La Fertilisation Azotée : Enjeux, Pratiques et Évolutions

La fertilisation azotée est une pierre angulaire de la productivité agricole, combinant des apports variés d'origine organique et minérale. Comprendre les dynamiques complexes de l'azote dans le sol est essentiel pour optimiser la croissance des cultures tout en minimisant l'impact environnemental. Ce dossier explore les différentes formes d'azote, leurs transformations, les méthodes de gestion et les défis réglementaires et agronomiques associés.

Les Formes d'Azote et Leurs Transformations dans le Sol

Les formes d'azote présentes dans les fertilisants organiques et minéraux ne sont pas directement assimilables par les plantes dans leur totalité. Elles subissent des transformations cruciales sous l'action des microorganismes et des enzymes présentes dans le sol. Ces processus incluent la minéralisation, l'hydrolyse de l'urée et la nitrification. La vitesse de ces transformations dépend de facteurs environnementaux clés tels que la température du sol, son humidité et son aération.

L'Azote Organique : Une Réserve Dynamique

L'azote organique, présent dans les fertilisants organiques, peut évoluer de deux manières principales. Soit il est intégré à la fraction stable de la matière organique du sol, c'est-à-dire l'humus, contribuant ainsi à la fertilité à long terme du sol. Soit il se transforme en azote ammoniacal, une forme minérale directement disponible pour les plantes.

La tendance de l'azote organique à rejoindre le stock de matière organique du sol ou à se minéraliser dépend de son rapport carbone organique sur azote organique (Corg/Norg). Les composts et les fertilisants ayant un rapport Corg/Norg élevé (> 10 ou 12) tendent à rejoindre le stock de la matière organique du sol et minéralisent très peu. À l'inverse, l'azote organique des fientes de volaille et du lisier de porc se minéralise en partie dans les mois qui suivent l'apport. Ce phénomène est mesuré par incubation d'un mélange de terre fine avec le fertilisant organique à température et humidité optimales pour l'activité biologique. Au champ, il est nécessaire de rallonger le temps pour tenir compte des températures réelles au sol et des périodes de sécheresse, qui peuvent influencer cette minéralisation.

Il est à noter que certains fumiers et déchets verts à Corg/Norg élevé peuvent initialement entraîner une consommation de l'azote minéral du sol par les micro-organismes, se traduisant par des valeurs négatives de minéralisation nette.

Pour quantifier l'efficacité de l'azote organique par rapport à un engrais minéral de référence comme l'ammonitrate, on définit le coefficient d'équivalence azote pour chaque produit résiduaire organique. Ce coefficient varie non seulement selon le produit mais aussi en fonction de sa période d'apport et de la culture réceptrice.

L'Azote Uréique et Ammoniacal : De la Transformation à la Fixation

L'azote uréique, que l'on trouve dans l'urée et la solution azotée, est transformé en azote ammoniacal par des enzymes présentes dans le sol appelées uréases. Ces enzymes catalysent la transformation de l'urée en dioxyde de carbone et en ammoniac. Elles sont abondantes dans les sols, avec une activité plus forte dans la rhizosphère.

L'azote ammoniacal est présent dans divers engrais, notamment les engrais ammoniacaux comme le sulfate et les phosphates d'ammoniaque, et le nitrate d'ammonium (ammonitrates). Il est également une composante des effluents d'élevage bruts, tels que les lisiers, et des digestats de méthanisation. Cette forme d'azote est ensuite transformée en azote nitrique par des bactéries au cours du processus de nitrification. Ce processus est exigeant et dépend de conditions de pH spécifiques du sol.

L'Azote Nitrique : La Forme Préférée des Plantes

L'azote nitrique, ou nitrate, est la forme d'azote préférentiellement prélevée par les plantes. Il est présent dans les ammonitrates et les engrais nitriques, tels que le nitrate de potassium et le nitrate de calcium. Le nitrate se trouve sous forme dissoute dans l'eau du sol, ce qui le rend facilement accessible aux racines.

Cependant, cette solubilité présente également un inconvénient : dans certaines conditions d'excès d'eau, le nitrate subit la dénitrification, un processus qui conduit à des pertes gazeuses sous forme de protoxyde d'azote (N2O) ou de diazote (N2), contribuant ainsi aux émissions de gaz à effet de serre et à la perte d'efficacité de la fertilisation.

