Le développement de l'agriculture moderne, depuis le milieu du XIXe siècle, a été indissociable d'une transformation profonde des pratiques de fertilisation. L'apparition des engrais de synthèse, couplée à l’évolution des pratiques agricoles, à la génétique, et à l’utilisation des produits phytosanitaires a permis une augmentation considérable des rendements et donc de la production agricole mondiale. Ces substances, destinées à enrichir le sol pour permettre aux plantes de se développer dans des conditions idéales, sont aujourd'hui au cœur d'un système complexe reliant souveraineté alimentaire, économie mondiale et préservation des écosystèmes.
Les fondamentaux de la fertilisation : définitions et mécanismes
Les engrais sont des substances utilisées en agriculture pour enrichir le sol afin de permettre aux plantes de se développer dans des conditions idéales. Il est essentiel de distinguer deux formes d’intrants : les engrais (ou fertilisants) et les amendements. Les engrais ont pour objectif de nourrir directement la plante, en répondant à ses besoins en minéraux, de sorte à ce qu'elle ne développe pas de carence. Leur effet est immédiat ou court terme, ce qui nécessite un apport régulier. À l’inverse, les amendements ne visent pas directement la plante, ils améliorent la fertilité du sol, en agissant sur sa structure (rétention d'eau, circulation de l'air, perméabilité, pH).
L'azote (N), le phosphore (P) et le potassium (K) constituent les trois nutriments majeurs nécessaires à la croissance végétale. L’azote permet notamment la croissance des feuilles et des tiges, il fait partie intégrante de la chlorophylle, la molécule responsable de la photosynthèse et il est nécessaire à la synthèse des enzymes et des hormones. Le phosphore est déterminant pour la croissance des racines et la floraison. Le potassium joue un rôle dans la régulation de l’eau, la résistance aux maladies et la synthèse des protéines.
Histoire et évolution de l’usage mondial des engrais
L’origine de l’utilisation des engrais remonterait à 8 000 ans : des chercheurs ont montré que du fumier était utilisé par les premiers agriculteurs pour améliorer les rendements. Jusqu’au XIXe siècle, le guano était la source d’azote d’excellence. Cependant, la véritable révolution intervient au début du XXe siècle grâce au chimiste Fritz Haber qui parvint à combiner l’azote atmosphérique et l’hydrogène présent dans le gaz naturel pour fournir de l’ammoniac.
C’est principalement après la Seconde Guerre mondiale que l’utilisation massive d’engrais de synthèse se développe, grâce à la conversion des installations qui fabriquaient des explosifs en usines d'engrais. Depuis 1960, leur consommation a été multipliée par six dans le monde. À l’échelle internationale, en 2022, 109 millions de tonnes d’azote, 44 millions de tonnes de phosphore et 35 millions de tonnes de potassium ont été appliquées sur les terres agricoles.
Procédé Haber-Bosch
Typologie des engrais et processus de fabrication
Les engrais peuvent être classés selon leur origine :
- Engrais minéraux (de synthèse) : Fabriqués dans des usines à partir de produits extraits du sol ou de l'azote de l'air. Parmi les plus courants, on trouve l’urée, l’ammonitrate et la solution azotée.
- Engrais organiques : Issus de matières naturelles animales ou végétales (compost, fumier, lisier, boues d'épuration). Ils ne contiennent pas de composés toxiques et sont fabriqués sans nuire à l'environnement.
L’ammoniac est la substance à la base de tous les engrais azotés de synthèse. Le nitrate d’ammonium est un composé ionique formé du cation ammonium et de l’anion nitrate. C’est un oxydant puissant. En France, l’ammonitrate représente 40 % des engrais utilisés. L’urée, quant à elle, est une molécule particulièrement riche en azote (46 % en masse), synthétisée par réaction du dioxyde de carbone sur l’ammoniac sous haute pression.
Enjeux environnementaux et efficience des apports
L’utilisation intensive d’engrais minéraux est à l’origine d’une perturbation des cycles de l’azote et du phosphore et d’une pollution aquatique qui ont des conséquences très importantes sur les écosystèmes. Lorsque les apports ne sont pas assimilés par les cultures, ils sont entraînés par le ruissellement d’eau ou l’irrigation dans les nappes phréatiques, les zones humides et les cours d’eau, phénomène nommé lessivage ou lixiviation. Cet apport excessif est à l’origine de l’eutrophisation, responsable notamment de la prolifération des algues vertes sur les littoraux.
De plus, les engrais contribuent de façon non négligeable au réchauffement climatique. Ils représentent 5 % des émissions de gaz à effet de serre dans le monde, en raison de l’émission de protoxyde d’azote (N2O), dont le pouvoir réchauffant est près de 300 fois supérieur à celui du dioxyde de carbone. Pour optimiser ces apports, Yara a utilisé l’outil Syst’N, développé par l’INRA, qui permet de modéliser les pertes d’azote (volatilisation, dénitrification, lessivage) à l’échelle du système de culture. L’indicateur utilisé est le NUE (Nitrogen Use Efficiency), qui mesure la quantité d’azote absorbée par la récolte par rapport à la quantité apportée.
Pratiques agricoles et sécurité des travailleurs
L’utilisation des engrais, par épandage ou pulvérisation, présente des risques pour l’environnement mais aussi des risques chimiques et biologiques pour la santé des agriculteurs exposés. La pénétration des produits peut se faire par inhalation de poussières ou par contact cutané. Les nitrates ingérés accidentellement peuvent provoquer des troubles physiologiques, tandis que l’ammoniac, produit par décomposition des engrais, est toxique à l'inhalation.
En matière de sécurité physique, l’utilisation des engins agricoles comporte des dangers liés aux chutes, aux renversements et aux pièces mobiles. L'employeur doit procéder à une évaluation des risques consignée dans le Document Unique de Sécurité (D.U.S). Le respect des bonnes pratiques, comme l'arrimage sûr du matériel, le port de vêtements ajustés et l'entretien régulier des machines, est indispensable pour limiter les accidents.
L’approche de l’Agriculture de Conservation des Sols (ACS)
Dans un système d'Agriculture de Conservation des Sols (ACS), le sol non travaillé et toujours couvert fonctionne différemment. Les trois piliers de l’ACS (non-travail du sol, couverture permanente, diversité des cultures) influencent fortement la fertilisation. En ACS, le sol stocke environ 1 tonne de carbone par hectare et par an. Comme le sol stocke également de l'azote sous forme organique, la gestion de la fertilisation doit être anticipée et adaptée.
L'apport de soufre est crucial, car une carence réduit l’efficience de l’azote. Dans ces systèmes, l'utilisation de produits riches en carbone est privilégiée en automne, tandis que les produits riches en azote sont apportés au plus près des besoins des cultures. La localisation de la fertilisation autour de la ligne de semis (engrais starter) permet d’augmenter significativement la fertilité au niveau des racines sans avoir à augmenter les doses globales. Cette approche, en privilégiant la vie biologique du sol, cherche à créer une synergie où le sol nourrit la plante, minimisant ainsi les fuites vers l'environnement et optimisant le rendement.