Choisir entre engrais organiques et minéraux pour vos cultures

Une vérité brute : chaque année, des millions de tonnes de nutriments quittent nos champs sans retour. Derrière chaque graminée arrachée, chaque légume expédié, un morceau de sol s’efface un peu plus. La fertilisation n’est pas qu’un geste technique : elle façonne nos paysages, nos assiettes et, à terme, notre avenir commun.

Fournitures végétales

Les plantes, comme tous les organismes vivants, sont faites de matière organique[1]. Quatre éléments dominent cette composition : carbone (C), hydrogène (H), oxygène (O) et azote (N). En plus petites proportions, on trouve aussi le phosphore (P) et le soufre (S). D’autres, tels que le potassium (K) ou le calcium (Ca), n’entrent pas dans la structure organique des plantes mais jouent un rôle clé sous forme d’ions pour assurer l’équilibre cellulaire. Et puis, il y a ces métaux comme le magnésium (Mg) ou le fer (Fe), sans lesquels la fabrication de pigments et d’enzymes serait impossible. Chacun de ces éléments, une fois assimilé par le vivant, prend le statut de nutriment.

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Voici la composition chimique indicative d’une plante, exprimée en pourcentage de matière sèche. Ces valeurs, issues de Stout (1961) [2], varient selon les tissus et les espèces, mais donnent une idée précise de cette architecture invisible.

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Les plantes excellent dans l’art de l’autonomie : elles puisent tous leurs nutriments sous forme minérale et fabriquent leur propre matière organique. Cette capacité, appelée autotrophie, distingue radicalement les végétaux (et certains micro-organismes) des animaux, dits hétérotrophes, qui dépendent de matières organiques déjà formées. Au cœur de ce processus, la photosynthèse : une réaction où la lumière du soleil permet de transformer le dioxyde de carbone (CO2) de l’air et l’eau (H2O) du sol en sucres. C’est là toute l’élégance de la nature : la masse sèche d’une plante provient en majeure partie du CO2 capturé dans l’atmosphère. En somme, chaque arbre, chaque fleur, est une parcelle d’air solidifiée par l’énergie du soleil.

L’équation de la photosynthèse résume cette prouesse : grâce à elle, les plantes assimilent leur trio de nutriments principaux, carbone, oxygène, hydrogène. Les autres éléments, quant à eux, proviennent du sol sous forme d’ions dissous : ce sont les fameux sels minéraux[3].

Nutriments et fertilité des sols

La fertilité d’un sol dépend de sa capacité à offrir des nutriments en quantité et sous une forme assimilable par les plantes [4]. À mesure que les cultures se développent, elles puisent ce dont elles ont besoin, puisent et consomment, vidant peu à peu le réservoir. À l’inverse, lorsque les végétaux meurent, leur matière organique se dégrade, libérant à nouveau ces nutriments dans le sol : c’est la décomposition et la minéralisation. Le cycle est donc perpétuel, ponctué de prélèvements et de restitutions.

Mais ce cycle n’est pas hermétique : un sol peut perdre ou gagner des nutriments, modifiant sa capacité à nourrir les plantes. Par exemple, la pluie peut entraîner des éléments vers les nappes ou les rivières, emportant au passage azote, potassium ou phosphore, on parle alors de lessivage [5]. Certains sols y sont plus vulnérables que d’autres [6]. À l’opposé, la lente altération des roches-mères libère progressivement nutriments et minéraux, mais à un rythme bien en deçà de la croissance végétale [7]. Selon la nature des roches et la dynamique biologique, les sols calcaires seront souvent pauvres en fer, ceux d’origine alluviale, beaucoup plus riches.

L’azote présente une particularité : il est quasiment absent des roches mais omniprésent dans l’air (sous forme de N2, 78% de l’atmosphère). Certaines bactéries, isolées ou en symbiose avec des légumineuses (Fabaceae [8]), sont capables de capter ce gaz et de le transformer en ammoniac (NH3), rendant ainsi l’azote disponible pour les plantes. Ce mécanisme, nommé fixation biologique de l’azote ou diazotrophie, est vital pour le fonctionnement global des écosystèmes [9].

