Inclusion d'un tanin

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 14220 (2022) Citer cet article

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Les objectifs de cette étude étaient de déterminer l'émission d'oxyde nitreux (N2O), de méthane (CH4) et de dioxyde de carbone (CO2), ainsi que la composition isotopique du N2O des excréments de bouvillons de boucherie nourris avec du foin de sericea lespedeza « AU Grazer » [SL ; Lespedeza cuneata (Dum. Cours.) G. Don]. Quinze bouvillons croisés Brahman × Angus ont été nourris avec l'un des trois régimes expérimentaux : 0, 50 ou 100 % d'inclusion de SL dans du foin de bermuda 'Tifton 85' (Cynodon spp.). L'échantillonnage de gaz a eu lieu les jours 0, 1, 3, 5, 7, 14, 18, 25 et 32 après l'application d'urine ou de matières fécales dans des chambres statiques pendant deux périodes expérimentales. Effet du jour après l'application des matières fécales (P < 0,001), tandis que l'interaction jour × inclusion de SL a été observée dans l'urine (P < 0,001) pour tous les gaz à effet de serre (GES) analysés. Les pics d'émission de tous les GES dans l'urine et les matières fécales se sont produits au cours des premiers jours (P < 0,001), les jours 3 et 5 étant les plus appauvris en 15N-N2O dans les matières fécales, et les jours 3, 5 et 7 dans l'urine (P < 0,001). L'administration de SL aux bouvillons de boucherie a été efficace pour atténuer les émissions de GES provenant des excréments, mais des recherches supplémentaires sont nécessaires pour étudier les mécanismes à l'origine des réductions.

L'activité anthropique a modifié les processus environnementaux naturels en augmentant les concentrations atmosphériques des principaux gaz à effet de serre (GES), notamment par l'expansion des activités agricoles1. En 2021, le stock mondial de bovins était de 1 milliard de têtes2, la fermentation entérique et le fumier étant les principaux contributeurs de méthane (CH4) et d'oxyde nitreux (N2O)3.

Le fumier est une source importante de GES dans les prairies en raison de la présence de composés organiques et de leur décomposition dans des conditions anaérobies4. Les bactéries anaérobies décomposent la matière organique en libérant du CH4, tandis que les interactions de différentes sources de N affectent le cycle de N, influençant ainsi les flux quotidiens de N2O5. La principale préoccupation est que la quantité de N dans les excréments déposés dans une zone spécifique dépasse les besoins immédiats de la plante, et que l'excès de N est perdu par lessivage des nitrates et du N2O6,7.

Les ajustements nutritionnels sont une stratégie pour modifier l'intensité et la fréquence des processus qui conduisent à la génération et à l'émission de GES dans les excréments des ruminants. Le régime alimentaire des animaux, ainsi que la qualité et la quantité des aliments, peuvent influencer les concentrations de N dans l'urine et les fèces. Les légumineuses fourragères, par exemple, fournissent une large gamme de métabolites secondaires, tels que les tanins, qui peuvent moduler la fermentation ruminale8. Les tanins condensés (CT) se lient aux protéines alimentaires les protégeant de la dégradation ruminale, augmentant l'absorption des acides aminés par l'intestin grêle et l'excrétion de N dans les fèces9. De plus, alors que les composés azotés naturels dans l'urine des bovins inhibent les processus de formation de N2O dans le sol10,11,12, les tanins affecteraient la proportion de ces composés, ce qui peut par conséquent affecter les émissions de N2O13.

Les chambres statiques sont une technique couramment utilisée pour mesurer les flux de GES provenant des sols, mais en raison de la nature hétérogène des flux14, il existe des incertitudes quant à l'ampleur, la distribution et le schéma temporel des sources naturelles et anthropiques. Cela limite la précision des résultats et les comparaisons entre les études réalisées à différents endroits. Dans ce contexte, les analyses de l'abondance naturelle des isotopes stables des gaz dans l'atmosphère peuvent représenter un allié puissant pour estimer les bilans de GES15, puisque les processus de formation et de séquestration des GES ont des ratios spécifiques d'isotopes lourds sur légers16.

Nous avons émis l'hypothèse que l'inclusion d'une légumineuse riche en tanin dans l'alimentation des bouvillons de boucherie diminuerait l'émission de N2O, CH4 et CO2 de leurs excréments, en raison du déplacement de l'excrétion de N de l'urine vers les fèces et de l'impact des tanins sur la méthanogénèse. De plus, l'urine et les matières fécales présenteraient des facteurs d'émission et une composition isotopique de N2O différents, permettant l'attribution de la source aux émissions. Par conséquent, les objectifs de cette étude étaient d'estimer les émissions nettes de N2O, CH4 et CO2 provenant des excréments de bouvillons nourris avec une légumineuse fourragère riche en tanin, ainsi que de déterminer le facteur d'émission de N2O et la composition isotopique de N2O.

