution alors que :
• le mot Biochar désignerait plutôt le charbon de bois utilisé pour « améliorer » ou restaurer les sols, tropicaux notamment (cultivés ou non),
• le mot Agrichar désignerait plus spécifiquement pour les anglophones (australiens notamment) le charbon de bois destiné à enrichir les sols agricoles, produit et commercialisé par la société australienne Bestenergies ^[1]

Principaux usages

• source d'énergie alternative au bois de feu ou au charbon de bois (barbecue, grillades, chauffage, fer à repasser en Afrique...)
• amendement destiné à restaurer ou améliorer les sols ; Il est alors intégré, sous forme de poudre ou de petits fragments dans des sols de pépinières ou sylvicultures, agricoles, de jardins, ou pour l'horticulture (dont en pots de fleur) dans le but d'améliorer des propriétés pédologiques (physiques, chimiques, biologiques) du substrat. Le biochar est étudié et recommandé par un nombre croissant d'auteurs pour améliorer et stabiliser les sols tropicaux, acides et pauvres fortement dégradés par l'agriculture et/ou la déforestation, érodés ou menacés par l'érosion^[2].
• fixation du carbone dans les sols ; Ce charbon de bois en tant que produit riche en carbone, stable et durable a aussi une fonction possible de fixation du carbone dans le sol et donc de puits de carbone, ce qui explique que le biochar suscite un intérêt croissant dans le contexte des préoccupations concernant le réchauffement climatique.
  Il pourrait être une des solutions immédiates à la réduction de l'impact global des activités agricoles (et pour réduire l'impact de certains déchets agricoles), car l'agriculture si elle n'utilise que peu de carburants (environ 1% de la consommation totale en France, à titre d'exemple) est fortement émettrice de gaz à effet de serre (18 % du total environ en France), et les pratiques agricoles modernes ont dégradé les puits pédologiques de carbone. De plus une grande partie des palmiers à huile, du soja et des agrocarburants ont depuis la fin du XXème siècle a été plantée en détruisant des forêts tropicales (par le feu le plus souvent, c'est à dire en libérant le carbone stocké dans ces arbres), en dégradant les sols protégés par la forêt. Le biochar permet de restaurer la capacité des sols à stocker une partie de ce carbone dans le sol.
• substitut à d'autres usages du charbon de bois ou charbon de bois activé : par exemple, l'introduction de biochar dans un sol améliore la qualité de l'eau qui y circule, et pourrait secondairement accroître la productivité des cours d'eau et des zones humides, en améliorant la ressource halieutique et en favorisant le retour d'un bon état écologique des masses d'eau, superficielles et souterraines.
• alternative au charbon de bois (quand il est produit avec des déchets agricoles) : Certains espèrent que son usage puisse ainsi réduire la pression sur les dernières forêts anciennes^[3].

Bénéfices pour les sols

Des expériences scientifiques récentes ^[2] laissent penser que le biochar (surtout s'il est associé à un apport de matière organique) peut contribuer à restaurer de nombreux types de sols tropicaux, mêmes très acides et très altérés. Il peut ainsi jouer un rôle pour la restauration de forêt, mais aussi agronomique. Plutôt qu'un amendement (car il est très pauvre en nutriments), le biochar se comporterait comme un « (re)structurateur »^[2] du sol et peut-être comme un catalyseur (via des mécanismes d'action encore mal compris). Le taux de matière organique joue un rôle important pour la stabilité et productivité des sols, notamment pour ceux fortement exposés aux pluies tropicales^[4]. Près de Manaus (Brésil), des scientifiques^[2] ont récemment testé l'application combinée d'engrais organiques et de charbon de bois, en différentes proportions, sur des parcelles de sols acides et très altérés en les comparant à des parcelles témoin (Le charbon de bois utilisé a été produit à partir d'arbres d'une forêt secondaire locale, réduit en poudre en fragments de 2 mm maximum, incorporé au sol à raison de 11 mg par ha, ce qui correspond au taux attendu suite à une culture sur brûlis dans une forêt secondaire moyenne poussant sur un sol ferralitique de l'Amazonie centrale (Lehmann et al. 2002).

15 combinaisons d'amendements ont été testées, apportant dans chaque cas une quantité égale de carbone (C) ; mais avec des proportions différentes de fumier de volaille, de compost, de charbon de bois ou de litière forestière). Ces sols ont ensuite subi quatre cycles de culture de riz (Oryza sativa L. ) et de sorgho (Sorghum bicolor L.). L'expérience a démontré qu'on pouvait fortement augmenter les stocks d'éléments nutritifs dans la rhizosphère (zone racinaire), tout en réduisant le lessivage des éléments nutritifs du sol, en augmentant la productivité agricole.

