L'azote (N2), élément chimique prépondérant dans l'atmosphère terrestre, est un constituant essentiel à la croissance des plantes et des végétaux. Bien que majoritaire dans l'air, il peut devenir un facteur limitant pour le développement des cultures lorsque son assimilation sous forme de nitrates (NO3) est insuffisante. C'est dans ce contexte que les engrais azotés jouent un rôle crucial, agissant comme des suppléments pour pallier ces carences et stimuler la vitalité des végétaux.
Qu'est-ce qu'un Engrais Azoté et Son Rôle Fondamental ?
Les engrais azotés sont principalement composés d'ammoniac (NH3), une substance obtenue par la combinaison de l'azote atmosphérique et de l'hydrogène (H2). L'azote constitue une partie majeure de l'ADN des plantes et est un constituant essentiel à la vie sur Terre, au même titre que le carbone, l'hydrogène et l'oxygène. Il est le principal constituant des protéines, ces composants fondamentaux de la matière vivante. Les composés azotés (nitrates et ammonium) que les plantes absorbent ne sont que des formes transitoires, servant de matière première à la synthèse des protéines, processus que seules les plantes sont capables de réaliser. Toutes les plantes contiennent des protéines, bien que leurs quantités varient significativement selon les espèces et la partie de la plante. Les graines, par exemple, en sont particulièrement riches, allant de 7,5 % pour le riz à plus de 35 % pour le soja ou le lupin. Aucune plante n'en est totalement dépourvue, car elles sont indispensables à leur métabolisme. Si les végétaux subissent des changements de couleurs ou un ralentissement soudain de leur croissance, cela indique de potentielles carences en azote, car l'azote participe activement au développement des plantes et végétaux, principalement sur leurs parties externes.
Le cycle de l'azote est relativement complexe. Avant la révolution industrielle, les agriculteurs utilisaient des techniques naturelles pour nourrir leurs cultures, comme le fumier issu de l'élevage ou le guano pour les zones côtières, ces deux substances étant naturellement riches en azote. L'azote se trouve dans le sol 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 qu'il puisse être assimilé par les plantes ; c'est le processus de minéralisation.
L'Émergence des Engrais Azotés de Synthèse : Le Procédé Haber-Bosch
L'histoire moderne des engrais azotés est intrinsèquement liée à l'invention du procédé Haber-Bosch en 1909. Cette avancée majeure pour la chimie, l'industrie et l'agriculture a révolutionné la production agricole en permettant de synthétiser l'azote de l'air sous forme d'ammoniac. Fritz Haber, qui recevra le prix Nobel de Chimie en 1920 pour cette découverte, et l'industriel Carl Bosch, ont développé un procédé qui consiste à fixer l'azote de l'air, notamment par l'utilisation du gaz naturel. Ce mélange est soumis à de fortes conditions de température et de pression en utilisant un catalyseur dans un réacteur, permettant ainsi d'extraire l'ammoniac sous forme liquide. L'Académie suédoise estimait que la découverte du procédé Haber-Bosch permettrait d'éviter les famines.
Le procédé Haber-Bosch est à l'origine de tous les engrais azotés chimiques. L'ammoniac est la matière première de tous les engrais azotés chimiques : ammonitrates, urée, solution azotée, sulfate d'ammoniac, engrais composés renfermant de l'azote. On produit chaque année dans le monde l'équivalent de 130 millions de tonnes d'azote sous forme d'engrais. L'agriculture française, par exemple, utilise 3,7 millions de tonnes de cet engrais chaque année.