Le jour d'échantillonnage a eu un effet sur les émissions de N2O provenant des matières fécales, les 5 premiers jours présentant des émissions plus importantes par rapport au reste des jours (P <0, 001) et des émissions intermédiaires au jour 14 (Fig. 1a). Pour l'urine, une interaction entre le niveau d'inclusion de SL et le jour des émissions de N2O a été observée (P <0,001), les émissions étant significativement plus importantes les jours 1, 3 et 5 après l'application d'urine (Fig. 1b, P <0,001), et le traitement 100SL présentait le moins d'émissions.

Flux net de N2O émis par (a) les matières fécales des bouvillons nourris à la sericea lespedeza [SL ; Lespedeza cuneata (Dum. Cours.) G. Don], où les valeurs représentent la moyenne de trois régimes (0, 50 ou 100 % SL) sur deux périodes expérimentales, et les moyennes suivies de différentes lettres sont significativement différentes entre les jours d'échantillonnage (Pday < 0,001) ; et (b) urine prélevée sur des bouvillons nourris avec 0SL, 50SL ou 100SL, où l'astérisque indique les différences entre les régimes au cours de la journée (PSL*Jour < 0,001). Les barres font référence à l'écart type. La ligne pointillée représente les émissions du sol (pas d'excréments).

Les émissions maximales de N2O dans les matières fécales se sont produites 5 jours après son application pour tous les régimes (0,12, 0,07 et 0,08 mg m−2 j−1 pour 0SL, 50SL et 100SL, respectivement) et ont diminué pour atteindre des émissions de fond similaires après 18 jours (0,05 mg m−2 j−1, P > 0,05). D'autre part, les émissions maximales de N2O dans l'urine se sont produites plus tôt (1 ou 3 jours après l'application ; 0,08, 0,06 et 0,05 mg m−2d−1 pour 0SL, 50SL et 100SL, respectivement) mais ont pris plus de temps (25 jours) pour réduire les émissions de fond (0,02 mg m−2 j−1, P > 0,05), malgré l'absence de différences significatives entre les niveaux de SL observés à partir du jour 7.

Il y avait des effets du jour (P < 0,001) sur la composition en δ15N de l'urine et des fèces à partir de N2O (Fig. 2). Le N2O le plus appauvri en δ15N s'est produit les jours 3 et 5 pour les deux types d'excréments (− 4,2 et − 8,2 ‰ pour les matières fécales, et − 2,2 et − 5,2 ‰ pour l'urine).

Composition isotopique δ15N du N2O émis par (a) les matières fécales des bouvillons nourris à la sericea lespedeza [SL ; Lespedeza cuneata (Dum. Cours.) G. Don], où les valeurs représentent la moyenne de trois régimes (0, 50 ou 100 % SL) sur deux périodes expérimentales, et les moyennes suivies de différentes lettres sont significativement différentes entre les jours d'échantillonnage (Pday < 0,001) ; et (b) patch d'urine de bouvillons nourris avec 0SL, 50SL ou 100SL, où l'astérisque indique les différences entre les régimes au cours de la journée (PSL*Jour < 0,001). Les barres font référence à l'écart type. La ligne pointillée représente les émissions du sol (pas d'excréments).

Il y avait des effets du jour d'échantillonnage sur les émissions de CH4 et de CO2 provenant des matières fécales (Figs. 3a et 4a, respectivement ; P < 0,001) et l'interaction inclusion SL × jour sur les émissions provenant de l'urine (Figs. 3b et 4b, respectivement ; P < 0,001). Pour CH4, le pic dans les fèces s'est produit le premier jour après l'application des excréments, sans différences significatives entre les niveaux d'inclusion de SL observés pour les autres jours. Dans l'urine, l'émission de CH4 était différente entre les niveaux de SL uniquement le premier jour après son application, avec la plus grande émission démontrée par le traitement 0SL (0,0006 mg m-2 j-1) et la plus faible par le traitement 100SL (- 0,0004 mg m-2 j-1). De plus, des pics de CH4 négatifs, quel que soit le niveau d'inclusion de SL, ont été observés au jour 18 après l'application d'urine, qui a été restaurée aux niveaux de fond au jour 25.

