Les Conséquences de la Fertilisation sur la Biodiversité : Un Équilibre Fragile

L'agriculture moderne, depuis les révolutions agricoles du XXe siècle, a connu une augmentation considérable des rendements et de la production agricole mondiale grâce à l'apparition des engrais de synthèse, couplée à l'évolution des pratiques agricoles, à la génétique et à l'utilisation des produits phytosanitaires. En 2022, 109 millions de tonnes d’azote (N), 44 millions de tonnes de phosphore (P) et 35 millions de tonnes de potassium (K) ont été appliquées sur les terres agricoles, soit six fois plus qu’en 1961. Cependant, cette dépendance aux engrais, qu'ils soient minéraux ou organiques, soulève des préoccupations majeures quant à leurs impacts sur la biodiversité et l'environnement.

L'Histoire et les Types d'Engrais : Une Évolution Constante

L'utilisation des engrais remonte à 8 000 ans, les premiers agriculteurs ayant déjà recours au fumier pour améliorer les rendements. Jusqu'au XIXe siècle, le guano était une source d'azote primordiale. L'avènement des engrais synthétiques au cours du XIXe siècle, et surtout au début du XXe siècle grâce à Fritz Haber qui parvint à combiner l’azote atmosphérique et l’hydrogène pour fournir de l’ammoniac, a marqué un tournant. Après la Seconde Guerre mondiale, la conversion des usines d'explosifs en usines d'engrais a généralisé leur usage massif, entraînant une multiplication par six de leur consommation mondiale depuis 1960.

Il est essentiel de distinguer les deux formes d'intrants agricoles que sont les engrais (ou fertilisants) et les amendements. Les engrais nourrissent directement la plante pour répondre à ses besoins en minéraux avec un effet immédiat ou à court terme, nécessitant un apport régulier. Les amendements, en revanche, améliorent la fertilité du sol en agissant sur sa structure (rétention d'eau, circulation de l'air, perméabilité, pH) avec un effet long terme. Ces deux formes d'intrants peuvent être d'origine minérale (fabriqués industriellement, comme l'urée ou l'ammonitrate) ou organique (issus de matières naturelles animales ou végétales, comme le compost ou le fumier). L'agriculture biologique, par principe, n'utilise pas d'engrais de synthèse.

Les engrais, qu'ils soient minéraux ou organiques, fournissent des nutriments essentiels aux plantes pour leur croissance et leur développement, notamment l'azote (N), le phosphore (P) et le potassium (K), souvent complétés par des oligo-éléments comme le fer, le magnésium, le cuivre, le zinc ou le soufre. L'azote favorise la croissance des feuilles et des tiges, étant un constituant de la chlorophylle et nécessaire à la synthèse des enzymes et hormones. Le phosphore est crucial pour le développement des racines et la floraison, tandis que le potassium joue un rôle dans la régulation de l'eau, la résistance aux maladies et la synthèse des protéines.

Impacts Écologiques des Engrais Chimiques sur la Biodiversité

Altération de la Biodiversité Microbienne des Sols

La biodiversité microbienne des sols, qui désigne l’ensemble des micro-organismes qui y résident, est particulièrement sensible aux pratiques de fertilisation. Un gramme de sol peut héberger jusqu’à un milliard de bactéries, des milliers d’espèces différentes, ainsi que des spores fongiques, des nématodes ou des acariens.

Lorsqu’ils sont appliqués de manière massive, les engrais chimiques altèrent l’abondance des micro-organismes du sol. Une étude menée en Chine en 2021 (publiée dans la revue Nature Communications) a montré que des apports élevés d’azote tendent à favoriser certaines bactéries dites "opportunistes" au détriment d’espèces plus spécialisées. En conséquence, la diversité génétique des sols pourrait s’appauvrir progressivement.

