Une orge modifiée capable de fixer l'azote de l'air ?

Répliquer sur d'autres plantes cultivées le fonctionnement symbiotique entre les bactéries et les légumineuses, pour permettre à celles-ci de fixer l'azote de l'air, représente un Graal de l'ingénierie biologique. En modifiant simultanément des souches bactériennes et une lignée d'orge, une équipe de chercheurs d'Oxford aurait réussi à mettre en place une nouvelle symbiose de ce type, présentée dans un article publié dans PNAS Microbiology. L'orge a ainsi été modifiée pour produire de la rhizopine, une molécule impliquée dans les symbioses des légumineuses, tandis que la bactérie Azorhizobium caulinodans a vu sa sensibilité à cette molécule accrue. Les deux ont ensuite été associées. Si ces travaux restent très expérimentaux, l'association symbiotique créée semble fonctionner et manifeste, bien que faiblement, une activité de nitrogénase au niveau de nodules sur les racines de l'orge. Ils ne sont pas encore applicables au champ, mais représentent toutefois une vraie avancée dans la compréhension des mécanismes symbiotiques, issus de millénaires de coévolutions.

Source : PNAS Microbiology

Une comparaison d'outils d'aide à la décision pour la fertilisation azotée

Les agriculteurs disposent d'une large palette d'Outils d'aide à la décision (OAD) pour maîtriser la fertilisation azotée de leurs cultures et déterminer la dose à apporter pour maximiser leur marge tout en limitant la lixiviation. Dans un article publié en octobre 2021 dans la revue Agricultural Systems, des chercheurs étasuniens comparent l'efficacité de deux familles d'OAD : les « statiques », qui fournissent une recommandation indépendante des conditions météorologiques ou pédologiques ; les « dynamiques », supposés plus précis car ajustant leurs conseils selon ces paramètres. Leur travail, fondé sur la simulation de recommandations pour 4 200 parcelles de l'Illinois, montre cependant que les outils dynamiques ne sont pas plus performants sur le plan environnemental, et même moins efficaces d'un point de vue économique. Pour eux, le recours à des outils de plus en plus sophistiqués n'est donc pas nécessairement le gage d'une meilleure performance.

Source : Agricultural Systems

Développement de variétés de blés intégrant un gène d'inhibition de la nitrification de l'azote du sol

Une équipe internationale de chercheurs a réussi à identifier puis à implanter dans des variétés de blé, par des méthodes de sélection conventionnelle, un gène inhibiteur de la nitrification présent dans des graminées sauvages. Les résultats de ces travaux sont parus très récemment dans la revue PNAS.

Ce transfert de gène permet de réduire à la fois la consommation d'azote du blé et le processus de nitrification, responsable de l'émission de gaz à effet de serre. Cette amélioration a été obtenue tout en préservant les qualités protéiques et le niveau des rendements.

Source : PNAS

L'agriculture biologique peut-elle nourrir la planète avec les ressources azotées disponibles ?

Des études récentes considèrent que l'agriculture biologique (AB) pourrait nourrir la population mondiale en 2050. Toutefois, elles ne tiennent pas compte de la disponibilité des ressources en azote pour l'AB et surévaluent donc son potentiel de production. Dans un article publié en mai dans la revue Nature Food, des chercheurs étudient la possibilité d'une transition globale et massive vers l'agriculture biologique, en prenant en compte ce facteur limitant.

Les auteurs utilisent un modèle biophysique d'optimisation linéaire (GOANIM) qui maximise, pour chaque unité géographique, la production en AB étant donné la quantité d'azote organique disponible. 216 scénarios sont ensuite comparés à un scénario de référence dans lequel la production repose à 100 % sur l'agriculture conventionnelle. Ces scénarios diffèrent selon 6 critères : i) la part de la surface agricole dédiée à l'AB ; l'utilisation d'azote issu ii) des eaux usées et iii) d'exploitations d'élevage conventionnel ; iv) la reconception des systèmes d'élevage ; v) un changement de régime alimentaire ; vi) une réduction des pertes alimentaires.

Les résultats montrent qu'une conversion totale à l'AB diminuerait la production alimentaire de 36 % par rapport au scénario de référence, avec une forte variabilité selon les régions. Il serait donc impossible, selon les auteurs, de nourrir la population mondiale avec une agriculture 100 % biologique, même en réduisant complètement les pertes alimentaires. Cependant, il serait possible d'atteindre cet objectif avec 60 % d'AB si des changements étaient mis en œuvre à la fois du côté de la production (ex. : possibilité d'utiliser de l'azote issu d'élevages conventionnels ou d'eaux usées) et de la consommation (ex. : changement de régime alimentaire) (figure ci-dessous). Convertir 20 % de la surface agricole mondiale serait même possible sans modifier la demande ni la réglementation sur les sources d'azote autorisées en AB.

