L’agriculture biologique peut-elle réduire les émissions de gaz à effet de serre et apporter ainsi sa contribution à la protection du climat ? Une équipe de l’Institut de recherche de l’agriculture biologique (FiBL) en Suisse, sous la direction d’Andreas Gattinger, ingénieur agronome à Gießen, s’est penchée sur cette question. (Skinner et al., 2019)

Émissions de protoxyde d’azote en agriculture

Dans le monde, le protoxyde d’azote (N2O) est avec le méthane (CH4) le gaz à effet de serre (GES) le plus important émis par l’agriculture. Il se forme principalement dans les sols sur la base de processus microbiologiques. Ceux-ci sont déterminants pour la disponibilité des substances nutritives dans le sol et donc pour une saine croissance des plantes. Pour simplifier, disons que dans le sol, par le processus de la nitrification, l’azote (N) présent dans des liaisons organiques est fixé sous forme de nitrate (NO3) disponible pour les végétaux. Celui-ci est fortement réactif, peut donc, au lieu d’être assimilé, s’échapper sous forme de gaz (NO, N2O et N2) par une dénitrification anaérobie (Firestone et Davidson, 1989). Les interventions humaines dans les écosystèmes sont la cause principale des émissions de N2O. En agriculture, l’utilisation d’engrais azotés d’origine minérale et organique est le plus fort vecteur d’émissions de N2O (Ministère fédéral allemand de l’environnement, 2019).

Mesures de gaz émis par le sol sur des parcelles de maïs à ensilage. Source : FiBL.

Il a pu être montré qu’une réduction des épandages entraîne une réduction des émissions de N2O (Bouwman et al., 2002) et qu’une intensification est corrélée positivement avec un accroissement non linéaire des émissions de N2O (Shcherbak et al., 2014). L’intensité des émissions de N2O est fortement influencée par des facteurs environnementaux (entre autres type, structure et pH du sol, climat local et par suite humidité, disponibilité en oxygène et nitrate), par des facteurs de gestion des sols (type, niveau et période des amendements, travail du sol) et finalement par la culture mise en place (Snyder et al., 2009) qui, avec ses besoins spécifiques en nutriments, est en concurrence avec la pédofaune (van Groenigen et al., 2010 ; Shcherbak et al., 2014). La diminution des apports d’azote a un effet de levier considérable pour réduire les émissions de N2O par le sol.

La nécessité de la réduction des apports d’azote entre autres est soulignée dans une étude qui vient d’être publiée dans la revue spécialisée Nature Climate Change. L’équipe internationale de chercheurs part du fait que les émissions globales de N2O depuis 2009 ont nettement plus augmenté que le facteur de 1 % calculé jusqu’alors par le GIEC (De Klein et al., 2006 ; Thompson et al., 2019). Le facteur d’émission qui est utilisé dans le cadre des inventaires nationaux des GES pour calculer les émissions de N2O par le sol dans l’agriculture devrait se situer globalement selon Thompson et al. (2019) aux alentours de 2,3 % et être adapté à chaque région et aux quantités d’azote apportées.

Émissions de gaz à effet de serre en agriculture

Les émissions de GES de l’agriculture allemande s’élevaient en 2017 à 66,3 millions de tonnes d’équivalent CO2 et correspondaient ainsi à 7,3 % de la totalité des émissions allemandes. Avec 40,2 %, les sols agricoles constituaient la source la plus importante de GES, suivie de près par les émissions de CH4 en provenance de l’élevage (ministère fédéral de l’Environnement, 2019). Dans la perspective du plan allemand pour la protection du climat, qui prévoit une baisse des émissions agricoles de GES de 8 à 13 % d’ici 2030, il est très intéressant d’identifier et de soutenir les mesures prises pour réduire les émissions et pour organiser des pratiques culturales plus respectueuses de l’environnement (BMU 2016).