Diverses Formes d'Azote et Leurs Applications
L'azote en tant qu'engrais est de prime abord relativement simple. Il s'agit de la première composante du rendement des cultures et est également l'engrais le plus connu dans le monde, notamment à travers l'urée. Malgré tout, la fertilisation azotée s'avère technique et est soumise au cycle biologique de l'azote. Comme chaque engrais, l'azote existe sous différentes formes chimiques et physiques : hydrosoluble, perlé (prills), granulé ou encore liquide. La forme chimique de l'azote dépend de son origine ainsi que du processus industriel qui a un impact direct sur celle-ci. Dans les engrais, nous retrouvons l'azote sous forme organique, uréique, ammoniacale et nitrique. Les différentes formes d'azote sont régies par le cycle de l'azote, qui est un cycle biologique.
Ammoniac (NH3) : Employé sous forme de gaz liquéfié sous pression injecté dans le sol. Cette utilisation directe de l'ammoniac est surtout pratiquée aux États-Unis où elle représente, en 2020, 25 % de la fertilisation azotée. Le gaz naturel fournit, en 2015, dans le monde, 69 % de l'ammoniac nécessaire à la fabrication des engrais azotés.
Urée (CO(NH2)2) : Obtenue par action du dioxyde de carbone issu du reformage sur l'ammoniac, sous pression (140 à 250 bar), à 190°C (environ 35 % de l'ammoniac produit dans le monde est utilisé pour fabriquer de l'urée). Il se forme du carbamate d'ammonium, NH2-CO2-NH4, qui est déshydraté en urée. C'est l'engrais azoté le plus riche en N avec une teneur de 46 %. L'urée est le principal engrais azoté utilisé dans le monde, convenant particulièrement aux pays tropicaux (les ammonitrates étant trop solubles), notamment pour la culture du riz, mais aussi aux régions froides ou tempérées, sauf dans les sols sablonneux ou très calcaires. 90 % de l'urée est destinée à la production d'engrais. En 2022, la production mondiale, comptée en N, était de 84,6 millions de tonnes.
Nitrate d'ammonium (ammonitrate) (NH4NO3) : Préparé, à 160°C, sous 3 bar, par neutralisation de l'acide nitrique par l'ammoniac. L'acide nitrique est lui-même préparé par oxydation catalytique de l'ammoniac sur grilles de platine. Le titre en N (35 % maximum) varie à l'aide d'une charge, en général calcaire. Le nitrate d'ammonium est utilisé dans la fabrication d'engrais sous forme d'engrais NP, NPK, de solutions urée-nitrate et surtout solide comme engrais simple, dénommé ammonitrate. En 2022, la production mondiale, comptée en N, était de 15,4 millions de tonnes. Une partie de la production est employée en utilisation directe comme engrais, une autre partie pour préparer des solutions d'engrais et enfin une dernière partie dans des applications industrielles, en dehors de l'industrie de engrais, comme, par exemple, l'industrie des explosifs. Les ammonitrates, produit azoté le plus utilisé en France et en Europe, sont obtenus à partir du nitrate d'ammonium avec adjonction plus ou moins importante d'une charge inerte (carbonate de calcium ou dolomie). Ils contiennent de 21 à 33.5% d'azote total dont 50% d'azote ammoniacal et 50% d'azote nitrique. L'utilisation des ammonitrates, engrais de référence pour son efficacité agronomique et environnementale, est une particularité du marché européen.
Sulfate d'ammonium ((NH4)2SO4) : C'est un sous-produit des fabrications de caprolactame, acrylonitrile, coke sidérurgique, mais il est également synthétisé à partir d'ammoniac et d'acide sulfurique.
Phosphates d'ammonium (engrais binaires NP) : Diammonique (DAP) : (NH4)2HPO4 et monoammonique (MAP) : NH4H2PO4. Ils sont obtenus par neutralisation de NH3 par H3PO4.