Flux net de CH4 émis par (a) les matières fécales des bouvillons nourris à la sericea lespedeza [SL ; Lespedeza cuneata (Dum. Cours.) G. Don], où les valeurs représentent la moyenne de trois régimes (0, 50 ou 100 % SL) sur deux périodes expérimentales, et les moyennes suivies de différentes lettres sont significativement différentes entre les jours d'échantillonnage (Pday < 0,001) ; et (b) urine prélevée sur des bouvillons nourris avec 0SL, 50SL ou 100SL, où l'astérisque indique les différences entre les régimes au cours de la journée (PSL*Jour < 0,001). Les barres font référence à l'écart type. La ligne pointillée représente les émissions du sol (pas d'excréments).

Flux net de CO2 émis par (a) les matières fécales des bouvillons nourris avec 0, 50 ou 100 % de sericea lespedeza [SL ; Lespedeza cuneata (Dum. Cours.) G. Don], où les valeurs représentent la moyenne de trois régimes (0, 50 ou 100 % SL) sur deux périodes expérimentales, et les moyennes suivies de différentes lettres sont significativement différentes entre les jours d'échantillonnage (Pday < 0,001) ; et (b) urine prélevée sur des bouvillons nourris avec 0SL, 50SL ou 100SL, où l'astérisque indique les différences entre les régimes au cours de la journée (PSL*Jour < 0,001). Les barres font référence à l'écart type. La ligne pointillée représente les émissions du sol (pas d'excréments).

Le pic de CO2 dans les matières fécales s'est produit le jour 1 après l'application des excréments (P <0, 001), quel que soit le niveau de SL, et les réductions des niveaux de fond ont été atteintes au jour 18 (Fig. 4b). Dans l'urine, bien que le pic ait été observé le même jour (jour 1) pour le traitement 100SL, le pic de CO2 pour les traitements 0SL et 50SL s'est produit 5 ou 14 jours après l'application des excréments, respectivement.

La concentration d'azote observée dans les matières fécales était de 1, 6, 2, 2 et 2, 8%, tandis que dans l'urine, elle était de 0, 19, 0, 24 et 0, 58% pour 0SL, 50SL et 100SL, respectivement (tableau 1).

Les émissions cumulées de N2O provenant des matières fécales étaient de 2,02, 1,09 et 0,84 mg m−2 pour 0SL, 50SL et 100SL, respectivement, présentant un effet linéaire négatif de l'inclusion de SL (P = 0,01 ; Tableau 2). Dans l'urine, les émissions cumulées étaient de 1,44, 0,23 et 0,02 mg m−2 pour 0SL, 50SL et 100SL, respectivement, présentant également un effet linéaire négatif de l'inclusion de SL (P = 0,01). Le facteur d'émission de N2O (EFN2O) pour chaque niveau d'inclusion de SL dans chaque type d'excréta est décrit dans le tableau 2.

Une diminution linéaire a été observée pour les émissions cumulées de CH4 dans les matières fécales et l'urine lorsque SL a été ajouté (P = 0,03 et P = 0,04, respectivement). Dans les fèces, une émission cumulative négative, ou une absorption de CH4, a été démontrée par l'inclusion de 100 % de SL (− 0,004 mg m−2), tandis que dans l'urine, l'inclusion de 50 % de SL présentait la moindre émission (ou la plus grande absorption) en 32 jours (− 0,013 mg m−2). L'émission cumulée de CO2 dans les fèces et l'urine a suivi un modèle similaire de CH4, avec une absorption linéaire de CO2 pour l'inclusion de SL (P = 0,03) pour les deux types d'excréments, dans laquelle les émissions les plus faibles ont été observées pour le régime 100SL (15,51 et 8,93 mg m-2 pour les fèces et l'urine, respectivement).

Dans une étude concomitante, nous avons démontré qu'une grande proportion de CT de SL était liée aux protéines et aux fibres dans les matières fécales des animaux nourris avec 100SL, entraînant une digestion totale apparente moindre de ces nutriments que les animaux consommant uniquement de l'herbe17. Ainsi, la digestion enzymatique de l'hôte et l'absorption intestinale des acides aminés ont été inhibées par la capacité de liaison de CT dans tout le tractus gastro-intestinal, ce qui a également contribué à une plus grande concentration de N dans les matières fécales des animaux nourris avec 100SL que les matières fécales des animaux nourris avec 0SL. De plus, la plus grande excrétion de N dans les matières fécales peut avoir eu une contribution significative du N métabolique endogène avec l'ajout de CT dans les régimes18, ce qui est cohérent avec les études de Komolong et al.19 et Carulla et al.8.