Possibilités de réalisation des différents scénarios 

Source : Nature Food

Lecture : chaque cellule représente un scénario (tous les scénarios ne sont pas représentés). Les chiffres dans chaque cellule indiquent la quantité moyenne d'azote nécessaire pour que la production biologique couvre la demande alimentaire mondiale (kgN/ha). Les scénarios sont classés selon quatre catégories : réalisable (vert foncé - production plus élevée que la demande), probablement réalisable (vert clair - production inférieure à la demande de moins de 5 %), probablement réalisable (orange - production inférieure à la demande de plus de 5 % mais de moins de 8 %) et irréalisable (rouge - production inférieure de plus de 8 % à la demande). Le scénario correspondant à une transition totale de l'agriculture vers l'AB est présenté dans la dernière ligne.

Les auteurs soulignent enfin l'importance de restructurer les systèmes d'élevage pour le développement de l'agriculture biologique. Selon eux, il faudrait notamment les réorienter vers des élevages ruminants et mieux les répartir sur le territoire pour favoriser le bouclage du cycle de l'azote. Ces observations contrastent avec les résultats d'autres études qui s'appuient sur une baisse drastique de la taille du cheptel, ignorant ainsi le rôle crucial de l'élevage comme source d'intrants pour l'AB.

Estelle Midler, Centre d'études et de prospective

Source : Nature Food

Reconnecter production végétale et animale pour la gestion de l'azote en France : les résultats du modèle bioéconomique SYNERGY

La spécialisation agricole a conduit à une déconnexion entre productions végétale et animale, avec des impacts en matière de bilan et de répartition des stocks et flux d'azote, sources de pollution des écosystèmes. À la recherche des possibilités d'une reconnexion et d'un rebouclage des cycles, une équipe de chercheurs d'INRAE a étudié deux solutions : i) l'augmentation des surfaces en légumineuses, pour réduire le besoin en azote minéral et contribuer à la production de protéines pour l'alimentation animale ; ii) les échanges locaux de produits végétaux et d'engrais organique (fumier, lisier) entre exploitations agricoles. Ces deux solutions ont été analysées à l'aide d'un modèle bioéconomique régional (SYNERGY), intégrant les dimensions économique et environnementale, et appliqué à l'Ouest de la France. Les résultats mettent au jour les limites significatives de ces solutions de rebouclage : dans le cas d'une augmentation de 10 % des surfaces en légumineuses, seulement 25 % d’entre elles serviraient à l'alimentation du bétail, car leur écoulement en tant que produits finaux est plus rentable. Les échanges d'engrais organiques tendraient à provoquer un rebond de la production animale, qui ferait plus que compenser l'économie d'engrais minéraux initialement permise.

Échanges d'engrais organique entre exploitations agricoles par département dans l'Ouest de la France dans (a) le scénario de référence et (b) le scénario LEG10 + MaC (superficie initiale de légumineuses de 10 %, échanges locaux de cultures et de fumier)

Source : Ecological Economics

Lecture : les cercles sont proportionnels à la superficie de chaque type d'exploitation agricole dans chaque département. Les flèches représentant les échanges de cultures sont proportionnelles à la valeur absolue du solde « achats - ventes ».

Source : Ecological Economics

Prospective et cycle de l'azote au niveau mondial

Un article publié dans Global Environmental Change s'intéresse à l'intégration de l'azote dans les exercices de prospective. L'azote est un élément nutritif essentiel pour la croissance des plantes. Cependant, en excès, ses différentes formes moléculaires (nitrate, ammoniac, oxyde nitreux, etc.) sont à l'origine de pollutions de différentes natures et à plusieurs échelles : acidification des sols, dégradation de la qualité des eaux de surface et souterraines, impacts sur la biodiversité, contribution au réchauffement global, etc. La pollution azotée ne cesse d'augmenter, en raison notamment de l'utilisation croissante des engrais minéraux, tirée par une demande alimentaire qui se poursuivra dans les décennies à venir (+60 % en 2050 par rapport à 2005). Son coût global est aujourd'hui estimé entre 0,2 et 2 % du PIB.