Les flux de nutriments dans un écosystème terrestre forment un cycle central, rythmé par la naissance et la dégradation de la matière organique, mais aussi par des pertes et des apports constants. Les échanges invisibles entre sols, végétaux, rivières et atmosphère décident de la santé globale d’un système agricole ou naturel.

Agriculture et exportation des nutriments

Considérons un champ de blé d’un hectare : durant sa croissance, le blé absorbe du sol azote, phosphore, potassium et d’autres éléments pour former grains, tiges et feuilles. Mais lors de la récolte, les nutriments enfermés dans les grains quittent définitivement la parcelle. Un rendement moyen de 5 tonnes de grains par hectare équivaut à l’exportation de 125 kg d’azote, 17 kg de phosphore et 26 kg de potassium [10]. Ces nutriments consommés, transformés ailleurs, ne reviendront pas enrichir le sol d’origine. Sans renouvellement, la fertilité s’épuise, la productivité décline. Remettre des nutriments dans le sol devient alors une nécessité absolue, quel que soit le mode de culture.

Dans un écosystème naturel, le cycle est presque fermé : les nutriments circulent d’un organisme à l’autre, portés par la mort et la décomposition. En agriculture, l’exportation régulière sous forme de récoltes impose de compenser systématiquement ces pertes, sous peine d’épuisement rapide.

Au fil de l’histoire, les humains ont essayé différentes stratégies pour maintenir la fertilité des sols [12] : laisser les terres en jachère le temps de la régénération, profiter des crues pour fertiliser, intégrer des légumineuses capables de fixer l’azote atmosphérique. Mais la solution la plus utilisée de nos jours reste l’apport d’engrais.

Engrais organiques et minéraux : deux approches, deux logiques

Par « engrais », on désigne toute substance extérieure ajoutée au sol pour nourrir les plantes[13]. Cette matière peut être d’origine organique, issue du vivant (déjections, composts, sous-produits animaux, déchets agro-industriels, digestats, boues de stations d’épuration, etc.), ou minérale, c’est-à-dire directement assimilable sous forme d’ions. Les engrais organiques, riches en nutriments variés, nécessitent d’abord une minéralisation : les micro-organismes du sol (bactéries, champignons, vers, etc.) décomposent la matière organique, libérant progressivement les éléments sous forme assimilable. Ce processus dépend du type d’engrais, de la vie du sol et du climat local.

Trois exemples d’engrais organiques : fumier de cheval, compost de déchets végétaux, poudre de corne ou de sang. Chacun présente une richesse différente en nutriments et une disponibilité variable pour les plantes.

On parle parfois d’engrais verts pour désigner certaines cultures, non destinées à la récolte mais à l’amélioration du sol : aération, couverture contre les adventices, apport de matière organique. Seules les légumineuses, via la fixation de l’azote, permettent réellement d’enrichir le sol en nutriments. Mais tant que la culture reste sur place, il ne s’agit pas d’un engrais au sens strict ; ce n’est qu’en transférant la biomasse vers une autre parcelle que l’on parle d’engrais organique.

À l’opposé, les engrais minéraux apportent directement les nutriments sous forme d’ions. Leur effet est rapide, leur concentration élevée, mais ils sont aussi sujets à des pertes importantes, notamment par lessivage. Les formulations les plus courantes, les fameux engrais NPK, combinent azote, phosphore et potassium [15]. Leur usage massif, surtout depuis la Révolution Verte, a fait exploser les rendements agricoles.

Vieille affiche vantant la potasse d’Alsace : derrière la publicité, la promesse d’une fertilisation minérale efficace, mais à double tranchant.

