Synthèse d’un article de Hans-Martin Krause et al. publié en octobre 2024 dans la revue Nature Scientific Reports. Sci Rep 14, 25537 (2024). https://doi.org/10.1038/s41598-024-76776-1
Titre original : Organic cropping systems balance environmental impacts and agricultural production.
Pour évaluer l’impact environnemental à long terme de la production alimentaire biologique, nous avons synthétisé plus de quatre décennies de recherche sur les performances agronomiques et environnementales du plus ancien essai de comparaison de systèmes de culture biologiques et conventionnels : l’essai DOK. Deux systèmes biologiques (biologique [BIOORG] et biodynamique [BIODYN]) sont comparés à deux systèmes conventionnels (à base de fumier [CONFYM] et à base de minéraux [CONMIN]), tous avec la même rotation de cultures, y compris le trèfle, et le fumier provenant du bétail intégré dans les différents systèmes, sauf pour le système en fertilisation minérale.
1. En un clin d’œil
Impact du mode de culture sur les apports d’éléments nutritifs
Pour évaluer les flux d’éléments nutritifs spécifiques aux différents modes de culture, les apports d’éléments nutritifs ont été comparés aux variations des stocks d’azote et de phosphore dans le sol sur 42 ans :
- Les apports moyens d’engrais en azote total, en azote minéral, en phosphore et en potassium dans les cultures biologiques, BIODYN et BIOORG, ont été inférieurs de 36 %, 76 %, 36 % et 27 % à ceux des cultures conventionnelles, CONMIN et CONFYM.
- Malgré l’exportation importante d’azote par les produits récoltés (>210 kg/ha/an), les intrants ont dépassé les exportations et les bilans azotés ont été positifs pour tous les systèmes de culture recevant des apports organiques sous forme de fumier liquide et solide. Certains modes de culture ont maintenu (BIOORG, CONFYM) ou augmenté (BIODYN) les stocks d’azote dans la couche supérieure du sol.
- Une augmentation des stocks d’azote du sol a été observée dans le système BIODYN, bien que ce système ait reçu moins d’apports totaux d’azote que les systèmes CONFYM et CONMIN. Des rendements d’utilisation de l’azote étonnamment élevés ont été observés : 99 % dans le système CONMIN, 85 % dans le système CONFYM et environ 90 % dans les systèmes biologiques.
- Les stocks de phosphore dans la couche supérieure du sol ont diminué de manière continue dans tous les systèmes, tandis que le phosphore disponible pour les plantes a diminué principalement au début de l’expérience sur le terrain dans les deux premières périodes de rotation des cultures (CRP1 et CRP2) , mais dans une plus large mesure dans BIODYN et BIOORG.
Gaz à effet de serre dans le sol
Les stocks de carbone du sol ont augmenté dans le système BIODYN, sont restés stables dans les systèmes BIOORG et CONFYM et ont diminué dans le système CONMIN :
- À la fin de la 6e période de rotation (CRP6), les différences dans les stocks de carbone organique du sol étaient les plus marquées dans la couche supérieure du sol (0-20 cm), mais la couche de sol 20-30 cm présentait également des stocks de carbone plus importants en BIODYN que dans tous les autres systèmes.
- Les émissions de N2O (protoxyde d’azote) déterminent l’impact des systèmes de culture sur le climat à l’échelle de la zone, les émissions les plus élevées étant observées dans le système CONFYM, suivi du système CONMIN, du système BIOORG, puis du système BIODYN.
- Exprimé sur une base annuelle, l’impact sur le climat de tous les gaz à effet de serre provenant du sol était 56 % plus faible dans les systèmes biologiques (BIODYN et BIOORG) que dans les systèmes conventionnels (CONFYM et CONMIN).
Biodiversité et santé des sols
L’évaluation de la biodiversité a été limitée aux entités biologiques du sol et la richesse des espèces a été utilisée comme mesure de la diversité des communauté :
- Pour les adventices, les génotypes bactériens du sol et les familles faunistiques du sol, telles que les carabes, les araignées et les vers de terre, une plus grande richesse a été observée dans les systèmes biologiques.
- Le carbone et l’azote de la biomasse microbienne du sol ont augmenté dans l’ordre suivant : CONMIN < CONFYM < BIOORG < BIODYN.
- L’activité de la phosphatase alcaline, qui est le principal moteur de séparation du phosphore lié biologiquement, était similaire dans BIOORG et CONFYM, et les taux les plus faibles et les plus élevés ont été trouvés pour CONMIN et BIODYN, respectivement.
Impact des modes de culture sur les rendements
Malgré des intrants plus faibles et l’absence d’engrais minéraux et de pesticides synthétiques, la réduction du rendement dans les systèmes biologiques (BIODYN et BIOORG par rapport à CONFYM et CONMIN) a été en moyenne de 15 % pour ces cinq cultures principales dans la rotation des cultures sur 7 ans.
