L'azote en agriculture
Maria PAU VALL, Claude VIDAL (Eurostat)
Les substances nutritives telles que l'azote et le phosphore sont prélevées du sol par les plantes pour leur croissance et ont besoin d'être remplacées. Les engrais minéraux constituent la principale source d'azote dans les pays de l'UE, bien que les apports fournis par les effluents d'élevage restent importants, en particulier dans les régions à forte densité de bétail. Des excédents de substances azotées, écarts entre les apports et les exportations par les cultures, peuvent constituer une menace pour l'environnement, entraînant une pollution de l'eau, de l'air et du sol. Pour réduire la pollution actuelle et potentielle, il convient d'intégrer les aspects liés à l'environnement dans les politiques et les pratiques agricoles. Le calcul et le suivi de ces excédents azotés agricoles peut s'avérer un outil utile pour mettre en évidence les zones exposées à la pollution par les substances nutritives.
L'azote élément essentiel pour la croissance des cultures
En 1995, environ 43% de la superficie totale de l'Union européenne (EU 15) est occupée par des terres agricoles ce qui correspond à 138 millions d'hectares. La superficie agricole utilisée (SAU) totale a diminué dans l'Union européenne (EU 15) de 2,7% entre 1985 et 1995. Dans le même temps, la production agricole finale, en terme de volume, s'est accrue de 5%. Cette augmentation de la productivité est le fruit de plusieurs facteurs. En particulier des apports de substances nutritives sont nécessaires pour atteindre un rendement optimum des cultures et des approvisionnements en alimentation animale à meilleur marché, dont environ 30% sont importés de pays tiers.
Les sols fertiles sont riches en substances nutritives, éléments essentiels du métabolisme et de la croissance des plantes. Les cultures prélèvent dans le sol les substances nutritives dont elles ont besoin. A défaut de remplacement de ces substances, les sols risquent de s'appauvrir, avec pour conséquence une baisse des rendements des cultures et, par là même, de la rentabilité de l'exploitation elle-même. Par le passé, la rotation des cultures et les périodes régulières de jachère ainsi que l'épandage de fumier animal permettaient à la terre de retrouver une partie de sa fertilité. Aujourd'hui, la principale méthode pour restituer au sol ses substances nutritives et accroître les rendements des cultures consiste à appliquer des engrais minéraux. L'azote utilisé dans les engrais commerciaux est particulièrement soluble pour faciliter son assimilation par les plantes. Du fait de la simplicité de son stockage et de sa manipulation, il peut aisément être appliqué au moment où les plantes en ont le plus besoin. Les engrais minéraux constituent désormais la principale source de substances nutritives appliquée aux sols dans les pays de l'UE même si les apports de fumier/lisier animal restent importants, en particulier dans les régions à forte densité de cheptel. Néanmoins, le recours excessif aux substances nutritives peut représenter une menace pour l'environnement et, dans des cas extrêmes, pour la fertilité du sol lui-même.
Le danger pour l'environnement peut être minimisé si une fertilisation raisonnée est appliquée et si elle s'accompagne de pratiques agricoles "durables", telles que la rotation des cultures, la mise en place d'une couverture du sol et l'enfouissement des résidus de cultures. Une fertilisation raisonnée signifie l'application de fertilisants à la fois minéraux et organiques dans des conditions climatiques correctes (afin d'éviter le ruissellement), aux stades de croissance appropriés de la plante (ainsi les plantes assimilent l'azote rapidement) et à des doses correctes.
Dans l'"AGENDA 21 – LES 5 PREMIÈRES ANNÉES", il est stipulé que la réforme de la PAC de 1992 donne des pistes pour renverser la tendance en terme d'intensification, mais que des efforts supplémentaires doivent être faits pour mieux intégrer la dimension environnementale dans les politiques et les pratiques agricoles.
L'excès d'azote : un risque pour l'environnement
Les substances nutritives qui ne sont pas absorbées par les plantes peuvent être métabolisées par des micro-organismes du sol pour en améliorer sa fertilité. Il s'agit toutefois d'un processus long et qui comporte un risque majeur : les substances nutritives, en particulier les nitrates très solubles, peuvent ruisseler dans les eaux de surface ou s'écouler dans la nappe phréatique.
