Les plantes ont besoin d’éléments minéraux qu’elles puisent dans le sol par leurs racines. Cependant il existe un risque pour certaines formes d’azote et de soufre d’un transfert vers l’atmosphère et pour tous les éléments nutritifs d’entrainement par l’eau en profondeur vers la nappe ou en surface par ruissellement vers les cours d’eau.

 

Il y a un double intérêt économique et environnemental à réduire ces pertes vers l’eau et l’air.

 

 

a. Prévention de l’eutrophisationeutrophisationDéfinition: Augmentation du taux d’éléments nutritifs dans les eaux, conduisant à une multiplication excessive d’algues et d’autres espèces non désirables....
des milieux aquatiques

La qualité des eaux doit être protégée pour ses nombreux usages (eau potable, eaux de baignade, milieux naturels...). L’azote et le phosphore sont les principaux éléments nutritifs qui contrôlent la prolifération des plantes aquatiques et des algues. En excès dans les eaux de surface, ils sont à l’origine de l’eutrophisationeutrophisationDéfinition: Augmentation du taux d’éléments nutritifs dans les eaux, conduisant à une multiplication excessive d’algues et d’autres espèces non désirables....
(du grec eu = bien et trophie = nourrir) dont le symptôme est la prolifération d’algues et leur décomposition.

L’azote, le phosphore ainsi que les autres éléments nutritifs sont présents dans nos eaux usées et dans les effluents d’élevage ainsi que dans toute matière d’origine organique et dans les engrais apportés au sol. Villes et campagnes peuvent ensemble réduire les risques d’entrainement de ces éléments vers les eaux.

L’azote apporté au sol, quel que soit son origine, va être en partie transformé en nitrate qui circule avec l’eau du sol. Le nitrate est la forme d’azote que les plantes préfèrent, elles l’absorbent rapidement lorsqu’elles sont en croissance active. Lorsque la quantité d’azote minéral dépasse la capacité d’absorption de la culture, il y a un risque d’entrainement en profondeur avec l’eau du sol. La quantité perdue dépend de la couverture végétale qui absorbe le nitrate durant l’automne (ex : culture intermédiaire piège à nitrate ou CIPAN), de l’azote minéral présent dans le sol à l’entrée de l’hiver et de la pluviométrie excédentaire au cours de l’hiver.

Circulation de l'eau et transfert de l'azote au sein d'un bassin versant

Le cheminement du nitrate vers le cours d’eau est plus rapide par ruissellement que par infiltration dans la nappe. Dans les zones humides, la dénitrification transforme une partie du nitrate en azote gazeux qui retourne dans l’atmosphère.

 

Le phosphore est fortement retenu par le sol. Seulement 0.1% du phosphore total d’un sol se trouve à l’état dissous dans la solution du sol. L’eau en excès qui s’infiltre vers les nappes n’entraine que très peu de phosphore. L’érosion, par contre, arrache des particules de terre ou MES (matière en suspensionsuspensionDéfinition: Dispersion colloïdale (mixture) dans laquelle un produit finement divisé est combiné avec un autre produit, le premier étant si finement divisé et mélangé qu'il se redépose très lentement....
) sur lesquelles du phosphore est fixé. La quantité de phosphore entrainée par l’érosion est faible de l’ordre de 400 grammes de P par hectare et par an (soit 1kg de P2O5). Cependant les phénomènes exceptionnels tels que coulées boueuses ou inondations entrainent ponctuellement des quantités plus importantes. La teneur moyenne à ne pas dépasser est de l’ordre de 0.2 mg de P par litre dans un cours d’eau.

Circulation de l'eau et transfert des matières en suspensionsuspensionDéfinition: Dispersion colloïdale (mixture) dans laquelle un produit finement divisé est combiné avec un autre produit, le premier étant si finement divisé et mélangé qu'il se redépose très lentement....
et du phosphore

 

Fascine anti-érosive en haut du bassin versant

Pour retenir le phosphore dans le sol, la lutte contre l’érosion combine l’amélioration de l’infiltration de la pluie (structure du sol, couverture végétale), l’interception des ruissellements dans les pentes et l’aménagement de zones tampons le long des cours d’eau.