Résultats relatifs des indicateurs de qualité agronomique et environnementale
Des indicateurs de résultats relatifs ont été attribués à des critères d’impact essentiels tels que les rendements, la santé des sols, le climat, la biodiversité et le bilan des éléments nutritifs
- Alors que les indicateurs liés au rendement étaient nettement plus élevés dans le mode conventionnel, les indicateurs relatifs à la biodiversité, à la santé des sols et au climat ont été améliorés par les modes de culture biologique.
- Il convient toutefois de noter que l’impact positif des cultures biologiques sur les indicateurs relatifs à la santé des sols et au climat est principalement dû au système biodynamique.
- Cependant, les bilans de phosphore plus négatifs dans les systèmes biologiques ont été un facteur majeur de la performance globale plus basse des systèmes biologiques pour cette catégorie d’impact.
2. Discussion autour des différents paramètres évalués
Azote
Dans cette étude, nous avons mesuré des bilans azotés positifs pour les systèmes conventionnels et même biologiques. Dans les systèmes biologiques l’azote provient exclusivement du fumier recyclé à l’intérieur de l’exploitation et de la fixation biologique de l’azote, aucun engrais azoté chimique n’est appliqué. Cela souligne le rôle central des légumineuses pour assurer un bilan azoté positif et donc la nutrition des plantes dans les systèmes de culture biologique, même lorsqu’ils sont gérés avec une intensité de fertilisation équivalente à 1,4 unité de bétail par hectare.
La comparaison des variations des stocks d’azote spécifiques au système et des bilans azotés révèle un compromis fondamental entre l’efficacité et la santé à long terme du sol. Des rendements élevés d’utilisation des éléments nutritifs (UEN) dans les systèmes gérés biologiquement indiquent que la majeure partie de l’azote, provenant du fumier liquide et solide et de l’azote fixé, est disponible pour les plantes à long terme, ce qui démontre un énorme potentiel d’optimisation de la gestion de la fertilisation pour une utilisation efficace des ressources azotées. Une UEN extrêmement élevée, telle qu’observée en CONMIN, va à l’encontre de la rétention de l’azote dans le sol, limite l’accumulation de matière organique dans le sol à long terme et indique une extraction de l’azote du sol. En fait, une extraction de l’azote du sol a eu lieu dans les sols uniquement fertilisés par des engrais minéraux dans le CONMIN, qui ont perdu 10 kg N/ha/an malgré un bilan azoté équilibré (2 kg N/ha/an), alors que des stocks d’azote du sol stables ou en augmentation ont été observés pour tous les systèmes fertilisés biologiquement.
L’excédent d’azote de 47 kg/ha/an dans le système CONFYM n’a pas entraîné d’augmentation des stocks d’azote dans le sol, ce qui dénote un potentiel élevé de pertes d’azote et d’impacts environnementaux ultérieurs. En effet, les émissions de N2O les plus élevées proviennent du système CONFYM soumis à une fertilisation azotée organique et minérale.
L’augmentation des stocks d’azote du sol dans le système BIODYN, qui reçoit moins d’azote que les systèmes CONFYM et CONMIN, révèle l’effet positif du compostage du fumier sur l’accumulation à long terme de l’azote dans le sol. Ainsi, notre étude montre que la substitution de l’azote minéral par des cultures fixant l’azote et des apports de fumier, peut être réalisée dans un système de culture biologique, garantissant des rendements stables sur plusieurs décennies. Toutefois, la forte dépendance à l’égard de la fixation biologique de l’azote dans les exploitations biologiques s’accompagne souvent d’une exportation de phosphore, car les engrais organiques capables d’équilibrer les besoins en azote et en phosphore des cultures sont encore rares.
Phosphore
Nous avons pu montrer que la diminution des stocks de phosphore dans la couche de labour n’était pas limitée aux systèmes biologiques, mais qu’elle se produisait également dans les systèmes conventionnels. La diminution des stocks de phosphore ne peut pas être expliquée uniquement par l’exportation des cultures, car les bilans de phosphore (par exemple CONFYM) n’étaient que légèrement négatifs. Le transport du phosphore dans les couches profondes du sol et le lessivage du phosphore dissout ont pu contribuer à la diminution des stocks de phosphore dans le sol et pourraient également expliquer la forte diminution du phosphore disponible au cours de la phase de démarrage de l’expérience sur le terrain.
Même dans le système CONMIN avec un bilan de phosphore positif, il n’a pas été possible d’observer une augmentation de l’absorption et de l’exportation de phosphore par les cultures au début de l’expérience sur le terrain. L’impact des apports plus faibles en phosphore sur la nutrition des plantes dans les systèmes biologiques pourrait être partiellement compensé par une activité accrue des phosphatases, séparant le phosphore lié naturellement et le rendant potentiellement disponible pour l’absorption par les plantes.