En outre, une partie de l'azote, provenant plus particulièrement des effluents d'élevage, se volatilise dans l'air sous forme d'ammoniac (qui participe à l'acidification, cf. article "Agriculture et acidification") ou de N2O (protoxyde d’azote, puissant gaz à effet de serre, cf. article "Agriculture et changement climatique"). Le phosphore, principalement présent sous forme de phosphate, n'est pas aussi soluble que l'azote. Il est en grande partie acheminé par les sédiments dans les eaux d'écoulement et se retrouve fréquemment dans les rivières et les ruisseaux.
Les concentrations excessives d'azote et de phosphore dans l'eau peuvent entraîner une eutrophisation des rivières à débit lent, des lacs, des réservoirs et des zones côtières. Ce phénomène se manifeste par une prolifération d'algues bleu-verte, une moindre infiltration de la lumière, la raréfaction de l'oxygène dans les eaux de surface, la disparition des invertébrés benthiques et la production de toxines nuisibles aux poissons, au bétail et aux humains.
Les sols sont également exposés au risque d'eutrophisation lorsque la quantité excessive de substances nutritives entraîne la raréfaction de l'oxygène dans le sol et empêche donc les micro-organismes naturels de fonctionner correctement. Ceci affecte alors la fertilité des sols. Les sols eutrophisés sont également à l'origine d'émission de N2O.
Les eaux souterraines sont principalement soumises à l'action des nitrates, qui, en concentration trop élevée, représentent un risque pour la santé. Les eaux souterraines fortement contaminées ne sont pas potables. L'industrie de l'eau doit donc supporter des coûts supplémentaires pour faire disparaître les nitrates des sources d'eau souterraine. La directive sur les nitrates (91/676/CEE) vise à protéger les eaux souterraines d'une contamination excessive par les nitrates et en particulier par les effluents d'élevage.(Encadré 1)
D'où provient l'azote ?
Pour l'ensemble de l'Union Européenne, les fertilisants minéraux constituent la principale source d'azote des surfaces agricoles, suivis de près par les effluents d'élevage. La situation varie cependant considérablement d'un Etat membre à l'autre. Par exemple, en 1995, les fertilisants azotés représentaient plus de la moitié de l'apport total d'azote au Danemark, en Allemagne, en Grèce, en France, au Luxembourg, en Finlande et en Suède. Au contraire, les effluents d'élevage aux Pays-Bas et en Belgique constituaient plus de 50% des apports azotés (Figure 1).
Il y a plusieurs autres sources (mineures) d'azote pour le sol, comme les dépôts d'azote et d'ammoniac atmosphériques, l'azote fixé biologiquement par les plantes (par les légumineuses par exemple) et les boues des stations d'épuration épandues sur les terres. Bien que l'importance de celles-ci varie d'un pays à l'autre, ces sources ne constituent en moyenne qu'un faible pourcentage des apports azotés si l'on compare avec les fertilisants minéraux et les effluents d'élevage.
Les boues d'épuration sont une source potentielle d'azote non prise en compte ici en raison du manque de données pour la plupart des pays européens. Elles sont collectées dans les stations d'épuration municipales et parfois répandues sur les terres agricoles. L'utilisation des boues d'épuration en agriculture est régie par la directive du Conseil 86/278/CEE de manière à éviter des effets nocifs sur les sols, la végétation, les animaux et l'homme, tout en encourageant leur utilisation correcte.
Les engrais minéraux : principale source d'azote pour l'agriculture
Au sein de l'UE, les engrais minéraux (commerciaux) sont appliqués sur les sols agricoles principalement sous forme d'engrais azoté simple (ammonitrate). L'azote contenu dans les engrais commerciaux est particulièrement soluble pour faciliter son assimilation par les cultures, ce qui l'expose toutefois au ruissellement après de fortes précipitations et au lessivage vers les eaux souterraines.