Engrais azotés d'origine naturelle : Les engrais organiques regroupent notamment les composts, lisiers, fumiers qui sont majoritairement issus de végétaux, coproduits de l’industrie agroalimentaire et d’effluents d’élevage. Ces engrais contiennent de la matière organique et différentes formes d’azote, le plus souvent azote organique, ammoniacal et nitrique. Contrairement aux engrais chimiques qui libèrent l'azote brutalement, les engrais azotés naturels diffusent progressivement leurs éléments nutritifs. Cette libération contrôlée nourrit durablement les plantes, limite les pertes par lessivage et préserve l'équilibre biologique du sol. Le nitrate de sodium du Chili, exploité depuis 1804 dans le désert d'Atacama, et le guano, formé par les déjections d'oiseaux, sont des exemples historiques d'engrais azotés naturels. Le sulfate d'ammonium était initialement produit lors de la fabrication du gaz manufacturé.
Les Besoins en Azote et les Stratégies de Fertilisation
L'azote est l'élément nutritif le plus consommé par les plantes. Il entre dans la composition de la chlorophylle, indispensable à la photosynthèse, et participe à la fabrication des protéines végétales. Un apport suffisant en azote permet aux légumes feuilles comme les salades, épinards et choux de développer un feuillage abondant, tendre et savoureux. Les besoins en azote sont particulièrement marqués au printemps et en début d'été, lorsque les plantes développent leur appareil végétatif. Les légumes feuilles, le gazon et les plantes ornementales à feuillage décoratif sont les cultures les plus gourmandes.
Le calcul de l'apport d'azote se fait selon la méthode du bilan. Il s'agit d'une méthode qui consiste à calculer l'apport total d'azote sur la base des besoins de la culture et des fournitures dont la plante bénéficiera. Pour une production de blé de 70 quintaux par hectare, les besoins en N sont, en moyenne, de 250 kg. Seuls 210 kg sont consommés, car il y a, en particulier, 20 kg de dénitrification. Au-delà de la dose en tant que telle, il est essentiel de mettre en place une stratégie d'apport. En effet, la plante n'est pas en mesure d'absorber en une seule fois une telle dose. La stratégie d'apport, appelée également plan de fumure, permet d'optimiser les apports d'engrais afin de les faire coïncider avec les pics de besoins de la plante pour de meilleurs rendements et également éviter les pertes. Si l'azote stimule la croissance du feuillage, un excès peut retarder la floraison et la fructification. Pour les plantes qui nécessitent une nutrition complète tout au long de leur cycle, il est préférable de privilégier les engrais complets qui associent azote, phosphore et potassium dans des proportions équilibrées.
Tout comprendre au cycle de l'azote en agriculture ! Julia Le Noë
Les Risques et Dangers Associés à l'Utilisation des Engrais Azotés
L'utilisation d'engrais azotés, bien que bénéfique pour l'agriculture, entraîne inévitablement certains risques et dangers. Il peut s'agir de risques d'exposition à des substances toxiques et chimiques ou explosives, ainsi que de menaces pour la biodiversité et l'écologie. Depuis plus de 100 ans, la production et la consommation d'azote augmentent, générant de nouveaux défis quant à son impact sur le réchauffement climatique et sur la biodiversité. L'azote, élément omniprésent et invisible est aussi indispensable à la vie que l'oxygène. Pourtant cet élément vital, l'azote, est devenu un polluant mortel pour l'environnement et pour l'humain.
Risques Chimiques
Le nitrate d'ammonium, composant principal de l'engrais azoté, peut devenir dangereux si l'on y est exposé en forte concentration (les accidents dans le secteur professionnel agricole restent tout de même relativement rares). Les répercussions pouvant être observées suite à une forte exposition à ces substances chimiques peuvent aller de l'irritation oculaire, des muqueuses et des voies respiratoires, de la toux ou encore des difficultés respiratoires. Des larmoiements, des douleurs, des troubles de la vision et autres irritations de la cornée peuvent aussi apparaître.
