Par Karima BOUHAFA (INRA CRRA Meknès)
Chercheure Science du sol
URGDRNSEQ-CRRA Meknès
Au cours des dernières décades, l’apport d’azote (N) est devenu de plus en plus important pour la croissance des cultures pour nourrir une population humaine croissante, qui devrait doubler d’ici 2050 (Xin et al., 2015 ; Liu et al., 2018). La réduction des surfaces agricoles, due à l’industrialisation et à l’urbanisation, a également entraîné une augmentation continue de la demande en azote pour satisfaire l’approvisionnement des cultures (David et al., 2011 ; Hobbie et al., 2017). Pour répondre à cette demande croissante d’azote, l’utilisation d’engrais chimiques et de fumiers organiques, représentant environ 75 % des apports totaux d’azote agricole selon Davidson (2009) (les autres sources d’apports en azote sont le dépôt de N et sa fixation biologique), a augmenté de 30,7 % à l’échelle mondiale au cours des 15 dernières années. L’usage intensif d’engrais azotés minéraux a ainsi entrainé l’explosion de la production végétale observée dans le monde au cours du siècle dernier (Tilman, 1999 ; Ladha et al., 2005 ; Hirel et al. 2007). Cependant, depuis les années 1990, l’augmentation des doses d’engrais n’a plus permis d’améliorer significativement les rendements des cultures, et l’efficience d’utilisation de l’azote demeure relativement faible (Yang et al., 2023). Selon Smil (1999) et Erisman et al. (2007), seulement 33 % de l’azote apporté est réellement absorbé par les cultures, tandis que le reste est perdu dans l’environnement, constituant ainsi une menace majeure pour les écosystèmes.
Principales voies de perte d’azote et risques environnementaux
L’impact environnemental des fertilisants se manifeste principalement à travers les effets de l’azote. Ce dernier présente un fort potentiel de pollution en raison de sa grande mobilité dans le sol et de son degré important de volatilisation et de dénitrification, responsables de la contamination des eaux et de la pollution atmosphérique. De nombreuses études ont montré que la surutilisation d’engrais azotés a considérablement accru les concentrations en nitrates dans les eaux souterraines de plusieurs bassins à travers le monde (Serio et al., 2018 ; Ogrinc et al., 2019).
Les principales voies de perte d’azote sont l’émission gazeuse d’ammoniac (NH3) et d’oxyde nitreux (N2O), le ruissellement de surface, l’érosion du sol et les lessivages vers les nappes phréatiques (McSwiney et Robertson, 2005 ; Jiang et al., 2018). Le protoxyde d’azote (N2O) exerce une influence très néfaste sur l’effet de serre dans l’atmosphère (Sun et al., 2019). Par ailleurs, de nombreuses études ont analysé l’impact environnemental de l’agriculture et ont souligné l’importance de l’utilisation d’engrais azotés sur les émissions de gaz à effet de serre (GES) (Wang et al., 2015 ; Chen et al., 2020 ; Li et al., 2022 ; Wang et al., 2023).
En outre, la pollution de l’air résultant des émissions d’azote, particulièrement la pollution aux particules fines PM2.5 (particules dont le diamètre est inférieur à 2.5 µm), est nocive pour la santé humaine (Wang et al., 2023). L’ammoniac (NH3), en tant que l’un des précurseurs des aérosols inorganiques secondaires, est indirectement lié aux concentrations de PM2.5 (Wang et al., 2023).
En 2018, les émissions agricoles de NH3 en Chine ont contribué pour 24,6 % aux concentrations de PM2.5 (Wang et al., 2023 ; Cheng et al., 2021 ; Clappier et al., 2021). En Europe, la plupart des émissions d’ammoniac sont dues aux activités agricoles. La répartition des sources d’émission en Europe en mars 2011 a montré que les sources anthropiques (principalement la gestion du fumier et l’épandage d’engrais) contribuent à 83 % des émissions totales d’ammoniac. Ces émissions d’ammoniac avaient déjà été identifiées pour induire des épisodes de pollution aux PM2,5 au printemps (Viatte et al., 2022). Les émissions agricoles de NH3 entraînent également des dépôts de N (Wang et al., 2023 ; Liu et al., 2022a), qui peuvent causer une série de problèmes écologiques (Greaver et al., 2012).
Quelques approches de fertilisation pour atténuer les risques environnementaux
La maîtrise de la consommation d’engrais est un moyen majeur pour réduire les impacts environnementaux, (Hansen et al., 2018). Or, trop peu d’azote signifie une baisse de la productivité des cultures et une dégradation des sols (Moir et al., 2013). L’enjeu consiste à réduire l’apport d’azote sans affecter le rendement et la qualité.
1. Utilisation de variétés à haute efficience d’utilisation d’azote
Une approche possible pour atteindre cet objectif consiste à sélectionner des variétés qui utilisent l’azote plus efficacement (Büchi et al., 2016 ; Foulkes et al., 2009 ; Hirel et al., 2007 ; Sylvester-Bradley et Kindred, 2009 ; Tilman, 1999).