Les différentes formes de l'azote réactif se succèdent de façon dynamique, constituant le cycle de l'azote. Réduire une forme de pollution azotée en un lieu donné a donc des conséquences en cascade, qui sont autant de défis pour la cohérence et l'efficacité des politiques environnementales. Partant de ce constat, les auteurs plaident pour une prise en compte systémique du cycle de l'azote dans les exercices de prospective, en particulier dans les Shared Socioeconomic Pathways (SSP), un ensemble de 5 scénarios développés par la communauté scientifique pour servir de référence aux grands exercices internationaux de modélisations environnementales et climatiques.

L'intégration de nouvelles actions de réduction de l'azote dans le cadre des Shared Socioeconomic Pathways / Representative Concentration Pathways (RCP)

Source : Global Environmental Change

Sur la base d'une revue de littérature, ils proposent un ensemble cohérent d'indicateurs de l'azote et leurs hypothèses d'évolution aux horizons 2030 et 2050, intégrables dans les SSP. Le scénario le plus ambitieux ramènerait le surplus azoté à l'intérieur des limites planétaires (planet boundaries) à l'horizon 2050 : il combine une amélioration continue de l'efficience de son utilisation, une réduction de 30 % des excrétions par tête de bétail, un recyclage de 90 % des effluents, un déploiement généralisé des techniques de réduction de la pollution de l'air et un traitement de la quasi-totalité (99 %) des eaux usées. Le scénario le moins ambitieux suit, quant à lui, les tendances actuelles. Ce travail s'inscrit dans le cadre du projet Towards an International Nitrogen Management System (INMS) lancé par l'UNEP en 2017, qui devrait aboutir à la publication, en 2022, du premier International Nitrogen Assessment.

Julien Hardelin, Centre d'études et de prospective

Source : Global Environmental Change

En l'absence de molybdène, le vanadium peut servir de catalyseur à la nitrogénase en zone boréale

C'est ce qu'ont découvert des chercheurs d'Amérique du Nord en s'intéressant à la fixation de l'azote de l'air par les forêts boréales, via les symbioses avec des couverts cryptogamiques (cyanolichens notamment). Le molybdène, indispensable à la fixation de l'azote par les végétaux, peut être remplacé par le vanadium. S'élargissent donc les connaissances de la nitrogénase en milieu fortement contraint et ces résultats devraient permettre de réévaluer les modèles biogéochimiques, en particulier sur le cycle de l'azote.

Source : PNAS

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

Analyse du cycle de vie de la production de viande bovine aux États-Unis

Une estimation de l'empreinte environnementale de la production de viande bovine aux États-Unis a été publiée, dans le numéro de février 2019 d'Agricultural Systems, par des auteurs issus de l'USDA, de la National Cattlemen's Beef Association et de l'université de l'Arkansas. Alors que les défis sur le sujet sont nombreux, tant au niveau du marché intérieur qu'à l'exportation, les auteurs ont développé une méthode pour caractériser les systèmes de production et en évaluer les impacts environnementaux. Ils ont utilisé des données sur les caractéristiques et pratiques de 2 270 exploitations (enquêtes en ligne et visites de terrain), ainsi que des statistiques nationales. Ils ont également divisé le pays en sept régions, déterminées à partir des conditions climatiques et des pratiques d'élevage.

Découpage des États-Unis en sept régions, déterminé pour l'analyse de l'empreinte environnementale de la production de viande bovine

Source : Agricultural Systems

Dans un premier temps, les auteurs identifient 150 systèmes de production représentatifs à l'échelle nationale. Ils utilisent l'Integrated Farm System Model pour simuler, au niveau de l'exploitation et pour plusieurs années climatiques, la production d'aliments et leur consommation, la croissance et la performance des animaux, les cycles de nutriments. Une analyse de cycle de vie leur permet également d'évaluer, pour chaque système, l'utilisation des ressources et les émissions. La figure ci-dessous présente les résultats pour les trois principales phases de l'élevage bovin.

