La fertilisation contribue aussi bien à la quantité qu’à la qualité des productions végétales sur lesquelles repose le système alimentaire mondial. En 2015, 795 millions de personnes souffrent encore de la faim soit une personne sur neuf dans le monde. Il y a trente ans cette part était de une sur quatre (FAO, 2015).

 

La population mondiale va continuer de croitre et devrait dépasser les 9.6 milliards de personnes en 2050 (ONU, 2013). Si l’on considère que la ressource en terres agricoles est limitée et qu’elle est menacée par l’étalement urbain, l’augmentation de productivité est le premier facteur de réduction de la faim et de la pauvreté dans le monde.

La sécurité alimentaire est définie par une alimentation suffisante en quantité, sûre et suffisamment nutritive permettant une vie saine et active (FAO, 2009). La fertilisation s’inscrit dans les deux enjeux de quantité et de qualité de l’alimentation.

 

a. Nourrir les hommes

Dans les cinquante dernières années, la population a plus que doublé et la production céréalière a triplé à 2.5 milliards de tonnes (FAO, 2016). Sans l’utilisation d’engrais azotés la récolte mondiale n’atteindrait que 50% de ce niveau (Erisman et al, 2008). La sélection des variétés et les progrès dans l’usage des engrais et des produits de protection des plantes ont constitué les facteurs de succès de la révolution verte mais celle-ci rencontre des limites partout dans le monde : usage intensif de la ressource en eau, dépendance des énergies fossiles, pollution de l’eau et diminution de la biodiversité résultant de la spécialisation des exploitations.

L’agriculture biologique se présente comme une alternative mais elle s’accompagne d’une baisse de productivité pour des cultures importantes comme blés, orges, colza…et plus généralement de coûts de production plus élevés. L’azote constitue un facteur limitantfacteur limitantDéfinition: Elément nutritif qui se trouve en plus faible quantité par rapport aux besoins de la culture et qui a pour action de limiter le rendement....
important en agriculture biologique car les fertilisants organiques utilisés n’ont pas la même efficacité que les engrais azotés minéraux qui ne sont pas autorisés. C’est pourquoi l’exploration d’autres voies comme l’agriculture raisonnéeagriculture raisonnéeDéfinition: Mode de production d'une exploitation agricole qui vise à concilier le respect de l'environnement, la sécurité sanitaire et la rentabilité économique....
ou l’agro-écologieagro-écologieDéfinition: Discipline cherchant à développer une agriculture durable, permettant une production qualitativement et quantitativement en phase avec les besoins alimentaires, tout en respectant l'environnement. Elle tente de développer notre connaissance des interactions biotiques, en particulier plantes-plantes et plantes-microorganismes, au sein des agrosystèmes....
est nécessaire pour trouver des réponses qui concilient les performances économique et environnementale.

Le raisonnement de la fertilisation a pour objectif de tirer parti du progrès continu apporté par l’amélioration des variétés en mettant l’accent sur l’efficacité de tous les apports d’éléments nutritifs (engrais, produits organiques résiduaires). A l’échelle de l’Europe, l’amélioration de 0.3% par an de la productivité des grandes cultures serait nécessaire pour compenser la baisse de la surface agricole et accroitre la sécurité alimentaire calculée en termes de surfaces à partir de la balance d’importations et d’exportations de l’Europe (Von Witzke, 2010). L’Europe est encore largement dépendante des autres continents en protéines végétales importées principalement sous forme de tourteau de soja.

Évolution comparée de la production mondiale de céréales et de la consommation d’engrais en Kt d’éléments nutritifs (FAO et IFA, 2016)

 

 

b. Qualité nutritionnelle des aliments

La fertilisation s’intéresse à la quinzaine d’éléments minéraux qui sont indispensables aux plantes et contribue également à la valeur nutritionnelle des aliments pour l’homme et les animaux. Les engrais apportent des éléments nutritifs en complément des quantités naturellement libérées par le sol et par la minéralisationminéralisationDéfinition: Transformation de la matière organique qui conduit à la formation de sels minéraux où les éléments fertilisants deviennent solubles et accessibles aux plantes....
des produits résiduaires organiques.

Une nutrition équilibrée de la plante dans tous les éléments minéraux produit des aliments de bonne valeur nutritive et de haute qualité organoleptique. Des carencecarenceDéfinition: Absence, présence insuffisante ou défaut d’assimilabilité d’un élément indispensable à la vie végétale. On distingue habituellement : carence vraie et carence conditionnée ou induite....
s dans un des éléments se traduisent par une qualité dégradée et une diminution de rendement. Des symptômes de carencecarenceDéfinition: Absence, présence insuffisante ou défaut d’assimilabilité d’un élément indispensable à la vie végétale. On distingue habituellement : carence vraie et carence conditionnée ou induite....
révèlent les troubles physiologiques subis par les plantes appelés aussi maladies de carencecarenceDéfinition: Absence, présence insuffisante ou défaut d’assimilabilité d’un élément indispensable à la vie végétale. On distingue habituellement : carence vraie et carence conditionnée ou induite....
s. A l’extrême les produits agricoles des cultures carencées ne sont pas commercialisables.

La qualité s'apprécie selon des critères subjectifs : couleur, consistance, goût, arôme…et des critères objectifs, qui concernent la qualité technologique, la valeur nutritive des aliments comme par exemple leur teneur en sucre, en protéines, en huile et en micronutriments.

L’apport d’azote augmente à la fois la quantité et la teneur en protéines chez les céréales. Le soufre entre aussi dans la composition de trois acides aminés essentiels qui jouent un rôle dans la synthèse et la conformation des protéines. Chez le blé, la composition en protéines tout autant que sa teneur sont responsables de la valeur boulangère pour la production des pains. Par contre, une fertilisation azotée excessive diminue le taux de sucre extractible des betteraves, le taux d'amidon des pommes de terre et la teneur en huile des graines oléagineuses.

Le calcium, le magnésium et le potassium sont présents sous leur forme minérale dans la plante et sont aussi indispensables à l’homme. Chez la plante, ils favorisent la résistance aux stress physiques (sécheresse, gel, chaleur…) et aux attaques de certains agresseurs. Le potassium et le magnésium favorisent aussi le transfert et l'accumulation des sucres vers les organes récoltés. Ainsi la fertilisation potassique et magnésienne améliore la teneur en sucres des betteraves, la teneur en amidon des pommes de terre et le degré alcoolique des vendanges. Avec le calcium, elle favorise aussi la fermeté, le calibre et la couleur des fruits et légumes et confère une meilleure valeur nutritionnelle à ces aliments qui contribuent à l’apport journalier de ces trois éléments minéraux dans l’alimentation des hommes.

Les carencecarenceDéfinition: Absence, présence insuffisante ou défaut d’assimilabilité d’un élément indispensable à la vie végétale. On distingue habituellement : carence vraie et carence conditionnée ou induite....
s en micronutriments : oligo-éléments comme le zinc, le fer, le sélénium… antioxydants comme la vitamine C, affectent une grande partie de la population mondiale lorsque l’alimentation n’est pas assez diversifiée. La recherche de variétés enrichies en ces éléments est une voie de progrès mais la fertilisation avec ces éléments permet aussi une amélioration rapide et à grande échelle de la santé des populations carencées en zinc dans les pays situés entre la Turquie et l’Inde (IFA, 2013) ou subcarencées en sélénium en Finlande (Alfthan et al, 2015).

Fertiliser les cultures pour améliorer la santé des hommes.
Bruulsema, T.W. et al : IPNI-IFA, 2012
http://www.fertilizer.org/FertilizingCropsToImproveHumanHealth

 

 

Nitrate et santé

 

Les sols constituent une ressource essentielle pour l’agriculture et l’humanité (FAO, 2015). Le sol nourrit les plantes en eau et en éléments nutritifs. Il constitue une ressource non renouvelable à l’échelle humaine et il subit la pression des activités urbaines et industrielles qui consomment de plus en plus de surfaces agricoles.

 

Le sol remplit aussi d’autres fonctions que la fonction nourricière :

• Dégradation de la matière organique et recyclage des éléments nutritifs
• Régulation quantitative du cycle de l’eau
• Epuration et filtration assurant la qualité de l’eau
• Stockage de carbone et d’azote dans l’humus constituant la matière organique stable du sol

De plus, le sol abrite une intense activité biologique marquée par une grande biodiversité des organismes qui y vivent et interagissent avec la croissance des plantes. La fertilité du sol résulte d’une action de l’homme par ses pratiques agricoles en interaction avec le climat. Elle désigne la capacité du sol à produire durablement des récoltes de qualité pour les générations futures.

 

a. Matière organique, biodiversité d’un sol vivant

On parle des trois états de fertilité du sol : l’état physique (la structure, les agrégats, l’aération, le drainagedrainageDéfinition: Evacuation des eaux excédentaires dans le sol par gravité (drainage naturel) ou au moyen de drains ou de fossés....
), chimique (l’acidité mesurée par le pHpHDéfinition: Notation qui rend compte de la concentration en ions H+ du milieu et désigne ainsi le caractère très acide (pH 4 à 5,5), acide (5,5 à 6,8), neutre (6,8 à 7,2) ou alcalin (supérieur à 7,2) d’un sol....
, les éléments nutritifs) et biologique (la matière organique, la faune, les microorganismes) mais il existe de très fortes interactions entre ces états pour arriver un diagnostic.

Les plantes laissent au sol après récolte des racines, des tiges et des feuilles qui constituent une source de matière organique (MO) pour les organismes vivants du sol qui s’en nourrissent. La MO est en partie décomposée puis minéralisée alors que l’autre partie est transformée en humus stable, constituant important de la fertilité du sol. La MO constitue une nourriture pour la vie du sol. Elle favorise une structure motteuse et aérée et accroit la réserve utile en eau. Enfin la MO accroit la capacité d’échange cationiquecapacité d’échange cationiqueDéfinition: Mesure chimique conventionnelle réalisée sur un échantillon de terre, destinée à approcher la capacité d’un sol à stocker de façon réversible des éléments minéraux échangeables notamment des cations....
et améliore la mise en réserve des éléments nutritifs comme le calcium, le potassium et le magnésium.

Les engrais minéraux entrainent-ils une diminution du stock de MO des sols ? C’est une idée fausse largement répandue qui tient à la confusion avec le rôle du système de cultures. Un système qui ne restitue pas au sol assez de matière organique issue de 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....
entraine une diminution du stock de matières organiques. Les engrais contribuent à augmenter la production végétale mais il faut laisser au sol une part de résidus suffisante pour nourrir la vie du sol. Ainsi dans les successions de culture comportant du maïs grain, du colza ou encore des céréales avec paille laissée au sol, la quantité de MO peut augmenter comme dans l’essai de longue durée à Boigneville, Arvalis (91) même avec une fertilisation exclusivement minérale.

L’effet favorable des amendements organiques et minéraux basiques sur la fertilité et la vie du sol peut être mesuré par des indicateurs tels que la quantité de biomasse microbienne vivante ou l’activité des microorganismes (respiration, minéralisationminéralisationDéfinition: Transformation de la matière organique qui conduit à la formation de sels minéraux où les éléments fertilisants deviennent solubles et accessibles aux plantes....
, nitrification…) mesurés après un apport. L’usage régulier de certaines formes d’engrais pourrait influencer la structure des populations de microorganismes mais les interactions sont complexes avec les plantes cultivées et le travail du sol et nécessitent des recherches plus approfondies.

Quatre ensembles de pratiques ont une influence déterminante sur la composante biologique de la fertilité du sol : le travail du sol qui crée ou perturbe les habitats utilisés par la faune et les microorganismes, la fertilisation notamment les amendements organiques qui apportent de la nourriture aux organismes vivants du sol, les produits de protection des plantes qui ont un impact sur la vie du sol et les couverts végétaux qui évitent de laisser le sol nu et contribuent également à nourrir l’écosystème.

 

b. Protection du sol pour la production alimentaire future

L'apport de matières fertilisantes aux sols agricoles s'accompagne d'un risque de contamination des sols du fait des tonnages tout à fait considérables épandus chaque année en France (Observatoire ANPEA de la fertilisation organique et minérale) :

12 millions de tonnes d'engrais et d'amendements minéraux

250 millions de tonnes environ d'effluents d'élevage (lisiers, fumiers, fientes…)

Une dizaine de millions de tonnes de boues et de composts issues du traitement de déchets d'origine urbaine ou industrielle

La présence de contaminants est d’origine naturelle comme celle des éléments traces minéraux présents dans l’ensemble de la chaine alimentaire à très faible dose et dans certaines ressources minérales utilisées pour fabriquer les engrais et amendements minéraux.

C'est pourquoi la réglementation définit certains critères de qualité définissant l'innocuité d'une matière fertilisante afin de limiter le flux d'éléments indésirables qui pourrait être apporté aux sols.

Trois catégories de contaminants sont concernées selon la nature des matières fertilisantes :

Les éléments trace ET (improprement appelés " métaux lourds") susceptibles d’être présents dans l’ensemble des matières fertilisantes d’origine minérale ou organique. Des flux annuels réglementaires à ne pas dépasser ont été définis pour chaque élément. Des valeurs limites ont ensuite été proposées pour plusieurs éléments trace susceptibles d’être présents dans les matières fertilisantes (arsenic, cadmium, chrome, plomb, mercure, nickel…).

Les composés trace organiques CTO parmi lesquels figurent des polluants organiques persistants tels que les hydrocarbures aromatiques polycycliques HAP. Leur présence est recherchée par analyse, des valeurs limites sont fixées pour certaines matières fertilisantes plus exposées à ce risque.

Les micro-organismes pathogènes des animaux et de l’homme qui peuvent se retrouver dans les déchets d’origine animale ou humaine (lisiers, fumiers, boues de station d’épuration…) et présenter un risque éventuel de contamination dans la chaine alimentaire. Des analyses sont réalisées sur certaines matières fertilisantes d’origine organique pour détecter la présence d’entérobactéries, de clostridies, de salmonelles ou encore d’œufs d’helminthes.

Les producteurs de matières fertilisantes contrôlent leur production en pratiquant des analyses régulières sur leurs matières premières, en favorisant la diminution du potentiel pathogène au cours du traitement de déchets organiques d’origine animale ou humaine (hygiénisation, 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....
…) et en respectant le cas échéant les obligations d’information sur l’étiquetage des produits pour l’utilisateur.

Par exemple, l’accès aux terres est interdit aux animaux d’élevage pendant au moins 21 jours après l’épandage de matières fertilisantes contenant des sous-produits animaux autres que les lisiers et fumiers.

 

 

Phosphates et cadmium

 

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

 

 

L’agriculture et la sylviculture contribuent à 20% des émissions de gaz à effet de serre (GES) soit 90 millions de tonnes de CO2-eq en France pour l’année 2014 (CITEPA).

 

Mais ce secteur a la particularité d’émettre des GES, principalement du méthane et du protoxyde d’azote et de fixer du CO₂ grâce à 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....
et à l’augmentation du stock de carbone dans les sols et les forêts. Ainsi, le changement d’utilisation des terres et la croissance forestière agissent comme des puits pour les GES et compensent plus de la moitié des émissions du secteur. Il faut donc raisonner en bilan net. L’atténuation représente la capacité de l’agriculture à réduire ses émissions alors que le stockage du carbone constitue une solution pour éviter l’accroissement du CO₂ dans l’atmosphère.

 

a. Atténuation des émissions de gaz à effet de serre

Les émissions diffuses du secteur agricole sont principalement liées au méthane CH₄ et au protoxyde d’azote N₂O en provenance des élevages et des sols agricoles. Elles sont dues à l’activité de micro-organismes actifs en milieu anoxique, sans oxygène. Ces deux gaz représentent respectivement 12 % et 10 % du total des émissions nationales. L’incertitude associée à ces chiffres est grande du fait de la variabilité de ces émissions et de la difficulté de les mesurer sur les animaux et au champ.

