Fonctionnement et impact des engrais TPE
Les engrais, qu’ils soient minéraux ou organiques, apportent aux plantes des nutriments qu’elles ne trouvent pas dans le sol en quantité suffisante ; ils sont utilisés dans le but de leur offrir une croissance optimale. Dans les engrais, les éléments fertilisants dits « majeurs » sont l’azote N, le phosphore P et le potassium K. L’élément azote est nécessaire à la vie de nombreux organismes, car il est un composant essentiel des protéines. Principal constituant des protéines, composants essentiels de la matière vivante, l’azote joue un rôle primordial dans le métabolisme des plantes. Facteur de croissance, il intervient également comme facteur améliorant la qualité des produits.
Formes de l’azote dans le sol et fonctionnement des engrais azotés
Dans le sol, l’azote se trouve sous forme organique (humus) ou minérale (ammonium NH4+, nitrate NO3-). Les plantes, à l’exception des légumineuses (luzerne, trèfle, petit pois…), ne peuvent pas absorber l’azote sous sa forme gazeuse. L’azote doit donc être apporté par les fertilisants. Les bactéries présentes dans le sol le transforment en nitrates pour pouvoir être assimilé par les plantes ; c’est le processus de minéralisation. La minéralisation et la nitrification dépendent de nombreux facteurs, notamment l’humidité et la température du sol, sa teneur en argile et en calcaire et son activité biologique.
Si le diazote est extrêmement répandu, puisqu’il constitue 80 % de l’atmosphère, il est très peu réactif et peu d’êtres vivants peuvent l’assimiler directement : l’élément azote doit donc leur être fourni sous d’autres formes. À l’exception des légumineuses (haricot, pois, soja…) qui parviennent, grâce à un mécanisme de symbiose avec des micro-organismes, à fixer le diazote atmosphérique, la plupart des végétaux ne peuvent l’absorber que sous forme minérale prélevée par les racines.
Engrais azotés courants : ammonitrate, urée, ammoniac
Un des précurseurs nécessaires à la synthèse des engrais azotés est l’ammoniac, composé de formule NH3. L’ammoniac peut être utilisé comme engrais, sous la forme de gaz liquéfié sous pression injecté directement dans le sol. Si cette pratique est relativement fréquente aux États-Unis, elle n’est pas employée en France, où deux engrais azotés sont très couramment utilisés : le nitrate d’ammonium et l’urée. Ils sont tous deux synthétisés à partir d’ammoniac.
Le nitrate d’ammonium est un composé ionique de formule NH4NO3, formé du cation ammonium NH4+ et de l’anion nitrate NO3-. On obtient dans un premier temps une solution aqueuse concentrée de nitrate d’ammonium. Le terme ammonitrate est généralement employé pour désigner les engrais à base de nitrate d’ammonium : il s’agit de nitrate d’ammonium additionné à un composé neutre comme la craie ou le kieselguhr afin de le fixer et de ralentir sa dégradation. En France, l’ammonitrate représente 40 % des engrais utilisés. Le nitrate d’ammonium constitue une double source d’azote minéral, via l’ion ammonium et l’ion nitrate. L’ion nitrate NO3- présente l’avantage d’être directement assimilé par les plantes ; il est toutefois facilement entraîné en profondeur par les eaux de pluie en cas de fortes précipitations : on parle alors de lixiviation ou de lessivage.
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L’urée, de formule CO(NH2)2, est une molécule particulièrement riche en azote, puisque celui-ci y est présent à 46 % en masse. L’assimilation par la plante nécessite au préalable une hydrolyse de l’urée en ion ammonium et dioxyde de carbone CO2, catalysée par l’uréase, enzyme présente dans des bactéries du sol, suivie du processus de nitrification conduisant aux ions nitrates. 90 % de l’urée de synthèse est destinée à la formulation d’engrais.
Perte d’azote et efficience des apports (NUE)
L’azote est un facteur de risque important pour l’environnement dès lors qu’il se trouve en excès dans le sol. En effet, l’azote sous forme d’ions nitrate est un élément très soluble, peu retenu par les sols et non dégradable. L’azote doit donc être apporté, autant que possible, en quantité adaptée et juste avant son absorption par la plante, afin d’éviter ce lessivage. Son cycle est relativement complexe. La déposition atmosphérique étant négligeable, les entrées se font essentiellement par les apports minéraux et organiques.