• La production de biomasse végétale a fortement chuté dès la seconde récolte là où seuls des engrais minéraux avaient été appliqués, bien que pouvant perdurer plus longtemps avec apport de matière organique. Une seule application de compost a quadruplé le rendement par rapport aux parcelles seulement fertilisées par des engrais minéraux^[2].

• Dans les sols fertilisés avec des fientes de volaille, les teneurs initialement élevée en N et K ont chuté au cours des quatre cycles de culture mais les fientes de poulet ont néanmoins augmenté le rendement (par rapport à un sol n'en ayant pas reçu), et ce au cours de quatre saisons, en élevant le pH du sol, et les teneurs en phosphore (P), calcium (Ca) et magnésium (Mg). Et ce sol est resté plus fertile après la 4ème récolte^[2].

• La hausse de rendements entraine une exportation accrue d'éléments nutritifs. Mais même si un taux significatif de nutriments (P, K, Ca, Mg, et N) a été exportés des parcelles ayant reçu du charbon de bois, les teneurs en éléments nutritifs du sol n'ont pas diminué de la même manière selon que le sol ait reçu ou non un apport d'engrais minéraux ou organiques.^[2]

• Bien qu'il ne soit pas compris, c'est l'effet sur la stabilité et la résilience du taux de carbone du sol qui a été spectaculaire : Les pertes en carbone des parcelles testées ont été les plus élevées sur les sols amendés par les fientes de volailles (- 27%) et par le compost (- 27%), suivies par les sols ayant reçu de la litière forestière (- 26%) puis de la parcelle témoin (- 25%), alors que les parcelles ayant reçu du charbon de bois n'ont perdu que - 8 % de leur carbone (pour la parcelle ayant aussi initialement reçu un engrais minéral) et -4% (parcelle n'ayant pas reçu d'engrais minéral mais enrichie en charbon de bois)^[2].

• Dans tous les cas, le biochar a significativement amélioré la croissance des plantes, et en agriculture il réduit la quantité d'engrais requise. La productivité des céréales a doublé sur la parcelle traitées par le charbon de bois en plus des engrais NPK, par rapport à la parcelle ayant reçu les engrais NPK, sans charbon de bois.

Le charbon de bois augmente donc bien la fécondité du sol, surtout si une autre source de nutriments est ajoutée, mais par un mécanisme encore mal compris. Les auteurs concluent donc qu'en combinant un apport en matière organique et en biochar pourrait produire un sol imitant les propriétés favorables de Terra preta^[2].