La fertilisation en France : un équilibre sous tension

L’azote est le nutriment le plus demandé par les plantes.

Avant la généralisation des engrais minéraux, l’essentiel de l’azote des cultures provenait de la fixation biologique (légumineuses, bactéries symbiotiques) et des dépôts atmosphériques. En 2013, ce mode de fertilisation représentait encore près de 20 % de l’apport total en azote dans l’agriculture française [16]. La part des engrais minéraux, elle, atteignait 75 %, soit 2 millions de tonnes d’azote, l’équivalent de la production de 8 millions d’hectares de légumineuses [17]. À noter que seule la moitié de cet azote finit dans l’alimentation humaine : le reste est perdu par lessivage ou dénitrification [18]. Par ailleurs, les engrais azotés sont à l’origine d’une part significative des émissions agricoles de gaz à effet de serre, aux côtés du méthane des ruminants [19], [20].

Évolution des sources d’azote dans l’agriculture française entre 1882 et 2013 : après la domination de la fixation biologique, l’avènement des engrais minéraux a bouleversé le paysage. Aujourd’hui, la moitié de l’azote apporté s’évapore ou s’infiltre, échappant à l’assiette humaine. [21]

La production d’engrais azotés minéraux repose sur un procédé de synthèse artificielle : le procédé Haber-Bosch. Il consiste à transformer l’azote atmosphérique en formes assimilables, mais requiert d’énormes quantités d’énergie, principalement issues du gaz naturel. En France, la fabrication de ces engrais consomme autant d’énergie que l’ensemble du parc de tracteurs du pays.

Les engrais organiques ne figurent pas dans ces bilans globaux : à l’échelle du système agricole, ils ne créent pas d’azote supplémentaire, mais déplacent les nutriments d’un point à un autre. Ainsi, l’azote contenu dans les déjections animales provient des végétaux ingérés, eux-mêmes nourris par le sol ou par fixation bactérienne. L’élevage ne crée donc pas de fertilité, il la transfère entre parcelles par le biais des effluents.

Qu’en est-il du phosphore et du potassium ? Contrairement à l’azote, il n’existe pas de mécanisme biologique rapide pour reconstituer leurs stocks dans le sol. Seule l’altération lente de la roche-mère en libère, mais ce rythme est insuffisant pour compenser les prélèvements agricoles. L’essentiel de ces nutriments vient donc d’engrais minéraux issus de l’extraction de roches riches en phosphore ou en potasse. Ces ressources se sont formées sur des millions d’années ; elles sont, à l’échelle humaine, non renouvelables. Pour le phosphore, la question de l’accès et de la disponibilité devient même un enjeu géopolitique et énergétique [22].

Vue aérienne de la mine de phosphate de Boukraa, Sahara Occidental : l’une des plus vastes réserves de phosphore au monde, au cœur de multiples tensions. [23]

Il convient de préciser que les appellations « engrais chimiques » ou « engrais de synthèse » sont souvent utilisées pour parler des engrais minéraux. Si cela s’applique bien aux engrais azotés issus du procédé Haber-Bosch, la plupart des engrais phosphatés ou potassiques proviennent en réalité de l’exploitation minière, même si des traitements chimiques interviennent parfois pour isoler les éléments recherchés.

Origine et devenir des nutriments dans notre alimentation

Qu’il s’agisse d’azote, de phosphore ou de potassium, l’agriculture industrielle compense l’exportation de nutriments principalement avec des engrais minéraux. Les engrais organiques servent souvent d’étape intermédiaire, mais leur origine remonte fréquemment à une mine de phosphate ou à une usine d’engrais azotés.