Contribution des trois principales phases d'élevage aux quatre catégories d'impact environnemental étudiées : émissions de gaz à effet de serre, utilisation d'énergie fossile et d'eau, pertes d'azote

Source : Agricultural Systems

Dans un deuxième temps, une empreinte environnementale moyenne est simulée par région, en incluant les animaux issus de la production laitière. Elle ne permet pas de mettre en évidence des tailles ou systèmes de production plus efficaces, car cette efficacité dépend de nombreux paramètres, comme par exemple, pour les émissions de N2O, le type de bâtiments, de sols, le régime des précipitations, la fertilisation azotée, etc. Enfin, les auteurs utilisent les valeurs régionales pour déterminer les impacts nationaux, à partir du nombre d'animaux par État (74 % provenant de trois régions – Northern et Southern Plains, Midwest). Ils estiment ainsi que, par kg équivalent carcasse produit, 21,3 kg de CO2équ sont émis, 155 g d'N sont perdus, 50 MJ d'énergie fossile et 2 034 L d'eau sont utilisés.

Les auteurs soulignent en conclusion que ces estimations représentent une base potentielle pour des évaluations de stratégies d'atténuation, et précisent que leurs travaux se poursuivent sur les phases suivantes (transformation, consommation, déchets, etc.), afin de fournir une analyse complète de l'impact environnemental de la viande bovine américaine.

Julia Gassie, Centre d'études et de prospective

Sylvain Maestracci, Conseiller agricole, Service économique de Washington, Ambassade de France aux États-Unis

Source : Agricultural Systems

Agroecosystem Diversity, Gilles Lemaire, Paulo César de Faccio Carvalho, Scott Kronberg, Sylvie Recous (eds.)

Si la modernisation des agricultures des pays industrialisés a permis d'accroître les rendements, elle s'est accompagnée de dégradations environnementales importantes, au point que la préservation des écosystèmes semble désormais passer par une réduction des volumes produits par hectare. Une telle option pourrait toutefois fragiliser la sécurité alimentaire mondiale. Dans un ouvrage rassemblant 28 contributions et intitulé Agro-Ecosystem Diversity, plusieurs chercheurs s'interrogent sur ce dilemme. Leurs réflexions reposent sur l'hypothèse selon laquelle les dégradations environnementales liées à l'agriculture résultent d’abord et avant tout de la simplification des agro-écosystèmes.

Les contributions sont organisées en six sections. La première est consacrée à l'analyse des cycles biogéochimiques et montre que ces derniers sont aujourd'hui largement dissociés. Les deux sections suivantes mettent en évidence les aménités générées par des agro-écosystèmes complexes : limitation de l'érosion, protection de la biodiversité, stockage du carbone, etc. La quatrième étudie les performances techniques de formes de production reposant sur des agro-écosystèmes complexes (agroforesterie, polyculture-élevage, agriculture biologique), et montre que celles-ci autorisent de hauts niveaux de production. Suivent plusieurs analyses socio-économiques relatives, notamment, aux leviers à mobiliser pour favoriser la diversification (paiements pour services environnementaux, prise en compte de l'incertitude, etc.). Enfin, la sixième section entend élargir la réflexion et prend en considération des éléments tels que l’alimentation, la gestion des ressources naturelles, l’histoire, etc.

Dans cette dernière partie figure une contribution basée sur la modélisation des systèmes agroalimentaires de 50 régions françaises et espagnoles, et des flux d'azote associés (voir à ce sujet un précédent billet sur ce blog). La situation actuelle montre d'importants déséquilibres, avec des régions excédentaires (zones d'élevage) et d'autres déficitaires (zones de cultures). Les auteurs imaginent ensuite un scénario alternatif, où prédominerait la polyculture-élevage biologique destinée à l'alimentation de la population locale. À condition de faire l'hypothèse d'une diminution des quantités de produits animaux consommées, un tel scénario apparaît envisageable. La question des modalités concrètes de mise en œuvre d'une telle transition n'est malheureusement toutefois pas abordée.

Flux d'azote associés aux systèmes agroalimentaires régionaux de la France et de l'Espagne selon deux scénarios

Source : ScienceDirect

Mickaël Hugonnet, Centre d'études et de prospective

Lien : ScienceDirect

Les flux d’azote et de phosphore, marqueurs des trajectoires socio-écologiques des systèmes de production agricole des régions françaises (1852-2014)

S’inscrivant dans la veine des travaux en écologie territoriale et publié dans le numéro d'octobre d'Agriculture, Ecosystems & Environment, cet article propose une lecture socio-écologique de l'agriculture française, à travers l’évolution des flux d'azote et de phosphore sur la période 1852-2014. L’approche du « métabolisme des territoires » consiste à caractériser, pour un espace donné, les relations entre activités humaines et processus naturels, à travers les flux de matière et d’énergie.

