La production de bioénergie conventionnelle exige souvent des apports importants d'eau, d'engrais synthétiques et de pesticides, ce qui entraîne une dégradation des sols, la pollution de l'eau et les émissions nettes de gaz à effet de serre qui peuvent nuire aux avantages du climat. La mise au point de cultures à faible rendement en bioénergie, qui se développent avec des ressources extérieures minimales, est donc devenue une priorité essentielle de la recherche et de l'élevage. Ces cultures visent à réduire l'empreinte environnementale de la bioénergie tout en maintenant ou en améliorant les rendements sur les terres marginales, en évitant la concurrence avec la production alimentaire et en soutenant les économies rurales.

Justification des cultures de bioénergie à faible rendement

Les systèmes agricoles qui exigent des intrants élevés sont de plus en plus reconnus comme étant non viables, en particulier dans le contexte des changements climatiques et de la rareté des ressources.Les cultures bioénergétiques traditionnelles comme le maïs (pour l'éthanol) et le palmier à huile (pour le biodiesel) dépendent souvent d'une irrigation intensive, d'engrais azotés et de la lutte chimique contre les ravageurs.Ces pratiques peuvent épuiser les réserves d'eau douce, contribuer à l'eutrophisation et libérer l'oxyde d'azote, un gaz à effet de serre puissant.Les cultures bioénergétiques à faible rendement offrent un changement de paradigme en tirant parti des espèces et des génotypes qui ont évolué pour prospérer dans des sols pauvres en nutriments, des climats secs ou d'autres environnements difficiles.

L'importance de cette approche est soulignée par les critères nationaux et internationaux de durabilité de la bioénergie, tels que la Directive de l'Union européenne sur les énergies renouvelables (RED II) et la norme américaine sur les carburants renouvelables.Ces cadres exigent de plus en plus des économies de gaz à effet de serre démontrables et des protections pour la biodiversité et les ressources en eau.Les cultures à faible rendement sont bien placées pour répondre à ces normes tout en fournissant des services écosystémiques comme le contrôle de l'érosion et le piégeage du carbone.

Stratégies clés pour le développement de cultures de bioénergie à faible rendement

Le développement de cultures bioénergétiques à faible rendement implique une approche multiforme qui combine l'élevage traditionnel des plantes avec des outils génomiques modernes et la gestion agroécologique. L'objectif est de créer ou d'identifier des variétés qui nécessitent moins d'intrants externes tout en maintenant des rendements économiquement viables.

Reproduction pour la résilience aux stress abiotiques et biotiques

La résilience est la pierre angulaire du développement des cultures à faible rendement. Les sélectionneurs choisissent des caractères tels que la tolérance à la vapeur[, l'efficacité de l'utilisation des nutriments[ et la résistance aux pesticides. Par exemple, les systèmes de racines profondes permettent aux plantes d'accéder à l'eau et aux nutriments provenant de couches de sol plus profondes, réduisant ainsi le besoin d'irrigation et de fertilisation.

Génie génétique et biologie synthétique

Bien que la perception du public et les obstacles réglementaires puissent ralentir le déploiement, le génie génétique offre des outils précis pour améliorer les traits de faible puissance. Les gènes qui contrôlent la fixation d'azote[ ou l'efficacité de l'utilisation de l'eau peuvent être introduits ou régulés. Par exemple, les chercheurs ont conçu des plantes C4 comme l'herbe à bascule et le malcanthus pour produire des enzymes rubisco plus efficaces, augmentant potentiellement les rendements photosynthétiques avec moins d'eau.

Pratiques agronomiques : Interculture et rotation

Les systèmes à faible apport ne sont pas seulement génétiques; les pratiques de gestion jouent un rôle crucial. On a démontré que la culture intercalaire de plantes à teneur en azote dans l'atmosphère peut réduire ou éliminer les besoins en engrais synthétiques. Par exemple, la plantation de sorgho sucré avec du pois de vache ou du pois de pigeon améliore la teneur en azote du sol tout en maintenant le rendement en biomasse. ]La rotation des cultures de culture en culture[ avec des cultures de couverture brise également les cycles des ravageurs et améliore les matières organiques du sol, abaissant les besoins en pesticides et en engrais au fil du temps.

Utilisation des terres marginales et des sols de faible qualité

Une stratégie clé pour réduire la concurrence foncière consiste à cultiver des cultures de bioénergie sur des terres marginales[]—des zones impropres à la production alimentaire conventionnelle en raison de la faible fertilité, de la faible profondeur, de la salinité ou du stress hydrique.De nombreuses espèces candidates à la faible teneur en eau sont naturellement adaptées à de telles conditions. Jatropha, un arbuste résistant à la sécheresse, peut être cultivé sur des terres arides dégradées avec un minimum d'eau et d'engrais, produisant des graines riches en huile pour le biodiesel. De même, il a été démontré que le herbage de substitution et la mauvaise qualité des sols ont un rendement raisonnable sur des sols érodés où les cultures en rangées échouent.