Plusieurs études ont montré que les caractères liés à l’absorption et à l’utilisation de l’azote, ainsi qu’à la formation du rendement, sont déterminés génétiquement et varient selon les génotypes et les espèces (Büchi et al., 2016 ; Austin et al., 1977 ; Barraclough et al., 2010 ; Barraclough et al., 2014 ; Bogard et al., 2010 ; Flood et Martin, 2001 ; Gaju et al., 2011 ; Le Gouis et al., 2000 ; Lemaire et al., 2008 ; Ye et al., 2011). Peu d’études ont étudié les réponses variétales en conditions de déficit d’azote, identifiant ainsi des traits génétiques utiles pour les systèmes à faibles intrants (Dawson et al., 2008). Or, Certains chercheurs suggèrent que les caractères sélectionnés dans des conditions riches en azote peuvent ne pas être les mêmes que ceux requis pour des performances élevées dans des conditions limitant l’azote (Büchi et al., 2016 ; Ceccarelli, 1996 ; El Bassam, 1998 ; Ruiz et al., 2008 ; Vlachostergios et Roupakias, 2008). Par conséquent, afin d’améliorer l’efficience d’utilisation des éléments nutritifs, la performance des génotypes dans des conditions contrastées de fertilité du sol doit être comprise. Cependant, Büchi et al. (2016) ont étudié la réponse à l’apport d’azote de onze variétés européennes de blé d’hiver (Triticum aestivum L) dans des environnements inhabituellement contrastés de fertilité du sol au sein d’un même champ et pendant deux ans. Ces auteurs ont trouvé que les variétés ayant donné les meilleurs résultats à des niveaux d’intrants élevés étaient également les meilleures à de faibles niveaux d’intrants. De même, les caractères variétaux associés à un rendement élevé ou à une concentration en azote des grains dans des conditions d’apport élevé étaient les mêmes que ceux identifiés dans des conditions d’apport faible.
2. Utilisation des ‘synergistes’ d’azote
Généralement, les synergistes d’azote affectent la perte de NH3 et les émissions de GES en régulant les transformations de N du sol. En effet, différentes stratégies agissent par différents mécanismes : par exemple, les stabilisateurs de N, tels que les inhibiteurs d’uréase (UI), ralentissent l’hydrolyse de l’urée en inhibant l’activité de l’uréase, et les inhibiteurs de nitrification (NI) ralentissent le processus de nitrification en inhibant l’activité des bactéries nitrifiantes (Li et al., 2018 ; Sha et al., 2020a). L’engrais bactérien contenant du Bacillus subtilis agit principalement en modifiant l’abondance des micro-organismes et des gènes et le processus de transformation de l’azote microbien (Sun et al., 2020b).
Une expérience de terrain de deux ans a été menée, par Wang et al. (2023), dans une rotation maïs-blé dans la plaine de Chine du Nord, testant quatre pratiques de gestion optimisée d’azote, comprenant la réduction du taux d’azote de l’engrais (urée) et en utilisant avec l’engrais des « synergistes » d’azote (inhibiteurs d’uréase (UI) et de nitrification (NI) et inoculants microbiens (UB)). Les résultats de cette étude ont montré que les émissions de NH3 ont été significativement réduites uniquement par l’inhibiteur d’uréase (UI), avec une réduction moyenne de 66,9 % par rapport aux émissions de l’urée non traitée. Ces auteurs ont trouvé aussi qu’au même taux d’azote apporté, les émissions de N2O ont été réduites de 30,8 à 76,7 % par tous les synergistes (UI, NI et UB), et les rendements des cultures ont été améliorés de 14,4 % et 15,2 % sous les traitements UI et UB, respectivement. Ils ont conclu que l’apport de la quantité optimale d’urée (réduction de 33% par rapport aux doses généralement appliquées par les agriculteurs) amendé avec l’inhibiteur d’uréase aux rotations maïs-blé dans le Nord de la Chine s’est avérée être la méthode la plus efficace pour un développement agricole vert et durable et pour l’atténuation du réchauffement climatique dans cette région de Chine.
Dans une autre étude en Pakistan, Dawar et al. (2021) ont exploré le rôle du biocharbon (BC) et/ou de l’inhibiteur d’uréase (UI) dans l’atténuation des rejets d’ammoniac (NH3) et d’oxyde nitreux (N2O) provenant des champs cultivés de blé fertilisés à l’urée. L’expérience comprenait cinq traitements [témoin, urée (150 Kg N/ ha), BC (10 Mg/ha), urée + BC et urée + BC + UI (1 L/tonne)]. L’utilisation de l’urée avec BC et BC + UI ont réduit les émissions de NH3 du sol de 27 % et 69 %, respectivement, par rapport à l’application unique d’urée. Les émissions d’oxyde nitreux des parcelles fertilisées à l’urée ont également été réduites de 24 % et 53 % en appliquant BC et BC + UI, respectivement, par rapport à l’urée seule. L’application de BC avec de l’urée a amélioré le rendement en grains, la biomasse des pousses et l’absorption totale d’azote du blé de 13 %, 24 % et 12 %, respectivement, par rapport à l’urée seule. De plus, l’UI a favorisé le rendement de la biomasse et du grain, ainsi que l’assimilation de l’azote dans le blé de 38 %, 22 % et 27 %, respectivement, par rapport à la seule application d’urée.
Conclusion
L’azote est l’élément nutritif clé pour la croissance des cultures dans la plupart des systèmes agricoles. Cependant, l’usage excessif d’engrais azotés entraîne de très grandes émissions d’ammoniac (NH3) et de gaz à effet de serre (GES), en particulier d’oxyde nitreux (N2O), induisant une pollution sévère de l’air et contribuant fortement au réchauffement climatique.
Une gestion optimisée de la fertilisation azotée et l’amélioration de l’efficience d’utilisation d’azote représentent des méthodes essentielles et pratiques pour réduire les émissions de NH3 et de GES (Huang et al., 2021 ; Bizimana et al., 2022 ; Pan et al., 2022). Des études ont montré que l’adoption de variétés plus efficientes, la réduction raisonnée des apports et l’usage de synergistes d’azote (tels que le biocharbon et les inhibiteusr d’uréase) peuvent résoudre les problèmes conjoints de pollution de l’environnement et d’efficacité agricole.
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