Base scientifique de l’étude

Skinner et ses collègues avaient déjà réuni en 2014, à l’aide d’une vaste recherche documentaire, les données d’ensemble de mesures comparatives des systèmes culturaux biologiques et conventionnels relatives aux émissions de GES (N2O et CH4) par les sols. Le but de l’analyse statistique était de quantifier pour la première fois la différence des systèmes culturaux à l’aide de mesures. S’appuyant sur douze études (70 paires comparatives, comprenant terres agricoles et prairies) avec une période de mesure d’au moins un an, la méta-analyse avait montré que les parcelles cultivées en biologie présentaient, de manière significative, des émissions de N2O plus faibles et des absorptions de CH4 plus importantes par hectare (rapportées à la superficie) que les parcelles cultivées de façon conventionnelle. On mit toutefois en évidence, rapportées au rendement, des émissions de N2O légèrement plus élevées, par unité de production, en culture biologique. Cela s’explique par le rendement à l’hectare plus faible de 20% dans la gestion d’un système biologique. Un rendement en culture biologique supérieur seulement de 9 % aurait suffi à compenser cette différence.

La méta-analyse de Skinner et al. (2014) s’appuie sur des études qui ont examiné les systèmes culturaux sur neuf années en moyenne. Des reconversions de systèmes culturaux entraînent des modifications notables qui correspondent à des désordres massifs de l’« écosystème agricole » et plusieurs décennies peuvent être nécessaires avant qu’un nouvel équilibre ne s’établisse. Van Kessel et al. (2013) constatèrent par exemple, concernant les émissions de N2O, que les effets climatiques bénéfiques d’une conversion visant une réduction des labours (no-till, reduced till) n’étaient visibles qu’au bout de plus de dix années, voir également Krauss et al. (2017). Pour exclure des calculs ces effets de reconversion, il faut donc des mesures sur des sites proches de l’équilibre et effectuées pendant au moins un cycle complet de rotation des cultures.

Le protoxyde d’azote (N2O)

Le protoxyde d’azote (N2O) a un potentiel de réchauffement global (PRG, en anglais global warming potential, GWP) 300 fois plus important (24 fois pour le méthane) que celui du CO2. La conversion en équivalent CO2 permet d’examiner le cumul du potentiel de réchauffement moyen du gaz, calculé sur une certaine période (en général 100 ans). Dans la stratosphère (15 à 50 km d’altitude), le protoxyde d’azote n’est plus stable mais devient réactif et déclenche des processus de destruction de l’ozone.
biodynamie étude scientifique
Fig. 1 Le système cultural est décisif quant à l’influence sur le climat Émissions de protoxyde d’azote des différents systèmes agricoles en moyenne annuelle (1e année) ; les différentes lettres indiquent des différences significatives. Les systèmes culturaux biologiques sont désignés par BIODYN et BIOORG. Les systèmes culturaux conventionnels sont désignés par CONFYM et CONMIN.
Fig. 2 L’origine de l’azote dans les différents systèmes agricoles Sources d’azote effectives des systèmes de culture par rapport à la CONFYM en %. SO = substance organique.
Fig. 3 (gauche) La biodynamie a ses bénéfices Émissions de protoxyde d’azote (N2O-N par hectare) liées à la surface sur toute la durée de la rotation des cultures, soit 571 jours (des lettres différentes indiquent des différences significatives). Fig. 4 (droite) Émissions de N2O sous le maïs d’ensilage Émissions de protoxyde d’azote liées au rendement (N2O-N par tonne de matière sèche) du maïs d’ensilage.

L’essai comparatif de longue durée DOK

L’étude en cours sur les gaz à effet de serre émis par les sols a commencé en 1978 avec l’essai comparatif de longue durée (47°30’N ; 7°32’E ; 306 m asl) à Therwil, en Suisse, sur un luvisol haplique (sable : 15%, limon : 70% et argile : 15%) sur lœss profond (fig. 1). Il s’agit ici de l’un des plus importants essais de longue durée pour comparer les systèmes de culture biologiques et conventionnels (Mäder et al., 2002). L’assolement septennal et l’intensité des amendements avec 1,4 unité de gros bétail (UGB) sont les mêmes pour tous les systèmes culturaux. Au bout de 34 ans de l’essai DOK, dans le cadre de l’étude actuelle, dans la rotation trèfle-maïs-jachère verte, les gaz à effet de serre N2O et CH4 ont été mesurés dans cinq systèmes de culture. Ceux-ci comportaient l’agriculture biodynamique (BIODYN), l’agriculture biologique (BIOORG), deux systèmes culturaux conventionnels, l’un avec seulement des engrais minéraux (CONMIN), l’autre avec des engrais de ferme associés (CONFYM). En outre on introduisit une parcelle de contrôle sans engrais (NOFERT). En raison de la longue durée de l’essai DOK, les sols ont développé des caractères spécifiques de leur système cultural, de sorte que nous pouvons admettre que les données concernant les flux de GES reflètent pour les sols les caractéristiques physiques, chimiques et biologiques liées à ces systèmes.