Cette dépendance ne s’arrête pas à l’agriculture conventionnelle : elle touche aussi certaines filières de l’agriculture biologique (AB) ou d’autres systèmes misant sur les engrais organiques. Les engrais utilisés en AB [24] incluent souvent des effluents animaux, sous-produits d’abattoirs ou déchets agricoles, issus en majorité de fermes conventionnelles alimentées par des engrais minéraux. Si l’incorporation de légumineuses en rotation permet de fixer l’azote, le phosphore et le potassium, eux, ne peuvent être renouvelés de cette manière [26]. Parfois, certaines parcelles en AB bénéficient encore de stocks hérités d’anciennes fertilisations minérales, mais à long terme, toute exportation non compensée deviendra problématique. Une partie du renouvellement en AB s’effectue via l’utilisation d’engrais minéraux autorisés (poudres de phosphate naturel, sels bruts de potasse) ou par l’apport de minéraux dans l’alimentation animale, récupérés ensuite dans les fumiers [27].

On pourrait imaginer refermer la boucle en restituant simplement les nutriments de nos aliments dans les champs. Il est temps de s’intéresser à la gestion aval de ces nutriments pour saisir l’ensemble du circuit alimentaire.

Après avoir nourri notre croissance, les nutriments ingérés ne s’accumulent pas dans notre corps. Chaque jour, nous en rejetons autant que nous en absorbons, via la respiration, la miction et la défécation [28]. L’essentiel des nutriments issus des engrais minéraux se retrouve finalement dans notre urine : environ 85 % de l’azote, 60 % du phosphore et 75 % du potassium [29].

Trajet du carbone, de l’azote, du phosphore et du potassium absorbés par l’humain : la majeure partie s’évacue par les urines, une fraction par les selles et la respiration. [30]

En France, plus de 99 % des foyers éliminent urine et excréments via les toilettes à chasse d’eau. Mélangées aux eaux ménagères, ces eaux usées prennent le chemin des stations d’épuration.

Dans les zones sans égout (15 à 20 % de la population [31]), les eaux usées transitent par une fosse où elles se liquéfient et décantent [32], puis s’infiltrent dans le sol. Cette zone se charge en nutriments, mais ceux-ci sont rarement récupérés par les cultures et finissent souvent dans la nappe phréatique, causant parfois une pollution locale [33].

Dans les communes raccordées à l’égout, les eaux usées sont traitées en station d’épuration avant d’être rejetées dans une rivière. Historiquement, ces installations ciblaient surtout le carbone, produisant des boues résiduelles peu concentrées en nutriments. Désormais, de nombreuses agglomérations de plus de 10 000 habitants doivent aussi traiter l’azote et/ou le phosphore [34].

Pour l’azote, la réglementation impose d’en retirer environ 70 % de l’eau, le plus souvent par dénitrification bactérienne, qui transforme les nitrates en azote gazeux. Ce processus inverse le procédé Haber-Bosch et engendre des émissions de gaz à effet de serre [35]. À l’arrivée, 50 % de l’azote disparaît sous forme gazeuse, 10 % finit dans les boues, le reste poursuit sa route vers la rivière [36].

Le phosphore est, lui, précipité chimiquement et rejoint les boues avec un taux de récupération d’environ 80 % [37]. Mais pour le potassium, aucune obligation : la quasi-totalité s’évacue dans les cours d’eau [38].

Actuellement, entre 60 et 70 % des boues de stations d’épuration servent d’engrais organique en agriculture, le reste étant incinéré ou mis en décharge [39]. En Île-de-France, par exemple, seulement 4 % de l’azote, 41 % du phosphore et 2 % du potassium retournent dans les champs par ce biais [40]. La majorité s’échappe vers les rivières : 38 % de l’azote, 18 % du phosphore et 96 % du potassium [41].

Une part significative des nutriments échappe ainsi à tout recyclage, rejoignant les eaux douces et amplifiant le phénomène d’eutrophisation : une profusion d’algues et de bactéries, puis un appauvrissement en oxygène pouvant conduire à la mort de la faune aquatique.

La prolifération d’algues vertes sur les côtes bretonnes (ici à Santec, août 2009) illustre les conséquences directes de ces apports nutritifs incontrôlés. Crédit : Wikimedia Commons.