Depuis le début des années 1990, la consommation totale d'engrais azotés dépasse celle de la potasse et du phosphate réunis. La consommation d'engrais azoté est montée en flèche dans les années 1970 et au début des années 1980 (Figure 2). Cette évolution est à replacer dans le contexte de l'essor de la production agricole en Europe durant cette période, caractérisée par une forte augmentation de la production céréalière après l'introduction de cultures à haut rendement, un accroissement des cultures oléagineuses (par exemple tournesol et colza) et une intensification des cultures fourragères au détriment des prairies permanentes.
En examinant les données de plus près, on s'aperçoit que la plus forte diminution du taux d'application s'est produite entre 1989 et 1992 dans un contexte général de baisse de l'utilisation des engrais azotés entre 1985 et 1995, à la fois en termes de volume total et de kg par hectare. Depuis 1992 cependant, le taux, exprimé en termes de kg par hectare de terre agricole, a légèrement augmenté sans toutefois égaler son niveau de 1991.
Cette légère hausse récente peut s'expliquer par un certain nombre de faits. La surface agricole totale a diminué entre 1992 et 1995, mais la surface de certaines cultures avec des taux d'application élevés, tels que le blé et le colza, a augmenté durant cette même période. L'augmentation des taux d'application des fertilisants se reflète dans des rendements des cultures plus élevés. D'autres facteurs comme l'amélioration variétale et l'usage de pesticides influencent également le rendement. En prenant aussi en compte les prix des produits, ils conditionnent les décisions de l'exploitant sur les quantités de fertilisants à appliquer.
La consommation de phosphate n'a cessé de reculer depuis le début des années 1980 et était, en 1995, de 38% inférieure aux chiffres de 1980. Ceci traduit le recours croissant au sein de l'UE aux analyses de sols pour évaluer les besoins avant d'appliquer des phosphates, moins mobiles que l'azote.
Au sein des pays, l'usage des fertilisants varie d'une région à l'autre pour plusieurs raisons non seulement liées à des différences d'agencement des cultures entre ces zones. Quelques pays seulement réalisent des enquêtes régulières sur l'usage des fertilisants par culture et région (Encadré 2). Il n'est actuellement pas possible de présenter une répartition par région des apports de fertilisants sur les terres agricoles.
L'évolution de l'emploi des engrais minéraux est fonction d'un certain nombre de facteurs, en particulier des politiques que mènera l'UE dans les domaines de l'agriculture et de l'environnement. Les prévisions industrielles jusqu'en 2006/7 (EFMA 1994) montrent que les taux d'application d'engrais devraient diminuer au cours de cette période.
Parmi d'autres, les actions suivantes sont susceptibles d'influencer l'utilisation des substances nutritives dans les pays de l'UE :
Les effluents d'élevage : seconde source d'azote
Les effluents d'élevage arrivent en deuxième position dans les apports de substances nutritives aux terres agricoles. La teneur en substances nutritives des effluents varie d'un pays à l'autre et d'une région à l'autre au sein d'un même pays. Elle dépend du type d'élevage, des systèmes de pâturage et de la teneur en substances nutritives des différents fourrages et aliments utilisés pour le bétail.
Le calcul des apports d'azote par le fumier/lisier est estimé en multipliant le nombre de têtes des différents types de bétail par un coefficient de déjection spécifique au type et au pays concernés. Les mêmes coefficients s’appliquant pour toutes les années.(Tableau 1)
Dans la plupart des pays, la réduction du nombre de têtes depuis 1990 s'est traduite par une légère diminution dans la quantité d'effluents d'élevage disponible.(Figure 3)
Tout l'azote contenu dans les déjections animales n'est pas répandu sur les terres. Une partie se perd sous l'effet de la volatilisation de l'ammoniac dans les étables et au cours du stockage. Ce volume peut considérablement varier en fonction du type d'effluent et des installations de stockage. Dans ces calculs, la volatilisation dans les étables et pendant le stockage (estimée à 15 à 20% du total ) a été déduite, selon les informations fournies par les pays eux-mêmes. L'ammoniac contribue à l'acidification (cf. article "Agriculture et acidification") et pour cette raison certains pays ont mis en place des mesures pour réduire cette volatilisation. Ces mesures incluent l'injection des effluents dans le sol plutôt que leur épandage en surface. Le risque de volatilisation est alors moins grand mais plus d'azote dans le sol augmente le risque de lessivage.