Espèces végétales prometteuses à faible rendement bioénergétique

La recherche et les essais commerciaux ont permis de déterminer plusieurs espèces qui combinent un fort potentiel de biomasse et des besoins à faible rendement, et qui couvrent diverses formes de croissance et divers climats, offrant des options pour différentes régions.

Panicum virgatum

La culture de la herbage à feuilles caduques, qui est une plante vivace de saison chaude originaire de la prairie à herbes hautes en Amérique du Nord, a longtemps été une culture modèle à faible rendement bioénergétique. Elle tolère la sécheresse, les inondations et les sols pauvres, et son système racinaire profond séquestre le carbone tout en réduisant l'érosion. Même sans engrais azotés, certains écotypes peuvent produire 5 à 8 tonnes sèches par acre.

Miscanthus × giganteus)

Miscanthus est exceptionnellement efficace pour convertir la lumière du soleil et l'eau en biomasse, avec des rendements supérieurs à 15 tonnes sèches par acre sous des précipitations modérées. Il nécessite un minimum d'azote car il recycle les nutriments à ses rhizomes chaque année. Une fois établi (généralement après 2–3 ans), les peuplements de miscanthus peuvent rester productifs pendant 15–20 ans avec un faible entretien. Sa haute teneur en cellulose et en hémicellulose en font un produit idéal pour l'éthanol cellulosique, tandis que sa faible teneur en cendres est souhaitable pour la combustion directe dans les centrales électriques.

Jatropha (Jatropha curcas)

Jatropha est un arbuste tolérant à la sécheresse originaire d'Amérique centrale mais maintenant largement cultivé dans les régions tropicales et subtropicales. Ses graines contiennent 30 à 40 % d'huile non comestible qui peut être transformée en biodiesel de haute qualité. Jatropha peut prospérer sur des sols dégradés, sablonneux ou rocheux avec aussi peu que 250 mm de précipitations annuelles, nécessitant aucune irrigation et un engrais minimal. Il sert également de clôture vivante et peut améliorer la matière organique du sol par la litière de feuilles. Cependant, les premières affirmations selon lesquelles le jatropha produit des rendements élevés sur des terres vraiment marginales n'ont pas toujours retenu dans les grandes parcelles commerciales; des recherches sur les variétés améliorées et les meilleures pratiques agronomiques sont en cours.

Sorgho doux (Sorgho bicolor L. Moench)

Le sorgho doux est une graminée C4 polyvalente qui accumule des niveaux élevés de sucres fermentables dans ses tiges. Il est adapté à une large gamme d'environnements, y compris les régions sèches et semi-arides, et nécessite moins d'eau que la canne à sucre ou le maïs. Il peut être cultivé avec des engrais minimaux, surtout si planté en rotation avec des légumineuses. Le sorgho doux cycle de croissance court (à peine 120 jours) permet deux récoltes par an dans les climats tropicaux. Le jus est directement fermenté dans l'éthanol, et la bagasse (résidus fibreux) peut être utilisé pour la cogénération ou le biogaz.

Autres cultures émergentes

Au-delà des espèces bien connues, plusieurs autres candidats à faible rendement méritent d'être mentionnés. Napier herbage (Pennisetum purpureum) est une graminée tropicale à haut rendement souvent utilisée pour la production de biogaz en raison de son rendement élevé en méthane par hectare. Poplar et willow sont des systèmes de coppice à courte rotation, tout en nécessitant des apports d'établissement, peuvent être récoltés à plusieurs reprises au cours de décennies avec un minimum de fertilisation et de lutte antiparasitaire.

Innovations technologiques qui stimulent le développement à faible intensité

Les progrès récents dans les domaines de la biotechnologie, de la télédétection et de l'agriculture de précision accélèrent le développement et la gestion des cultures à faible rendement en bioénergie.

Sélection génomique et sélection de vitesse

La sélection génomique utilise des données de marqueurs à l'échelle du génome pour prédire la performance des lignées de reproduction pour des caractères complexes comme le rendement de la biomasse et la tolérance au stress, ce qui réduit la nécessité de procéder à des essais approfondis sur le terrain et permet de raccourcir les cycles de reproduction de 10 ans à 5 ans ou moins. Par exemple, les modèles de sélection génomique pour la fausse canthus ont prédit la performance hybride avec plus de 80 % de précision, ce qui permet aux sélectionneurs de choisir les meilleurs candidats pour les environnements à faible rendement.

Agriculture de précision pour les entrées à taux variable

Même les cultures à faible rendement peuvent bénéficier d'applications ciblées. Des outils agricoles de précision, y compris des capteurs de sol, des images de drones et des données satellitaires, permettent aux agriculteurs d'appliquer de l'eau, des engrais ou des pesticides seulement lorsque cela est nécessaire.