Choisir une forme d’azote moins sensible à la volatilisation permet de réduire les pertes d’azote et, in fine, d'améliorer l'efficacité de l'apport. De plus, cela permet de réduire les émissions de GES. Enfin, grâce à ce genre d'indicateur, on peut contrôler l'efficacité de ses apports et prendre les décisions nécessaires pour améliorer l'efficience du système et de la fertilisation azotée tout en gérant sa consommation.
Indicateurs et modélisation : Syst’N et NUE
Pour cela, Yara a utilisé l'outil Syst’N, développé par l’INRA et par le RMT Fertilisation et Environnement. Ce simulateur est basé sur différents modèles pour permettre à l’utilisateur d’évaluer les fuites d’azote vers l’environnement à l’échelle du système de culture. L’indicateur utilisé correspond au NUE (Nitrogen Use Efficiency : un calcul développé par le groupe d’expert européen sur les enjeux liés à l’azote, le European Nitrogen Expert Panel). Le pourcentage correspond, de manière simplifiée, à la quantité d’azote apporté qui se retrouve dans le grain ou dans les pailles récoltées. Dans ces essais, les pailles sont laissées au sol, donc seul l’azote absorbé par les grains est prise en compte dans le calcul. De plus, on considère que l’efficacité des apports doit être au plus proche de 90%. Au-delà, les quantités apportées sont insuffisantes.
L’outil Syst’N permet de modéliser les pertes d’azote à l’échelle du système de culture. Cependant, il faut renseigner un certain nombre de données d’entrée : les conditions pédoclimatiques, les apports d’engrais, le travail du sol et la rotation en place. Le simulateur délivre ensuite un diagnostic pour la volatilisation, la dénitrification et le lessivage.
Ordres de grandeur des pertes
Les pertes liées à la volatilisation ammoniacale (émission de NH3) sont très importantes lors de l’utilisation de l’urée (38 kg N/ha/an environ) et de la solution azotée (28 kg N/ha/an). Enfin, les pertes liées au lessivage (lixiviation du NO3 entrainé en profondeur par l’eau) sont relativement similaires d’une forme à l’autre, avec 20 à 21 kg N/ha/an en moyenne.
Engrais organiques (PRO) : dynamique, valeur fertilisante et Keq
Un produit organique libère majoritairement son azote la première année : l’azote d’un produit organique est majoritairement libéré la 1ère année. L’azote ainsi mis à disposition de la culture réceptrice après l’apport est communément appelé « effet direct année 1». Cet effet est fonction du produit (teneur en azote minéral et type de composés azotés organiques plus ou moins rapidement dégradables), de l’espèce cultivée, de la période et des modalités d’épandage.
La méthode de référence s’appuie sur des indicateurs calculés à partir de mesures d’azote absorbé dans des essais au champ. Le Coefficient d’Equivalence azote (Keq) correspond à la quantité d’azote d’un engrais minéral (ammonitrate) qui a le même effet sur l’alimentation azotée des plantes que 1 kg d’azote apporté par le produit organique. L’estimation de ces coefficients provient d’essais conduits au champ. La mesure de l’azote absorbé après apport d’un produit organique reportée sur cette courbe d’absorption permet d’évaluer la dose d’engrais minéral qui induit la même absorption.
La synthèse récente de 25 essais, réalisée dans le cadre d’un projet mené de 2007 à 2011 a permis d’enrichir le référentiel des Keq pour les PRO. Ces essais sont répartis sur 15 sites conduits par ARVALIS et 8 organismes partenaires. La synthèse de ces essais a permis d’enrichir et/ou actualiser le référentiel des Keq diffusées en 2001. Les références issues de ce projet fournissent des valeurs plus élevées pour les fumiers de bovins compostés sur toutes cultures, les fumiers de porcs apportés au printemps sur maïs. Les valeurs moyennes et l’écart type de ces coefficients ont été calculés. Ils reflètent l’impact de la composition du type de PRO, du contexte pédoclimatique sur la minéralisation, et les risques de pertes par volatilisation et/ou lessivage.