La période d’étude dura 571 jours et eut lieu d’août 2012 à mars 2014. C’est par la méthode des chambres de mesure (Hutchinson et Mosier 1981), qu’ont été effectués chaque semaine les prélèvements de GES (fig. 2). Les échantillons ont été analysés par chromatographie gazeuse (Krauss et al., 2017 ; Hüppi et al., 2018) , ce qui a servi de base au calcul des flux gazeux. En outre, des échantillons de sol ont été prélevés pour établir l’humidité et la teneur en azote, ainsi que la température du sol et de l’air au début et à la fin du prélèvement.

Émissions réduites en fonction de la superficie

On a pu montrer que les émissions de N2O des systèmes cultivés en biologie (BIODYN et BIOORG), cumulées sur trois assolements et rapportées à la superficie, étaient en moyenne de 40 % inférieures à celles des systèmes conventionnels (CONFYM et CONMIN). En moyenne annuelle, on obtenait en tout 2,78 kg de moins de N2O-N par hectare dans les systèmes culturaux biologiques (tableau 1). Comparés à ces résultats, ceux de Skinner et al. (2014) donnaient dans leur méta-analyse 1,05 kg de moins de N2O-N par hectare dans les systèmes culturaux biologiques, ce qui correspond environ à une réduction d’un tiers. C’est un indice de la justesse de l’hypothèse des auteurs, selon laquelle les émissions de N2O baissent au cours des décennies dans les systèmes de culture biologique. Des analyses de corrélation indiquent que les émissions cumulées de N2O, dans tous les systèmes culturaux pendant la culture de maïs d’ensilage (sauf NOFERT), sont liées de façon significative à l’apport d’azote, particulièrement d’azote minéral, et au pH.

Les émissions cumulées de CH4 oscillaient entre -0,49 (CONMIN) et +3,29 kg de CH4-C par hectare (CONFYM). Il a donc été constaté un effet significatif du système cultural avec les valeurs les plus élevées pour CONFYM, pas de différence toutefois entre les systèmes biologiques et conventionnels. Il s’avéra donc, à l’encontre de ce que laissait supposer la méta-analyse de Skinner et al. (2014), qu’en plus des systèmes culturaux biologiques, CONMIN était également un facteur de réduction du CH4.

Fig. 5 L’efficacité de l’azote des systèmes Efficacité de l’azote de la culture de maïs en silo dans le rapport entre l’azote total (kg Ntot) et la matière sèche (t matière sèche(MS)).

Fortes émissions de N2O dans le système « fertilisation zéro »

Dans tous les cinq systèmes culturaux, on a mesuré les plus faibles émissions de N2O rapportées à la surface pendant la phase de culture du trèfle et les plus fortes pendant la phase de croissance du maïs d’ensilage (fig. 3). La période de rupture entre la culture du trèfle et le semis de maïs a présenté comme prévu une augmentation notable des émissions de N2O. En rapport avec cela, se notent de façon inattendue les fortes émissions de N2O pour le système cultural sans engrais (NOFERT), qui étaient en moyenne un peu moindres seulement que celles des deux variantes conventionnelles (tableau 1). On suppose que dans le sol du système NOFERT, il manque entre autres les macronutriments phosphore et potassium et que par suite, la croissance végétale et l’absorption d’azote sont limitées, malgré la disponibilité de l’azote due à l’incorporation du trèfle. En outre, les faibles taux de pH dans le système NOFERT semblent inhiber le dernier stade de la dénitrification, et par conséquent la transformation de N2O en N2 (Krause et al., 2017). La « fertilisation zéro » n’est donc pas une option pour réduire les émissions de GES.