Acidification des Sols et Ses Répercussions

La surutilisation d’engrais comme les nitrates d’ammonium acidifie les sols, ce qui constitue une menace majeure pour certains micro-organismes sensibles aux variations de pH. Par exemple, des champignons symbiotiques comme les mycorhizes, qui aident les plantes à capter le phosphore, voient leur activité diminuer dans des sols acidifiés. Cette acidification peut également rendre les communautés du sol plus sensibles aux pratiques de gestion.

Déséquilibres dans le Cycle des Nutriments et Eutrophisation

Les apports massifs de nutriments comme l’azote ou le phosphore peuvent perturber les cycles biogéochimiques naturellement régulés par les micro-organismes. Le lessivage des engrais chimiques dans le sol peut entraîner la contamination des nappes phréatiques et des sources d'eau potable. Les nitrates et phosphates présents dans les engrais qui ne seraient pas absorbés par les végétaux vont se dissoudre dans l’eau et s’infiltrer dans les aquifères souterrains. Ces contaminants peuvent également atteindre les cours d’eau, les lacs et les océans lorsqu’ils sont emportés par les eaux de ruissellement.

Lorsque les nutriments issus des engrais, tels que l’azote et le phosphore, atteignent les milieux aquatiques, ils peuvent causer la prolifération des algues, conduisant ainsi à ce que l’on appelle des "efflorescences algales". Certaines de ces algues libèrent des toxines nocives pour les animaux et les humains qui entrent en contact avec l’eau. De plus, lorsqu’elles meurent et se décomposent, elles consomment une grande partie de l’oxygène dissous dans l’eau, provoquant des zones hypoxiques ou mortes où la faune marine ne peut pas survivre. Ce phénomène est nommé eutrophisation.

En France, par exemple, une manifestation de ce déséquilibre est la prolifération des algues vertes sur les littoraux bretons, la Bretagne étant particulièrement touchée par ce phénomène. Les algues vertes sont surtout présentes sur les côtes bretonnes et s’étendent en Centre-Atlantique et en Basse-Normandie. Du fait de courants importants dispersant les flux de nitrates, la Bretagne subit le phénomène des marées vertes dans les baies peu profondes et à faible renouvellement d’eau de mer. Le flux de phosphore total en mer a été en moyenne de 20 000 tonnes par an entre 1990 et 2017, avec une tendance à la baisse.

Les sargasses, des algues brunes des eaux tropicales, s’échouent épisodiquement de façon plus ou moins massive sur les côtes des Antilles et de la Guyane depuis 2011, avec une recrudescence depuis 2017. Bien que l'origine exacte soit toujours à l'étude, le réchauffement climatique, responsable de l'élévation de la température des eaux marines et influençant les courants, pourrait y contribuer.

Impact sur la Biomasse Végétale et les Communautés d'Espèces Sauvages

L'expansion de l'agriculture, notamment intensive, a des impacts majeurs sur la biomasse végétale et la composition des communautés d'espèces sauvages. Erb et al. (référence [1] dans les données fournies) estiment que les changements d’usage des terres opérés par les humains depuis le Néolithique ont réduit de moitié (environ 450 Gigatonnes de Carbone (Gt C)) la biomasse totale des plantes terrestres.