Une plus grande concentration de N dans l'urine des animaux nourris avec 100SL plutôt qu'avec 50SL et 0SL peut également être attribuée à un apport élevé en CP. Un apport élevé en CP sans augmentation concomitante de l'apport énergétique surcharge les microbes ruminaux, augmentant la production d'ammoniac dans le rumen, entraînant ainsi une plus grande absorption d'ammoniac par la paroi ruminale des animaux nourris avec 100SL que 0SL20. Avec cela, plus d'ammoniac était proportionnellement converti en urée et excrété dans l'urine des animaux nourris avec 100SL que ceux nourris avec les autres régimes21. Broderick22 affirme que l'alimentation des ruminants exclusivement avec des légumineuses peut entraîner une production intense d'urée, augmentant l'excrétion de N dans l'urine, et donc, réduisant la rétention de N par les animaux. En effet, le taux de production d'ammoniac dans le rumen dépasse le taux d'utilisation par les micro-organismes23, et s'il n'est pas capturé sous forme de protéine microbienne dans le rumen, il subira le processus d'uréogenèse dans le foie.

Beauchemin et al.24 ont complété un régime à base de fourrage à 70 % avec 1 et 2 % de tanins de quebracho (Schinopsis lorentzii) et ont signalé une diminution de la digestibilité du CP ainsi qu'une moindre teneur en N urinaire, en proportion de l'excrétion de N total, lorsque le CT était inclus. Ils ont également observé une augmentation de l'excrétion fécale de N, en proportion de l'excrétion totale de N, avec une plus grande inclusion de CT dans l'alimentation, qui a été attribuée aux contributions endogènes et microbiennes, et non à une diminution réelle du N urinaire.

L'EFN2O de l'urine est généralement supérieur à l'EFN2O des matières fécales25,26, car il représente le N dans le N2O en pourcentage du N total appliqué27. Ainsi, il est recommandé de développer un FE pour chaque type d'excréments. Dans notre étude, l'EFN2O des fèces ou de l'urine des animaux nourris avec SL était inférieur à celui des fèces ou de l'urine des animaux nourris avec 0SL. De plus, seuls les EFN2O des matières fécales des animaux nourris avec 0SL étaient similaires aux valeurs par défaut fournies dans l'affinement du GIEC 201928, qui était basé sur des conditions météorologiques et des propriétés du sol spécifiques et pourrait fausser les estimations mondiales.

L'absence d'effet de l'inclusion de SL dans le flux de N2O provenant des matières fécales était principalement due à la présence de N organique en conjonction avec le CT5,17 lié. Les flux de N2O provenant des patchs urinaires sont généralement plus importants que les flux provenant des matières fécales puisque l'urée est plus rapidement hydrolysée que le N5 organique. Une étude21 a démontré que jusqu'à 3,8 % de N dans l'urine contre seulement 0,7 % de N dans les fèces pouvaient être émis sous forme de N2O dans l'atmosphère. Cependant, dans l'étude actuelle, les émissions cumulatives moindres des plaques d'urine que des tas de matières fécales sont probablement dues au fait que l'urine était émise sous la forme d'un autre composé, tel que l'ammoniac volatil.

Le tas de matières fécales fonctionne comme un engrais organique pour le sol et la disponibilité des nutriments est un élément clé du microbiote du sol. Selon le modèle « Hole-in-the-pipe » proposé par Firestone et Davidson29, l'ampleur de la production de N2O est principalement fonction de la disponibilité de N dans le sol. Ainsi, la disponibilité de N minéral (NH4+ et NO3−), ainsi que la disponibilité de carbone labile, ont favorisé des émissions plus importantes de N2O et de CO2 dans les premiers jours pour tous les traitements, principalement par activation des populations microbiennes30. Le dépôt d'excréments frais a déclenché la dénitrification dans les premiers jours, en raison d'une plus grande humidité et de N et d'autres nutriments. De plus, des pertes de nitrate par lessivage pourraient également avoir eu lieu, ce qui contribue en partie aux émissions indirectes de N2O si le nitrate est dénitrifié dans les eaux de surface31,32.

