Peut-on réduire l'utilisation des engrais sans sacrifier la production alimentaire ?
Hannah Ritchie, Our World in Data*
Our World in Data présente les données et les recherches qui permettent de progresser contre les plus grands problèmes du monde.
Ce billet de blog s'appuie sur les données et les recherches abordées dans nos entrées sur les engrais et les rendements des cultures.
Nous remercions David Wuepper, Paul West et Luis Lassaletta d'avoir fourni des données pour cet article. Merci à Max Roser pour ses commentaires sur ce travail.
Résumé
Les engrais peuvent augmenter le rendement des cultures. Cela présente non seulement des avantages importants pour les revenus des agriculteurs et la sécurité alimentaire, mais aussi des avantages environnementaux en réduisant nos besoins en terres agricoles. De nombreux pays gagneraient à utiliser davantage d'engrais.
Lorsqu'ils sont appliqués de manière excessive, ils peuvent également devenir un polluant environnemental. Nous pourrions penser qu'il n'y a rien à faire : que pour obtenir des rendements plus élevés, il faut davantage d'intrants et donc nécessairement plus de pollution. Mais la recherche montre que ce n'est pas forcément vrai. Les agriculteurs de nombreux pays peuvent réduire leur utilisation d'engrais sans sacrifier la production alimentaire.
L'une des études les plus importantes et les plus impressionnantes au monde nous montre que des interventions simples peuvent donner de grands résultats. Dans le cadre d'un essai de dix ans, des chercheurs ont travaillé avec 21 millions de petits exploitants agricoles en Chine pour voir s'ils pouvaient augmenter le rendement des cultures tout en réduisant l'impact de l'agriculture sur l'environnement.1 Ils ont réussi.
Au cours de la décennie 2005-2015, les rendements moyens du maïs, du riz et du blé ont augmenté d'environ 11 %. Dans le même temps, l'utilisation d'engrais azotés a diminué d'environ un sixième. En produisant davantage et en ayant besoin de moins d'engrais, cette expérience a généré un rendement économique de 12,2 milliards de dollars. Ce résultat n'a pas été obtenu grâce à des innovations technologiques majeures ou à des changements de politique : il a fallu éduquer et former les agriculteurs aux bonnes pratiques de gestion.
On part souvent du principe que l'utilisation d'engrais – ainsi que la pollution qu'elle engendre – et le rendement des cultures constituent un compromis inévitable. Pour augmenter les rendements, il faut de plus en plus d'engrais. Cette étude à grande échelle suggère que ce compromis n'est pas toujours aussi extrême qu'on pourrait le croire.
Soyons clairs : les engrais sont essentiels à la production alimentaire mondiale. Il y a peu d'innovations qui ont autant transformé le monde que l'azote de synthèse.
Pendant la majeure partie de l'histoire de l'humanité, la production alimentaire était limitée par la quantité de nutriments réactifs disponibles pour les cultures. Tout a changé avec Fritz Haber et Carl Bosch. Plutôt que de dépendre de l'azote rare qui existe naturellement dans les sols de la planète, nous pouvions produire le nôtre. Leur innovation (le procédé Haber-Bosch), au début du 20e siècle, a permis de sauver des milliards de vies.2 On estime qu'une personne sur deux qui lit ces lignes doit les remercier d'être en vie aujourd'hui.
Les engrais nous permettent d'obtenir de meilleurs rendements agricoles. Il s'agit d'un avantage net évident pour l'homme : les agriculteurs peuvent produire et gagner plus, et le monde a plus de nourriture. Ce qui est moins évident, c'est que cela présente un avantage important pour l'environnement. L'augmentation du rendement des cultures signifie que nous devons utiliser moins de terres pour l'agriculture3, ce qui nous permet de protéger les forêts et de préserver les habitats naturels.
Mais il est vrai qu'à côté de ces avantages environnementaux, il y a aussi des inconvénients. L'azote que nous utilisons n'est pas entièrement utilisé par les cultures. Le reste s'écoule des sols vers l'environnement naturel : il fertilise les rivières et les lacs, ce qui perturbe l'équilibre des écosystèmes et entraîne une perte de biodiversité.
Nous pourrions penser qu'il n'y a rien à faire : pour obtenir des rendements plus élevés, nous avons besoin de plus d'intrants et donc nécessairement de plus de pollution. Dans cet article, je montre que les agriculteurs de nombreux pays peuvent réduire l'utilisation des engrais sans sacrifier la production alimentaire.