Risques d'Explosion et d'Incendie
Le nitrate d'ammonium est un "explosif occasionnel", même si sa concentration doit être très élevée pour produire une explosion. En effet, le mélange de NH4NO3 avec 6 % de fuel est l'explosif industriel le plus utilisé, l'amorçage étant réalisé avec de la dynamite. Si un incendie ou une explosion se produit, l'engrais azoté libérera des gaz toxiques (monoxyde de carbone - CO, dioxyde de carbone - CO2, ammoniac - NH3 ou encore de l'oxyde d'azote - NxOy) ainsi que certains composés organiques volatils en se décomposant.
Risques Biologiques et Environnementaux
En plus des risques chimiques et d'explosions, les engrais azotés représentent une certaine menace pour l'environnement. L'azote, élément très soluble, peu retenu par les sols et non dégradable sous forme d'ions nitrate, est un facteur de risque important pour l'environnement dès lors qu'il se trouve en excès dans le sol. Les résidus d'azote des engrais azotés seraient, en partie, responsables de la prolifération d'algues nuisibles par le processus d'eutrophisation, causant la détérioration des eaux de surface. La baisse de fertilité des sols est aussi l'un des dommages collatéraux de l'utilisation d'engrais azotés, cela étant dû à l'acidification des sols.
L'emploi de ces engrais contribue également au réchauffement climatique causé par de fortes émissions de protoxyde d'azote (N2O), entraînant donc une augmentation de l'effet de serre. En effet, son utilisation en trop grandes quantités pousse les agriculteurs à se servir de fortes doses de pesticides. Plus l'engrais azoté sera utilisé dans les cultures, plus les feuilles et tissus des végétaux vont stocker le nitrate et les acides aminés. Le problème étant que les insectes sont très friands de ces substances et vont donc finir par se multiplier. Sachant que ces insectes peuvent causer de graves dégâts sur les récoltes, les agriculteurs n'ont pas d'autres choix que d'utiliser d'énormes quantités de pesticides afin de neutraliser ces nuisibles.
Se Protéger Lors de l'Utilisation d'Engrais Azotés
Dans le secteur agricole, il est nécessaire d'être équipé de protections adéquates pour l'utilisation de produits chimiques tels que l'engrais azoté et autres traitements pesticides. Le masque de traitement phytosanitaire est donc la solution la plus efficace. Il existe des demi-masques avec lunettes de sécurité ou encore des masques complets conçus pour offrir une protection respiratoire et oculaire optimale. Ces masques doivent être utilisés avec des cartouches de protection respiratoire de type A2-P3 (à base de charbon actif). Porter une combinaison microporeuse ou une combinaison chimique est aussi recommandé.
Normes et Réglementations
Comme la plupart des substances chimiques, l'engrais azoté est soumis à des normes et réglementations strictes. La principale norme à respecter lors de la production ou de l'utilisation d'engrais de synthèse est la NFU 42001 de décembre 1981, destinée aux engrais organo-minéraux.
Perspectives et Alternatives
Avec l'augmentation de la population mondiale et de la consommation de viande, la production d'ammoniac pour la fabrication d'engrais azotés devrait continuer à augmenter dans les prochaines décennies. Cependant, de nouvelles techniques de production d'ammoniac à base d'énergies renouvelables voient le jour pour répondre aux enjeux du réchauffement climatique et de la biodiversité.
Une agriculture sans engrais azoté est une solution, notamment via les cultures associées. Certaines associations d'espèces différentes, par exemple céréales et légumineuses, ou de variétés différentes d'une même espèce, permettent fréquemment de réduire les dégâts faits par les maladies et les ravageurs. L'agriculture biologique est la seule qui exclut totalement les engrais azotés de synthèse, qui restent la principale source d'azote dans toutes les autres alternatives. En bio, on dispose d'autres sources d'azote, celui contenu dans toutes les matières organiques disponibles : les résidus de récolte, les déjections animales (fumier, purin, lisier), voire humaines, les aliments que nous jetons, les résidus de l'industrie agroalimentaire, etc., et celui fixé par les légumineuses. L'agroécologie propose également des approches pour une agriculture plus durable.