Le coefficient Keq estime la valeur fertilisante azotée selon le produit épandu, la culture réceptrice et l’époque d’épandage. Par exemple, les valeurs mettent en évidence que les fumiers de volailles sont plus efficaces que ceux de bovins et de porcins. Il existe quelques limites à cette méthode : le référencement s’effectue pour les produits les plus courants, le nombre de références reste faible et provenant majoritairement de l’ouest, et les valeurs moyennes cachent une variabilité importante (conditions pédoclimatiques, vitesse de minéralisation, perte par volatilisation et/ou lessivage).
Classes de minéralisation et recommandations pratiques
Groupe 1 : PRO à minéralisation rapide : 30 à 80 % de l’azote organique apporté est minéralisé au cours des premiers mois voire des premières semaines après l’apport. Ils doivent donc être apportés peu de temps avant les périodes d’absorption des cultures pour être pleinement valorisés.
Groupe 2 : PRO à minéralisation intermédiaire : la plus grande partie de la minéralisation de l’azote organique se produit au cours de la campagne suivant l’apport et représente entre 20 et 40 % de l’azote organique apporté.
Groupe 3 : PRO à minéralisation lente : ils libèrent tout au plus 10 à 15 % de leur azote organique au cours de la première année suivant leur épandage. Ils incluent les composts à base de déchets verts ou les fumiers de bovins compostés et stockés au moins dix mois.
Certains de ces produits contiennent une proportion élevée d’azote ammoniacal. Les études récentes sur la volatilisation ammoniacale initiées sur les lisiers ont montré que les pertes pouvaient dépasser 60 % de l’azote ammoniacal apporté, en moins de 8 jours. La volatilisation dépend de nombreux autres paramètres (dose d’apport, conditions climatiques comme la température, le vent, l’état de surface du sol…). Pour limiter les pertes par volatilisation, les produits riches en azote ammoniacal doivent être incorporés au moment ou juste après leur apport lorsqu’ils sont réalisés avant l’implantation des cultures.
Pratiques culturales, non-travail du sol (ACS) et gestion des apports
Le non travail du sol et le maintien d’un sol couvert modifient fortement le fonctionnement physico-chimique et biologique du sol. En ACS (agriculture de conservation des sols : non travail du sol, sol toujours couvert et diversité des cultures), le sol stocke environ 1 tonne de carbone par ha et par an via la matière organique. Dans nos régions tempérées, les sols ont un C/N voisin de 10 ce qui signifie qu’en même temps que le carbone, le sol stocke de l’azote sous forme organique à raison d’environ 100 kg par ha et par an.
Le non travail du sol tend à concentrer en surface la matière organique qui, en se minéralisant, va libérer des éléments tels que le P, K, Mg, etc. Ainsi les jeunes radicelles se retrouvent automatiquement dans une zone enrichie naturellement en ces éléments mais aussi en activité biologique qui vont faciliter leur absorption. Il faut cependant être vigilant en phase de conversion car le mulch de surface n’est pas encore présent et donc il n’y aura pas cet environnement favorable aux racines : l’analyse de sol permet de vérifier la richesse du sol et corriger les carences si nécessaire.
Les apports d’azote doivent être précoces en ACS. Les apports en végétation doivent avoir lieu plus tôt qu’en conventionnel (d’environ 2 semaines). Cette pratique permet de combler la faible minéralisation de la matière organique. Pour mettre la plantule en conditions optimales, mieux vaut apporter de l’engrais starter au semis. La localisation de la fertilisation autour de la ligne de semis permet d’augmenter significativement la fertilité au niveau des racines des cultures sans avoir à augmenter les apports.
Exemples de pratiques d’exploitants
Un exploitant indique qu’il apporte un engrais starter de type 12-27-0-23 à la dose de 80 à 100 kg tombant dans la ligne de semis. Il anticipe les apports et fractionne moins, visant une pluie après chaque apport pour limiter au maximum les pertes par volatilisation. Le premier apport sur céréales a lieu début février avec 100 kg de sulfate d’ammoniaque pour apporter du soufre, complété ensuite par 2 apports d’azote liquide de 90 à 100 unités. Il termine ses apports début mars. Pour le maïs, l’azote (90 à 140 unités) est mis sur le couvert 2 semaines avant semis sous forme liquide ou l’urée est enfouie en détruisant le couvert afin d’éviter la volatilisation et favoriser le réchauffement du sol.
