De l'eau au moulin

Published on 18 mars 2022 |

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Peut-on se passer des engrais azotés de synthèse ?

Par Gilles Billen, Josette Garnier (UMR Metis, Sorbonne-Université, CNRS), Julia Le Noë  (Département Geosciences, ENS, Paris Sciences Lettres)

De nombreux travaux récents montrent que, à surface agricole constante, il est possible d’assurer l’approvisionnement alimentaire de la France, de l’Europe et du monde sans engrais industriels azotés. Au prix cependant de profonds changements structurels, dont l’actualité en Ukraine vient souligner la pertinence.

L’hégémonie des engrais de synthèse

Toute l’histoire mondiale de l’agriculture peut se lire comme la quête de moyens pour assurer le maintien de la fertilité des sols. La fertilisation, que l’on peut définir comme la restitution au sol des éléments qui en ont été extraits et exportés par la récolte, est en effet à la base de toute activité agricole. Et l’azote compte parmi les éléments qu’il importe tout particulièrement de restituer au sol, car c’est celui dont la disponibilité est le plus souvent limitante pour la croissance des plantes. Mais si l’épandage des engrais azotés industriels est aujourd’hui le mode dominant de fertilisation en agriculture conventionnelle, il n’en a pas toujours été ainsi.

L’agriculture européenne du XIXe siècle assurait la fertilisation par le recours aux légumineuses fourragères, plantes telles que le trèfle ou la luzerne, qui ont la propriété de fixer l’azote de l’air grâce à la symbiose qu’elles entretiennent sur leurs racines avec des bactéries. Cet azote fixé dans leurs tissus est ensuite rendu disponible aux autres plantes de la rotation culturale, directement par la décomposition de leurs résidus racinaires et indirectement par les déjections des animaux nourris avec ces plantes fourragères.

Le système agricole dominant, alors, était celui de la polyculture-élevage. L’étroite connexion entre l’élevage des ruminants et les rotations culturales où les légumineuses occupaient, avec les céréales, une place de choix, assurait la fertilité des sols et, dans la plupart des cas, l’autonomie alimentaire des territoires.

En Amérique du Nord, avec la mise en culture de la Grande Prairie qui constituait le front pionnier de l’Empire Britannique au milieu du XIXe siècle, une agriculture minière s’est mise en place, exploitant l’énorme stock d’azote organique présent dans ces sols qui, pendant des millénaires, n’avaient connu que la prairie broutée par les bisons. Sans effort, les rendements étaient trois fois supérieurs à ceux de l’agriculture européenne, et l’Amérique du Nord exportait alors en masse ses céréales vers l’Angleterre engagée dans une transition industrielle rapide. Après quelques décennies de ce mode de culture, l’absence de restitution des nutriments a entraîné un appauvrissement des sols et une chute notable de rendement, provoquant une crise agricole majeure.

Il était reconnu alors, depuis les travaux de Liebig, que l’addition au sol d’azote minéral stimulait la production agricole, mais les rares ressources minières d’azote, le guano et le nitrate du Chili, importées par bateau, étaient par la force des choses encore réservées à l’industrie des colorants et des explosifs.

C’est dans ce contexte que Fritz Haber et Carl Bosch ont mis au point en 1913 le procédé industriel par lequel l’azote gazeux de l’atmosphère est combiné à l’hydrogène, sous forte pression et à haute température, pour produire de l’ammoniac, puis du nitrate. D’abord utilisé pour la fabrication des explosifs, l’azote Haber-Bosch sera utilisé massivement comme engrais en agriculture, en Amérique du Nord, en Angleterre, puis partout dans le monde après la Seconde Guerre mondiale, grâce à la mise en place de politiques agricoles publiques d’un volontarisme sans précédent dans l’histoire. L’agriculture est alors devenue totalement dépendante de l’industrie pour la fourniture de ses intrants (engrais, pesticides, graines).

Pourtant le recours aux engrais de synthèse pose de graves problèmes environnementaux : émissions de gaz à effet de serre tant lors de leur fabrication que de leur usage, pollution des aquifères, eutrophisation… Surtout, ce mode de fertilisation a abouti à une rupture totale de la complémentarité séculaire entre agriculture et élevage et a précipité une spécialisation territoriale extrême de l’agriculture avec des régions de grandes cultures céréalières dépourvues de bétail et des régions d’élevage intensif hors sol, tributaires d’importations pour nourrir leur cheptel.