Génie du microbiome

Les chercheurs isolent et inoculationnt des microbes bénéfiques tels que les champignons mycorhiziens et les bactéries fixatrices d'azote dans les cultures bioénergétiques. Les champignons mycorhiziens arbusculaires peuvent améliorer l'acquisition de phosphore dans les sols à faible teneur en phosphore, réduisant ainsi les besoins en engrais. Dans les essais sur le terrain, les souches de la herbage à interrupteurs inoculées avec des Azospirillum ont montré une biomasse de 20 à 30 % plus importante dans des conditions à faible teneur en azote.

Considérations économiques et sociales

Au-delà des facteurs agronomiques et environnementaux, l'adoption de cultures bioénergétiques à faible rendement dépend de la viabilité économique et de l'acceptation sociale.

Coûts de production et rendement des investissements

Les cultures à faible rendement ont généralement des coûts d'établissement plus faibles (p. ex., réduction des dépenses en engrais et pesticides) mais peuvent produire moins de biomasse par acre que les cultures à forte rendement. Toutefois, lorsque les terres marginales sont peu louées, le bénéfice net par hectare peut être concurrentiel. Par exemple, les herbages de substitution cultivés sans azote dans le sud-est des États-Unis produisent environ 4 à 5 tonnes sèches par acre, avec des coûts de production d'environ 60 à 80 $ par tonne sèche, comparables à ceux des fourneaux de maïs dans de nombreuses régions.

Développement rural et adoption des agriculteurs

Les cultures à faible rendement bioénergétique peuvent diversifier le revenu agricole et offrir de nouvelles possibilités économiques dans les régions rurales.Elles nécessitent moins de main-d'oeuvre annuelle que les cultures traditionnelles en rangée, ce qui peut être avantageux pour les populations agricoles vieillissantes.Toutefois, l'adoption par les agriculteurs se heurte à des obstacles tels que la méconnaissance des systèmes vivaces, le blocage des rotations monoculturenelles et l'engagement pluriannuel nécessaire pour établir des cultures vivaces.

Défis et frontières de la recherche

Malgré des progrès importants, plusieurs obstacles subsistent avant que les cultures bioénergétiques à faible rendement puissent être déployées à l'échelle.

Cohérence du rendement de la biomasse dans des conditions variables

La sélection génomique pour la stabilité du rendement dans plusieurs milieux est une approche, d'autres étant la redondance dans les systèmes de production (p. ex., plantation d'un mélange d'espèces ou de génotypes) et l'élaboration de calendriers de récolte souples.

Lutte contre les ravageurs et les maladies sans produits chimiques lourds

Les monocultures vivaces peuvent devenir des réservoirs pour les pathogènes et les insectes au fil du temps. L'obtention d'une résistance durable, plutôt que de pesticides, est essentielle. L'interculture et la rotation peuvent aider, mais ces stratégies doivent être compatibles avec la récolte mécanique.

Logistique de la chaîne d'approvisionnement et de la récolte

Les cultures à faible rendement sont souvent cultivées sur des terres marginales fragmentées, ce qui complique la récolte et le transport.Les graminées vivaces nécessitent du matériel de récolte spécialisé (p. ex. pour la mise en balles de la biomasse humide) et un stockage pour prévenir les pertes de matières sèches.

Échanges entre l'utilisation des terres et la biodiversité

Bien que les cultures à faible rendement puissent être cultivées sur des terres marginales, il existe encore un potentiel de conversion non intentionnelle de l'habitat. Par exemple, établir des monocultures de mauvaises techniques sur les prairies indigènes pourrait réduire la biodiversité.Les meilleures pratiques de gestion comprennent le maintien de bandes tampons, la préservation de parcelles de végétation naturelle et le choix de sites déjà dégradés.

Politique et intégration dans les systèmes énergétiques durables

Pour réaliser le plein potentiel des cultures à faible rendement en bioénergie, il faut des politiques de soutien qui reconnaissent leurs avantages environnementaux et s'attaquent aux obstacles du marché. Les mécanismes de tarification du carbone qui valorisent la séquestration du carbone dans le sol et évitent les émissions d'engrais pourraient rendre ces cultures plus attrayantes sur le plan économique.

L'intégration avec d'autres secteurs peut également accroître la viabilité. Par exemple, combiner la bioénergie avec le captage et le stockage du carbone (BECCS) peut produire des émissions négatives, faisant des cultures vivaces à faible rendement une partie essentielle des portefeuilles d'atténuation du climat. De plus, l'utilisation de cultures bioénergétiques pour combiner la chaleur et l'énergie dans les industries rurales ou comme matières premières pour les produits chimiques à base de bioproduits peut ajouter des sources de revenus.

Conclusion

La mise au point de cultures bioénergétiques à faible rendement représente un moyen prometteur de concilier la production d'énergie renouvelable et la durabilité agricole.En favorisant la résilience, l'innovation génétique, les pratiques agronomiques intelligentes et les cultures ciblées sur des terres marginales, ces cultures peuvent réduire considérablement l'empreinte environnementale de la bioénergie tout en offrant des possibilités économiques dans les zones rurales.