Gestion de la Fertilisation Azotée : Optimisation et Réduction des Pertes

Une gestion rigoureuse de la fertilisation azotée est indispensable pour maximiser l'efficience de l'engrais tout en limitant les impacts environnementaux. Les pertes d'azote, notamment par volatilisation, lixiviation et dénitrification, peuvent réduire considérablement l'efficacité des apports et polluer l'environnement.

Réduire la Volatilisation de l'Ammoniac

La volatilisation est la perte d'azote, à partir du sol ou d'une matière fertilisante, par dégagement direct dans l'atmosphère sous forme de N2, d'oxyde d'azote ou d'ammoniac. Elle se produit principalement à partir des formes uréique et ammoniacale présentes dans les engrais minéraux (urée, solution azotée) et les produits résiduaires organiques (lisiers, digestats de méthanisation, fientes et fumiers frais).

Plusieurs recommandations permettent de réduire la volatilisation de l'ammoniac :

• Incorporation au sol : L'incorporation de certains engrais azotés minéraux ou organiques au sol est un moyen efficace de limiter ce risque. Cette pratique permet de placer les éléments fertilisants à une profondeur de 5-10 cm, où le sol est plus humide et mieux exploré par les racines qu'en surface. Cependant, il faut être conscient que si l'on réduit le risque de perte d'ammoniac par volatilisation, on peut augmenter le risque de perte de protoxyde d'azote par dénitrification en condition d'excès d'eau. L'incorporation est facilement réalisée lors des dernières préparations du sol avant le semis. Elle est également possible, avec un matériel adapté (rampe à pendillards ou enfouisseurs), pour les cultures en végétation, par exemple en enfouissant l'apport dans l'inter-rang de cultures à grand écartement comme le maïs, ou près du rang de plantation en vignes et arbres fruitiers. Au stade 6-8 feuilles du maïs, le deuxième apport d'azote est plus efficace s'il est incorporé en ligne dans l'inter-rang par un coutre ou un disque.
• Inhibiteurs d'uréase : L'ajout à l'urée granulée d'un inhibiteur d'uréase permet également de limiter la perte d'ammoniac en ralentissant la transformation de l'urée en azote ammoniacal.
• Localisation de l'engrais : L'apport de l'engrais dans ou à proximité de la ligne de semis de la culture améliore l'efficience de la fertilisation, particulièrement pour l'azote lorsqu'il présente un risque de perte d'ammoniac, ainsi que pour le phosphore, qui est peu mobile dans le sol.

Prévenir la Lixiviation et la Dénitrification

La lixiviation est le processus au cours duquel l'eau de ruissellement passe au travers des pores du sol (percolation) en entraînant par dissolution certains sels, ions ou substances solubles, dont les nitrates. La dénitrification, comme mentionné précédemment, est la perte gazeuse d'azote en conditions d'excès d'eau.

Pour limiter ces risques, les stratégies suivantes sont recommandées :

• Fractionnement des apports : Un apport d'engrais azoté minéral a pour conséquence une rapide augmentation des concentrations en azote uréique, ammoniacal ou nitrique dans le sol, ce qui peut favoriser des pertes plus importantes par volatilisation, lixiviation ou dénitrification. Pour limiter ce risque, il est préférable de fractionner en plusieurs apports la quantité d'azote calculée par la méthode COMIFER. Une stratégie en trois apports est classique pour des cultures comme le blé d'hiver, s'appuyant sur la dynamique des besoins en azote de la culture (courbe d'absorption) et la minéralisation de l'azote du sol. Cette stratégie s'applique aussi à d'autres cultures d'automne (colza, orge d'hiver) et de printemps (orge de printemps, maïs).
• Éviter les apports trop précoces : À la sortie de l'hiver, il est important d'éviter les apports trop précoces qui pourraient être suivis d'une période pluvieuse entraînant du drainage et de la lixiviation.
• Engrais à libération progressive et contrôlée : Ces engrais offrent une alternative au fractionnement en plusieurs apports. Les engrais enrobés, par exemple, limitent les risques de volatilisation et de lixiviation grâce à une libération progressive de l'azote à travers la coque du granulé. La proportion d'azote enrobé et l'épaisseur de l'enrobant contrôlent la libération sur quelques semaines à quelques mois.
• Retardateurs de nitrification : Ces produits limitent les risques de dénitrification et de lixiviation de l'azote nitrique en ralentissant sa formation.
• Ferti-irrigation : Ces techniques permettent d'apporter les éléments nutritifs avec l'eau d'irrigation, généralement via une pompe doseuse. Un apport hebdomadaire ou bi-hebdomadaire est possible avec une solution nutritive complète et ajustée par élément en fonction de l'âge de la culture, facilitant ainsi le fractionnement.