Plusieurs auteurs (Smil, 2004 ; Erisman et al, 2012) ont calculé qu’aujourd’hui près de la moitié de l’humanité dépend pour son approvisionnement des engrais synthétiques Haber-Bosch. Les animateurs du site grand public Our World in Data en déduisent même : « Trois milliards et demi de personnes seraient mortes sans cette innovation » (voir ici) ! Une vision des choses un peu simpliste : l’agriculture aurait pu évoluer tout à fait autrement !

Les leviers d’un scénario agroécologique sans engrais industriels

Plutôt que d’imaginer comment l’Histoire aurait pu suivre une autre trajectoire si la recherche agronomique ne s’était pas exclusivement inscrite, depuis le début du XXe siècle, dans le dogme de la prééminence des engrais industriels, nous avons réfléchi à la faisabilité biogéochimique d’un scénario futur qui s’en passerait totalement. En 2050, la France pourrait compter soixante-quinze millions d’habitants, l’Europe 540 millions et le Monde pourrait avoir atteint onze milliards d’habitants avant une stabilisation générale de la population. La question est donc de savoir s’il serait possible de nourrir la France, l’Europe, le Monde à l’horizon 2050, sans recours aux engrais azotés de synthèse et sans déforestation, en se basant exclusivement sur les leviers qu’offre l’agroécologie.  

Le premier de ces leviers demande de réinventer les systèmes de culture. L’agriculture biologique donne l’exemple de systèmes dans lesquels l’apport d’azote est exclusivement assuré par l’alternance de légumineuses et de céréales dans des rotations longues et diversifiées. Un inventaire de ces rotations et de leurs performances a été dressé pour les différentes conditions pédoclimatiques rencontrées en Europe, et le niveau d’apport d’azote à l’ensemble de la rotation qui peut en être attendu a été évalué (Billen et al, 2021). En Europe tempérée, des rotations longues alternant trèfle ou luzerne, blé, orge et légumineuses graines sont le plus souvent mises en place. Sous climat méditerranéen, les rotations sont plus courtes, avec des légumineuses comme le pois chiche et parfois des vesces en engrais vert. Dans les pays nordiques, la rotation consiste le plus souvent dans l’alternance d’une prairie temporaire pâturée pendant plusieurs années, avec des cultures de céréales ou de pommes de terre. Le fait remarquable est que, même si les rendements céréaliers obtenus par ces rotations biologiques sont généralement plus faibles d’un tiers par rapport à ceux de l’agriculture conventionnelle, la production totale en protéines, intégrée sur l’ensemble de la rotation, y est la même, à niveau de fertilisation équivalent. Il n’y a donc pas de déficit intrinsèque de productivité en agriculture biologique : simplement, le panier de production y est différent, et la gestion de la fertilisation généralement moins intensive. Les scénarios agroécologiques que nous avons étudiés généralisent ce type de système de culture, en utilisant, dans chaque région les rotations céréales-légumineuses (graines et fourragères) éprouvées dans les conditions locales. Les pesticides sont bannis.

Le second levier est celui de la reconnexion.

Il s’agit de rétablir une complémentarité entre systèmes de culture et élevage. Si les légumineuses, surtout fourragères, apportent l’essentiel de l’azote aux sols arables, leur valorisation ne peut se faire que pour l‘alimentation locale du bétail. Nos scénarios prévoient donc le retour du bétail dans les régions actuellement spécialisées en grande culture, dans lesquelles une surface minimale en prairies permanentes est restaurée. En revanche, la densité de cheptel est fortement réduite dans les zones actuellement occupées par l’élevage industriel hors sol. Les ruminants, mieux capables que les monogastriques de se nourrir d’herbe, sont privilégiés dans ce scénario, malgré les émissions de méthane qu’ils engendrent inévitablement. L’épandage local des déjections animales sur les terres cultivées contribue à leur fertilisation.

La reconnexion concerne aussi la production agricole et la consommation alimentaire. Bien que ce scénario n’exclue pas le transport inter-régional de biens alimentaires  ‒ par exemple vers les zones très peuplées qui ne peuvent se suffire à elles-mêmes  ‒ la concordance entre la production et la consommation locale est recherchée. Notre scénario prévoit également le bouclage des cycles de nutriments par la valorisation d’une part significative des excreta humains comme fertilisants agricoles, notamment grâce à la séparation à la source de l’urine, valorisant ainsi 70% de l’azote des rejets urbains.