 

D’autres éléments présents dans les sols peuvent être entrainés vers les eaux comme le sulfate, élément aussi mobile que le nitrate, le calcium, le magnésium et le potassium: éléments bien retenus par le sol mais qui peuvent sous forme dissoute être aussi lixiviés. Ces éléments ne semblent pas avoir un rôle dans l’eutrophisationeutrophisationDéfinition: Augmentation du taux d’éléments nutritifs dans les eaux, conduisant à une multiplication excessive d’algues et d’autres espèces non désirables....
. Ils sont naturellement présents dans la composition des eaux de surface et des eaux de source.

 

Phosphore, Nitrate et Eutrophisation

 

 

b. Amélioration de la qualité de l’air

Améliorer la qualité de l’air est reconnu comme un enjeu de santé publique. L’agriculture est en partie à l’origine de la pollution aux particules fines. Cependant, il existe des marges de progrès importantes pour limiter l’émission de poussières ou particules primaires et pour réduire la volatilisationvolatilisationDéfinition: Perte d’azote, à partir du sol ou d’une matière fertilisante, par dégagement direct dans l’atmosphère de N2, d’oxyde d’azote ou d’ammoniac....
d’ammoniac en élevage et en fertilisation qui favorise la formation de microparticules secondaires.

Les particules contribuent à l’aggravation des pathologies respiratoires et des maladies cardiaques. Les plus fines (PM 10 et PM 2.5 pour « particulate matter » de taille <à 10 ou <à 2.5 microns) atteignent les bronches et les alvéoles pulmonaires. Elles peuvent provoquer une inflammation des tissus chez les personnes les plus sensibles : jeunes enfants, asthmatiques, insuffisants respiratoires.

Les poussières sont des particules directement émises dans l’air

Le travail du sol, les opérations de récolte et les élevages sont les sources principales d’émissions de poussières en agriculture. L’érosion éolienne des sols et les épandages d’engrais et d’amendements y contribuent aussi.

Pour l’éviter, les engrais granulés sont tamisés, dépoussiérés et dans certains cas traités avec un anti-poussière avant d’être livrés aux agriculteurs. Beaucoup d’amendements minéraux basiques sont apportés sous forme de poudres fines (ex : carbonates de calcium pulvérisés). Plusieurs pratiques suppriment l’émission de poussière :

• transport en benne vracvracDéfinition: Le vrac désigne des marchandises qui ne sont pas emballées ou arrimées et aussi le mode de distribution dans lequel le produit n'est pas conditionné....
  bâchée ou en camion-citerne ;
• circuit fermé pour transférer le produit de la citerne à l’épandeur;
• rampe d’épandage équipée de tapis caoutchoutés pour plaquer le produit au sol;
• jupes en toile pour les épandeurs à disque;
• ajout d’un agent anti-poussière au produit.

Chaulage avec un amendement pulvérulent

 

Les particules fines secondaires se forment dans l’air par réaction chimique.

Les principaux polluants gazeux conduisant à la formation de particules fines sont les oxydes d’azote (NOx), le dioxyde de soufre (SO₂), l’ammoniac (NH₃) et les composés organiques volatils (COV). L’agriculture contribue peu à l’émission des NOx et du SO₂ qui sont produits par le trafic routier et le chauffage urbain, mais elle est à l’origine de 97% de l’ammoniac émis. Deux tiers de cette émission sont attribués aux élevages et à leurs effluents et un tiers aux engrais azotés contenant de l’urée et de l’azote ammoniacal.

