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Production agricole et ressources naturelles : vers une agriculture plus écologique

Lumière, eau et éléments minéraux constituent les besoins de base des plantes. L’observation des mécanismes naturels donne des pistes pour optimiser ces ressources pour les plantes cultivées. 

Visuel Regards d'expert Agroécologie Saugier
Article de présentation de la revue de l’Académie d’Agriculture de France : « Production agricole et ressources naturelles : vers une agriculture plus écologique », par Bernard Saugier, 22 pages, 28 octobre 2013.. © Inra, Véronique Gavalda
Par Pascale Mollier
Mis à jour le 15/06/2016
Publié le 15/06/2016

Dans la revue présentée par cet article (1), l’auteur, Bernard Saugier, agrégé de physique devenu professeur d’écologie végétale, revient aux fondamentaux : la production végétale, en particulier agricole, dépend de trois ressources élémentaires : la lumière, l’eau et l’azote. Il prend pour modèle le fonctionnement de la forêt, qui produit globalement autant de biomasse que les cultures, sans irrigation ni engrais. Comment s’en inspirer  pour que l’agriculture du futur soit moins consommatrice d’intrants et utilise au mieux le recyclage des éléments minéraux ?

La production réelle de biomasse représente la moitié de la production potentielle

La production de biomasse végétale réelle sur les continents est estimée en moyenne (2) à 896 g de matière sèche par m2 et par an.

On peut d’autre part calculer la production potentielle maximale, compte-tenu de la fraction du rayonnement solaire absorbée et du rendement de la photosynthèse : on obtient une valeur moyenne de 1718 g de matière sèche par m2 et par an.

La production de biomasse réelle est donc deux fois moindre que la production potentielle, essentiellement à cause des contraintes environnementales : déficit en eau ou en minéraux, attaques parasitaires, etc.

Cultures et forêts : même rendement moyen en biomasse

Système de mesure de la photosynthèse installé sur une feuille de châtaignier près d'Orsay.. © Université Paris-Sud Orsay
Système de mesure de la photosynthèse installé sur une feuille de châtaignier près d'Orsay. © Université Paris-Sud Orsay

Le rendement moyen en biomasse des trois principales céréales (blé, riz, maïs) est comparable à celui des forêts, qui pourtant ne nécessite ni irrigation, ni engrais. Une des raisons en est que la forêt a une durée de végétation plus longue : elle reste verte plus longtemps et intercepte donc 1,6 fois plus de rayonnement solaire. On voit donc tout l’intérêt qu’il y aurait à développer des cultures en tirant le meilleur parti du rayonnement disponible pendant toute l’année, éventuellement en faisant plusieurs cultures dans l’année quand c’est possible, comme cela se pratique sous les tropiques, pour le  riz  notamment. Le  réchauffement climatique  des  régions  tempérées  devrait permettre  d’augmenter  la  durée  de  la période de végétation et donc d’interception du rayonnement, à condition de disposer de plantes  adaptées à  cet allongement,  ce  qui  peut  constituer  un objectif pour les sélectionneurs.

Eau : l’irrigation atteint ses limites

Carte mondiale de l'indice de rareté en eau :(W-S)/Q, où W est le flux d’eau utilisé pour les activités humaines, S la part de W provenant d’eau de mer dessalée et Q le flux d’eau bleue disponible.. © Oki et Kanae, 2006
Carte mondiale de l'indice de rareté en eau :(W-S)/Q, où W est le flux d’eau utilisé pour les activités humaines, S la part de W provenant d’eau de mer dessalée et Q le flux d’eau bleue disponible. © Oki et Kanae, 2006

L’eau est le principal facteur limitant la production végétale. Beaucoup d’efforts de recherche portent sur l’amélioration génétique des plantes cultivées vis-à-vis de l’efficience de l’eau (3), en jouant sur plusieurs paramètres tels que la surface foliaire, l’enracinement, la photosynthèse en C4 plutôt qu’en C3 (4), etc. Mais cette amélioration est complexe du fait de la multiplicité des facteurs et de leur interdépendance : elle  n’a été mise en œuvre jusqu’ici avec efficacité que dans des conditions d’aridité comme pour le blé en Australie, où on a pu gagner 5 à 10% de rendement au mieux.

