Published June 26, 2015 | Version v1
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Water, nitrogen and carbon balance of bioenergy crops: impact of crop species and cropping practices

Description

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 and Environment', established at the INRA experimental station in Estrees-Mons, northern France. This experiment includes two perennial C4 crops (Miscanthus x 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. (author)

Abstract (French)

Les biocarburants de 2eme generation pourraient fournir une energie renouvelable au secteur des transports et ainsi permettre de lutter contre le changement climatique. Toutefois, leurs bilans gaz a effet de serre, energetiques et environnementaux seront probablement tres dependants des ressources utilisees. Les cultures lignocellulosiques candidates a la production de biocarburant 2G devront ainsi concilier forte productivite, faibles besoins en intrants et faibles impacts environnementaux. L'objectif de la these a ete de quantifier les bilans d'eau, d'azote et de carbone a l'echelle de la parcelle, pour differentes cultures candidates et differentes pratiques culturales. Nous nous sommes appuyes sur le dispositif experimental de long terme 'Biomasse et Environnement', mis en place en 2006 a Estrees-Mons, en Picardie. Il compare deux cultures perennes en C4 (Miscanthus x giganteus et switchgrass), deux cultures pluriannuelles fourrageres en C3 (fetuque et luzerne) et deux cultures annuelles recoltees en plante entiere (sorgho fibre et triticale). Il inclut deux niveaux de fertilisation et deux dates de recolte pour les cultures perennes: recolte precoce (octobre) ou recolte tardive (fevrier). Les mesures effectuees ont porte sur: i) la production de biomasse, ii) l'evolution des stocks d'eau du sol en continu pendant 7 ans, iii) la profondeur et la densite des systemes racinaires, iv) le drainage et la concentration en nitrate de l'eau drainee, evalues avec le modele STICS a partir des stocks d'eau et d'azote mineral du sol mesures 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 azote, suivi par marquage isotopique 15N de l'engrais pendant 4 ou 5 annees successives. Grace a leur enracinement profond, les cultures perennes et pluriannuelles ont preleve davantage d'eau que les cultures annuelles, notamment en profondeur. Le drainage sous les cultures pluriannuelles a ete plus faible que sous les cultures annuelles (64 contre 133 mm an-1 en moyenne sur 7 ans), malgre une production de biomasse equivalente. Il a ete intermediaire pour les cultures perennes (56-137 mm an-1) et tres fortement lie a la production (elle-meme fonction de l'espece et de la fertilisation azotee). La concentration en nitrate a varie de 2 a 23 mg l-1. Elle a ete en general plus faible sous les cultures perennes, sauf pour le miscanthus lors de la premiere annee de mesure. Les stocks de carbone du sol ont augmente fortement sous les cultures pluriannuelles (+0.93 t C ha-1 an-1) mais n'ont pas varie significativement pour les autres cultures. Le 15N retrouve dans la biomasse recoltee a ete plus faible pour les cultures perennes, particulierement lorsqu'elles sont recoltees tardivement, mais cela est compense par une plus forte proportion de 15N dans leurs organes souterrains et dans le sol. Le 15N retrouve dans le systeme sol-plante a ete de 69% de l'azote apporte pour les cultures perennes, 61% pour les cultures pluriannuelles et 56% pour les cultures annuelles, ce qui suggere que des pertes importantes ont eu lieu par volatilisation et denitrification. Dans nos conditions pedoclimatiques, les cultures perennes en C4 sont les plus interessantes pour concilier forte production de biomasse, forte efficience d'utilisation de l'eau et de l'azote et faibles pertes d'azote vers l'hydrosphere et l'atmosphere. En revanche, seules les cultures pluriannuelles permettent de stocker du carbone a court terme. (auteur)

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Original title (French)
Etude des bilans d'eau, d'azote et de carbone dans des agrosystemes dedies a la production de biomasse en fonction des especes et des pratiques culturales

Publishing Information

Imprint Pagination
195 p.
Report number
FRNC-TH--15285

Optional Information

Notes
213 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses