Des nanoparticules d'hydroxyapatite à vocation agricole synthétisées par biomimétisme

Des chercheurs indiens ont mis au point et démontré l’innocuité, pour les bactéries du sol, d'une nouvelle voie biologique de production de nanoparticules d'hydroxyapatite. Utilisant des bactéries (Bacillus licheniformis) capables de solubiliser le phosphore contenu dans des biomatériaux, elle permet de produire des solutions phosphorées directement assimilables par les plantes, limitant les pertes dans le sol.

Source : Nature

Rôle majeur des tropiques dans l'augmentation récente de la pollution azotée globale

Un article récent de Nature Communications est consacré à l'évolution à long terme des stocks et flux d'azote au niveau mondial, à l'aide de simulations effectuées avec le modèle global terre-biosphère LM3-TAN (Terrestrial and Aquatic Nitrogen). Prenant les bassins versants comme unité d'analyse, les chercheurs se sont notamment intéressés au rôle modulateur des stocks d'azote dans la dynamique des émissions. Selon leurs simulations, les régions tropicales sont aujourd'hui une source majeure des émissions mondiales d'azote réactif (56 % de la pollution globale), en dépit de flux entrants (ex. : engrais) plus limités qu'en zones extra-tropicales. Ceci s'explique par le relargage des stocks d'azote accumulés depuis plusieurs siècles, à cause du changement d'usage des sols (déforestation, expansion agricole) qu'ont connu récemment ces bassins versants tropicaux. En revanche, dans les autres régions, les sols constituent aujourd'hui des puits nets d'azote.

Indice de perte d'azote (Nitrogen Loss-Index, ratio entre flux sortants et flux entrants d'azote au niveau du sol) : a) évolution sur la période étudiée, b) moyenne et c) écart-type pour les 159 principaux bassins versants sur 1976-2005

Source : Nature Communications

Source : Nature Communications

Une note de l'Iddri sur l'artificialisation des sols

Alors qu'un récent rapport parlementaire s'est penché sur la question de la préservation du foncier agricole (voir à ce sujet un précédent billet sur ce blog), l'Iddri publie une note sur le phénomène d'artificialisation des sols (notamment agricoles et forestiers). L'auteure montre que si l'artificialisation ralentit légèrement depuis 2009, elle progresse plus rapidement que la population ou le produit intérieur brut (cf. figure ci-dessous) : en cause, un aménagement urbain qui privilégie l'étalement à la densification. Peu évalués, les instruments existants pour lutter contre l'artificialisation semblent inefficaces. En particulier, les dispositifs fiscaux incitatifs sont peu utilisés car optionnels et allant à l'encontre des intérêts des collectivités, qui cherchent avant tout à attirer habitants et entreprises sur leur territoire. Ce dernier point amène l'auteure à considérer que l'échelon local n'est pas pertinent pour traiter ce problème et la conduit à suggérer une approche régionale de la question.

Évolution des surfaces artificialisées, de la population et du PIB entre 2006 et 2015

Source : Iddri

Source : Iddri

83 % des sols agricoles européens contiennent des résidus de pesticides

Des chercheurs de l'université de Wageningen ont mesuré les résidus de 76 pesticides dans les sols de 11 États membres de l'Union européenne, pour 6 systèmes de production. Ils publient leurs résultats dans un article de la revue Science for the Total Environment mis en ligne en novembre.

Pour ce faire, ils ont utilisé 300 échantillons collectés dans dix pays lors de l'enquête LUCAS sur l'utilisation des terres (Eurostat), ainsi que 17 provenant d'exploitations viticoles portugaises. Les sols de six cultures, fortement consommatrices de pesticides et recouvrant des surfaces importantes, ont été analysés : céréales, cultures permanentes, tubercules (ex. betterave), cultures industrielles non permanentes, légumineuses à graine et fourrages, légumes. Des échantillons ont été prélevés pour chaque culture dans différentes régions et types de sols, et les résidus de 34 insecticides, 27 fongicides et 15 herbicides ont été mesurés, les produits étudiés étant actuellement autorisés ou interdits.

Nombre de résidus de pesticides dans les échantillons prélevés

Source : Science of the Total Environment

Les résultats montrent que seuls 17 % des sols agricoles européens ne contiennent aucun résidu de pesticide, tandis que 58 % d'entre eux ont au moins 2 molécules (figure ci-dessus). Les sols du sud de l'Europe présentent un nombre inférieur de résidus que ceux de l'est (figure ci-dessous). Le sud européen a également davantage de sols fortement contaminés (> 1 mg/kg) et de sols vierges de résidus.

Nombre de résidus de pesticides dans les sols agricoles (couche superficielle) de l'Union européenne

Source : Science of the Total Environment

De fortes différences existent également selon les cultures. Ainsi, tous les sols cultivés pour la production de tubercules sont contaminés par au moins un résidu de pesticide tandis que c'est le cas de seulement 38 % de ceux dédiés aux fourrages et aux légumineuses. Le glyphosate et ses métabolites, ainsi que certains fongicides à large spectre, sont les plus souvent présents et aux concentrations les plus élevées (jusqu'à 2,87 mg/kg).

La présence d'un mélange de résidus de pesticides dans le sol ressort ainsi comme la norme plutôt que l'exception, dans les sols étudiés. Les auteurs soulignent donc la nécessité d'harmoniser les politiques de protection au niveau européen. Celles-ci devraient permettre le suivi de cette contamination et établir une réglementation commune, basée sur des standards de qualité des sols. Pour eux, l'effet potentiel des mélanges de résidus devrait aussi être mieux étudié et pris en compte, lors de la délivrance des autorisations de mise sur le marché.

Estelle Midler, Centre d'études et de prospective

Source : Science of the Total Environment

Mesurer plus précisément la déforestation par le biais des images satellitaires

Une équipe de chercheurs a récemment développé un modèle d'analyse des images satellitaires permettant d'identifier plus précisément les causes de la régression du couvert forestier. Ces travaux ont été publiés dans Science en septembre.

Il est aujourd'hui possible de visualiser les changements d'usage des sols et la « disparition » des forêts. Le site Global Forest Watch proposé par le World Resource Institute, permet de voir les variations du couvert forestier entre différentes périodes, avec une couverture géographique détaillée. En revanche, il était difficile jusqu'alors de déterminer les raisons de cette disparition par le seul examen des images. En combinant l'analyse spatiale avec des éléments statistiques (démographie, incendies de forêt, développement économique, etc.), il est désormais possible d'en connaître la typologie : déforestation pour l'agriculture ou l'urbanisation, incendie, exploitation forestière, défrichement temporaire.

Principaux moteurs de la perte de couvert forestier entre 2001 et 2015

Source : Science

Ces développements permettent de mieux comprendre les écarts entre la réduction des surfaces observée par les satellites et les changements d'usage des sols déclarés par les pays. Ils devraient aussi faciliter le ciblage des actions menées pour limiter la déforestation.

Source : Science

Sols en danger : réduire l'artificialisation

Un numéro spécial de juillet 2018 de la revue Responsabilité et Environnement aborde sous de multiples facettes – scientifiques, économiques, juridiques, sociales – la question de l'artificialisation des sols en France. Après une première partie consacrée à l'état des lieux des sols et des connaissances (sources de dégradation, fertilité, évolution des usages, etc.), le numéro passe en revue les solutions, possibles ou déjà mises en œuvre, à la disposition des États, des collectivités locales et des acteurs privés : outils réglementaires et législatifs (planification, règles d'urbanisme, régulation des transactions foncières, etc.), incitations fiscales, modes de gouvernance locale, etc. Les questions spécifiques au secteur agricole y sont analysées en détail dans plusieurs articles, qu'il s'agisse de la fertilité des sols, de la préservation des terres agricoles en milieu périurbain ou des services écosystémiques (exemple : stockage de carbone).

Source : Responsabilité et Environnement

L'initiative 4 pour 1000 permettra-t-elle de stopper l'augmentation annuelle de CO2 dans l'atmosphère ?

Lancée par le ministère de l'Agriculture en 2015, l'initiative « 4 pour 1000 » promeut des pratiques agricoles permettant d'accroître le stock de carbone dans les sols, dans le but de stopper l’augmentation de la concentration de CO2 dans l’atmosphère liée aux activités humaines, et d'améliorer la sécurité alimentaire. Dans cette perspective, un article, écrit par des chercheurs britanniques et publié dans la revue Global Change Biology en février 2018, rapporte les résultats de 16 expériences agronomiques, sur trois types de sols du sud-est de l'Angleterre entre 1843 et 2013.

Pouvant contribuer à l'amélioration de ce stockage, cinq types de changements de pratiques ou d'usage des sols sont étudiés : l'utilisation de fumier de ferme, d'amendements organiques (type composts) ou d'engrais de synthèse, l'introduction de prairies dans les rotations et le reboisement. Presque deux tiers des résultats analysés montrent une augmentation du taux de carbone dans les sols supérieure à 4 ‰ par an (voir un exemple dans le tableau ci-dessous). Toutefois, une part importante de ces expériences ayant commencé avant l'introduction des designs expérimentaux modernes, il n'est pas toujours possible d'évaluer la significativité des changements observés.

Estimation de l'augmentation annuelle de la quantité de carbone organique dans la couche superficielle du sol (0-23 cm) sur les sites de Hoosfield et Broadbalk due à l'application de fumier de ferme (8 tonnes de matière sèche par hectare et par an)

Source : Global Change Biology

Malgré ces résultats plutôt positifs, les auteurs discutent les limites qui, selon eux, rendent peu probable l'atteinte du seuil théorique des 4 ‰ permettant de compenser les émissions de CO2 d'origine anthropique. Elles varient selon les régions du monde et incluent 1) la difficulté d'accès aux ressources (comme par exemple au fumier) du fait de la très forte spécialisation régionale des exploitations, 2) le taux d'adoption déjà élevé de certaines pratiques, 3) la faible profitabilité économique de certaines de ces pratiques, qui pourrait cependant être compensée par des subventions, 4) la faible désirabilité de pratiques qui peuvent menacer la sécurité alimentaire (conversion des cultures arables) ou l'environnement (impact des intrants azotés sur la qualité de l'eau), 5) une faible additionnalité environnementale car il s'agit plus souvent d'un transfert de carbone terrestre que d'une capture de CO2 atmosphérique, et 6) des effets contre-productifs, comme l'augmentation simultanée des émissions d'autres gaz à effet de serre comme le N2O. Les auteurs concluent cependant que promouvoir le stockage de carbone dans les sols est important pour améliorer leur fonctionnement, indépendamment de l'impact sur le changement climatique.

Estelle Midler, Centre d'études et de prospective

Source : Global Change Biology

L'OPECST publie trois « notes courtes scientifiques », dont une sur le stockage de carbone dans les sols

Le 22 mars, l'Office parlementaire d'évaluation des choix scientifiques et technologiques (OPECST) a publié ses trois premières « notes courtes scientifiques », portant sur les objets connectés, l'impression 3D et le stockage du carbone dans les sols. Traitant de sujets scientifiques ou technologiques d'actualité et résultant de diverses consultations (chercheurs, entreprises, etc.), elles visent une diffusion large et sont accompagnées de vidéos de présentation. S'inscrivant dans la continuité du rapport de 2015 de l'OPECST sur la biomasse et la bioéconomie, la note sur le stockage du carbone rappelle des éléments de contexte, notamment l'importance des sols, émetteurs et stockeurs de CO2, en lien avec les enjeux du réchauffement climatique et de la sécurité alimentaire. Elle fait ensuite état des connaissances scientifiques, et des incertitudes, quant au rôle de ce compartiment dans le stockage du carbone. Les perspectives politiques et de recherche sont également évoquées, et la note s'achève sur des recommandations : « poursuivre et amplifier, au niveau international, l'initiative ''4 pour 1 000'' », « construire une PAC incitative au stockage de carbone dans les sols », « se doter d'une stratégie nationale sur les sols ». À noter enfin que, parmi les prochains sujets annoncés, figurent la blockchain et les zones humides.

Sources : Assemblée nationale, Sénat

Les bactéries présentes dans des sols contenant des pesticides peuvent développer des résistances croisées aux antibiotiques

Publiée récemment dans la revue Microbial Pathogenesis, une étude menée par des chercheurs indiens met en évidence une corrélation entre exposition des bactéries telluriques aux pesticides et apparition de multi-résistances aux antibiotiques, et identifie les mécanismes en jeu. La présence de résidus de pesticides dans le sol peut entraîner une modification de la voie métabolique de la flore bactérienne endémique, en particulier des bactéries capables de métaboliser les pesticides pour leurs besoins énergétiques (pseudomonas, bacillus, arthrobacter par exemple).

Les travaux ont porté sur des échantillons de sols provenant de différents sites de la province de Nadil Talun, en Inde du Sud. Il s'agissait de sols agricoles traités, depuis 5 ou 10 ans selon les cas, avec des insecticides contenant du monochrotophos, principe actif interdit dans l'Union européenne et aux États-Unis, mais toujours utilisé dans plusieurs pays. Vingt-cinq bactéries ayant la capacité de dégrader ce pesticide ont été isolées, mises en culture, puis sélectionnées en fonction de leur tolérance à différentes concentrations du pesticide et de leur sensibilité à divers antibiotiques. Cette étape a révélé que des germes de type bacillus sont à la fois résistants au monochrotophos et à plusieurs antibiotiques courants.

Dans certains des lots de bacillus, l'isolement et l'inactivation du plasmide hébergeant le gène de résistance ont permis de distinguer les capacités bactériennes selon le degré d'activité de ce plasmide. Cette activité varie en fonction des conditions chimiques. De manière générale, il apparaît que l'enzyme de dégradation des pesticides peut se lier avec certains antibiotiques par un pont hydrogène, et former ainsi un composé inactif.

En conclusion, la persistance de pesticides dans le sol peut induire chez les bactéries telluriques une capacité de résistance de deux façons : soit par sélection naturelle, en lien avec l'exposition sur le long terme à des doses sub-létales, soit à la suite d'une mutation sur plusieurs gènes impliqués dans la dégradation des pesticides. Les auteurs signalent que depuis dix ans la résistance aux pesticides a très fortement augmenté, et les résistances croisées pourraient donc se développer. Cette expérience effectuée en laboratoire doit toutefois être suivie de recherches en milieu naturel.

Madeleine Lesage, Centre d'études et de prospective

Source : Microbial Pathogenesis

Le sélénium des sols sous l’influence des changements climatiques

Une publication récente dans PNAS tente de mieux comprendre les mécanismes qui régissent la distribution de sélénium dans les sols à l’échelle globale. En effet, la concentration de cet oligo-élément dans notre alimentation (céréales, légumes secs) dépend de celles dans les sols. Cette étude repose sur 33 421 mesures entre 1980 et 1999, provenant de jeux de données établis pour d’autres usages (data-mining). Elle montre qu’à un niveau global, la distribution de sélénium dans les sols est principalement associée à des variables climatiques (précipitations, indice d’aridité, évapotranspiration). Les chercheurs soumettent leur modèle de distribution au scénario RCP 6.0 du GIEC (à horizon 2080-2099), et concluent à un risque de perte de 8,7 % du sélénium pour 66 % des terres cultivées d'ici la fin du XXIe siècle.

Source : PNAS

Les sols. Intégrer leur multifonctionnalité pour une gestion durable, Antoine Bispo, Camille Guellier, Édith Martin, Jurgis Sapijanskas, Hélène Soubelet, Claire Chenu (coord.)

La fragilité et la préservation nécessaire des sols ont été mises en lumière par plusieurs initiatives internationales, comme le volet « 4 pour 1000 » du Plan d'Action Lima-Paris. C'est dans ce contexte que cet ouvrage collectif restitue et articule les principaux résultats de 22 projets lancés en 2008 et 2009, dans le cadre du programme de recherche finalisée et interdisciplinaire GESSOL. Ces projets contribuent à une meilleure compréhension des usages et des perceptions des sols (partie 1), ainsi qu'à celle de leur capacité à répondre aux enjeux de sécurité alimentaire, de climat, de biodiversité, de filtration et de régulation des contaminants (partie 2). Ils analysent également divers outils et démarches à l'appui des politiques publiques (partie 3).

L'usage agricole des sols figure en bonne place dans l'ouvrage, avec des approches variées. Par exemple, il documente l'intérêt croissant des agriculteurs pour les techniques alternatives d'entretien des sols, comme l'agriculture de conservation, en interrogeant les voies d'accompagnement des changements de pratiques. Il compare les modes de gestion de la vigne afin d'identifier ceux favorables à la biodiversité dans les sols, ainsi que les leviers pour limiter, à l'échelle du bassin versant, la contamination des eaux de ruissellement par les pesticides. Il étudie également le devenir de protéines insecticides dans les sols, afin de prévoir leurs effets à long terme et des stratégies de surveillance. À une autre échelle, il croise les littératures sur les besoins à venir en alimentation, biomasse énergétique et produits biosourcés, avec les modalités d'action permettant d'y répondre. Cette analyse permet ainsi d'asseoir le rôle essentiel des sols pour réussir les transformations nécessaires de nos systèmes productifs.

Plusieurs pistes méthodologiques sont ouvertes. Ainsi, l'un des projets présentés dans la dernière partie explore le potentiel de l'intégration, dans les analyses de cycle de vie, des impacts des activités agricoles sur la qualité des sols. Une méthode est proposée et testée sur la production en Bretagne d'un aliment pour porcs. Elle estime ainsi que, pour en produire une tonne, 102 kg de sol sont érodés, dont 47 % à l'étranger (incertitude estimée à environ 50 %).

Vanina Forget, Centre d'études et de prospective

Lien : Éditions Quæ

Méta-analyse des effets de l'augmentation de température sur l'activité de sols

S'appuyant sur 27 études englobant 9 biomes (vaste région biogéographique s’étendant sous un même climat), un collectif de chercheurs a regardé les effets d'un réchauffement « expérimental » sur la respiration des sols. Ils montrent que cette dernière augmente avec la température jusqu'à 25°C, puis le rythme de la respiration décroît pour des températures plus élevées (fonction gaussienne – hors déserts). Par ailleurs, ce travail montre peu de différences entre les contrôles et les parcelles soumises au réchauffement. Les auteurs concluent que l'exposition à une température plus élevée ne modifie pas l'activité des sols (preuve limitée d'acclimatation), hormis dans les déserts et les forêts boréales.

Source : Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America

Changement climatique et pertes de carbone par les sols français

La revue Scientific Reports a publié au mois de novembre dernier une estimation des pertes de carbone organique des sols en France à l'horizon 2100. Partant du constat que les principaux travaux disponibles se situent aux échelles mondiale ou européenne, cinq chercheurs ont réalisé des cartes avec un niveau de résolution de l'ordre de 250 mètres. Pour obtenir ce résultat, ils recourent :

- aux scénarios d'émissions de gaz à effet de serre du GIEC (B1, A1B, A2 – plus d'information disponible ici), avec une descente d'échelle permettant d'obtenir des informations sur la pluviométrie et la température à un niveau désagrégé pour la fin du XXIe siècle ;

- à un scénario business as usual pour les changements d'usages des sols, avec un focus sur cinq catégories (zones urbanisées, terres arables, prairies, forêts, vignobles/vergers) ; il repose sur les tendances observées entre 1990 et 2000 à partir de la base de données CORINE land cover.

Ils utilisent alors ces scénarios pour calculer l'évolution du carbone organique des sols français sur les trente premiers centimètres, à partir d'un modèle nécessitant des données d'entrée telles que le type de sols, les usages et pratiques ainsi que le climat.