L’analyse s’appuie sur une modélisation biogéochimique des systèmes de production agricole (GRAFS), qui considère les échanges d'azote et de phosphore entre quatre compartiments : terres arables (dont prairies temporaires), prairies permanentes, cheptel animal et population. Grâce à des sources statistiques variées (Agreste, Insee, FAO, Gallica, SitraM, Unifa, etc.), ces flux, leur nature, leur provenance et leurs évolutions ont été estimés pour l'ensemble de la France, au niveau de 33 régions agricoles types, pour 22 dates entre 1852 (date des premiers apports d'engrais phosphatés) et 2014.

Les résultats obtenus mettent en évidence des performances environnementales variables selon les types de régions agricoles et leurs trajectoires d'intensification/spécialisation. Ils montrent aussi la dissociation progressive des systèmes de polyculture-élevage, dans les années 1960-90, avec le recours aux engrais chimiques, phénomène qualifié de « rift métabolique ». Dans la période plus récente, la baisse de la fertilisation chimique permet de diminuer les pertes en azote sur les terres arables et d'équilibrer les bilans phosphore. Cependant, selon les auteurs, la nature non renouvelable du phosphore importé, accumulé dans les sols, incite à envisager autrement la gestion de la fertilité à long terme : reconnexion de l'élevage avec les systèmes de culture, recyclage et valorisation des déchets urbains, etc.

Évolution, par type de système de production agricole en France, a) de la densité de cheptel, b) du rendement azoté des terres arables, c) des apports de fertilisants chimiques azotés, d) des bilans azotés des terres arables, e) des bilans phosphorés des terres arables

Source : Agriculture, Ecosystems & Environment

Claire Bernard-Mongin, Centre d'études et de prospective

Source : Agriculture, Ecosystems & Environment

L'augmentation des précipitations due au changement climatique risque d'aggraver la pollution azotée des cours d'eau

Bien que la pollution par les nitrates puisse être maîtrisée par de meilleures utilisation et gestion des terres cultivées, des chercheurs du Carnegie Institution for Science et de l'université de Princeton ont montré, dans une récente étude parue dans la revue Science, que ce sont surtout les changements de régime des précipitations qui contrôlent la quantité d'azote qui s'écoule des terres vers les cours d'eau. Les variations de ce régime induites par le changement climatique affecteront donc – toutes choses égales par ailleurs – le ruissellement de l'azote, augmentant ainsi le risque d'altération de la qualité de l'eau par eutrophisation.

Les auteurs ont exploité les projections de précipitations prévues par 21 modèles climatiques différents, détaillées spatialement à l'échelle hydrologique américaine à huit chiffres (dont l'unité correspond en France au « bassin versant »), sur des régions contiguës. Un scénario climatique de statu quo induirait une augmentation des précipitations totales et extrêmes, et conduirait à une amplification substantielle (en moyenne 19 %) de la charge totale d'azote fluvial aux États-Unis, en particulier dans le nord-est et la corn belt.

Changements prévus du flux d'azote total moyen dans les bassins hydrographiques continentaux des États-Unis pour le scénario climatique de statu quo

(A) Flux d'azote total pour la période historique (1976-2005), en moyenne sur 30 ans et 21 modèles.

(B et C) Variation projetée du flux d'azote total moyen dans un avenir proche (2031-2060) et dans un avenir lointain (2071-2100) par rapport à la période historique : en pointillés, les bassins hydrographiques présentant une variation marquée du flux d'azote total (plus de la moitié des modèles prévoient un changement important et plus de 80 % sont d'accord sur le signe de changement) ; en blanc, les bassins hydrographiques présentant des projections incohérentes (plus de la moitié des modèles présentent un changement important, mais moins de 80 % des modèles sont d'accord sur le signe de changement) ; en couleur sans pointillés, les bassins versants restants. Les contours noirs soulignent le bassin supérieur du Mississippi Atchafalaya et la région nord-est.

Source : Science

La compensation de l'augmentation de la quantité d'azote rejetée dans les cours d'eau représenterait un défi considérable, nécessitant la réduction de 33 % en moyenne des apports globaux d'azote (principalement les engrais dans l'agriculture). Les résultats de l'étude sont propres aux États-Unis, mais les scientifiques ont aussi identifié l'Inde, la Chine et l'Asie du Sud-Est comme étant des régions à haut risque d'augmentation importante de la pollution azotée, due aux changements des régimes de précipitations.

José Ramanantsoa, Centre d'études et de prospective

Source : Science