Les cultures, comme tout organisme, ont besoin de nutriments pour se développer. Lorsque des nutriments particuliers font défaut, elles échouent ou se développent à un rythme beaucoup plus lent. Ces nutriments sont appelés « nutriments limitants ». Le nutriment le plus limitant varie selon les régions du monde : certains sols manquent d'azote, d'autres de phosphore ou de potassium.
Si un sol manque naturellement de nutriments, nous pouvons y ajouter les nôtres. Cela peut se faire sous la forme d'engrais de synthèse ou d'apports organiques tels que le fumier. Il y a de très grandes différences dans la quantité d'engrais appliquée dans le monde. C'est ce que montrent les graphiques ci-dessous : d'abord la carte de l'utilisation moyenne d'engrais par hectare de terre cultivée, puis la ventilation par élément nutritif dans le diagramme à barres.
Les différences entre les pays sont d'un facteur cent. Dans de nombreux pays parmi les plus pauvres du monde, notamment en Afrique subsaharienne, les agriculteurs n'appliquent que quelques kilogrammes d'engrais par hectare. À titre d'exemple, un hectare correspond à une fois et demie la taille d'un terrain de football.4 En comparaison, dans des pays comme la Chine, le Brésil, le Royaume-Uni ou l'Égypte, les agriculteurs appliquent des centaines de kilogrammes par an. Ils appliquent autant en quelques jours que certains agriculteurs le font en une année entière.
Cela a conduit à un monde divisé :
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Dans de nombreux pays pauvres, nous avons besoin de plus d'engrais. Les améliorations des rendements agricoles ont été lentes, et les grands écarts de rendement pourraient être comblés par une gestion plus importante et plus efficace des intrants.5 Ce n'est pas seulement bon pour les agriculteurs, mais aussi pour l'environnement : pour les raisons évoquées ci-dessus, combler les écarts de rendement est l'un des meilleurs moyens de prévenir la perte d'habitat dans les tropiques.
C'est pourquoi il est dommageable que des agences telles que le Programme des Nations Unies pour le Développement promeuvent continuellement le message selon lequel moins il y a d'engrais, mieux c'est. Ce n'est pas bon pour les humains, ni pour l'environnement.
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Mais, comme nous allons le voir, de nombreux pays appliquent trop d'azote. Ils pourraient réduire leur consommation sans nuire au rendement de leurs cultures.
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Fertilizer use per hectare of cropland
Fertilizer products cover nitrogenous, potash, and phosphate fertilizers (including ground rock phosphate). Animal and plant manures are not included. Application rates are measured in kilograms per
https://ourworldindata.org/grapher/fertilizer-use-in-kg-per-hectare-of-arable-land
Utilisation d'engrais par hectare de terre cultivée, 2018 Les produits fertilisants recouvrent les engrais azotés, potassiques et phosphatés (y compris le phosphate naturel). Les fumiers animaux et végétaux ne sont pas inclus. Les taux d'application sont mesurés en kilogrammes par hectare.
Efficacité de l'utilisation de l'azote : équilibrer les rendements et le besoin d'apports nutritifs
L'utilisation de grandes quantités d'engrais ne serait pas nécessairement une mauvaise chose si la totalité de ces engrais était utilisée par les cultures. Malheureusement, ce n'est pas le cas pour la plupart d'entre eux.
Pour comprendre ce phénomène, nous pouvons examiner le rapport entre l'azote présent dans les produits récoltés (nos cultures) et nos intrants (engrais ou fumier) ; ce rapport est appelé « efficacité d'utilisation de l'azote » (NUE – nitrogen use efficiency). Un NUE de 60 % signifie que la quantité d'azote présente dans nos cultures correspond à 60 % de l'azote qui leur a été ajouté en tant qu'intrants. Les 40 % d'azote restants n'ont pas été utilisés par les cultures.
Un NUE faible est mauvais. Cela signifie qu'une très faible partie de l'azote que nous ajoutons est absorbée par les cultures. Un NUE de 20 % signifie que 80 % de l'azote appliqué devient un polluant.
Nous verrons bientôt que certains pays ont un NUE très élevé, supérieur à 100 %. Vous pourriez penser qu'il s'agit d'une bonne nouvelle. En fait, c'est souvent le contraire. Cela signifie qu'ils ont un apport insuffisant en azote, mais qu'ils continuent à essayer de faire pousser de plus en plus de cultures. Au lieu d'utiliser les nutriments facilement disponibles, les cultures doivent prélever de l'azote dans le sol – un processus appelé « extraction d'azote ». Au fil du temps, cela épuise les sols de leurs éléments nutritifs, ce qui est mauvais pour la production agricole à long terme.