Hypothèses explicatives

• Cycle de l'eau amélioré : Le charbon de bois augmente indirectement la rétention d'eau des sols macroporeux (probablement suite à l'enrichissement secondaire en microbes et en matières organiques)^[5]. Tryon^[6] a dès 1948 montré que l'impact d'apports de charbon de bois sur l'eau disponible de sols forestiers variait selon la texture du sol ; Seuls les sols sableux voyaient leur teneur en eau fortement augmenter (plus que doublement). Il n'observait aucun changement dans les sols limoneux, et les sols argileux perdaient même un peu de leur capacité à retenir l'eau, vraisemblablement en raison de l'hydrophobicité du charbon de bois. Les sols à texture grossière ou très macroporeux seraient donc les seuls à profiter de bénéfices hydriques permis par le biochar (Une expérience a par exemple montré que la teneur en eau d'un sol sablonneux passait de 18% à plus de 45% (en volume) suite à l'apport de charbon de bois). Comme les sols sableux protégés par le couvert forestier, ces sols sableux enrichis en biochar sont aussi plus résistants à l'érosion, mais en zone tropicale humide, dans les deux cas, si on les prélève et qu'on les fait sécher puis qu'on les réhumidifie, ils ne retrouvent pas cette stabilité avant un certain temps (plusieurs mois en général), même artificiellement réhumidifiés (ce qui laisse supposer que les sols superficiels exposés au soleil et à une déshydratation complète pourraient ne pas bénéficier de cet effets positifs du biochar, au moins en surface).
• Cycle de l'azote amélioré : La fixation microbienne de l'azote (notamment capté dans l'air) expliquerait pour partie la conservation de la richesse du sol et la conservation des ions NO3- normalement très lessivables car solubles dans l'eau. (Bengtsson et al. 2003; Burger et Jackson 2003).
• Cycle du carbone amélioré : Une disponibilité suffisante en carbone (permise ou restaurée par le biochar) stimulerait l'activité microbienne du sol, et sur une plus grande profondeur, en améliorant par là le Cycle de l'Azote, avec une moindre lixiviation des nitrates). Steiner et son équipe avaient en 2004 montré ^[7] que la reproduction microbienne était améliorée par ajout de glucose dans un sol enrichi en charbon de bois, sans augmentation du taux de respiration du sol, ce qui signifie que la matière organique du sol est alors faiblement biodégradable et qu'elles augmentent et se stockent dans le sol qui devient encore plus favorable à la croissance de la population microbienne, laquelle peut contribuer à améliorer (mucilages..) la résilience du sol face à l'érosion et à la dessiccation. Cette différence entre une faible émission de CO2 par le sol, et un fort potentiel de croissance microbienne est justement l'une des caractéristiques de l'ADE .^[7]
• Détoxication : Le biochar fixe aussi divers toxiques de l'eau du sol, et facilite l'épuration bactérienne de l'eau et des gaz du sol. Par exemple de nombreux sols tropicaux ont des teneurs en aluminium et en mercure beaucoup plus élevés qu'en zone tempérée. La présence de charbon de bois diminue la biodisponibilité de ces toxiques. En facilitant le développement des bactéries, le biochar favorise aussi la croissance des champignons, une meilleure structuration du sol et une meilleure réserve en nutriments. Le milieu devient alors moins sensible au feu et à l'érosion hydrique et éolienne.

Exemple : trop d'aluminium libre est un facteur toxique limitant la croissance des plantes ^[8]. Sur les sols ferralitiques testés par Steiner, riche en aluminium libre, l'apport en charbon de bois a aussi diminué le taux d'ions aluminium (Al) échangeables dans le sol (par un mécanisme également encore mal compris). Steiner note que l'aluminium était le mieux fixé quand des engrais minéraux ont été appliqués conjointement au charbon de bois (de 4,7 à 0 mg kg ¡1)^[2].

• Effet-tampon sur l'acidité du sol : Un PH trop acide limite la productivité ; l'acidité excessive est en soi un problème direct pour le développement des végétaux mais aussi indirect parce que l'acidité rend de nombreux toxiques (métaux notamment) plus biodisponibles. Topoliantz et son équipe ^[9] ont montré que le charbon de bois améliore la culture légumière sur sol tropical acide, en diminuant le taux d'aluminium biodisponible, mais aussi en diminuant l'acidité du sol. Indirectement le biochar favorise notamment la fixation des ions basiques CaCO₃ qui tamponnent le sol en facilitant le développement des microbes, et en limitant la biodisponibilité des toxiques naturels du sol.
• Réhumification : L'augmentation indirecte du taux de matières organiques pourrait aussi stimuler la désorption des phosphates et sulfates utiles aux plantes en offrant des anions alternatifs ^[10].

D'autres aspects (catalytiques ou synergiques) interviennent peut-être, qui pourraient être mis à jour par les recherches en cours.

Production contemporaine de biocharbon et biochar

Plusieurs types de production (artisanales à industrielles) co-existent :

• Production traditionnelle de biochar à partir de techniques séculaires (combustion lente de bois en meule recouverte de terre)
• Production industrielle (pyrolyse contrôlée) ; l'industrie le produit sous forme de granulés (débris de bois recyclé ou de résidus forestiers ayant subi un traitement thermique de type thermolyse) présenté comme source intéressante d’énergie renouvelable (aspect parfois discuté à cause du risque de priver la forêt du bois mort nécessaire au cycle sylvigénétique).

Le biocharbon peut aussi être fabriqué à partir de poussières de charbon de bois alors agglomérées avec environ 20 % d'argile ^[11].

• Production combinée à un cycle de production de biocarburant ou d'agrocarburant, avec production d'énergie via des processus (exothermiques) permettant aussi une production de chaleur (voire d'électricité, en cogénération) produisant plus d'énergie que l'énergie investie ^[12].
  L'énergie nécessaire pour produire du charbon de bois reste plus importante que celle nécessaire pour produire des agrocarburants de type éthanol à partir de maïs^[13].
• La production de biochar à usage agricole reste marginale.