La meilleure efficacité de la fertilisation azotée d’origine minérale et organique a permis de diminuer les quantités apportées aux cultures et aux prairies ce qui entraine une réduction de l’émission calculée de N₂O.

L’ensemble des secteurs à l’exception des transports contribue à la réduction des émissions depuis 1990. Avec 38 % de réduction l’industrie apporte la plus forte contribution quantitative à la réduction des émissions nationales.

Évolution des émissions de GES en France par secteur entre 1990 et 2014

Source : CITEPA

 

Environ les trois quart des émissions de GES (CO₂ et N₂O) liées à la production de blé a pour origine la fertilisation azotée. C’est pourquoi le raisonnement plus précis de l’azote est un levier très fort pour améliorer le bilan environnemental. Les autres émissions de GES sont dues au carburant consommé par les travaux des champs et la fabrication des autres intrants.

 

L’exemple de la production de blé montre que le supplément de rendement obtenu avec un apport de 170 kg d’azote N entraine une augmentation de 11 t de CO₂ fixé dans la plante entière par rapport à une culture non fertilisé. L’utilisation d’engrais azoté augmente la production de grain mais proportionnellement aussi la quantité de résidus de récolte (racines, chaumes, paille) qui peuvent être laissés au sol. La formation d’humus à partir de ces résidus permet le stockage de carbone dans les sols sur une durée allant jusqu’à un siècle en climat tempéré.

 

CO2 fixé par 1 hectare de blé

Synthèse d'essais plein champs - YARA, Allemagne

 

La production européenne consomme du gaz naturel pour produire les engrais azotés. Elle a amélioré la performance énergétique de ses usines et réduit de 60% ses émissions de gaz à effet de serre CO₂ et N₂O dans ses usines depuis 1990. En particulier l’émission de N₂O au stade de la production d’acide nitrique a été réduite de 90% grâce à de nouveaux procédés de catalyse réduisant ce N₂O en N₂ neutre pour l’atmosphère qui en est constitué.

L’utilisation d’engrais azotés peut être évaluée en termes de gaz à effet de serre en équivalent CO₂. Les gaz à effet de serre émis (CO₂ et N₂O) sont calculés selon une analyse du cycle de vie, de la matière première jusqu’à l’épandage au champ. Ils comprennent les émissions liées à la production jusqu’à la sortie de l’usine et les émissions au champ liées principalement à l’émission des sols en N₂O au cours de la transformation de l’azote.

Engrais azoté	Énergie consommée	Gaz à effet de serre émis en équivalent CO2
	Sortie usine MJoules*/Kg N	Sortie usine** kg CO2e/kg N	Au champ kg CO2e/kg N	Total kg CO2e/kg N
Ammonitrate 33,5%	41,9	3,52	5,62	9,14
Ammonitrate 27%	43,6	3,70	5,18	8,88
Urée 46%	51,8	3,57	7,62	11,19
Solution azotée 30%	46,1	3,57	6,86	10,43
Composé 15-15-15	50,6	5,07	5,64	10,71

* 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.

 

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Bilan carbone des sites de production d’engrais et d’amendements

 

 

b. Stockage du carbone dans les sols

L’humus du sol, fraction la plus stable de la matière organique, contient environ 58% de carbone et 6% d’azote. Le stock de carbone organique dans les sols mondiaux représente plus de deux fois la quantité de carbone présente dans le CO₂ de l’atmosphère.

Une augmentation annuelle de 4 pour mille du stock de carbone situé entre 0 et 40 cm de profondeur suffirait à compenser les émissions de CO₂ liées aux activités humaines au plan mondial. Dans le cycle du carbone, le sol représente le plus grand réservoir (2 100 Pg ou milliards de tonnes) en interaction avec l'atmosphère. La végétation (650 Pg) et l'atmosphère (750 Pg) représentent des stocks plus faibles mais des flux plus importants. Les flux nets entre le carbone organique du sol et l'atmosphère peuvent être positifs (stockage) ou négatifs (émission de CO₂).