L’agriculture intensive réduit la capacité d’accueil des parcelles cultivées pour les espèces sauvages de multiples manières : via la suppression physique des arbres et haies, l’érosion du sol, l’élimination des plantes messicoles, les traitements insecticides, antibiotiques ou antifongiques, le drainage des eaux de surface, la pollution ou salinisation éventuelle des sols, etc. Les forêts tropicales, par exemple, accueillent environ cinq fois plus d’oiseaux par hectare que les champs qui les remplacent. À l’échelle locale, la conversion de forêts tropicales en prés et champs cultivés réduit de 4/5e la capacité de charge locale de ces habitats pour les oiseaux. Une étude [11] a montré que l’abondance des insectes volants mesurée dans divers espaces protégés de régions agricoles d’Allemagne a chuté de plus 75% en 27 ans (entre 1989 et 2016).La transformation d’habitats pour l’agriculture, non seulement réduit généralement l’abondance des communautés biotiques locales, mais affecte aussi leur composition. Par exemple, la conversion de forêts en champs et pâturages remplace les communautés initiales forestières, dominées par des espèces spécialistes des forêts, par des communautés ‘agricoles’ dominées par des espèces spécialistes des prairies et autres milieux ouverts. De nombreux suivis de biodiversité soulignent la raréfaction des espèces spécialistes dans les sites étudiés, attribuée principalement à l’intensification de l’agriculture, à la pollution et au réchauffement climatique.Le déclin d’espèces spécialistes, en nombre d’individus, ne signifie pas leur disparition immédiate locale. À l’inverse, la colonisation par de nouvelles espèces généralistes d’un habitat transformé implique à la fois une augmentation en nombre d’espèces et d’individus (généralistes). Contrairement à leur index de spécialisation, la richesse spécifique des communautés locales ne peut constituer un bon indicateur de stabilité ou ‘qualité’ des habitats, notamment agricoles, puisqu’elle augmente ou diminue selon le degré de perturbation.

Impact sur le Nombre d'Espèces Locales et Mondiales

À l’échelle mondiale, le nombre total d’espèces dépend du taux d’apparition d’espèces nouvelles (par spéciation) et du taux d’extinction. La vitesse actuelle de transformation et fragmentation des habitats est telle que seules les espèces et populations les plus tolérantes à ces variations, et principalement les espèces abondantes à fort taux de multiplication, semblent susceptibles de se diversifier en réponse aux actuels changements globaux. Face au manque de connaissances sur la diversité mondiale des bactéries, archées, protistes, ‘algues’ et champignons, il est difficile d’estimer l’impact de l’agriculture sur le nombre total d’espèces dans ces vastes règnes du Vivant.

Les insectes, un ensemble très divers et abondant, comptent aujourd’hui entre 5 et 20 millions d’espèces. Sanchez-Bayo et Wyckhuys [10] estiment qu’environ 40% des espèces pourraient disparaître dans les prochaines décennies à l’échelle mondiale, sous la pression principale des changements d’usage des terres, de l’intensification agricole et du changement climatique, en interaction avec des facteurs biologiques (espèces pathogènes, espèces exotiques envahissantes, …).

Effets sur la Stabilité et le Fonctionnement des Écosystèmes

Perturbation des Réseaux Écologiques

Dans un écosystème peu anthropisé, les interactions entre espèces sont habituellement multiples, anciennes et diversifiées : relations trophiques entre prédateurs et proies ou entre espèces-hôtes et parasites, mais aussi relations de compétition pour les ressources, de facilitation ou d’entraide réciproque, entre espèces de niveaux trophiques variés.

L'utilisation intensive d'engrais minéraux perturbe les équilibres écosystémiques en favorisant les espèces à croissance rapide, telles que les céréales, au détriment d'autres. La perte de diversité végétale impacte indirectement les interactions trophiques au sein du sol, réduisant la complexité des écosystèmes souterrains mais également aériens en modifiant les communautés des insectes pollinisateurs (abeilles sauvages et syrphes), les insectes herbivores (criquets) et les insectes prédateurs (carabes et araignées).

Impact sur la Qualité de l'Air et le Climat

Le processus de production et d’utilisation des engrais chimiques génère également divers gaz à effet de serre, tels que le dioxyde de carbone (CO2), le protoxyde d’azote (N2O) et le méthane (CH4). Ces gaz contribuent au réchauffement de notre planète en piégeant la chaleur du soleil dans l’atmosphère, ce qui aggrave les problèmes liés au changement climatique. Les engrais représentent 5% des émissions de gaz à effet de serre dans le monde, soit autant que le secteur aérien.

La fabrication et l’épandage des engrais chimiques libèrent également des polluants atmosphériques nocifs tels que les particules fines (PM) et les oxydes d’azote (NOx). Une exposition prolongée à ces substances peut causer des problèmes respiratoires, cardiovasculaires et pulmonaires chez les êtres humains.