À l'échelle mondiale, le NUE reste obstinément bas, entre 40 et 50 % depuis 1980.6 Ce chiffre est étonnamment bas. Cela signifie que moins de la moitié de l'azote que nous appliquons à nos cultures est effectivement absorbée par celles-ci. Le reste est un excédent qui s'échappe dans l'environnement naturel.
Mais il y a de très grandes différences dans le NUE à travers le monde, comme le montre la carte. Certains pays atteignent un faible NUE – moins de 40 %. L'Inde et la Chine, par exemple, ont un rendement de seulement un tiers. D'autres pays, en revanche, font beaucoup mieux. La France, l'Irlande, le Royaume-Uni et les États-Unis ont un rendement supérieur à deux tiers.
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Nitrogen output vs. Nitrogen input to agriculture
An interactive visualization from Our World in Data.
https://ourworldindata.org/grapher/nitrogen-output-vs-nitrogen-input-to-agriculture
Nous pouvons également examiner l'évolution du NUE au fil du temps, ce qui nous montre des différences intéressantes entre les pays.
Dans le graphique, nous voyons le rapport entre les entrées et les sorties d'azote sous la forme d'un diagramme de dispersion connecté. Sur l'axe des y, nous avons les sorties d'azote : la quantité d'azote qui est récoltée dans les cultures. Sur l'axe des x, nous avons les entrées d'azote : ajoutées sous forme d'engrais, de fumier ou d'absorption naturelle par le sol.
La ligne grise indique où l'efficacité de l'utilisation de l'azote serait de 100 %, ce qui signifie que la totalité de l'azote ajouté a été absorbée par la culture. En réalité, il s'agit probablement d'une mauvaise nouvelle. Comme nous l'avons vu précédemment, l'apport d'azote est probablement insuffisant. Au lieu d'utiliser des intrants de synthèse, les cultures doivent prendre l'azote du sol, ce qui peut épuiser leurs sols au fil du temps.
Idéalement, nous voulons une valeur qui augmente sur l'axe des y : un rendement plus élevé de nos cultures, mais qui ne se déplace pas de plus en plus vers la droite (ce qui indiquerait que de plus en plus d'intrants sont nécessaires pour y parvenir). Si un pays s'éloigne de la ligne grise, il devient de plus en plus inefficace. Nous voulons que les pays s'en rapprochent.
J'ai mis en évidence certains modèles de pays intéressants. Nous constatons que des pays comme l'Inde, la Chine et l'Égypte deviennent moins efficaces. Les rendements augmentent, mais ils ont besoin de quantités croissantes d'azote pour y parvenir. C'est une courbe de rendement décroissant. Ils s'éloignent de la ligne grise centrale. La France nous offre un contre-exemple intéressant. Ces dernières années, elle a commencé à revenir sur l'axe des x pour réduire les apports d'azote. Dans le même temps, elle a lentement augmenté les rendements. Elle augmente les rendements tout en réduisant la quantité d'engrais utilisée. Le NUE s'améliore.
Dans le coin inférieur gauche, nous voyons le Nigeria. De nombreux pays d'Afrique sub-saharienne se regroupent près de l'origine. Ils obtiennent de faibles rendements et n'appliquent que de faibles quantités d'azote à leurs cultures. Pour assurer leur sécurité alimentaire, ils doivent rapidement remonter sur l'axe des ordonnées (y).
Ainsi, l'efficacité de l'utilisation de l'azote, plutôt que la simple utilisation d'engrais, semble être un meilleur indicateur de durabilité pour nous.
Nous pourrions supposer que tous les pays pourraient atteindre le même NUE élevé. Mais il est peut-être encore injuste de comparer les pays du monde entier de cette manière. Les différences de climat, de végétation et de types de sol font que nous ne pouvons pas obtenir partout les mêmes rendements avec les mêmes intrants. Certains pays peuvent avoir des conditions environnementales plus favorables que d'autres.
Comment pouvons-nous mieux comprendre quels sont les pays qui obtiennent de bons résultats dans ces compromis rendement-engrais ?