À partir de cette méthode, les auteurs concluent que le changement climatique contribuera environ 10 fois plus aux pertes de carbone organique dans les sols que les changements d'usage des terres. Cette diminution serait comprise entre 774 et 1 221 millions de tonnes à l'horizon 2100, soit entre 20 et 30 % du stock de carbone de 1990. Dans l'absolu, la variation de stock est la plus importante dans les régions humides (Ouest, Sud-Ouest de la France et régions montagneuses). Côté changement d'usage des sols, les conversions de prairies et de forêts en cultures sont les plus grandes sources de pertes. La publication souligne également certaines limites. Par exemple, le rôle de stockage de carbone par la biomasse (production primaire nette) n'est pas pris en compte du fait de l'incertitude associée, ce qui conduirait à une surestimation des pertes.

Élise Delgoulet, Centre d'études et de prospective

Source : Scientific Reports

Publication de l'atlas régional de l'occupation des sols en France

L'atlas régional de l'occupation des sols en France, publié le 10 octobre dernier par le Commissariat général au développement durable, présente pour chaque région française, y compris en outre-mer, la structure de l'occupation des sols en 2012 et les dynamiques de son évolution sur la période 2006-2012 : artificialisation, terres agricoles, milieux naturels, forêts, etc.

Présentant les données géographiques du programme Copernicus (CORINE Land Cover et couches « haute résolution »), cet atlas constitue un outil d'analyse de la transformation des sols dans le temps. Ainsi, en dix ans, sur le territoire national qui reste majoritairement agricole (59 % de sa superficie), l'artificialisation des sols a progressé régulièrement, au détriment des terres agricoles (pour 87 % des surfaces nouvellement artificialisées).

Occupation des sols en 2012

Source : CGDD

Source : CGDD

Mieux prendre en compte les sols dans les modèles globaux de simulation des cultures

Examiner les incertitudes des données sur les sols et leurs conséquences sur la modélisation des cultures et la variabilité des rendements, tel est l'objectif de l'article publié dans Nature Communications en juin dernier. Sept chercheurs se sont associés pour estimer l'impact de l'allocation spatiale des différents types de sols. En effet, les auteurs soulignent que les modèles prennent actuellement en compte le sol dominant dans une maille donnée (0,5°x0,5°), et non l'ensemble des types de sols.

Le modèle global de simulation repose sur EPIC, et la base de données harmonisée des sols du monde a servi de source pour déterminer les types de sols présents dans une maille. La culture étudiée est le maïs. Les auteurs ont choisi de représenter 3 x 2 itinéraires techniques couplant l'irrigation (présence ou absence) avec trois niveaux d'application de fertilisants (absence, « business as usual », c'est-à-dire les taux de l'année 2000, et un niveau plus important). Pour chacun de ces scénarios, la variabilité inter-annuelle des rendements est estimée sur une période de dix ans, d'une part dans le cas où seul le sol dominant est pris en compte dans chaque cellule (CVdom), d'autre part dans le cas où tous les types de sols sont considérés (CVtot).

Au niveau des résultats, CVtot est supérieure à CVdom dans tous les scénarios, hormis dans le cas d'une agriculture irriguée et avec le plus fort des taux d'application de fertilisants, cas pour lequel cette différence est moindre, voire non significative. Cette étude montre également que les niveaux d'incertitude les plus importants sont dans les régions potentiellement les plus vulnérables au changement climatique. La figure ci-dessous montre le facteur dominant (climat ou sols) dans les variations de rendements estimées. Les auteurs notent qu'en intégrant des scénarios du GIEC (RCP 8,5), les impacts du changement climatique peuvent être positifs ou négatifs en fonction du type de sols dans certains cas extrêmes.

Mailles et facteurs dominant la variabilité des rendements Les auteurs représentent en bleu les cellules où le climat est le facteur dominant (CVdom/CVsoil> 30 %),en magenta celles où ce sont les sols (Cvsoil/Cvdom >30 %)

Source : Nature communications

In fine, les auteurs en appellent à une meilleure prise en compte des types de sols dans les travaux de modélisation des scénarios climatiques, ainsi qu'à une amélioration de la qualité des données disponibles.

Élise Delgoulet, Centre d'études et de prospective

Sources : Nature communications, IIASA