Le troisième levier concerne le régime alimentaire humain, et tout particulièrement la place qu’y occupent les produits animaux. Cette question est au centre de vives controverses, qui recouvrent aussi bien des dimensions éthiques que de santé publique et de protection de l’environnement. Pour des raisons d’impact environnemental comme de santé, plusieurs groupes scientifiques, à l’instar du Groupe de Barsac1 et de l’association Solagro, préconisent une réduction de moitié de la consommation de protéines animales dans les pays occidentaux, pour réduire à 25-35% leur part dans la ration protéique totale, elle-même fixée entre 4 et 5 kilogrammes d’azote contenu par personne et par an conformément aux recommandations de l’OMS et des diététiciens. Ce régime est équitable au sens où il peut être partagé par tous les habitants de la planète, contrairement aux régimes hyper carnés et lactés qui caractérisent aujourd’hui les pays d’Europe et d’Amérique du Nord (Billen et al., 2015).

La méthode de comptabilité biogéochimique GRAFS2 a permis de montrer quantitativement que l’action combinée des trois leviers que nous venons de décrire peut aboutir à des scénarios agroécologiques permettant d’approvisionner la France et l’Europe sans aucun recours aux engrais azotés de synthèse. 

Pour la France (Billen et al, 2018, 2019), le scénario prévoit une diminution de 20% de la production agricole en termes de protéines végétales. Le cheptel, réduit de moitié, suffirait à couvrir les besoins en viande et lait d’une population de soixante-quinze millions d’habitants demitariens3.

La France pourrait encore exporter près de 40% des céréales exportées actuellement, tout en renonçant aux importations de soja d’Amérique latine destiné à l’alimentation du bétail. Avec les mêmes hypothèses, l’Europe atteindrait l’autonomie alimentaire (Billen et al, 2021). Dans les deux cas, les émissions de gaz à effet de serre par l’agriculture, et la pollution des eaux se trouveraient considérablement réduites (Garnier et al., 2019, 2021). La généralisation à l’échelle mondiale de tels scénarios montre que la réduction de la part des protéines animales dans notre régime alimentaire est le facteur principal qui détermine la possibilité biophysique de nourrir la population mondiale, plus que l’accroissement des rendements et des surfaces agricoles (Erb et al, 2015 ; Billen et al, 2015).

Conclusion

L’approche biogéochimique que nous avons déployée à des échelles spatio-temporelles imbriquées permet de définir le champ des possibles. Une agriculture qui, à surface agricole constante, assurerait l’approvisionnement alimentaire européen sans engrais industriels en fait clairement partie. Le principal obstacle à la réalisation d’un tel scénario réside en réalité dans des verrouillages sociotechniques et politiques qui contraignent aujourd’hui l’agriculture conventionnelle, et empêchent d’envisager des options durables. Ainsi, justifier une course à l’intensification agricole par l’accroissement prévu de la population mondiale relève d’une vision marchande de l’agriculture.

Promouvoir la souveraineté alimentaire, par des méthodes agroécologiques en rupture avec celles de l’agriculture industrielle est une option bien plus prometteuse, mais elle implique de sortir du paradigme de l’hégémonie des engrais de synthèse. La biogéochimie montre qu’il est possible de « Nourrir le Monde » et de sauvegarder la qualité de l’environnement et sa biodiversité sans recours à l’azote Haber-Bosch.

La flambée actuelle du prix des engrais de synthèse, indexé sur celui du gaz, et le bouleversement de l’approvisionnement en céréales lié à la guerre en Ukraine, rendent plus pertinente encore cette orientation stratégique de long terme  ‒ rompant avec l’intégration toujours plus grande dans des marchés mondiaux dont apparaît la très grande vulnérabilité.

Toutes les références bibliographiques de l’article sont consultables ici 



 

  1. www.nine-esf.org
  2. GRAFS ou Generalized Representation of Agro-Food Systems, voir Le Noë et al, 2017
  3. Le régime demitarien est un régime alimentaire dans lequel la part des protéines animales est de l’ordre de 25 à 30%, soit la moitié de celle couramment consommée dans les pays occidentaux.

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9 Responses to Peut-on se passer des engrais azotés de synthèse ?