Selon Franzluebbers et Steiner33, la température, l'humidité et le N inorganique du sol sont également déterminants de l'ampleur des émissions de N2O. Dans l'étude actuelle, les événements pluvieux après l'application des excréments pourraient avoir par conséquent affecté la proportion d'espace poreux rempli d'eau (WFPS), créant des conditions anaérobies. Par conséquent, l'anaérobiose et les niveaux élevés de N et C disponibles dans le sol en raison du dépôt d'excréments ont favorisé la nitrification, la dénitrification nitrifiante et la dénitrification, entraînant une production et des émissions de GES plus importantes34,35. Postérieurement, avec des températures élevées pendant l'été en Floride, un séchage rapide des matières fécales et la formation d'une croûte superficielle ont été observés4, ce qui pourrait également avoir affecté les flux de N2O provenant des matières fécales pour diminuer à partir du jour 5.

Il a été démontré que les pertes gazeuses ont une relation linéaire avec le δ15N du sol, avec des facteurs de fractionnement importants si le NO3− est complètement consommé dans la réaction de dénitrification36. Les valeurs rapportées du N2O δ15N du sol et émis par le sol se situent généralement entre 0 et − 40 ‰37,38,39,40, indiquant une grande variation dans l'épuisement du 15N dans la voie de perte gazeuse. Dans notre étude, le δ15N de N2O était plus appauvri lorsque les émissions étaient plus intenses (premiers jours après l'épandage des excréta), représenté par le fort fractionnement de la volatilisation de l'ammoniac et l'intensification du processus de dénitrification41. Cette tendance soutient l'hypothèse selon laquelle plus de N provenant de l'urine était perdu sous forme d'ammoniac que de N2O.

Kool et al.11 ont démontré que l'urine synthétique à forte concentration d'acide hippurique réduisait les émissions de N2O jusqu'à 50 %. Plus récemment, Zhou et al.13 ont attribué les réductions plus importantes des émissions de N2O provenant de l'urine à l'ajout d'acide tannique dans l'alimentation des bovins de boucherie. Les auteurs ont conclu que l'augmentation du rapport acide hippurique-N/N urinaire avait des effets inhibiteurs sur les émissions de N2O, mais l'effet de l'acide tannique était plus évident à des niveaux plus élevés de protéines brutes. Bien que nous n'ayons pas déterminé ces composés dans l'urine, les composés aromatiques du CT présents dans l'urine des animaux nourris au 100SL avaient peut-être inhibé dans une certaine mesure les processus de nitrification dans le sol42, entraînant une moindre émission de N2O.

Les émissions cumulées des trois GES évalués étaient plus élevées pour les animaux nourris avec 0SL que 100SL, quel que soit le type d'excréments. Cependant, les flux de CH4 étaient négatifs après quelques jours d'application des excréments, indiquant une absorption par le sol. De plus, plus de 65 % des émissions totales de tous les GES avaient été émises au jour 7, ce qui démontre à quel point les émissions sont plus pertinentes immédiatement après le dépôt des excréments43.

Les émissions de méthane provenant des excréments se produisent principalement en raison de la décomposition des matières fécales par des organismes méthanogènes dans des conditions anaérobies favorables44. Ainsi, des flux de CH4 plus importants dans les premiers jours suivant l'épandage d'excréments, quel qu'en soit le type, ont pu être observés, ce qui est similaire à ceux observés dans la littérature dans les pâturages tropicaux25,45. La méthanogenèse a probablement été favorisée par la forte humidité du sol dans les premiers jours et a eu tendance à diminuer avec la diminution naturelle de l'humidité des excréments, la rareté des événements pluvieux, le lessivage et la consommation des nutriments par les micro-organismes45. Cependant, les CT ont été associées à un effet négatif direct sur les méthanogènes46, ce qui pourrait avoir limité la méthanogenèse dans les excréta des animaux nourris avec SL, expliquant la réduction linéaire de 0 à 100 % d'inclusion de la légumineuse dans les régimes.

En résumé, cette étude a montré comment le régime alimentaire de l'animal, le type d'excréments et les conditions météorologiques affectaient les flux de GES dans les pâturages à climat chaud du nord de la Floride. Par conséquent, l'alimentation des bouvillons de boucherie SL a été efficace pour atténuer les émissions de N2O, CH4 et CO2 de leurs excréments pendant 32 jours après le dépôt dans le sol. De plus, l'EFN2O des excréments a diminué avec l'inclusion de légumineuses riches en tanins, mais les matières fécales et l'urine doivent être considérées séparément en raison de variations spécifiques dans chaque condition d'étude (alimentation, sol, précipitations). Ainsi, l'adoption d'EFN2O spécifiques pour les pays et les régions éviterait une surestimation des émissions mondiales du secteur de l'élevage. Dans l'étude actuelle, plus de N a été ajouté via les excréments d'animaux nourris avec du foin SL, réduisant les émissions de N2O par rapport aux excréments d'animaux nourris uniquement avec du foin d'herbe. Le δ15N a suivi un schéma similaire des flux de N2O, qui était plus appauvri à des taux de libération élevés en raison de l'activité des micro-organismes du sol après l'application des excréments. Des recherches supplémentaires sont nécessaires pour comprendre les mécanismes à l'origine de la réduction des pertes, tandis que des études utilisant des mesures isotopiques supplémentaires, telles que les isotopes de l'hydrogène, faciliteraient les estimations des émissions et la modélisation atmosphérique.