La réduction des pertes dues à la volatilisationvolatilisationDéfinition: Perte d’azote, à partir du sol ou d’une matière fertilisante, par dégagement direct dans l’atmosphère de N2, d’oxyde d’azote ou d’ammoniac....
entraine une amélioration de l’efficacité des apports azotés d’origine organique ou minérale. Des pratiques efficaces sont possibles :

• En élevages,
  • raclage rapide et régulier des excrétions en bâtiment
  • pâturage prolongé pour les ruminants
  • couverture des fosses de stockage de lisiers
  • rampe à pendillardpendillardDéfinition: Dispositif souple ou rigide équipant les pulvérisateurs afin de rapprocher les buses du sol. Ce dispositif permet de limiter fortement les pertes de produit par volatilisation....
    s ou à sabots trainés pour les lisiers
  • injecteurs pour les lisiers et les digestats de méthanisation
  • incorporation par un travail du sol dans les quatre heures après épandage
• En cultures, le risque dépend d’abord du type d’engrais. Pour l’urée granulée et la solution azotée contenant 50% d’azote uréique, l’adoption d’au moins une pratique :
  • incorporation au sol par le labour ou par le travail du sol avant semis si possible
  • localisationlocalisationDéfinition: Action de placer l'engrais dans une zone bien définie : Localisation « starter » en ligne à quelques cm de la semence et de la surface du sol Localisation profonde dans l'inter-rangs, dans la zone de prospection des racines avec l'utilisation d'un coutre enfouisseur. ...
    d’engrais dans le sol combinée au semis de la culture ou avec un localisateur d’engrais dans l’inter-rang des cultures à grand écartement type maïs
  • utilisation d’urée traitée avec un inhibiteur d’uréaseuréaseDéfinition: Enzyme qui catalyse la transformation de l'urée en dioxyde de carbone et ammoniac. Elle est présente chez de nombreuses bactéries, levures et chez certaines plantes.On la trouve en abondance dans les sols avec une plus forte activité dans la rhizosphère....
    ou d’urée enrobée
  • irrigation d’au moins 10 mm déclenchée immédiatement après épandage

La France a signé la convention internationale de réduction des émissions de polluants atmosphériques transfrontaliers et particulièrement le protocole de Göteborg sur l’émission d’ammoniac. Des engagements de réduction des émissions nationales en 2020 et 2030 sont prévus dans la règlementation européenne NEC pour National Emission Ceilings. L’inventaire annuel des émissions est réalisé par le CITEPA qui utilise les statistiques de l’UNIFA pour les émissions liées aux engrais azotés avec les facteurs d’émission de tier 1 proposés par le guide européen EMEP 2013.

Facteurs d'émission en ammoniac des engrais apportés à la surface du sol

Source : guide EMEP 2013 pour le calcul des émissions de polluants atmosphériques par le CITEPA

 

Fiche FERTI-pratiques n°35 : Qualité de l’air et fertilisation ▶ Télécharger

 

L’agriculture a accru sa productivité en utilisant davantage de ressources non renouvelables et d’énergies fossiles dont elle devient dépendante.

 

Dans le même temps, la fertilisation organique fournit une part élevée de recyclage : un tiers de l’azote total, la moitié du phosphore et deux tiers du potassium sont apportés au sol principalement par les effluents d’élevage (Observatoire national ANPEA). Les enjeux de durabilité distinguent l’énergie et la consommation de ressources minières utilisées dans la production des fertilisants.

 

 

a. Consommation d’énergie

La production d’engrais et d’amendements consomme de l’énergie dans l’amont industriel mais permet aussi à l’agriculture d’accroitre sa productivité et la quantité de biomasse végétale produite par hectare. Il est nécessaire d’établir un bilan énergétique et environnemental pour comparer différents types de fertilisation ou d’agriculture.

 

La photosynthèsephotosynthèseDéfinition: La photosynthèse végétale consiste à réduire le dioxyde de carbone de l'atmosphère par l'eau absorbée par les racines à l'aide de l'énergie solaire captée par les feuilles, en présence de sels minéraux, avec libération d'oxygène, afin de produire des glucides....
représente la principale source d’énergie pour les êtres vivants. Elle permet aux plantes de transformer l’énergie lumineuse en énergie chimique en consommant le gaz carbonique de l’air.

L’énergie fossile (charbon, pétrole, gaz) est le résultat d’une activité photosynthétique datant de plusieurs centaines de millions d’années.

On peut produire de la bioénergie de façon renouvelable directement à partir des productions agricoles et forestières soit par combustion ou par méthanisation ou encore dans des bioraffineries.
› L’agriculture peut produire pour elle-même une partie de l’énergie qu’elle consomme.

