Ralentir l'érosion des terres pour enrayer la pénurie de phosphore

Un article publié par la revue Nature Communications s'intéresse à la disponibilité en phosphore au sein des cultures et systèmes agricoles. Par rapport aux études existantes sur ce sujet qui se concentrent, pour la plupart, sur les moyens d'augmenter l'offre ou de diminuer la demande, cette publication se penche sur un facteur relativement peu étudié, pourtant déterminant pour le solde de phosphore : l'érosion hydrique des sols. Une autre originalité de cette étude est d'évaluer cet impact de manière géographiquement différenciée (figure ci-dessous). Ainsi, les auteurs s'appuient sur plusieurs bases de données et modèles, précédemment mis en avant dans la littérature, pour évaluer les pertes de sol par érosion hydrique, d'une part, et leur contenu en phosphore d'autre part.

Pertes mondiales de phosphore liées à l'érosion des sols en kg par hectare et par an

Source : Nature Communications

Les données sur les pertes de phosphore ainsi obtenues et leur cartographie montrent que toutes les régions de production agricole, dans le monde, sont impactées par un solde négatif ou proche de zéro, à l'exception de l'Océanie et de l'Australie. D'après les soldes régionaux, l'Afrique est directement touchée, en raison d'une combinaison de l’érosion, induisant d'importantes pertes de phosphore, et de faibles apports de fertilisants. L'Amérique du Sud arrive à la deuxième place, en raison d'une érosion très élevée. L'Asie – et la Chine en particulier – est aussi fortement touchée par les pertes de phosphore liées à l'érosion, mais elles sont compensées par les importants apports de fertilisants (figure ci-dessous).

L'étude des flux conclut, au niveau mondial, à une dépendance critique des systèmes agricoles aux fertilisants chimiques pour combler les effets de l'érosion hydrique sur les pertes de phosphore. Dans un contexte d'augmentation de la demande de productions végétales pour répondre aux besoins agroalimentaires mondiaux, l'atténuation de l'érosion serait un levier déterminant de la lutte contre la pénurie de phosphore, surtout dans les régions avec peu ou pas d'apports futurs.

Chiffres clés pour le phosphore (kg par hectare et par an) dans une sélection de régions et pays

Source : Nature Communications

Lecture : « Organic P management » = somme des apports d'engrais et de résidus - absorptions par la plante ; « Total Soil P » = pertes totales de phosphore dans les sols dues à l'érosion hydrique ; « Erosion loss » : ratio des pertes de phosphore par érosion sur le solde total de phosphore excluant les fertilisants (solde - fertilisants chimiques) ; « Geographic Europe » : inclut les pays européens autrefois membres de l'Union soviétique ; « NEU11 » : pays européens ayant rejoint l'Union après 2004 ; « Balance » = apports atmosphériques + fertilisants chimiques + variable « Organic P management » + total des pertes de phosphore par érosion ; « Balance-Chem. Fert. » = solde hypothétique sans les apports de fertilisant chimique.

Marie-Hélène Schwoob, Centre d'études et de prospective

Source : Nature Communications

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

Utilisations du phosphore et lacunes des systèmes d’information

Le phosphore est un élément important des systèmes alimentaires mondialisés, et un enjeu de taille pour les Objectifs de développement durable des Nations unies. Une étude, publiée par des chercheurs suédois dans Ambio. A Journal of the Human Environment, a ouvert la « boîte noire » de sa chaîne d’approvisionnement, repérant des lacunes de connaissances à différents niveaux : réserves et ressources, pertes et gaspillages, prise en compte des externalités. Plus généralement, l’accès aux données semble encore difficile. Les auteurs avancent des pistes pour améliorer les systèmes d’information.

Source : Ambio. A Journal of the Human Environment

Vers une indépendance par rapport au phosphore minéral : quelles opportunités de recyclage ?