Restent pour l’agriculteur des pratiques culturales telles que : ajuster la date des semis,  favoriser le ruissellement vers les plantes, ou irriguer. Les surfaces consacrées à l’irrigation ont augmenté, passant de 100 millions d’hectares dans les années 1950 à 280 millions d’hectares en 2007. L’indice de rareté d’eau augmente dans plusieurs régions du monde et il est clair qu’on ne pourra pas accroître indéfiniment les surfaces irriguées. La FAO estime que l’augmentation de production nécessaire pour nourrir la population mondiale dans les prochaines décennies doit provenir pour l’essentiel des cultures pluviales (alimentées seulement par l’eau de pluie). Dans les pays arides, il existe  des systèmes naturels (5) qui permettent de concentrer l’eau de pluie sur une surface limitée et qui mériteraient de plus amples études.

Eléments minéraux : améliorer l’utilisation de l’azote

Des capteurs (en blanc) embarqués sur le tracteur analysent la teneur en chlorophylle des feuilles qui est fortement corrélée à l'état de nutrition azotée de la plante. Ces mesures sont basées sur la réflectance du couvert végétal dans le spectre visible et proche infrarouge. Le but est de ne délivrer que la quantité minimale d'engrais ajustée à la variabilité de la parcelle. Cette méthode nécessite l’arpentage total de la parcelle contrairement à la télédétection.. © EADS-Astrium
Des capteurs (en blanc) embarqués sur le tracteur analysent la teneur en chlorophylle des feuilles qui est fortement corrélée à l'état de nutrition azotée de la plante. Ces mesures sont basées sur la réflectance du couvert végétal dans le spectre visible et proche infrarouge. Le but est de ne délivrer que la quantité minimale d'engrais ajustée à la variabilité de la parcelle. Cette méthode nécessite l’arpentage total de la parcelle contrairement à la télédétection. © EADS-Astrium

Le rendement des céréales a été multiplié par quatre de 1960 à 2010. Ce progrès doit beaucoup à la mise au point de la fabrication industrielle d’engrais azotés (6). Sans engrais minéraux, les rendements des céréales sont réduits de 30 à 50 %, en partie parce que l’azote d’origine organique du sol est absorbé par les bactéries qui entrent en compétition avec les racines des plantes. Cependant, l’utilisation de ces engrais minéraux par la plante n’est pas optimum : les deux tiers sont dissipés dans l’environnement sous forme gazeuse (7), et sous forme dissoute (nitrates), contribuant à l’eutrophisation des milieux. Il est donc très souhaitable d’augmenter de façon significative l’efficacité de cet apport. Là encore, la recherche  explore activement  plusieurs voies : efficacité du prélèvement de l’azote par les racines, métabolisme en C4 plus efficace que celui en C3, transfert dans la plante de microorganismes fixateurs d’azote (bactéries du genre rhizobium, ou algues cyanophycées). Ce dernier objectif ne semble plus inatteignable (8) mais prendra encore de nombreuses années.

Beaucoup de progrès dans les techniques culturales permettent aussi d’apporter l’azote « au bon moment et au bon endroit » : traditionnelles rotations, mais aussi modélisation et agriculture de précision (9).

En conclusion, l’observation d’écosystèmes naturels comme la forêt et de processus biologiques (fixation d’azote, régénération du sol, cycles biogéochimiques) est source d’inspiration pour améliorer l’efficacité d’utilisation des ressources des cultures. La valorisation des savoir-faire des paysans est également très importante, en particulier dans les pays pauvres.

 

(1) Voir encadré 1.

(2) Production de biomasse toute végétation confondue (forêt, cultures) répartie sur l’ensemble de la surface terrestre sauf Antarctique et Groenland.

(3) Voir la revue « Regards d’expert » de Georges Pelletier, 2013.

(4) Voir la revue « Regards d’expert » de Jean-François Morot-Gaudry, 2014.

(5) Exemple : le système de « brousse tigrée » est répandu au Sahel sur des sols de latérite présentant une légère pente. Elle est constituée de bandes de sol nu alternées avec des bandes de végétation arbustives, ce qui, vu d’avion, donne l’aspect d’une peau de tigre. L’eau de pluie ruisselle sur le sol nu durci et s’infiltre dans les zones de végétation.