Histoire

Des pédologues et écologues ont récemment étudié un type de sol particulier, très noir et riche, trouvé en Amazonie et dit « Amazonian Dark Earths » (ou ADE) ou Terra preta.

Il est apparu que ce sol ne semblait pas naturel, et qu'il ne se serait développé - en Amérique du sud - qu'entre 500 et 9000 ans avant nos jours, toujours associé à la présence de l'Homme (ce pourquoi on le qualifie parfois d'anthrosol). Les amérindiens de l'époque précolombienne auraient donc (sciemment, ou non, la question reste débattue) utilisé l'enrichissement du sol en charbon de bois en améliorant la stabilité des sols cultivées dont la productivité a été dopée par des apports de calcium et de phosphore (déchets de poissons et apatite issue des os) ^{[14][15] [16]}.

L'analyse moléculaire des restes de charbon du sol laisse penser que si une partie du charbon provenait du bois brûlé lors du défrichement, une autre partie, plus significative en profondeur, est un charbon provenant de la combustion incomplète des déchets agricoles ou du bois dans les foyers.^[17].

Ce sont ces sols que les colons européens ont appelé « Terra Preta de Indio ». Divers auteurs ont montré qu'intégrer du charbon de bois dans des sols tropicaux fortement érodés ou érodables améliore significativement leurs propriétés physiques, biologiques et chimiques ^[18] L'équivalent moderne de ce charbon serait celui produit par l'utilisation de certaines formes de pyrolyse chauffant la biomasse à relativement basse température en l'absence d'oxygène dans des fours spéciaux^[19].

Prospective et perspective de développement : Le biochar est depuis quelques années à nouveau utilisé pour améliorer des sols agricoles dans divers pays tropicaux, mais le biocharbon est aussi un des agrocarburants possibles, en substitution aux énergies fossiles. Il est fabriqué de manière artisanale dans les pays pauvres, et des projets industriels sont annoncés dans certains pays riches. Ainsi Thenergo (groupe spécialisé dans les solutions énergétiques soutenables) a en 2007 annoncé la création, au nord des Pays-Bas, d’une unité de cogénération au biocharbon pour une puissance de 5 MW en brûlant 75 000 t/an de biocharbon en granulé.

Potentiel de séquestration de carbone

Une partie de la production de charbon de bois (dont à partir de déchets agricoles) pourrait contribuer à restaurer les sols tropicaux, avec un écobilan qui reste à faire pour le charbon produit à partir de bois

Les sols de la planète (sols naturels relictuels + sols cultivés) contiendraient aujourd'hui 3,3 fois plus de carbone que l'atmosphère, soit 4,5 fois plus que la biomasse des plantes et animaux terrestres n'en renferme hors-sol ^[20], mais la plupart du carbone piégé dans le sol est perdu dans l'atmosphère quand des écosystèmes naturels sont labourés et mis en culture (sous forme de CO2 ou méthane, deux gaz à effet de serre) ou dans l'eau sous forme d'acide carbonique, et des millions d'hectares de sols naturels, forestiers notamment sont mis en culture tous les ans.

Le Biochar (et la terra preta qu'il peut former) peuvent contribuer à la séquestration du carbone dans les sols végétalisés (cultivés, forestiers..) durant des centaines de milliers d'années ^[21],[22].

Non seulement le biochar peut enrichir les sols en y augmentant fortement et durablement le taux de carbone (150g C/kg de sol par rapport à 20-30g C/kg dans les sols environnants), mais les sols enrichis par du biochar se développent naturellement plus en profondeur ; ils sont, en moyenne, plus de deux fois plus profond que les sols environnants. Par conséquent, le carbone total stocké dans ces sols peut être d'un ordre de grandeur plus élevé que les sols adjacents. ^[23].

Autre intérêt pour la lutte contre les émissions de gaz à effet de serre

• Le biochar diminue non seulement les émissions en CO² et méthane, mais aussi les émissions du sol en protoxyde d'azote (N₂O ou Oxyde nitreux) et de méthane (CH₄), deux gaz à effet de serre préoccupant pour le climat ^[24]
• Le piégeage et stockage à long terme du carbone par le biochar ne nécessite ni de progrès technique, ni de la recherche fondamentale (car ses outils de production sont robustes et simples, ce qui les rend appropriés pour de nombreuses régions du monde”^[25]. Johannes Lehmann, de la Cornell University a estimé que la pyrolyse serait rentable quand le coût de la tonne de CO² atteindra 37 US dollars ^[26] Or, fin Juin 2008, le marché des échanges d'émission de CO² fixait la tonne de carbone à 45 US dollars ^[27].
• Utiliser la pyrolyse pour la production de bioénergie est déjà possible, même si encore aujourd'hui plus chère que l'usage d'énergies fossiles.