Le 9 avril a été publié dans Earth's Future un article sur le recyclage du phosphore, composant indispensable de certains engrais. La majorité des pays sont importateurs de phosphore d'origine minérale, ce qui pose des problèmes de dépendance mais également de durabilité : les stocks ne sont pas renouvelables, et il est rejeté dans l'environnement en bout de chaîne alimentaire (absorption par les plantes consommées à leur tour par les êtres humains et les animaux). Afin de mettre en évidence, pour les décideurs publics, les opportunités du développement du recyclage, les chercheurs ont mesuré la superposition des zones agricoles, consommatrices de phosphore, et des zones d'élevage et de concentration humaine, productrices de résidus organiques riches en cet élément. Il apparaît que l'Europe dispose d'un bon potentiel de recyclage, avec toutefois certaines zones, notamment au Nord, où les cultures sont isolées des zones « productrices », posant la question du coût de transport et de la logistique à mettre en œuvre.

Carte des superpositions entre zones de cultures et zones d’élevage (> 280 kgP/km² produits) en haut, et entre zones de cultures et de concentration humaine (> 58 hab/km²) en bas

Source : Earth's Future

Lecture : les zones en vert dépassent le 75e centile, respectivement en kg de phosphore rejeté par les activités d'élevage et en étendue des terres cultivées (en haut), et en densité de population et en étendue des terres cultivées (en bas)

Source : Earth's Future

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

Propositions pour une économie circulaire autour du phosphore

Prolongeant la 4e conférence Sustainable Phosphorus Summit, le journal Nutrient Cycling in Agroecosystems a publié un numéro spécial sur les approches intégrées et la gestion du phosphore. L'ensemble des articles offre un tour d'horizon des enjeux autour de ce nutriment indispensable pour les êtres vivants. L'éditorial met en perspective l'hétérogénéité des problèmes selon les régions et les stratégies adaptées pour tendre vers une économie circulaire. Alors que les nations les plus riches doivent gérer l'excès de phosphore dans les sols, les sédiments et les déchets, les pays les plus pauvres (ex : Afrique sub-saharienne) font face à un déficit dans les systèmes alimentaires. Quant aux pays émergents, l'évolution rapide de l'agriculture ne s'est pas accompagnée de réglementations adaptées à la protection de l'environnement, engendrant une accumulation de phosphore dans les sols et des pertes dans les eaux (illustration en Chine).

Économie circulaire et phosphore, les différentes composantes

Source : Nutrient Cycling in Agroecosystems

Parmi les articles, Rosemarin et Ekane discutent de la gouvernance du phosphore, indispensable pour assurer la disponibilité et l'accès à long terme à cet élément. Ils concluent sur la nécessité d'inclure l'ensemble des acteurs « de la mine à la fourchette », et proposent un plan d'action sous l'égide des Nations unies. Ce dernier reposerait sur la création d'un Global Phosphorus Facility, dont l'objectif serait de communiquer sur les risques encourus et les solutions disponibles, ainsi que d'établir des normes et des lignes directrices pour une gestion durable du phosphore.

Cette gestion durable passera notamment par une meilleure connaissance des principales ressources : les roches phosphatées. Les auteurs insistent en particulier sur la nécessité de disposer de données fiables, qui seraient établies par un organisme indépendant. Leur propos est illustré par la variation des estimations, par l'United States Geological Survey, des réserves allant de 16 à 60 milliards de tonnes pour les années 2010 et 2011.

Élise Delgoulet, Centre d'études et de prospective

Source : Nutrient Cycling in Agroecosystems

 

De nouveaux travaux sur la dépendance de l'agriculture au phosphore

Plusieurs articles scientifiques se sont récemment intéressés à l'utilisation du phosphore (P) en agriculture, et pointent l'importante dépendance du secteur à cette ressource minérale non renouvelable. Utilisé à 90% comme fertilisant agricole dans le monde, le phosphore est en effet extrait chaque année de 178,5 Mt de roches phosphatées dans quelques pays seulement (Maroc, Chine et États-Unis principalement).