Les Pays-Bas et la Belgique, ayant l'un comme l'autre une forte densité de cheptel, présentaient, en 1995, les apports d'azote par les effluents d'élevage les plus élevés, suivis par le Danemark, l'Irlande, le Luxembourg (Figure 4).
Cependant, des problèmes d'effluents d'élevage dans des pays où les chiffres sont bas, en particulier dans de grands pays comme la France, l'Espagne, l'Italie et le Royaume-Uni, où les activités agricoles peuvent grandement varier d'une région à l'autre.(carte 1)
En comparant la figure 3 et la carte 1, on observe que des chiffres nationaux d'effluents d'élevage par ha faible peuvent masquer le fait que certaines régions à une forte densité d'élevage possèdent des taux élevés d'engrais azotés. Par exemple, les niveaux d'apports d'effluents d'élevage en Galice sont 4 fois plus élevés que la moyenne nationale espagnole. La Bretagne a des taux trois fois plus importants que la moyenne française. La Lombardie atteint presque 3 fois la moyenne italienne et le Nord-Ouest de l'Angleterre deux fois la moyenne du Royaume-Uni. Ces 4 régions sont bien au dessus de 100 kg/ha.
Prélèvements d'azote par les sols agricoles
L'azote est répandu sur les terres agricoles parce qu'il constitue un facteur important de la croissance végétale et qu'il est absorbé par les cultures au cours de la période de croissance. La quantité d'azote absorbée par les cultures des terres arables est calculée en fonction de la surface ensemencée pour chaque culture, du rendement et de la teneur en azote (coefficient) de chacune des cultures récoltées. Les coefficients utilisés pour les prélèvements d'azote par les cultures des terres arables s'appliquent au grain ou à la partie récoltée. La paille est en général laissée sur place, enfouie ou utilisée comme substrat pour les effluents et donc répandue sur la terre à une date ultérieure en même temps que le fumier.
Les superficies en herbe posent un problème particulier car il est difficile de connaître le volume d'herbe récolté et/ou pâturé. Les statistiques relatives à l'herbe récoltée ne sont disponibles que pour un petit nombre de pays. Pour surmonter ce problème, d'autres estimations sont nécessaires, sur la base des calculs des besoins fourragers théoriques des animaux. Cette méthode tend à surestimer le prélèvement d'azote par l'herbe.
Selon ces estimations, l'herbe est la principale culture responsable de l'absorption d'azote par le sol dans l'ensemble des pays de l'UE. Elle représente plus de 50% des prélèvements d'azote dans 12 des 15 États membres. Le blé occupe la deuxième place pour le prélèvement d'azote dans la plupart des pays : 24% au Danemark, 18% en France et en Allemagne, 13% en Italie et 16% au Royaume-Uni de l'ensemble des prélèvements. L'orge compte pour 19% du total au Danemark et en Finlande, , 12% en Suède et 11% en Allemagne (Figure 5).
Bilan d'azote en agriculture : un indicateur permettant de mettre en évidence les zones menacées par la pollution azotée
A partir des informations sur les apports d'azote aux sols agricoles et les estimations des prélèvements d'azote par les cultures et l'herbe, un calcul des quantités d'azote excédentaire appliquées aux terres agricoles peut être établi. Cette méthode de calcul des excès azotés est connue sous le nom de "bilan d'azote à la surface" (Schéma 1). Le bilan à la surface peut être utilisé comme un indicateur mettant en évidence les zones potentiellement menacées par la pollution azotée. De plus, le suivi de l'évolution de ces surplus dans le temps (sur plusieurs années) peut être utilisé pour évaluer l'efficacité des mesures agri-environnementales et des mesures relatives à la directive nitrates.