L'étude a suivi toutes les procédures approuvées par le comité institutionnel de protection et d'utilisation des animaux de l'Université de Floride (protocole #201810218) et toutes les méthodes ont été appliquées conformément aux directives et réglementations pertinentes. Ce manuscrit est rapporté conformément aux directives ARRIVE.

L'expérience a été menée au North Florida Research and Education Center (NFREC), de l'Université de Floride, situé à Marianna, FL (30°52′N, 85°11′ O, 35 m asl) dans un pâturage de bahiagrass 'Pensacola' (Paspalum notatum Flüggé). Le sol du site expérimental est classé comme un sable loameux d'Orangeburg (fin-loameux-kaolinitique, Thermic Typic Kandiudults), avec un pH moyen de 6,5. Les concentrations moyennes de P, K, Mg et Ca extractibles au Mehlich-I étaient de 13, 45, 31 et 245 mg kg-1, respectivement. La matière organique du sol était de 6,3 g kg−1 et la capacité d'échange cationique estimée était de 2,8 meq 100 g−1. L'étude a été réalisée sur deux périodes expérimentales de 32 jours chacune, séparées par un intervalle de 15 jours (Période 1 : du 08/06/2018 au 10/07/2018 ; Période 2 : du 25/07/2018 au 27/08/2018). Les températures moyennes, maximales et minimales et les précipitations pour les périodes expérimentales sont représentées sur la Fig. 5.

La station Marianna (FL) du Florida Automated Weather Network (FAWN) donne (a) les données hebdomadaires sur les précipitations et la température de deux périodes expérimentales et (b) les précipitations mensuelles cumulées (mm) et la température moyenne (°C). Période 1 : du 06/08/2018 au 07/10/2018 ; Période 2 : du 25/07/2018 au 27/08/2018.

Quinze bouvillons croisés Brahman × Angus [Période 1 : 324 ± 26 kg de poids corporel initial (PC) ; Période 2 : 336 ± 30 kg de poids corporel] ont été distribués au hasard dans trois régimes expérimentaux : 0, 50 ou 100 % (tel que nourri) d'inclusion de foin de sericea lespedeza 'AU Grazer' [SL ; Lespedeza cuneata (Dum. Cours.) G. Don] dans les régimes alimentaires à base de foin de bermuda 'Tifton 85' (BG; Cynodon spp.) (tableau 3) et utilisé comme donneur d'excréments (urine et matières fécales). Les bouvillons ont été nourris pendant 21 jours pendant deux périodes d'alimentation dans une étude concomitante17 et les excréments utilisés dans l'étude actuelle ont été collectés au cours des deux derniers jours expérimentaux de chacune. Toutes les méthodes ont été réalisées conformément aux directives et réglementations en vigueur.

Les émissions de GES ont été évaluées à l'aide de la technique de la chambre statique (état non stationnaire)14. Les chambres étaient circulaires avec un rayon de 30 cm et constituées d'une base et d'un couvercle, tous deux construits en PVC47. Les couvercles ont été recouverts d'un ruban réfléchissant pour fournir une isolation et un septum en caoutchouc a été ajouté pour l'échantillonnage des gaz48. La base était équipée d'un tube de ventilation en cuivre de 10 cm de long pour assurer une pression d'air adéquate à l'intérieur de la chambre pendant les mesures49,50. Les couvercles et les bases ont été maintenus fermés pour l'échantillonnage des gaz en installant une chambre à air de pneu de vélo qui scellait étroitement les pièces ensemble.

Des bases de chambres ont été installées dans le pâturage non pâturé d'herbe de Bahia deux semaines avant l'application des excréta pour éviter tout effet de la perturbation du sol sur les émissions de GES51. Les bases ont été installées à une profondeur de 8 cm, avec une extension de 5 cm au-dessus du niveau du sol. La profondeur d'installation a été déterminée d'après Clough et al.48. Les sommets des chambres avaient une hauteur de 22 cm, ce qui, additionné à 5 cm de base, totalisait 27 cm, en accord avec l'indication de ≥ 40 cm de hauteur de chambre par heure de déploiement48. De nouvelles bases ont été installées à proximité du même pâturage pour la deuxième période expérimentale, également deux semaines avant le début du nouvel échantillonnage de gaz.