Une façon intéressante d'aborder cette question est d'examiner les discontinuités des rendements et de la pollution par l'azote aux frontières internationales. C'est l'approche adoptée par David Wuepper et ses collègues dans une étude récente, publiée dans Nature.7 En examinant les discontinuités des rendements, des bilans d'azote et des intrants à travers les frontières, les chercheurs ont étudié le rôle que jouent les politiques agricoles de chaque pays. En effet, les conditions environnementales, le climat et les qualités du sol devraient être très similaires de part et d'autre de la frontière. Techniquement, ils devraient être en mesure d'atteindre un niveau similaire de NUE et des rendements similaires. S'il y a de grandes différences de rendement ou de pollution entre un pays et son voisin, nous supposerons donc que d'importants effets spécifiques au pays jouent un rôle. Il s'agit d'une « expérience naturelle » où les conditions environnementales sont constantes et où les décisions politiques sont la variable.
Le contraste à la frontière entre le Kazakhstan et la Chine, et entre la Turquie et la Syrie en est un bon exemple. Nous pouvons le voir sur les photos aériennes. Les conditions de culture de part et d'autre devraient être similaires. Mais la Chine et la Turquie ont beaucoup plus de végétation que leurs voisins, en raison des apports de nutriments et de la façon dont ils gèrent l'agriculture.
Grâce à l'imagerie satellitaire et aux ensembles de données géospatiales, ces chercheurs ont pu mesurer quatre paramètres clés à haute résolution sur des centaines de milliers de frontières entre pays : les bilans azotés des terres cultivées, la pollution par l'azote, les déficits de rendement (la quantité de rendement qui pourrait être augmentée avec une meilleure gestion des nutriments) et le potentiel de végétation naturelle. Ils ont trouvé des différences transfrontalières dans les trois premiers paramètres, mais pas dans le potentiel de végétation naturelle. Ce résultat est important car il signifie que notre hypothèse selon laquelle les conditions environnementales de part et d'autre des frontières sont similaires, est valide.9
Dans ce vaste ensemble de données mondiales, les chercheurs ont constaté que la discontinuité de la pollution par l'azote à travers les frontières était beaucoup plus importante que la discontinuité des écarts de rendement. Leurs résultats suggèrent qu'il existe, à l'échelle mondiale, un potentiel considérable de réduction de la pollution par l'azote sans incidence sur les rendements des cultures.
Ils concluent que la pollution par l'azote pourrait être réduite d'environ 35 % si les pays pollueurs devenaient aussi efficaces que leurs voisins. Cela n'aurait que peu d'impact sur les rendements agricoles, les écarts de rendement n'augmentant que de 1 %.
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Which countries are overapplying nitrogen without gains in crop yields?
Shown is how much nitrogen pollution countries are causing compared with how much they reduce their yield gaps relative to directly neighbouring countries. Positive values (yellow to red) indicate a
https://ourworldindata.org/grapher/yield-gap-vs-nitrogen-pollution
Quels sont les pays qui appliquent des quantités excessives d'azote sans que le rendement des cultures s'améliore ? L'illustration montre la quantité de pollution par l'azote causée par les pays par rapport à la réduction des écarts de rendement par rapport aux pays directement voisins. Des valeurs positives (jaune à rouge) indiquent qu'un pays applique trop d'azote sans gain de rendement.
Leurs résultats nous permettent également de comprendre quels pays utilisent l'azote de manière inefficace. La carte ci-dessus montre la comparaison entre les niveaux de pollution par l'azote des pays et leurs gains de rendement par rapport à leurs voisins. Les valeurs positives – indiquées en orange et en rouge – signifient qu'un pays pollue plus que nécessaire pour les rendements qu'il obtient. Les valeurs négatives – indiquées en bleu – signifient qu'un pays pollue moins.
Il y a quelques points importants à garder à l'esprit. Toutes ces valeurs sont mesurées par rapport aux voisins d'un pays. Un pays peut avoir un bon score parce que son voisin obtient des rendements très faibles : la Corée du Sud en est un bon exemple. Ou un pays obtient un bon score parce que son voisin utilise l'azote de manière inefficace : la Mongolie en est un bon exemple.
La Chine a le score le plus élevé, soit 170 %. Cela signifie qu'elle pollue par l'azote 170 % de plus que ce qui est nécessaire pour atteindre son niveau de rendement des cultures. Le Brésil, le Mexique, la Colombie et la Thaïlande sont également très pollueurs. Ce sont les pays qui appliquent le plus d'azote en excès : ils pourraient probablement réduire considérablement l'utilisation d'engrais sans affecter le rendement de leurs cultures.
Nous partons souvent du principe que l'augmentation de la pollution est un coût inévitable si l'on tente de combler les écarts de rendement. Mais ce compromis n'existe pas toujours.