La Fertilisation Azotée en Agriculture Biologique

L'agriculture biologique est soumise à des réglementations strictes concernant les intrants. Les engrais azotés minéraux de synthèse (ammonitrates, urée, sulfate d'ammoniaque, solution azotée…) sont interdits. De plus, les lisiers et les boues de station d'épuration sont également exclus, malgré leurs coefficients d'équivalence engrais parfois élevés.

Pour fournir de l'azote aux plantes, l'agriculture biologique a recours à des stratégies spécifiques :

• Légumineuses : L'utilisation de légumineuses (pois, haricots, luzerne, trèfle, soja, etc.) est fondamentale, car elles sont capables de fixer l'azote atmosphérique grâce à une symbiose avec des bactéries. Cultiver plus souvent les légumineuses est essentiel pour fournir de l'azote aux céréales dans ces systèmes.
• Apports organiques réguliers : L'apport fréquent de composts, fumiers et autres amendements organiques permet d'augmenter progressivement la teneur en matière organique du sol. Il en résulte un accroissement de la minéralisation de l'azote qui devient significatif à long terme. Cependant, la minéralisation dépend du climat (température et humidité du sol) et peut s'avérer trop tardive certaines années pour répondre aux besoins des cultures, en particulier des cultures d'automne (colza, blé tendre, orges…).
• Engrais organiques rapidement minéralisables : Certains engrais organiques à Corg/Norg < 8 peuvent être utilisés en agriculture biologique, tels que les guanos, les fumiers de volaille et fientes (en provenance d'exploitations bio ou conventionnelles), les vinasses de betterave, les poudres de viande ou de plume, et le sang séché. La mention « utilisable en agriculture biologique conformément au règlement (CE) n°834/2007 » doit figurer sur l'étiquette et/ou sur la facture du produit.

Malgré ces approches, la fertilisation azotée est identifiée, avec le désherbage, comme l'une des limites techniques à la productivité des grandes cultures en agriculture biologique. D'après l'INRA (2013), les rendements des blés et des orges seraient inférieurs en moyenne de 44% en agriculture biologique comparés à ceux de l'agriculture dite « conventionnelle » en France.

D'autres amendements et engrais sont utilisables en agriculture biologique : le phosphate naturel tendre, le phosphate alumino-calcique et les scories de déphosphoration sont les seuls engrais phosphatés minéraux autorisés. Le sel brut de potasse, la vinasse et les extraits de vinasse, ainsi que le sulfate de potassium résultant d'une extraction physique à partir d'un sel brut, sont utilisables directement ou en matière première dans des engrais composés. Le carbonate de magnésium présent dans la dolomie et dans d'autres amendements minéraux calco-magnésiens est utilisable, mais pas la chaux magnésienne qui subit une cuisson. Enfin, la kiesérite d'origine naturelle est utilisable mais pas le sulfate de magnésium obtenu par réaction chimique.

Le Plan Prévisionnel de Fumure (PPF) : Un Outil Réglementaire et Stratégique

Le plan prévisionnel de fumure azotée, également appelé plan de fumure, plan de fertilisation ou PPF, est un document obligatoire pour les agriculteurs, notamment ceux situés dans les zones vulnérables définies par les DREAL (Directions Régionales de l'Environnement, de l'Aménagement et du Logement). Ces zones concernent environ 65% des exploitations agricoles françaises, principalement dans les régions nord, nord-est, nord-ouest et sud-ouest. Le PPF s'inscrit dans une démarche de fertilisation raisonnée, intégrant un bilan d'azote précis et une réflexion globale sur les coûts, les rendements et les économies d'engrais. Il est un outil très intéressant dont la conception participe à mieux contrôler les charges et à protéger l'environnement en réduisant les risques d'eutrophisation ou de suraccumulation de nutriments dans les eaux des estuaires, favorisant le développement d'algues.