Les traitements appliqués aux chambres consistaient soit en matières fécales, soit en urine dans l'un des trois niveaux d'inclusion de foin SL donné aux bouvillons de boucherie et ont été distribués sous forme de blocs randomisés complets. L'urine et les matières fécales ont été prélevées directement sur chaque animal par des mictions et des défécations spontanées ou stimulées et appliquées à raison de 2 L d'urine et 2 kg de matières fécales, comme quantités typiques excrétées par les bovins pour la zone de la chambre5,52. Pour obtenir les quantités requises d'excréments, l'échantillonnage a eu lieu deux fois par jour (700 et 1500 h) et les échantillons ont été conservés au réfrigérateur à 4 °C jusqu'au lendemain matin (jour 0 de l'échantillonnage des gaz). Des échantillons de chaque type d'excréta ont été regroupés pour les cinq animaux de chaque régime SL, ce qui a donné trois sous-échantillons finaux (urine et matières fécales de chacun des trois régimes SL). Les échantillons d'excréments ont été conservés à température ambiante 2 h avant l'application dans les chambres et leur composition chimique est décrite dans le tableau 1.

L'application des excréments aux chambres a été faite une fois dans chaque période expérimentale sur la surface du sol à l'intérieur de la zone déterminée par la base de la chambre (0,28 m253). L'herbe à l'intérieur de la zone de la chambre a été coupée au niveau du sol avant chaque jour d'échantillonnage, le cas échéant. L'échantillonnage de gaz a eu lieu entre 09h00 et 11h00, lorsque la température est considérée comme plus représentative de la moyenne quotidienne47 aux jours 0, 1, 3, 5, 7, 14, 18, 25 et 32 après l'application des excréments pour les deux périodes expérimentales. Un sous-échantillon a été prélevé par temps de déploiement par chambre, séparé par des intervalles de 15 minutes (T0, T15 et T30). À T0, un échantillon a été prélevé dans la zone directement au-dessus de la surface du sol54. Immédiatement après, les chambres ont été fermées hermétiquement en ajustant le couvercle à la base avec la chambre à air de la bicyclette, suivi des temps de déploiement de l'échantillon suivant. Tous les échantillons ont été prélevés à l'aide d'une seringue de 60 ml et immédiatement rincés dans un flacon en verre pré-vide de 30 ml. Le flacon était équipé d'un bouchon en caoutchouc butyle et scellé avec un septum en aluminium. Les échantillons ont été analysés immédiatement après la fin de chaque période expérimentale.

Des analyses d'échantillons de gaz ont été effectuées à l'aide d'un chromatographe en phase gazeuse (Chromatographie en phase gazeuse Trace 1310, Thermo Scientific, Waltham, MA). Pour le N2O, un détecteur de capture d'électrons (350 °C) et une colonne capillaire (colonne garnie J&W GC dans un tube en acier inoxydable, longueur 2 m (6,56 pieds), diamètre extérieur de 1/8 po, ID de 2 mm, garnissage Hayesep D, taille de maille 80/100, préconditionné, Agilent Technologies) ont été utilisés. Le méthane a été analysé à l'aide d'un détecteur à ionisation de flamme (250 °C) et d'une colonne capillaire (J&W PoraBOND Q GC Column, Agilent Technologies). Pour le CO2, un détecteur de conductivité thermique (200 °C) et une colonne capillaire [colonne remplie J&W GC dans un tube en acier inoxydable, longueur 7 pi (2,13 M), 1/8 po. OD, 2 mm ID, garniture Haysep N, taille de maille 60/80, préconditionnée, Agilent Technologies] ont été utilisés. La température de l'injecteur et des colonnes était de 80 et 200 °C, respectivement.