Vous remarquerez peut-être que la plupart des plus gros pollueurs sont des pays à revenu intermédiaire. Dans les années 1960 et 1970, de nombreux pays à revenu intermédiaire ont lancé leur « révolution verte » et ont considérablement augmenté leur production alimentaire. Les gouvernements ont offert des subventions aux agriculteurs pour qu'ils utilisent des engrais et d'autres intrants. Cela a rendu les engrais bon marché et a réduit les incitations pour les agriculteurs à les utiliser efficacement.10 Ces engrais bon marché sont l'une des raisons pour lesquelles ces pays apportent massivement de l'azote aujourd'hui.
L'une des façons dont les gouvernements peuvent donc réduire la pollution par l'azote est d'ajuster le rapport entre le prix des engrais et le rendement des produits agricoles. Ils peuvent ajuster les subventions pour qu'il soit coûteux pour les agriculteurs de surutiliser les engrais. Ils pourraient aussi réaffecter ces ressources financières vers des pratiques qui ont des impacts environnementaux positifs.
Une autre option consiste à inverser les incitations financières : au lieu de subventionner les engrais, on pourrait les taxer.
Nous pourrions vouloir rendre les engrais plus chers pour les pays qui en font un usage excessif. Mais nous voulons en fait faire l'inverse pour les pays qui présentent de grands déficits de rendement. Comme nous l'avons vu précédemment, de nombreux pays d'Afrique subsaharienne n'utilisent pratiquement pas d'engrais. Ils obtiennent donc des rendements très faibles. L'octroi de subventions pour les engrais et autres intrants serait extrêmement bénéfique.
L'un des défis de l'application d'engrais sur vos cultures est qu'il peut être difficile de savoir où il est nécessaire. Certaines parties de votre champ peuvent manquer d'azote alors que d'autres en ont plus qu'assez. Souvent, la solution la plus simple et la plus rapide consiste à en appliquer partout, surtout si les engrais sont largement subventionnés et bon marché. Mais avec les technologies émergentes, nous pouvons faire mieux. Grâce aux informations fournies par les drones ou les images satellites, nous pouvons mettre en place une « agriculture de précision », qui nous permet de voir exactement où les engrais sont le plus nécessaires.11 Les technologies d'amélioration des plantes pourraient également offrir de nouvelles opportunités.12 Nous pouvons essayer d'améliorer notre efficacité à utiliser l'azote, mais il est possible d'améliorer l'efficacité avec laquelle les plantes l'utilisent également.
N'oublions pas que l'une des solutions les plus prometteuses – et que nous négligeons souvent – est la plus simple et la plus ancienne de toutes. Les légumineuses – des cultures telles que les haricots, les pois et les lentilles – accomplissent leur propre magie en ce qui concerne l'azote. Elles ont la capacité de capter l'azote présent dans l'atmosphère et de le transformer elles-mêmes en azote réactif. C'est ce qu'on appelle la « fixation biologique ». Contrairement à la plupart des autres cultures pour lesquelles nous devons ajouter de l'azote, elles le créent elles-mêmes. Cultiver davantage de légumineuses – seules ou avec d'autres cultures – est l'un des moyens les plus simples d'apporter de l'azote dans le sol.
Enfin, nous pouvons faire beaucoup en formant les agriculteurs à adopter des pratiques de gestion durable. L'étude portant sur 21 millions d'agriculteurs en Chine le montre clairement. De grands changements politiques et des avancées technologiques sont souvent nécessaires pour faire une grande différence, mais nous ne devons pas sous-estimer l'impact que peut avoir l'éducation.
Beaucoup considèrent le rendement des cultures et la pollution de l'environnement comme un compromis inévitable. Ce n'est pas forcément le cas. Nous pouvons réduire considérablement la pollution sans réduire les rendements agricoles. Moins de pollution, plus de nourriture, des rendements plus élevés pour les agriculteurs et moins de terres agricoles, voilà un problème qui présente de multiples avantages si nous parvenons à mettre en œuvre les bonnes solutions.
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Si les rendements agricoles étaient restés à leur niveau de 1961, nous aurions besoin de près de trois fois plus de terres agricoles aujourd'hui (pour assurer la production alimentaire en 2019). Les gains de rendement des cultures ont permis de « sauver » 1,7 milliard d'hectares de terres. C'est l'équivalent d'une superficie égale à celle des États-Unis et du Brésil réunis.
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Le vrai « football » pas le football américain.
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Dans les quelques cas où le potentiel de végétation naturelle variait d'un pays à l'autre, les résultats ont été corrigés en conséquence.
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* Source : Can we reduce fertilizer use without sacrificing food production? - Our World in Data