Réinventer le cycle des nutriments

L’agriculture prélève du sol des nutriments qui, via l’alimentation, deviennent déchets, puis polluants à éliminer. Notre organisation alimentaire actuelle fonctionne en ligne droite, mise sur des ressources limitées et multiplie les impacts sur les écosystèmes : émissions de gaz à effet de serre, dégradation de la qualité de l’eau, perte de biodiversité. Pour rompre ce cercle, il s’agit de refermer les cycles comme le font les écosystèmes naturels : réinventer la manière dont nos déchets redeviennent des ressources [42]. À la croisée des champs, des villes et des stations d’épuration, c’est tout un système à repenser. La fertilité future des sols se joue peut-être là, dans notre capacité à relier ce qui a trop longtemps été séparé.

Notes et références

1. D’un point de vue plus « chimique », la matière organique combine des molécules organisées autour d’un squelette de carbone (atomes de carbone interconnectés). ↑
2. Stout PR. 1961. Actes de la conférence annuelle de Neunth California Fertilizer : 21-23. Figures tirées du livre de référence Raven PH, Evert RF, Eichhorn SE. 2014. Biologie végétale. 3e édition, traduction de la 8e édition par Jules Bouharmont. ↑
3. La plupart des plantes bénéficient de l’aide précieuse de certains champignons, connus sous le nom de mycorhiziens, avec lesquels elles sont symbiotiques. ↑
4. Il existe des paramètres autres que la richesse en éléments nutritifs qui influent sur la fertilité d’un sol, tels que sa texture, sa profondeur, sa richesse en matière organique, sa salinité ou son activité biologique. ↑
5. Dans un secContexte peut se produire le phénomène inverse : les eaux profondes s’élèvent à la surface en raison de la capillarité et de l’évapotranspiration des plantes. Ils conduisent avec eux des sels minéraux dissous. Dans certains cas, cela peut entraîner des problèmes de salinisation du sol, de sorte qu’il ne convient pas à l’agriculture. ↑
6. Cela dépend en particulier de la richesse de l’inton du sol et de la matière organique, la combinaison des deux formant des complexes humiques d’argile chargée négativement capable de contenir de nombreux ions. ↑
7. Ce changement est favorisé par les racines des plantes et les micro-organismes du sol. ↑
8. Plusieurs plantes d’autres familles ont des symptômes similaires de fixation de l’azote. ↑
9. Les formes d’azote assimilées par les plantes peuvent également être synthétisées dans les orages et amenées par la pluie, cette contribution reste dans laComparaison avec la fixation bactérienne faible. ↑
10. Peterson CJ, Johnson VA, Mattern PJ. 1986. Influence de la variété et de l’environnement sur les concentrations minérales et protéiques de farine de blé, de son et de céréales. Chimie des grains 63:183 -186. Pour la conversion, un rapport de 0,17 g d’azote par gramme de protéine a été utilisé. ↑
11. Ces valeurs dépendent beaucoup des variétés cultivées et des paramètres pédo-climatiques locaux. ↑
12. Voir entre autres Mazoyer M, Roudart L. 2002. Histoire de l’agriculture du monde. De l’âge néolithique à la crise actuelle. Points d’histoire, édition de Seuil (deuxième édition). ↑
13. Il y a aussi les termes « engrais » ou « changements » qui, selon les définitions, peuvent être plus ou moins équivalents au mot « engrais ». ↑
14. Aussi appelé « décomposition », aussiquand un être vivant pratiqué une forme de décomposition, c’est – à – dire la matière organique minéralisée à vivre. ↑
15. Il y a, bien sûr, des engrais minéraux pour d’autres nutriments : magnésium, calcium, soufre, fer, bore, zinc… ↑