 

Les engrais minéraux permettent de fixer 4 à 6 fois plus d’énergie sous forme de biomasse qu’ils n’en consomment aux stades de la production, du transport et de l’épandage. La substitution des engrais minéraux par des fertilisants organiques est possible dans la limite des ressources disponibles pour le recyclage. Elle améliore le bilan énergétique puisque la seule énergie consommée est celle liée à la collecte, au stockage et au traitement éventuel des effluents organiques ainsi qu’à leur transport. Les produits résiduaires organiques étant peu concentrés en éléments nutritifs, cette dépense énergétique n’est pas négligeable mais reste bien inférieure à celle nécessaire pour la production d’engrais azotés.

En fertilisation minérale, c’est la production d’engrais azotés qui consomme le plus d’énergie. En effet il faut de l’hydrogène H2 actuellement produit à partir du gaz naturel CH4, pour le combiner ensuite à l’azote de l’air N2 et former l’ammoniac NH3. Deux tiers du gaz naturel sert de matière première à la réaction et un tiers de source d’énergie pour créer les conditions de température et de pression nécessaires.

D’après différentes approches, c’est autour de 50% de l’énergie dépensée pour produire du blé qui est utilisée pour fabriquer, transporter et épandre les engrais azotés.

Source : IFA Statistics
UNEP, World Bank (World Ressources 2000-2001)

 

La fertilisation permet aux cultures de réaliser leur potentiel maximum de croissance et de fixer ainsi davantage d’énergie solaire en consommant du CO2 de l’atmosphère. L’efficacité énergétique due à la fertilisation azotée est démontrée dans un exemple utilisant des essais au champ en Allemagne sur blé d’hiver.

Synthèse d'essais, Yara Allemagne
Énergie fixée dans le grain : 0.37 tep/lt

 

Avec 170 kg d’azote (N) apportés par hectare, le rendement du blé d’hiver est de 8,2 tonnes comparé à 4,7 tonnes sans utilisation d’engrais azoté. La production, le transport et l’épandage de 170 kg de N ont consommé 190 kg d’équivalent pétrole. 8,2 tonnes de grains correspondent à 3 tep (tonne équivalent pétrole) d’énergie solaire capturée et fixée dans la biomasse, à comparer à 1.7 tep sans apport d’azote. Le supplément de 1.3 tep obtenu avec l’apport d’azote représente plus de 6 fois les 0.19 tep consommés pour produire, transporter et épandre l’engrais azoté.

La fertilisation azotée est un levier important pour améliorer le bilan énergétique du blé. Parmi les voies de progrès, on peut améliorer l’efficacité des engrais azotés, limiter leur apport en bénéficiant de l’effet de légumineuselégumineuseDéfinition: Famille de plantes dicotylédones dont le fruit est une gousse ( pois, haricots, luzerne, trèfle, soja…)....
s précédant le blé, utiliser un amendement ou un engrais organique en substitution partielle ou totale à l’engrais minéral.

L’amélioration continue des procédés industriels permet aussi de réduire la consommation énergétique (Références Fertilizers Europe publiées en 2014). On distingue les industries extrayant les phosphates et les sels de potassium du sous-sol et l’azote qui consomme davantage d’énergie pour la fixation de l’azote N2 de l’air (78% de l’atmosphère).

Engrais	Acronyme		Production Énergie
			sur site	sur site
		% élément nutritif poids/poids	MJ/kg de produit	MJ/kg d'élément nutritif*
Ammonitrate	AN	33,5% N	14,02	41,85
Ammonitrate calcaire	CAN	27,0% N	11,78	43,63
Sulfonitrate d'ammonium	ANS	26% N, 14% S	10,61
Nitrate de calcium	CN	15,5% N	7,23	46,65
Sulfate d'ammoniaque	AS	21% N, 24% S	8,07
Phosphate diammonique	DAP	18% N, 46% P2O5	6,76
Urée	Urée	46% N	23,45	50,98
Solution azotée std	UAN	30% N	13,84	46,13
Composé 15-15-15	NPK	15% N, 15% P2O5, 15% K2O	7,59
Superphosphate triple	TSP	48% P2O5	0,18	0,38
Chlorure de potassium	KCI	60% K2O	3,00	5,00

* calculé pour les engrais simples ne contenant qu'un élément nutritif
Valeurs moyennes de la production européenne pour l'année 2011
Source Fertilizers Europe 2014

Il est déjà possible d’utiliser le biométhane en substitution du gaz naturel et demain l’hydrogène pourra venir d’autres sources par exemple de l’électrolyse de l’eau pour limiter la dépendance de l’industrie vis-à-vis des énergies fossiles.