La fertilisation contribue à mieux nourrir les plantes et à fixer davantage de CO₂ par 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....
. Elle agit donc sur le flux d’entrée du carbone dans les sols. Si ce flux est plus important que le flux de sortie lié à la minéralisationminéralisationDéfinition: Transformation de la matière organique qui conduit à la formation de sels minéraux où les éléments fertilisants deviennent solubles et accessibles aux plantes....
des apports organiques et d’une partie de l’humus, il y a stockage net dans le sol. Il faut plusieurs années pour pouvoir mesurer une augmentation du stock qui est lente. Par contre le déstockage est plus rapide.

 

Évolutions du stock de carbone dans le sol associées aux changements d'usage des terres provoquant les stockages (0,5 tC/ha/an durant les 20 premières années) ou les déstockages (l tC/ha/an) extrêmes.
Source INRA, 2002, http://institut.inra.fr/Missions/Eclairer-les-decisions/Expertises/Toutes-les-actualites/Stocker-du-carbone-dans-les-sols-agricoles-de-France

Il faut aussi bien sûr éviter le déstockage qui est la conséquence de l’artificialisation des sols et du changement d’utilisation des terres : déforestation ou retournement de prairies. C’est pourquoi l’amélioration de la productivité doit être obtenue sur les sols actuellement cultivés pour préserver les espaces de prairies et de forêts qui contribuent également à la biodiversité.

En sols cultivés, on connait les pratiques favorables au stockage du carbone: retour des pailles au sol, couverts intermédiaires, enherbement entre rangs de vigne ou d’arbres fruitiers, agroforesterie, réduction de la fréquence du travail du sol… L’enjeu est de maintenir ces pratiques sur le long terme car le stockage de carbone est toujours réversible.

L’agriculture peut contribuer aux solutions permettant de limiter l’accroissement de la concentration en CO2 dans l’atmosphère en utilisant 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....
pour fixer le carbone.

 

L’initiative 4 pour mille de stockage du carbone dans les sols

 

 

Les charges véhiculées par les médias sont nombreuses. La fertilisation polluerait les rivières et les nappes phréatiques, favoriserait la prolifération des algues vertes ou encore accélérerait le réchauffement climatique et contribuerait aux pics de pollution de l’air par les particules fines.

 

On oublie que les engrais minéraux azotés contribuent à satisfaire la moitié des besoins alimentaires (48%) de la population mondiale (Erisman et al. 2008). Du fait de la rapide croissance démographique (9 milliards en 2050), il est nécessaire d’améliorer la production alimentaire grâce à l’utilisation raisonnée des engrais et amendements dont l’efficacité devra être maximale pour limiter leurs impacts sur l’eau, l’air et les espaces naturels.

Le temps de la réhabilitation semble venu.
L’opinion publique ignore trop souvent les bénéfices tirés de la fertilisation minérale et organique pour la sécurité alimentaire, la fertilité des sols et est peu informé des recherches et des développements en faveur de produits et de techniques plus respectueuses de l’environnement. L’amélioration des technologies de production des engrais combinée aux progrès constants de la fertilisation raisonnéefertilisation raisonnéeDéfinition: L'objectif de la fertilisation raisonnée est de satisfaire les besoins nutritionnels des plantes en complétant l'offre du sol en éléments minéraux dans des conditions économiquement rentables et dans le respect de l'environnement (COMIFER, 1995)....
incluant une meilleure gestion des effluents d’élevage ont permis ces dernières années une réduction significative des émissions dans l’air et les eaux.

D’autres voies de progrès sont attendues pour maximiser les bénéfices de la fertilisation et réduire ses impacts sur l’environnement. La recherche doit améliorer l’état de nos connaissances pour permettre un débat constructif. Car la fertilisation mérite qu’on reconnaisse mieux son rôle pour une agriculture durable répondant aux attentes de notre société !

 

Sécurité alimentaire

Fertilité des sols

Protection de l’eau et de l’air

Durabilité des ressources

Changement climatique