Aspects et avantages sanitaires

En termes d'écobilan écotoxicologique, les avantages semblent l'emporter sur les inconvénients et doivent encore être précisés par la recherche. Parmi les inconvénients, il faut citer les goudrons et le monoxyde de carbone produits lors de la production de charbon de bois ; ce sont des polluants et des toxiques ou cancérigènes avérés. Mais cet aspect négatif est à mettre en balance avec le fait que le charbon de bois est réputé pouvoir contribuer à détoxifier l'eau (avec une saturation à un certain stade, mais les complexes argilo-humiques peuvent ensuite jouer ce rôle si le charbon a permis qu'ils soient restaurés)... et à la différence de fumiers et fientes non compostés, le biochar ne pose a priori pas de problèmes d'introduction de germes pathogènes (type streptocoques ou staphylocoques fécaux éventuellement présents dans les fientes de volailles (fientes qui peuvent par ailleurs contenir des résidus d'antibiotiques, antiparasitaires et hormones). Ceci présente notamment un avantage pour les cultures de légumes frais ou plantes à croissance rapide et se mangeant crus (radis, carottes, salades, etc) qu'il ne vaut mieux pas mettre en contact direct avec des fumiers pour limiter les épidémies et le risque zoonotique.

Limites, et précautions écologiques et éthiques à prendre

• Si ce biochar est produit, non pas à partir de déchets agricoles, mais à partir de bois issu de forêts anciennes ou primaires ou de vastes coupes rases, son bilan écologique est moins bon (il est aussi source de CO2, et la déforestation qu'il pourrait induire si on le produit à partir d'arbres forestiers pourrait aggraver l'érosion, la perte d'eau utile et la perte de biodiversité).
• S'il est utilisé sur des sols naturellement très acides et très oligotrophes où la biodiversité est dépendante de la pauvreté du sol, ou sur des sols dégradés, mais localement devenus des refuges pour les espèces des milieux oligotrophes ailleurs menacées par l'eutrophisation générale de l'environnement, le biochar peut être un facteur de recul de la biodiversité.
• De même, certains projets visant à collecter le petits bois et les rémanents des forêts pour produire du biochar pourraient être contre-productifs et appauvrir la forêt en la privant d'une partie de sa litière et du bois mort, qui sont l'autre source naturelle de carbone issu de la biomasse/nécromasse, nécessaire au cycle sylvogénétique.
• Enfin divers matériels ont été récemment produits ou améliorés, avec l'aide d'ONG environnementales parfois, pour valoriser des déchets agricoles ou des roseaux (Balle de riz, Typha,…) en biocharbon vendu en plaquettes substituables au charbon de bois domestique, qui est couteux et contribue à la déforestation. L'écobilan de ce biocharbon reste à faire, car il peut - si produit à grande échelle - priver les sols agricoles de la matière organique qui leur est nécessaire. De plus les pailles de riz peuvent contenir des restes de pesticides organochlorés qui pourraient produire des dioxines, furanes lors de la fabrication du charbon et/ou lors de sa combustion en cuisine (brochettes, barbecue, cendres et fumées pouvant alors aussi être contaminés).
• De même une utilisation trop intensive des roselières priverait de nombreux oiseaux, amphibiens, mollusques, etc. de leur habitat.

C'est donc (dans les limites évoquées ci-dessus) une solution localement utile et recommandée par un nombre croissant de chercheurs et agronomes (par exemple pour des plans de restauration de sols), mais qui pourrait aussi dans certains cas avoir des effets négatifs (éventuellement irréversibles sur certains sols naturellement pauvres en nutriments et pour cette raison riches en biodiversité, en particulier pour des milieux abritant des espèces endémiques rares). Une de ses utilisations les plus immédiates et avantageuses est de permettre de passer de la "culture sur brûlis" ("slash-and-char" pour les anglophones) à une agriculture plus sédentaire gérant et protégeant ses sols (en association avec des jachères tournantes sur les sols les plus fragiles) pour stopper ou freiner la déforestation et la dégradation des sols conformément aux objectifs de l'ONU et de la FAO.

Voir aussi

Articles connexes

Liens externes

Notes et références