 

Dossier technique : biomasse, énergie et fertilisation ▶ Télécharger

 

 

b. Ressources minérales et recyclage

Les fertilisants ont une origine organique ou minérale. Les ressources organiques sont issues du recyclage d’effluents et de déchets organiques alors que les ressources minérales dépendent d’activités extractives et ne sont pas renouvelables.

• L’azote de l’air N₂ est utilisé pour fixer l’azote sous forme d’ammoniac utilisé comme matière première des principaux engrais azotés. Composant 78% de l’atmosphère, l’azote est une ressource inépuisable disponible partout au-dessus de nos têtes. Cependant la synthèse de l’ammoniac nécessite de l’hydrogène et un apport d’énergie actuellement fourni par le gaz naturel en Europe. Les nouvelles méthodes d’extraction par fractionnement hydraulique en Amérique du Nord ou gaz de schistes entrainent une baisse du prix du gaz et accentuent la pression de concurrence sur l’industrie européenne. La Chine, premier producteur mondial, utilise le charbon à la place du gaz provoquant une émission deux fois à trois plus importante de CO2 par tonne d’azote. Il existe des alternatives aux énergies fossiles : biométhane pour remplacer le gaz naturel, hydrogène fourni par électrolyse de l’eau…
• Environ 80% des phosphates minéraux exploités et plus de 90% des sels de potassium sont destinés dans le monde à un usage en engrais minéraux. L’estimation de la durée des réserves économiquement exploitables dépend du prix de marché actuel et aussi des gisements connus et explorés. Les réserves de phosphates permettraient environ 300 ans d’exploitation au rythme actuel (USGS US Geological Survey 2016) et davantage pour le potassium en prenant en compte les lacs salés dans les déserts. Le potassium est également présent dans l’eau de mer mais en concentration trop faible pour son extraction. A une exception, la Mer Morte déjà exploitée des deux côtés Israélien et Jordanien. La France n’a plus d’activité extractive en phosphates comme en potassium (fermeture des mines d’Alsace en 2002). L’Europe est dépendante à 95% pour les phosphates ou les produits déjà transformés n’ayant que la Finlande comme pays producteur. Elle dispose d’une capacité d’extraction de potassium dans trois pays : l’Allemagne, l’Espagne et la Grande Bretagne.
• L’abondance des roches calcaires en France permet la production locale d’amendements minéraux basiques. La disponibilité de cette ressource pour l’agriculture française est garantie pour l’avenir.

La durée des réserves minérales est relativement courte à l’échelle de l’histoire humaine mais il faut tenir compte des progrès à venir dans le recyclage des éléments nutritifs et la diminution des pertes pour mieux boucler les cycles de ces éléments.

Le recyclage idéal consisterait à retourner à tous les sols agricoles sans aucune perte tous les éléments nutritifs prélevés par les récoltes. C’est un problème complexe car selon leur nature, les déchets organiques nécessitent des collectes séparatives, des traitements d’hygiénisation et d’autres transformations (compostagecompostageDéfinition: Le compostage est un procédé biologique de dégradation naturelle des matières organiques et de leur valorisation, par des micro-organismes, en présence d'humidité et d'oxygène. Le produit fini possède une valeur fertilisante....
, séchage…) pour en faire des fertilisants.

L’agriculture recycle la très grande majorité des effluents d’élevages. La part fourni par le recyclage dans la fertilisation en 2014 va de un tiers pour l’azote, la moitié pour le phosphore et deux tiers pour le potassium.

 

Observatoire de la fertilisation organique et minérale en France, année 2014
(source ANPEA)

 

Ressources mondiales en phosphates