16. Harchaouichatzimpiros P. 2018. Transitions de l’énergie, de l’azote et des excédents dans l’agriculture à partir de la modélisation des données historiques. France, 1882,2013. Journal of Industrial Ecology. doi:10.1111/jiec.12760 ↑
17. Harchaoui S, Chatzimpiros P. 2018. op. cit. ↑
18. ibid. ↑
19. Ces émissions se présentent sous la forme d’oxyde nitreux (N2O), un gaz à effet de serre 265 fois plus élevé que le CO2. Ce gaz est produit par certaines bactéries du sol lors de la conversion des nitrates en azote (dénitrification). ↑
20. Barber C., et al. 2019. L’énergie etEmpreinte CO2 des aliments en France. Club Ingénierie Perspektive Energy and Environment, Paris, IDDRI, 24 p. ↑
21. Harchaoui S, Chatzimpiros P. 2018. op. cit. ↑
22. Chowdhury RB, Moore GA, Weatherley AJ, Arora M. 2017.Principaux défis de durabilité pour la ressource mondiale en phosphore, son impact sur la sécurité alimentaire mondiale et les options d’atténuation. Journal of Cleaner Production 140:945 -963 ↑
23. Chowdhury RB, et al. 2017. op. cit. ↑
24. ITAB. 2014. rappels réglementaires sur l’utilisation d’engrais et d’amendements organiques en Alberta. ↑
25. Toutefois, la définition de l’ « agriculture industrielle » n’est pas claire dans le cas de l’agriculture aérienne (poulets de batterie, porcs sur lattes) ou des exploitations non destinées à la production végétaleont une certaine zone. ↑
26. Möller K, et al. 2018. Amélioration du recyclage du phosphore dans l’agriculture biologique : navigation entre contraintes. Progrès en agronomie 147:159 -237. ↑
27. ITAB. 2014. op. cit. ↑
28. En réalité, seule la bilirubine, une molécule dérivée de la dégradation de l’hémoglobine, est effectivement excrétée avec des fèces. L’essentiel est le résidu digéré, mais non assimilé de nos repas et une partie du microbiote intestinal. ↑
29. Esculier F. 2018 Le système alimentaire/excrétion des zones urbaines : régimes socio-écologiques et transitions. Thèse de doctorat à l’Université de Paris-Est. ↑
30. ibid. ↑
31. IRSTEA. 2017. Installations sanitaires non collectives. Surveillance in situ des plantes de 2011 à 2016. ↑
32. Ilest appelé une fosse septique, qui ne reçoit que de l’eau de toilette et une fosse qui reçoit toute l’eau de la maison. ↑
33. Ministère de l’environnement, de l’énergie et de la mer. 2016. installations sanitaires non collectives. Règles et bonnes pratiques pour les installateurs. ↑
34. Une carte de la France avec des zones sensibles pour lesquelles le traitement de l’eau est obligatoire est disponible ici. ↑
35. Les bactéries dénitrifiantes sont hétérotrophes et nécessitent une source de carbone réduite pour se développer. Le méthanol, qui est principalement synthétisé à partir de méthane fossile, est ajouté à cet effet aux bassins dont la consommation génère un excès de CO2 atmosphérique. L’oxyde nitrique (N2O) est également produit par les bactéries au cours de cette phase de dénitrification, ce qui aggrave les émissions de gaz à effet de serre provenant du traitement de l’eau. ↑

Esculier F. 2018. op. cit. ↑

36. ibid. ↑ ibid. ↑
37. ibid. ↑
38. ibid. ↑
39. Esculier F, et al. 2018 L’empreinte biogéochimique du métabolisme humain à Paris Megacity : une analyse régionalisée d’un système eau-agro-alimentaire. Journal d’hydrologie. Dans la presse. ↑
40. ibid. ↑
41. En France, plusieurs organisations y travaillent, dont le réseau d’assainissement écologique et l’équipe de recherche de l’OCAPI, partenaire des Greniers d’Abondance sur le projet ORSAT. ↑

« Rien n’est perdu, rien n’est créé, tout est transféré »