(6) Procédé Haber-Bosch, 1913 : fabrication d’engrais azotés minéraux à partir d’azote moléculaire et d’hydrogène tiré du méthane, avec apport d’énergie.

(7) Oxydes d’azote, y compris l’oxyde nitreux dont chaque molécule équivaut à 296 molécules de CO2 comme gaz à effet de serre.

(8) Une symbiose a été établie entre une le blé et bactérie fixatrice d’azote présente dans le tube digestif, Klebsiella pneumoniae (Iniguez et al. 2004).

(9) L’utilisation d’un tracteur équipé de GPS différentiel et de divers capteurs peut permettre des diminutions d’apport de 10 à 30 % sans effet notable sur le rendement.

La revue complète

Lire la revue complète de l’Académie d’Agriculture de France : « Production agricole et ressources naturelles : vers une agriculture plus écologique », par Bernard Saugier, 22 pages, 28 octobre 2013 :

Revue de l’Académie d’agriculture : «Agroécol

Sommaire

  • Résumé
  • Introduction
  • Progrès de l’agriculture
  • Production potentielle de biomasse
  • Production réelle de biomasse et production agricole
  • Prélèvement d’eau pour l’agriculture
  • Sensibilité à la sécheresse et production agricole
  • Bilan hydrique et irrigation
  • Prélèvement d’éléments minéraux pour l’agriculture
  • Conclusion : vers une agriculture durable
  • Références

Avancées de l’Inra dans le domaine

- Eau et sécheresse

  • Définir et évaluer la sécheresse. Lire l'article.
  • Dossier sur le manque d'eau en agriculture.
  • Des rhizobactéries exercent un effet protecteur contre la sécheresse, permettant de réduire la mortalité des plantes jusqu'à 50% en cas de stress hydrique sévère. Lire l'article.

- Arbres et sécheresse

  • Un collectif international de chercheurs piloté par l’Inra vient d’identifier l’espèce d'arbre la plus résistante du monde à la sécheresse. Lire l'article
  • Des chercheurs de l’Inra associés à un groupe de recherche international ont montré que la plupart des arbres fonctionnent à la limite du point de rupture de leur système hydraulique. Lire l'article
  • Les chercheurs de l'Inra décèlent les sons émis par les arbres lors de l'entrée de bulles d'air dans les vaisseaux conducteurs d'eau, phénomène appelé embolie gazeuse et consécutif à des sécheresses sévères.  Lire l'article
  • Contrairement à ce qui était supposé par la communauté scientifique, la diversité n’est pas nécessairement un facteur d’amélioration de la résistance des forêts à la sécheresse. Lire l'article

- Cycle du carbone

- Photosynthèse et changement climatique

  • Prairies : production en biomasse accrue du fait de l’augmentation du gaz carbonique qui stimule la photosynthèse, mais besoins en eau augmentés…Lire l’article

- Fixation symbiotique d’azote

  • Caractérisation des facteurs Nod, synthétisés par les Rhizobium(bactéries fixatrices d’azote qui vivent en symbiose avec les légumineuses). Lire l'article.
  • Travaux sur les symbioses racinaires et leur lien avec l’alimentation des plantes en eau et en minéraux. Jean Dénarié. Laurier Inra 2007. Lire l'article.

- Forêts

  • Tour d’horizon de 50 ans de recherche sur les forêts et milieux aquatiques, colloque du 19 décembre 2014. Lire l’article.

- Agriculture de précision

  • Rapport Agriculture et innovation 2025. Lire l'article.
  • Colloque SIA 2016 : Agriculture et innovation 2025. Lire l'article.
  • Rencontre SIA 2016 : Agriculture numérique. Lire l'article.
  • Rencontre SIA 2016 : Robotique. Lire l'article.
  • Conséquences des nouvelles technologies sur le métier l'éleveur. Lire l'article.

- Lire aussi les revues « Regards d’expert » de l’Académie d’agriculture de France :

Portrait Bernard Saugier, professeur honoraire de l’Université Paris-Sud Orsay, France,  et membre de l’Académie d’agriculture de France.. © Académie d'agriculture de France

L’auteur

Bernard Saugier est professeur honoraire de l’Université Paris-Sud Orsay, France,  et membre de l’Académie d’agriculture de France.