Dans le premier article, la contribution du phosphore extrait des roches phosphatées, ci-dessous nommé phosphore anthropique, à la fertilité des sols agricoles a été évaluée au niveau français. L'équipe de chercheurs de l'Inra a combiné diverses bases de données et un modèle simulant les flux de P : ils ont montré que 82% du stock de P dans les sols agricoles français étaient d'origine anthropique en 2009. Cette proportion a considérablement augmenté entre 1948 et 1974 (+2,4% par an), en lien direct avec la forte hausse de l'utilisation des engrais minéraux dans la seconde moitié du XX^e siècle. Les auteurs soulignent que malgré la forte baisse de l'utilisation des fertilisants minéraux après 1975, la part de P d'origine anthropique dans les sols a continué à s'accroître. L'article révèle également que la majorité du P présent dans les sols agricoles l'est sous forme stable (762 kg P / ha en moyenne), et donc non accessible pour les plantes à court terme. Le stock de P « labile », directement disponible pour les plantes, représente 187 kg P / ha en moyenne. Les auteurs concluent que, pour les pays ayant une agriculture intensive telle qu'en France, la forte dépendance au P d'origine anthropique contribue à l'épuisement de la ressource et à accroître les risques d'eutrophisation des eaux.

Au niveau européen, d'autres chercheurs ont produit des cartes de concentration en phosphore des sols cultivés dans les différentes régions de l'UE (à partir des mesures de l'enquête LUCAS). Il en ressort qu'environ un tiers des sols ont une faible disponibilité en P, tandis qu'environ la moitié des sols a une forte disponibilité en P (en général, les zones où les rendements attendus sont les plus importants). Les différences peuvent toutefois être marquées au sein d'un même pays : c'est le cas de la France, où la disponibilité en P semble plus importante dans la moitié Nord que dans la moitié Sud. Il est par ailleurs estimé que les besoins annuels européens en P s'élèvent à 3,85 Mt, alors que la consommation en fertilisants minéraux n'est « que » de 2,36 Mt. Mais les auteurs expliquent que, compte tenu du fait qu'environ la moitié du P épandu en Europe provient des effluents d'élevage, le bilan est en réalité largement positif, avec même des zones d'excédents importants.

Carte de la concentration en phosphore des sols cultivés en Europe

(source : Toth et al., 2014. European Journal of Agronomy)

Face à ce constat, une équipe de chercheurs britanniques propose des pistes pour une gestion plus durable de la ressource au service de la production alimentaire. L'idée générale serait de cibler la fertilisation phosphorée davantage sur la plante et moins sur le sol, qui immobilise une grande partie du phosphore (dans le compartiment « stable »). Les quatre pistes de recherche identifiées sont les suivantes : 1) réduire la demande en P des plantes (en améliorant l'efficience d'utilisation, i.e. en diminuant le stockage de P dans les compartiments de la plante sans affecter sa croissance) ; 2) remobiliser le P déjà présent dans le sol (favoriser le transfert du P de la fraction « stable » vers la fraction « labile ») ; 3) recycler en remplaçant le P minéral par du P organique (valoriser davantage les effluents d'élevage, les digestats de méthanisation, les composts, etc., à condition d'en évaluer les impacts environnementaux) ; 4) faciliter l'accessibilité du P à la plante (améliorer la formulation des engrais phosphorés et les méthodes d'application pour limiter l'immobilisation du P dans le compartiment « stable » du sol).

Tous ces travaux font écho aux deux conférences internationales dédiées au phosphore début septembre à Montpellier (Phosphorus in Soils and Plants et Sustainable Phosphorus Summit), ainsi qu'à la volonté des agronomes de développer des méthodes et des travaux de recherche sur l'agronomie globale.

Noémie Schaller, Centre d'études et de prospective

Sources : Global Biogeochemical Cycles, European Journal of Agronomy, Environmental science and technology