Solutions et Alternatives pour une Fertilisation Durable

Utilisation Responsable des Engrais

Pour minimiser les effets néfastes des engrais chimiques sur l’environnement et la pollution, il est crucial d’appliquer la bonne dose d’engrais pour éviter un surplus de nutriments dans le sol. Les agriculteurs doivent également choisir des engrais adaptés à leurs types de cultures et aux conditions du sol.

Promotion des Alternatives Naturelles et Écologiques

Des options plus respectueuses de l’environnement, telles que les engrais organiques issus de compost, fumier, etc., ou les légumineuses fixatrices d’azote (trèfle, luzerne, etc.), peuvent être envisagées pour remplacer les engrais chimiques. Les engrais organiques nourrissent directement certains micro-organismes en leur apportant du carbone, essentiel pour leur activité, stimulant ainsi les communautés microbiennes.

Adoption de Pratiques Agricoles Durables

L’adoption de méthodes culturales respectueuses de l’environnement telles que la rotation des cultures, le travail minimal du sol et l’agroforesterie contribue à préserver la qualité du sol, de l’eau et de l’air, tout en réduisant notre empreinte écologique. L'agriculture biologique, de par ses pratiques culturales, permet de contribuer à la lutte contre le réchauffement climatique d'une part en limitant les rejets polluants et d'autre part en stockant davantage de CO2 dans le sol.

Les émissions de gaz à effet de serre sont limitées grâce à la non-utilisation d’engrais azotés chimiques de synthèse, l’emploi d’engrais organique permettant de ne pas contribuer à l’émission de CO2 nécessaire pour la fabrication industrielle d’engrais chimiques de synthèse. De plus, la culture de plantes légumineuses permet la fixation biologique de l’azote dans le sol et réduit donc les émissions de protoxyde d’azote (N2O). Ces cultures contribuent non seulement à limiter les émissions de gaz à effet de serre mais servent aussi à améliorer la fertilité du sol. La séquestration du carbone est favorisée grâce à des rotations de cultures longues et limitant le nombre de labours, l'élevage en plein air sur des prairies permanentes et la protection des structures écologiques telles que les haies, les arbres et le maintien de bandes enherbées.

La Recherche Scientifique et les Innovations

Les chercheurs continuent de multiplier les études pour comprendre les interactions subtiles entre nutriments et micro-organismes, et de nombreuses innovations voient le jour. Un projet de thèse, par exemple, cherche à évaluer les impacts environnementaux (biodiversité, qualité des sols) et économiques (production agronomiques) de la fertilisation minérale des prairies humides de la Réserve Naturelle Nationale de l’Estuaire de Seine. Il met en place un dispositif de suivis in situ sur lequel deux types d’apport de fertilisation sont testés (N seul et mélange NPK) par comparaison à une modalité témoin (0 apport). Les effets recherchés concernent l’impact des intrants chimiques sur la composition et la structuration des communautés végétales, sur la composition et structure de la faune du sol (lombrics, arthropodes) et sur la quantité et la qualité du fourrage produit.

Ce projet souligne l'importance d'intégrer la variabilité spatiale des communautés végétales, de suivre la faune invertébrée par diverses méthodes (tri manuel de blocs de sol, biocénomètre pour les orthoptères) et de réaliser des caractérisations physico-chimiques du sol. De façon complémentaire, une expérimentation en conditions contrôlées (chambres bioclimatiques) permettra de tester l’effet de la fertilisation sur la croissance des plantes et leur dégradabilité en fonction de la présence ou non de faune du sol. Enfin, une analyse économique de la quantité et la qualité du fourrage produit permettra d'évaluer les pertes ou gains économiques des différentes modalités de fertilisation.

Préserver la biodiversité microbienne est crucial pour maintenir la fertilité des sols et relever les défis liés à la sécurité alimentaire et au changement climatique. Si les engrais jouent un rôle incontournable dans la production agricole moderne, leur usage doit être pensé de manière à préserver la complexité et la résilience microbienne des sols.

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