Les flux horaires de gaz (mg de N2O ou CH4 ou CO2 par m−2 h−1) ont été calculés selon Cardoso et al.55 :

où δC/δt est la variation de concentration de gaz dans la chambre pendant le temps de déploiement ; V et A sont respectivement le volume de la chambre et la surface du sol couverte par la chambre ; M est le poids moléculaire du gaz; et Vm est le volume moléculaire du gaz. Le paramètre Vm a été corrigé aux conditions standard de température et de pression comme Vm = 0,02241 × (273,15 + Tc/273,15) × p0/p1, où 0,02241 est le volume molaire (m3), Tc est la température de l'espace libre de la chambre au moment de l'échantillonnage (°C), p0 est la pression atmosphérique au niveau de la mer et p1 est la pression locale calculée à l'aide de l'équation barométrique. Le flux minimal détectable était de 0,012 ppb min-1 pour N2O, 0,004 ppm min-1 pour CH4 et 1,40 ppm min-1 pour CO2.

Les émissions quotidiennes de N2O, CO2 et CH4 ont été calculées en multipliant les flux par 24 h et les émissions cumulées ont été estimées en intégrant les flux sur chaque jour (aire sous la courbe) et en faisant la moyenne par période. La fraction de N appliquée dans les excréments perdus sous forme de N2O, appelée facteur d'émission (FE), a été calculée selon l'équation :

où \({\text{EF}}_{{{\text{N}}_{{2}} {\text{O}}}}\) est le facteur d'émission de N2O ; N2O-Nemitted est les émissions cumulées de N2O-N de la chambre avec les excréta (mg m−2) ; N2O-Nblank est les émissions cumulées de N2O-N des blancs (chambre sans excréments déposés ; mg m−2) ; et Napplied est le taux d'application de N dans l'urine ou les fèces (mg m−2).

Un sous-échantillon (12 ml) du gaz collecté a été transféré dans des exetainers évacués (Labco, Royaume-Uni). Les exetainers ont été percés avec une double aiguille et rincés avec un flux ultrapur de He (12 ml min-1) pendant 6 min à l'aide d'un échantillonneur automatique (Gilson GX-271, Gilson Inc, WI). Pendant le rinçage, les échantillons ont été transférés dans une unité de préconcentration (Trace Gas, Hanau, Allemagne) équipée de pièges en verre (OD 10 mm, longueur 20 cm) remplis d'ascarite, de Sofnocat et de Mg(ClO4)2 pour piéger le CO2, le CO et l'eau, respectivement. Le N2O restant a été cryo-focalisé sur une colonne capillaire immergée dans de l'azote liquide pendant 12 min et transféré dans un spectromètre de masse à rapport isotopique (IsoPrime 100, IsoPrime, Manchester, Royaume-Uni) pour une analyse 15N, en utilisant He (2 ml min-1) comme support. Le rapport isotopique pour 15N/14N a été calculé comme suit :

où δ15N est le rapport isotopique N de l'échantillon par rapport à l'azote atmosphérique, 15N/14Néchantillon est le rapport isotopique N de l'échantillon et 15N/14Nréférence est le rapport isotopique N du N atmosphérique (standard). La composition isotopique stable de l'azote a été rapportée en utilisant la notation conventionnelle delta par millième. Les valeurs de δ15N sont exprimées par rapport à la norme internationale (AIR-N2).

L'expérience a été analysée comme une conception en blocs complètement aléatoire, avec des données sur les matières fécales et l'urine calculées séparément en raison des différences dans l'ampleur des réponses53. Il y avait trois répétitions (chambre) de chaque traitement, et le jour était considéré comme la mesure répétée pour toutes les variables. La procédure Glimmix de SAS (SAS Inst., Inc., Cary, NC, version 9.4) a été utilisée, dans laquelle la chambre était considérée comme l'unité expérimentale. Les graphiques ont été dessinés à l'aide de Microsoft Excel (version 16.61). La normalité de la distribution et l'homogénéité des variances ont été évaluées à l'aide de la procédure univariée de SAS. Les structures de covariance étaient basées sur la plus petite valeur du critère d'information d'Akaike. Le modèle comprenait l'effet fixe du niveau d'inclusion de SL et du jour après l'application des excréments et leur interaction, ainsi que les effets aléatoires du bloc, de la période et de leurs interactions. Les moyennes ont été comparées à l'aide du PDIFF ajusté par le test de Tukey à 5 % de signification.

Toutes les données générées ou analysées au cours de cette étude sont incluses dans l'article.

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Correspondance à Flavia OS van Cleef.

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OS van Cleef, F., B. Dubeux, JC, M. Ciriaco, F. et al. L'inclusion d'une légumineuse riche en tanin dans l'alimentation des bouvillons de boucherie réduit les émissions de gaz à effet de serre provenant de leurs excréments. Sci Rep 12, 14220 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-18523-y

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Reçu : 01 mars 2022

Accepté : 16 août 2022

Publié: 20 août 2022

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-022-18523-y

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