Historique et Objectifs du PPF

La notion de plan prévisionnel de fumure azotée est apparue dans l'arrêté du 22 novembre 1993, relatif au code des bonnes pratiques agricoles. À partir des années 1990, l’amélioration du Bilan est devenue une voie privilégiée pour réduire les nuisances environnementales (Carlotti, 1992). Les programmes de recherche sur la fertilisation azotée se sont structurés autour du terme du bilan (de Montard et al., 1986, Ravier et al., 2018), par exemple, la modélisation de la minéralisation des effluents d’élevage ou de l’humus. Au niveau du développement, la priorité a été donnée à la massification de la mise en œuvre du calcul du Bilan, avec l’organisation de campagnes de mesures du Reliquat d'Azote Minéral en Sortie d'Hiver (RSH) dans un nombre croissant de départements, la mise au point d’équations simplifiées pour faciliter les calculs, et la diffusion de doses recommandées par cas-type (sol x précédent) dans les journaux agricoles.

Contenu et Élaboration du PPF

Ce document administratif explique dans le détail la planification annuelle et les calculs de la fertilisation en azote, en phosphore et en potassium (N, P, K) sur chaque parcelle ou îlot cultural de l’exploitation. Le PPF permet de calculer précisément les doses de fumure azotée, organique et minérale, nécessaires à chaque parcelle de l’exploitation. Il doit être établi pour chaque îlot cultural exploité en zone vulnérable, que l'agriculteur ait ou non prévu une fertilisation azotée. Il doit également inclure les parcelles non fertilisées, à une date définie par le Groupe Régional d'Expertise Nitrate (GREN) (par exemple, le 31 mars en Bretagne, le 15 avril dans les Hauts-de-France).

Le calcul du PPF prend principalement en compte :

• Besoins en azote de la culture : Ces besoins sont déterminés par rapport à un objectif de rendement. L'objectif de rendement est généralement calculé comme la moyenne des rendements réalisés sur l'exploitation pour la culture concernée, et, si possible, pour des conditions comparables de sol au cours des cinq dernières années, en excluant les valeurs maximale et minimale pour ne conserver que 3 années afin de faire la moyenne de rendement. À défaut, les rendements moyens départementaux peuvent être utilisés.
• Fournitures en azote : Cela inclut l'azote disponible dans le sol (le reliquat d'azote minéral en sortie d'hiver ou RSH), les effluents organiques, les fertilisants minéraux et la fixation symbiotique par les légumineuses.

La méthode du bilan d’azote minéral du sol est celle détaillée dans la publication la plus récente du Comité français d’études et de développement de la fertilisation raisonnée (COMIFER). Le contrôle réglementaire des doses calculées passe ainsi par la vérification de la conformité des équations utilisées par les outils de calcul à la norme COMIFER. Un label volontaire, Prev’N, existe pour valider cette conformité.

Défis et Controverses Liés au Bilan Azoté

Malgré les progrès et le consensus scientifique autour du bilan, l'épandage de doses excessives reste trop fréquent, comme en témoignent les teneurs en nitrate des eaux superficielles et souterraines qui dépassent souvent la norme de 50 mg de nitrate par litre (IFEN, 2004). Cela soulève la question de l'insuffisance de la précision du Bilan ou de son utilisation par un nombre insuffisant d'agriculteurs.

En 2013, sous la pression de la Commission Européenne, les Ministères de l’Agriculture et de l’Ecologie ont décidé une évolution de la Directive Nitrate, incluant l’obligation de calculer la dose totale d’engrais azoté avec le Bilan et avec une analyse de sol (souvent l’analyse du RSH). Pour opérationnaliser cette obligation, les pouvoirs publics ont mis en place des GREN (Groupes Régionaux d’Expertise Nitrate), chargés de définir régionalement les équations et les paramètres reconnus par la réglementation. Les comptes-rendus des GREN révèlent des controverses et des limites du Bilan (Ravier et al., 2016).