Le calcul des excédents ne peut cependant pas être immédiatement interprété comme un indicateur des pertes d'azote dans l'eau. Le bilan entre les entrées et les sorties pour un système inclut toutes les pertes potentielles, ainsi que les variations de stock d'azote, principalement dans le sol. Les pertes potentielles d'azote suivent les voies suivants :
En outre, les relations entre le bilan des substances nutritives et les pertes dans l'eau diffèrent selon les systèmes agricoles. Ces relations sont affectées par l'intensité de l'utilisation des sols, par les pratiques de gestion des exploitations, par le type de sol et les conditions climatiques.
Une première tentative d'édification d'un bilan d'azote à la surface a eu lieu pour les pays de l'UE au niveau national (Figure 6). Quelques hypothèses simplificatrices ont été utilisées pour certains postes du bilan pour lesquels il n'existe pas de données. Ces postulats doivent permettre de se rapprocher le plus possible de la réalité. Néanmoins, l'objectif étant de définir les excédents structurels, une règle générale a été appliquée : en cas de forte incertitude sur certains postes, la solution adoptée est celle qui consiste à minimiser l'excédent.
Les excédents résultant de ces calculs doivent donc être considérés comme sous-évalués, ce qui devrait leur donner d’autant plus de crédit (Encadré 5)
Un bilan d'azote au niveau régional devrait fournir des indications plus pertinentes sur les excédents azotés et sur les régions où ces surplus sont localisés. Cependant, l'état actuel des données disponibles ne permet pas d'établir un bilan convaincant à ce niveau.
Le bilan "farm gate"
Une autre méthode de calcul des excédents azotés, connue sous le nom de bilan "farm gate" a été développée dans certains pays. Le bilan "farm gate" implique le suivi du total des entrées d'azote dans l''exploitation (fertilisants, aliments pour le bétail…) et du total des sorties d'azote sous forme de produits (grain, lait, viande, œufs…). On présume que la différence est restée sur les terres. Cette méthode est relativement simple à appliquer au niveau de l'exploitation, où l'exploitant à des connaissances précises sur ce qui rentre et sur ce qui sort de son exploitation.
Calculer un bilan de type "farm gate" au niveau national est plus compliqué. Cela nécessite l'enregistrement des totaux d'azote qui entrent et qui sortent du territoire, en distinguant si possible les importations et les exportations relatives au secteur agricole. Un schéma peut présenter les différents flux à considérer (Schéma 2).
Une des difficultés les plus ardues de cette méthode au niveau national est la grande quantité de données et de coefficients nécessaires pour calculer la quantité d'azote contenue dans les importations et les exportations, et ceci particulièrement pour les produits composés. Si les statistiques sur le commerce extérieur procurent des informations sur les tonnes de produits importés et exportés, convertir ceci en tonne d'azote s'est avéré très difficile. Un problème supplémentaire réside dans le fait qu'il est souvent difficile de définir pour certains produits (par exemple les céréales) si leur destination finale est la consommation humaine ou animale.
Plusieurs pays, le Danemark, les Pays-Bas, la Suède et le Royaume-Uni ont calculé des bilans "farm-gate" au niveau national, mais chacun a utilisé des sources différentes de données. L'encadré 6 présente un bilan simplifié pour les Pays-Bas, qui ont développé un bilan "farm-gate" très élaboré depuis ces 10 dernières années
En général, l'avantage des bilans nationaux de ce type est leur capacité à donner des indications sur les sources d'azote qui contribuent à l'excèdent d'azote.
Le principe de ces différents types de bilan azoté peut aussi être appliqué à d'autres nutriments, notamment au phosphore. Les bilans de phosphore sont calculés dans plusieurs pays, en particulier en Allemagne et aux Pays-Bas.(encadré 7)
Le calcul d'un bilan pour le phosphore est plus simple que celui d'un bilan azoté car il n'y a pas de fixation biologique, il n'y a pas de pertes sous forme gazeuse dans l'atmosphère et le phosphore est peu soluble dans l'eau. Il a cependant tendance à être stocké dans le sol, à moins qu'il ne soit emporté par ruissellement dans les rivières et les lacs.