Un autre producteur épand du lisier épandu avant chaque semis et ensemencé de bactéries pour optimiser sa valeur fertilisante ; il l’épand juste avant une pluie pour limiter la volatilisation. Le lisier permet d’obtenir des plantules qui démarrent vite, améliorant ainsi le rendement en semis direct. Le fumier est mis avant maïs et du broyat de déchets verts est épandu en été pour nourrir le sol.
Phosphore, potassium et autres éléments : rôle et impacts
Les plantes absorbent principalement les ions phosphates sous la forme de H2PO4- et HPO42-. Principalement présent sous ces formes, le phosphore est moins soluble que l’azote. La concentration excessive de phosphore dans les eaux superficielles peut entraîner l’eutrophisation des rivières à débit lent, des lacs, des réservoirs et des zones côtières. Seules les zones d’élevage intensif de porcs et volailles connaissent des apports en phosphore total (minéral et organique) parfois trop importants par rapport aux besoins des cultures.
Au sein des plantes, le phosphore, prélevé dans l’environnement, est accumulé principalement sous forme de phytate. Les animaux d’élevage monogastriques ne peuvent utiliser le phytate sans phytase ; le phosphate leur est donc apporté sous forme inorganique ou en ajoutant une phytase dans leur alimentation. Outre l’azote, les PRO contiennent des quantités importantes de phosphore (P2O5) et de potassium (K2O). On considère que tout le potassium apporté par les PRO est immédiatement disponible. Pour le phosphore, tout n’est pas disponible la 1ère année.
Mesure des bilans et politiques publiques
À l’heure actuelle, il est possible de chiffrer et même de mesurer un certain nombre d’impacts environnementaux. La méthode OSPAR est utilisée pour comptabiliser les quantités d’azote et de phosphore qui transitent par l’agriculture. Les chercheurs d’Agroscope calculent chaque année le bilan intrants-extrants. Le solde du bilan, à savoir la différence entre les intrants et les extrants, est le plus souvent positif (= excédent). Il englobe les variations des réserves du sol ainsi que toutes les pertes (volatilisation de l’ammoniac, dénitrification, lessivage, ruissellement, érosion, etc.).
La trajectoire de réduction des éléments fertilisants vise à limiter les effets négatifs des pertes d’éléments fertilisants issues de l’agriculture sur l’environnement. Par exemple, d’ici 2030, la Suisse prévoit de réduire ses pertes d’azote de 15 % et celles de phosphore de 20 % par rapport à la période de référence (2014-2016). Des mesures et instruments sont définis pour réduire les pertes : modifications des bilans de fumure, contributions pour l’utilisation efficiente de l’azote, déclarations obligatoires des cessions d’engrais, et développement d’applications web pour le suivi.
Perspectives et points d’attention
La contribution d’un PRO à l’alimentation azotée d’une culture est quantifiée par les coefficients d’équivalence azote. Pour évaluer plus finement les effets azote à court terme d’un PRO, il est important de connaître non seulement les quantités d’azote qu’il contient mais aussi la dynamique de minéralisation. Les produits à effet azote rapide comme les lisiers de porcs, fientes et fumiers de volailles sont à apporter au plus près des besoins des cultures. L’apport se fera quelques semaines à quelques mois avant le semis pour les produits à effet azote plus lent comme les fumiers de bovins.
Enfin, dans un système ACS qui privilégie la vie biologique des sols, l’apport d’engrais sous forme organique est à privilégier quand la ressource est disponible. Nourrir le sol pour qu’il nourrisse la plante reste une approche souhaitable, même si le manque de nutrition à des moments clés de la vie de la plante peut impacter fortement le rendement. L’anticipation des apports et l’adaptation des formes d’azote utilisées, la localisation des apports et l’utilisation d’outils de diagnostic et de modélisation permettent d’optimiser l’efficience des fertilisations et de réduire les impacts environnementaux.
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