La gestion de l'azote en agriculture représente un défi agronomique majeur pour assurer la sécurité alimentaire mondiale tout en minimisant l'empreinte environnementale. Le diazote atmosphérique n’est pas, en général, assimilé directement par les plantes (sauf par les légumineuses). Par contre, l’azote sous forme d’ions nitrate (NO3-) est directement assimilable mais est facilement entraîné, par les eaux de pluie, par lessivage. Les plantes doivent s’alimenter en azote à partir du sol car le diazote atmosphérique n’est pas, en général, assimilé directement par les plantes (sauf par les légumineuses). L’azote présent dans les sols sous forme d’ions nitrate (NO3-) est directement assimilable (effet rapide) mais il est facilement entraîné, par les eaux de pluie, par lessivage. Par contre l’azote sous forme d’ions ammonium (NH4+) qui se lient électrostatiquement aux argiles du sol, chargées négativement, est fixé dans le sol.
Dynamique de l'azote dans le sol et besoins des cultures
L’humus a une teneur de 5 % en azote organique en grande partie non assimilable. Chaque année, 1 à 2 % de cet azote (soit 40 à 80 kg de N/ha/an) passe à l’état NO3-, c’est la minéralisation. Les besoins en N, par hectare, pour une production de blé de 70 quintaux sont, en moyenne, de 250 kg. Seuls, 210 kg sont consommés, car il y a, en particulier, 20 kg de dénitrification. Quelques plantes (fougère Azolla en Asie, légumineuse Sesbania Rostrata en Afrique) en association avec des micro-organismes (bactéries du genre Rhizobium) pour S. Rostrata peuvent fixer le diazote de l’air et être utilisées comme « engrais vert » pour la culture du riz. A l’échelle mondiale on estime que 75 millions de t de N2 sont ainsi accumulées soit l’équivalent de 160 millions de t d’engrais chimiques.
La production industrielle d'ammoniac
Le gaz naturel fournit, en 2015, dans le monde, 69 % de l’ammoniac nécessaire à la fabrication des engrais azotés. L’ammoniac est ensuite obtenu par synthèse catalytique avec un catalyseur à base de fer, le diazote (de l’air) étant introduit lors de la fabrication du dihydrogène. L'ammoniac (NH3) est 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.
Ammonia synthesis How does it work
L'urée : Caractéristiques et usage mondial
L’urée (CO(NH2)2) est obtenue par action du dioxyde de carbone issu du reformage, sur l’ammoniac, sous pression (140 à 250 bar), à 190°C (environ 35 % 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. Les unités de production ont des capacités de 1 000 à 2 000 t/jour. C’est l’engrais azoté le plus riche en N avec une teneur de 46 %. En France, l’urée est utilisée (surtout dans le Sud-Ouest et en Alsace, régions productrices de maïs) seule ou en solutions 50/50 avec NH4NO3. C’est le principal engrais azoté utilisé dans le monde. Elle convient aux pays tropicaux (les ammonitrates sont trop solubles) en particulier 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. La production mondiale est, en 2022, comptée en N, de 84,6 millions de t.
Un inconvénient pratique de l’urée est qu’elle doit être préalablement hydrolysée en ammonium par les enzymes du sol avant d’être absorbée, ce qui peut prendre entre une journée et une semaine selon la température, et nécessite une humidité minimale. Ce problème est dû au fait que les racines des plantes n’absorbent pas directement l’azote uréique en quantité suffisante. L’équilibre physico-chimique entre l’ammonium (NH4+) en solution dans le sol et l’ammoniac (NH3) gazeux est déplacé au profit de ce dernier et aboutit en conséquence à des pertes d’azote par volatilisation ammoniacale. Ces pertes sont la raison principale de la plus faible efficacité souvent observée de l’azote uréique.
Le nitrate d’ammonium (ammonitrate)
Le nitrate d’ammonium (dénommé ammonitrate) : NH4NO3. Il est 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, est de 15,4 millions de t.
Il existe deux principaux types d’ammonitrates. L’ammonitrate 33.5% (AN) contient l’azote sous forme d’ion ammonium (NH4+) et d’ions nitrates (NO3-) à part égale. Peu importe le type, l’ammonitrate est perçu comme l’engrais minéral le plus efficace. La principale valeur ajoutée des ammonitrates par rapport à l’urée granulée se trouve donc dans leur sensibilité beaucoup plus faible à la volatilisation ammoniacale. Cette moindre perte permet une meilleure performance de l’apport d’engrais, mais favorise également un impact environnemental inférieur à celui des produits à base d’urée.
Autres formes d'engrais et enjeux économiques
Le sulfate d’ammonium (NH4)2SO4 est un sous-produit des fabrications de caprolactame, acrylonitrile, coke sidérurgique mais il est également synthétisé à partir d’ammoniac et d’acide sulfurique. Les phosphates d’ammonium (engrais binaire NP), diammonique (DAP) et monoammonique (MAP), sont obtenus par neutralisation de NH3 par H3PO4. Historiquement, le nitrate de sodium du Chili est exploité depuis 1804 dans le désert d’Atacama. Le guano, formé par les déjections d’oiseaux, s’est accumulé sur un ensemble d’îles au large des côtes péruviennes.
La fertilisation joue un rôle central dans ce défi. Choisir la forme d’engrais azoté qui permettra d’obtenir la meilleure récolte possible est une réelle nécessité. Les éleveurs qui souhaitent produire davantage de lait sur leurs prairies fertilisent à bon escient. Ils optent pour un engrais azoté pouvant être absorbé au mieux par la culture et efficacement transformé en rendement. Tous les ans, plus de 150 000 ha de prairies sont fertilisés au Novurea ou au Novurea+S. Une étude pluriannuelle démontre que Novurea et Novurea+S augmentent le taux de protéines brutes dans l’herbe. Fertilisant azoté très concentré se présentant sous forme granulée ou perlée, il peut être appliqué à différents moments du cycle de croissance et développement des plantes cultivées.
En termes de sécurité, le nitrate d’ammonium est un composé qui dans certaines conditions peut exploser. 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. Sur le plan économique, le prix de revient des engrais azotés est lié au coût du gaz naturel (50 % du prix de revient des ammonitrates). L’azote fourni par l’urée peut se retrouver sous trois formes après transformation dans le sol : amide, ammonium et nitrate. On recommande de l’appliquer sur des sols légèrement acides. La transformation de l’urée en ammonium provoque une alcalinisation du pH du sol alors que la transformation de l’ammonium en nitrate entraîne une acidification du pH du sol.
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