  1. André HEITZ says:

    Une autre équipe impliquant des chercheurs de l’INRAE et de Bordeaux Sciences Agro a trouvé qu’au niveau mondial (avec une agriculture qui utilise probablement moins d’azote minéral en moyenne que l’Europe, le maximum atteignable était de 60 %. C’est ce chiffre qui a été (sur-)médiatisé alors que les auteurs avaient avancé plus prudemment une fourchette de 40-60% d’agriculture biologique, donc sans azote de synthèse.
    C’était déjà au prix d’hypothèses ébouriffantes.
    Ces Kriegsspiel sur tableur qui partent de la conclusion souhaitée et font chauffer le micro-processeur jusqu’à trouver la recette magique polluent le débat, quand ils ne mènent pas à des désastres prévisibles comme “Farm2Fork”.
    Quand deux équipes, gravitant dans la même mouvance idéologique, trouvent des résultats aussi dissemblables (avec pour l’une d’elle un écart mini-max de 50%), on doit s’interroger sur la pertinence des travaux.
    Il faut aussi contester la vision “idyllique” de l’ancienne polyculture-élevage:
    “Le système agricole dominant, alors, était celui de la polyculture-élevage. L’étroite connexion entre l’élevage des ruminants et les rotations culturales où les légumineuses occupaient, avec les céréales, une place de choix, assurait la fertilité des sols et, dans la plupart des cas, l’autonomie alimentaire des territoires.”
    Au tournant du XIXe au XXe siècle, beaucoup de sols français étaient épuisés (c’est notamment Jean Boulaine qui l’a écrit quelque part, mais je ne retrouve pas les sources. La France nourrissait bien sa population… dix mois sur douze. Elle s’approvisionnait en blé de la mer Noire et de l’Algérie pour le complément. Certaines régions et d’autres pays ont tenté de résoudre l’équation de l’autonomie alimentaire par… l’émigration.
    C’est peut-être de l’histoire ancienne, mais il y a des illusions qui polluent les travaux actuels.
    Et “Celui qui ne connaît pas l’histoire est condamné à la revivre.” Karl Marx

    • Gilles Billen, Josette Garnier et Julia Le Noë says:

      Ce qui “pollue le débat” ce sont plutôt les invectives gratuites, telles que celles qui consistent à qualifier de “Kriegsspiel sur tableur” les travaux qui tentent d’explorer la faisabilité à grande échelle des alternatives à l’agriculture industrielle, dont les dysfonctionnements environnementaux sont aujourd’hui criants. Outre un recyclage efficient des nutriments, la clé du fonctionnement de ces systèmes alternatifs sans engrais de synthèse réside dans l’apport d’azote par la fixation symbiotique, dont l’estimation précise fait encore l‘objet, il est vrai, de beaucoup de controverses, notamment avec l’équipe de Bordeaux ou d’autres scientifiques. Les chiffres sur lesquels nous nous appuyons sont issus d’une revue extensive de la littérature technique sur les systèmes d’agriculture biologique ou organique en application dans l’ensemble de l’Europe et du monde (Billen et al, 2021).

      Notre démarche, si elle insiste sur la nécessaire reconnexion de l’agriculture et de l’élevage, ne prône pas pour autant un retour idéalisé à la polyculture-élevage du XIXe siècle. L’agro-écologie est le produit de recherches agronomiques modernes même si elles vont à contre-courant des travaux qui ont conduit à l’hégémonie du modèle de l’agriculture spécialisée, industrielle et chimique.

      Enfin nous pensons que le “désastre prévisible” n’est pas celui auquel mènerait la stratégie Farm2Fork de la Commission Européenne. Celle-ci tente au contraire, tant bien que mal après des décennies d’intensification agricole, d’enrayer la contamination des eaux, de limiter l’effondrement de la biodiversité et d’atténuer les émissions de gaz à effet de serre.

  2. l'utopiste says:

    Trés bon article.
    Merci Claude Aubert ( mon vieil ami !) pour ta vision globale du problème ( qui ne date pas d’hier !).
    En tant qu’agriculteur ( et non exploiteur ) bio depuis plus d’un demi siècle, je peux observer et montrer “in vivo” ce que donne cette pratique sans aucun engrais azoté acheté .Notre petite ferme continue et nous n’avons eu aucun problème pour trouver des repreneurs ! nous avons même installé un nouveau paysan et sommes le seul village du pays à avoir augmenté le nombre d’acteurs agricoles ,agriculteur, paysan et je me répète , non exploitant . Là réside toute l’explication de nos problèmes actuels et leur possibilité de résorption ……mais cela dérange beaucoup de “gros sous”!!!!! ( cf. le film actuellement sur les écrans )

  3. j-marie bouquery says:

    Le Système Agroalimentaire Mondial – selon G. Ghersi et J-L Rastoin

  4. Héra Rude says:

    Bonjour,
    La fixation de N2 peut aussi être effectuée par les bactéries diazotrophes.
    Ces bactéries consomment des oses et, en surface ou sub-surface, fixent de l’azote en consommant des oses (cellulose surtout).
    Tant qu’on fera digérer la cellulose par les bactéries de la panse de ruminants ou par du compostage en tas, on se privera d’une importante source d’azote.
    Mon expérience personnelle (sans mesures scientifiques mais que l’INRAE serait bien placé pour vérifier) me porte à penser que les diazotrophes peuvent même fixer de l’azote au-delà du rendement jadis indiqué à 5%. Je n’explique pas autrement mes récoltes de pommes de terre sans autre apport qu’un épais mulch.
    Pour peu que ce mulch soit maintenu constamment humide, les racines des pommes de terre y viennent et, certainement plus pour l’azote que pour le tourisme.
    Mon hypothèse mériterait vérification : “Si l’azote est continûment capté par une plante, les diazotrophes peuvent-ils en fixer tant qu’il reste des oses à consommer”.
    Si on peut se permettre un parallèle avec le fermentation alcoolique d’un moût sucré, les levures sont empoisonnées vers une teneur en alcool de 16%, mais iraient-elles plus loin si on retirait l’alcool en continu ?
    Jusqu’au plaisir de lire des scientifiques sur ce sujet,
    Héra Rude

  5. j- m bouquery says:

    Sans doute faudrait-il changer Homo d’abord….. Génétique à LT et produits de synthèse à CT,….
    sous Autocratie des Nations Unies.
    Transition dynamique un peu délicate d’équilibre alimentaire: réduire beaucoup la chimie chez nous et l’augmenter un peu en PVD.
    Juste un rappel aux modélisateurs: le SAaM n’est pas un aquarium, mais pas oublier l’océan et l’aquaculture.

    • yann says:

      Merci pour votre commentaire, cependant pourriez-vous l’expliciter, les signes que vous employez ne rendent pas sa compréhension aisée. Merci 🙂

  6. Claude Aubert says:

    Je me réjouis évidemment de cet excellent article, dont je partage totalement le contenu. J’y ajouterai un commentaire sur la responsabilité de l’azote de synthèse dans la multiplication des traitements pesticides. Dans les années 1970, lorsque je faisais des conférences sur l’agriculture biologique dans les écoles d’agronomie, rares étaient les professeurs qui venaient m’écouter. J’étais invité par les étudiants – mai 1968 était passé par là et comme il état devenu interdit d’interdire, la direction de l’école laissait faire, n’osant pas interdire la venue de cet hurluberlu qui prétendait qu’on pouvait faire une agriculture moderne sans azote de synthèse. Un jour, un des rares professeurs présents me dit : « je suis d’accord avec vous pour réduire l’utilisation des pesticides, mais les engrais sont les aliments des plantes. Vous mélangez deux choses qui n’ont rien à voir ». Or il s’avère que l’azote de synthèse, qui a permis des apports massifs de cet élément, est un des principaux facteurs de la multiplication des maladies et des ravageurs, donc des pesticides. D’abord parce qu’il est à l’origine de la spécialisation des régions de grande culture dans quelques productions, avec disparition des haies et des bosquets, laissant le champ libre aux ravageurs, et faisant disparaître leurs ennemis naturels (insectes, oiseaux et autres). Ensuite parce qu’il enrichit les feuilles des plantes cultivées en azote non protéique (nitrates et acides aminés), aliments essentiels pour de nombreux insectes, qui de ce fait se multiplient en très grand nombre, enfin parce que les plantes suralimentées en azote ont une alimentation déséquilibrée qui perturbe leur système immunitaire, et donc diminue leur capacité à se défende contre leurs ennemis. Inutile donc d’espérer faire une agriculture sans pesticides si on ne réduit pas très fortement les apports d’azote de synthèse..
    Claude Aubert, agronome, auteur du livre « Les apprentis sorciers de l’azote »

    • Gilles Billen says:

      Merci pour ce commentaire qui souligne bien le caractère systémique de l’approche agro-écologique. Il ne s’agit pas d’agir sur l’un ou l’autre des “facteurs de production”, mais bien de repenser structurellement l’ensemble du système-agro-alimentaire dans ses dimensions biophysiques et sociales. Mais ce court article n’avait pas tant d’ambitions…

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