• Objectif de rendement : Il existe un désaccord sur la manière de fixer l’objectif de rendement. Les pouvoirs publics privilégient une moyenne des rendements réalisés, tandis que certains organismes professionnels agricoles et de nombreux agriculteurs penchent pour une logique de potentiel de rendement, craignant des pertes économiques, une stagnation des rendements, une sous-valorisation du progrès génétique et une dégradation de la qualité des récoltes (teneur en protéines des grains de blé) si l’azote disponible est limitant. Pour les agriculteurs, la fixation de l’objectif de rendement relève d’un rendement espéré plutôt que d’une espérance de rendement.
• Mesure du RSH : La mesure du RSH constitue une source d’incertitudes et d’erreurs. Bien que les bases scientifiques et analytiques soient solides, l’usage pose problème. Des témoignages de conseillers et d’agriculteurs font état de valeurs aberrantes, de difficultés à extrapoler les mesures à d’autres parcelles, et d’une diminution de la profondeur analysée (souvent sur 2 horizons au lieu de 3 avec l’obligation de mesures). Il n’est pas certain que l’obligation de mesurer le RSH améliore le calcul des doses, et cela pourrait même accroître la suspicion des acteurs de terrain vis-à-vis des doses calculées.
• Normalisation et innovation : Un dernier sujet de controverse est le rejet, dans plusieurs régions, de variantes du Bilan issues de travaux des années 90. Certains GREN estiment que la qualité du calcul n’est pas compatible avec la diversité des équations, alors que des membres objectent que certaines variantes étaient adaptées à des types de sol, précédents, ou types d’exploitations spécifiques. La normalisation risque de stériliser l’innovation et d’empêcher les tentatives d’améliorations locales du Bilan. Le Bilan, imposé à tous, peut acquérir une image de « source de contrainte », conduisant à une dissociation entre le raisonnement réel de l'agriculteur et la justification a posteriori de la dose appliquée par un calcul factice basé sur la version officielle.

Évolution et Perspectives de la Fertilisation Azotée

La complexité du calcul et le nombre d’informations à réunir pour réaliser un PPF rendent l’usage d’outils de traçabilité au niveau des parcelles particulièrement précieux. Des outils de suivi connectés comme Spotifarm, avec sa liaison Geofolia, permettent de mieux appréhender les besoins de chaque culture en fonction de leurs besoins et de l’hétérogénéité des sols. Spotifarm est un outil de pilotage de la fertilisation azotée qui aide à apporter la bonne dose, au bon endroit, en fonction des besoins réels de la plante et du sol, tandis que Geofolia permet de réaliser le calcul et l’élaboration du PPF.

En cas de dépassement de la dose totale prévisionnelle d'azote, l’arrêté du 30 janvier 2023, modifiant l'arrêté du 19 décembre 2011 relatif au programme d'actions national à mettre en œuvre dans les zones vulnérables, stipule que cet excès doit être justifié par des moyens appropriés. Plus précisément, il est nécessaire d'utiliser un outil de raisonnement dynamique ou un outil de pilotage de la fertilisation pour prouver que la quantité d'azote absorbée par la culture est supérieure à celle qui était initialement prévue. De même, si un accident cultural survient après le calcul de la dose, une description détaillée des événements (nature et date) doit être consignée dans le cahier d'enregistrement. Le plan de fumure concerne les fertilisations prévues avant la campagne. Des documents annexes peuvent être nécessaires pour justifier des épandages par des tiers ou pour le stockage.

L’accumulation des connaissances scientifiques et techniques sur le Bilan, ainsi que sa place dans la culture collective du monde agricole, constituent un atout indéniable pour l’efficacité d’une fertilisation raisonnée. Cependant, cela contribue également à freiner l’évolution des modes de raisonnement. Il est souhaitable de sortir d’une logique de planification, incarnée par le Bilan, où presque tout est décidé en fin d’hiver. Fixer un objectif de rendement si tôt, alors que la production dépend largement du climat du printemps, peut sembler paradoxal. De même, la planification des dates d’apport, calées sur des stades repères, se heurte à la crainte de la sécheresse par les agriculteurs, et a entraîné un avancement progressif des apports, préjudiciable à l’efficience de l’engrais (Ravier et al., 2018).

Dans le contexte actuel de développement de l’agro-écologie, basée sur la conception de solutions locales, imposer un outil national et contraindre les acteurs dans leur capacité à s’adapter aux spécificités locales est une approche qui mérite d'être réévaluée. Les controverses révèlent des faiblesses de la méthode dominante. Il est temps d’explorer des solutions nouvelles pour réconcilier, mieux que par le passé, production et environnement, rigueur scientifique et facilité d’usage, tout en s’appuyant à la fois sur les acquis du Bilan, les connaissances délaissées et les technologies du numérique (télé et proxydétection, modélisation…), comme le proposent, par exemple, Soenen et al. (2019) et Jeuffroy et al. (2019). L'azote de synthèse organique est peu utilisé en grandes cultures en raison de son coût, mais d'autres voies d'innovation restent à explorer pour une fertilisation azotée plus durable et efficiente.

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