Tableau 1. Les émissions de N2O des différentes systèmes culturaux Valeurs moyennes et importance des différences des émissions cumulées de N2O rapportées à la superficie (kg de N2O-N par hectare) dans la rotation trèfle-maïs d’ensilage-jachère verte, et valeur annuelle moyenne pour les différents systèmes culturaux. Les lettres désignent la comparaison par paires des valeurs moyennes (test post-hoc de la différence vraiment significative de Tukey) : des lettres différentes indiquent des différences significatives (p<0,05). La valeur-p montre l’importance des comparaisons par paires des valeurs moyennes (test t post-hoc) des systèmes culturaux biologiques (BIODYN+BIOORG) et conventionnels (CONFYM+CONMIN) : inférieure à 0,05, elle indique une différence significative des deux systèmes culturaux. *Les mesures de NOFERT ont débuté le 14 mars 2013 et ont été exclues de l’analyse statistique. Source : modifiée d’après Skinner et al. (2019).

Pas de différence pour les émissions de N2O rapportées au rendement

Malgré une différence exceptionnelle dans les rendements du maïs, due à une chute de 27 % dans les systèmes biologiques en raison des intempéries, les émissions de N2O rapportées au rendement, dans l’étude actuelle, n’ont pas présenté de différence entre les systèmes biologiques et les systèmes conventionnels. Les plus faibles émissions de N2O rapportées au rendement furent analysées dans le système BIODYN (154,8 g de N2O-N/ t MS) et les plus fortes dans le système NOFERT (478,8 g N2O-N/ t MS). Ces résultats s’opposent à ceux de la méta-analyse de Skinner et al. (2014) et prouvent que les systèmes culturaux biologiques ne s’accompagnent pas toujours d’un accroissement des émissions de N2O rapportées au rendement.

Tableau 2. Les émissions de protoxyde d’azote pendant la période de croissance du maïs d’ensilage. Dynamique dans le temps des flux gazeux de N2O-N (a) et CH4-C (b) ainsi que de la part de Nmin (c) sur l’ensemble de la rotation trèfle-maïs-jachère verte (24 août 2012 au 18 mars 2014) dans les cinq systèmes culturaux différents. Le tableau ci-dessus est un extrait des mesures complètes. Source : modifiée, d’après Skinner et al. 2019.

Émissions réduites de N2O dans le système BIODYN

Les émissions de N2O remarquablement basses du système BIODYN sont en outre dignes d’intérêt. Par comparaison avec BIOORG, la faiblesse des émissions de N2O rapportées à la superficie a été mise en évidence, et cette même tendance a été également observée dans les mesures rapportées au rendement. La différence principale des deux systèmes culturaux biologiques réside dans la forme d’apport de l’engrais de ferme, compost de fumier dans le système BIODYN et fumier décomposé dans le système BIOORG. Skinner et ses collègues supposent que la cause en est l’utilisation de compost pendant de longues années, qui agit positivement sur la structure et la vie du sol, ainsi que sur le pH, contrairement au fumier décomposé ou tassé. Il existe donc des corrélations négatives entre les émissions de N2O et la teneur du sol en carbone organique et la biomasse microbienne, ces deux dernières étant plus élevées dans le système BIODYN. Il n’y a pas eu d’étude d’une influence possible des préparations utilisées dans le système BIODYN sur les émissions de N2O.

Conclusion

Les potentialités de l’agriculture biologique à l’époque du changement climatique sont :

  • De moindres émissions de N2O par le sol ;
  • Une absorption accrue de CH4 ;
  • Une augmentation du pH du sol, du carbone organique du sol et de la biomasse microbienne.

L’utilisation durable des terres, le choix du fumier de ferme, la rotation de cultures diversifiées sont ici, entre autres facteurs, d’une importance centrale.

Les performances de l’agriculture biologique pour l’environnement et la société ont un impact beaucoup plus vaste que ce que nous présentons ici. Nous renvoyons à ce propos au Thünen Report 65, fondé sur une vaste recherche documentaire (Sanders und Heß, 2019).

Article initialement paru en allemand dans Lebendige Erde 2/2020. Voir l’article d’origine ici.

Traduction : Claudine Villetet

Image mise en avant : Vue aérienne des parcelles de l’essai de longue durée DOK à Therwil, Suisse. Source : FiBL.

Graphiques : Eva-Maria Minarsch et l’équipe, mise en page Lebendige Erde, adaptation en français par ÆTHER.

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