En outre, une plus grande incidence de mycorhizes dans les systèmes biologiques pourrait contribuer à l’approvisionnement en phosphore des cultures. Dans les systèmes biologiques, les stocks de phosphore du sol ont diminué davantage que dans les systèmes conventionnels, ce qui souligne la nécessité d’utiliser des engrais phosphorés supplémentaires pour l’agriculture biologique.
Gaz à effet de serre
L’observation selon laquelle les émissions de gaz à effet de serre provenant du sol étaient principalement dues aux émissions de N2O dans tous les systèmes de culture souligne la nécessité d’une gestion optimisée de l’azote pour une production agricole durable. Malgré le fait que les émissions de N2O proviennent principalement de l’activité hétérotrophe des microbes du sol, des émissions de N2O plus faibles dans les systèmes biologiques ont été observées en même temps que des stocks élevés de carbone biologique du sol, une biomasse et une activité microbiennes accrues. La réduction des émissions de N2O est très probablement liée à la stabilité du pH du sol ainsi qu’à la quantité et au type d’engrais azotés.
Aucune différence significative n’a été constatée dans les émissions à l’échelle du rendement dans l’expérience DOK. Notre étude montre que l’adoption de pratiques agricoles biologiques réduit les émissions in situ de gaz à effet de serre et l’impact de la production alimentaire à l’échelle de la zone.
Santé du sol
L’augmentation des stocks de carbone biologique du sol dans les systèmes de fertilisation biologique présente également des avantages pour la santé et la biologie du sol. Toutefois, les concentrations de carbone biologique dans le sol évoluent lentement et il a fallu 22 ans pour que des différences significatives soient observées entre BIODYN et CONFYM.
En outre, les résultats ont montré que les indicateurs de santé du sol étaient nettement plus élevés dans le BIODYN que dans le BIOORG. En suivant une approche de comparaison de systèmes, nous ne pouvons pas complètement démêler les facteurs à l’origine de ces différences, mais le compostage du fumier dans le BIODYN et l’utilisation de cuivre dans le BIOORG pourraient contribuer aux différences observées. D’autre part, la diminution des stocks de carbone biologique du sol dans CONMIN pourrait être liée à l’absence d’importations de matières organiques par rapport aux systèmes fertilisés biologiquement.
Les fractions stables de la matière organique du sol, associées aux minéraux (MOAM) sont restées inchangées au cours de la période expérimentale de l’expérience DOK, et seules les fractions de la matière organique particulaire (POM) ont été augmentées dans BIODYN. Les fractions de POM étant considérées comme plutôt labiles et sujettes à des pertes en cas de modification de la gestion du sol, les systèmes biologiques nécessitent des efforts constants pour gérer les stocks de carbone du sol. L’évolution du stock de carbone organique du sol ne peut pas être expliquée uniquement par les bilans de carbone, mais doit également prendre en compte la qualité des intrants et les processus de transformation et de stabilisation biologiques.
Biodiversité
L’augmentation des stocks de carbone biologique du sol dans les systèmes de culture biologique s’accompagne d’une amélioration des indicateurs de la qualité biologique du sol et de l’habitat, ainsi que d’une plus grande richesse de certaines espèces faunistiques et microbiennes du sol. Il est intéressant de noter que l’activité hétérotrophique du sol et l’augmentation des stocks de carbone biologique du sol sont étroitement liées, ce qui suggère que l’activité biologique est un moteur important de l’augmentation des stocks de carbone organique du sol.
Les champignons mycorhiziens en particulier, essentiels à l’approvisionnement en phosphore des cultures, ont été renforcés dans les systèmes biologiques de l’essai DOK.
D’une manière générale, les sols de l’essai DOK présentent une structure communautaire distincte de champignons et de bactéries du sol. À l’appui de la théorie de la multifonctionnalité et de la résilience accrues des sols, on a observé, dans les systèmes de culture biologique, une meilleure efficacité de l’utilisation de l’eau par les cultures, la suppression des agents pathogènes des planteset une plus grande capacité à minéraliser l’azote organique dans des conditions de sécheresse. La capacité spécifique des systèmes de culture à minéraliser l’azote dans des conditions de sécheresse pourrait en outre être liée à des communautés bactériennes distinctes actives dans la protéolyse dans l’expérience DOK79.
Comme toute expérience sur parcelle, les résultats de l’essai DOK sont strictement limités aux conditions du site, avec un sol fertile et aux pratiques de gestion spécifiques appliquées dans chaque système, et ne peuvent pas inclure les effets du paysage.
Rendements
Le fait qu’une biodiversité accrue en surface puisse se traduire par une pression accrue des mauvaises herbes et une concurrence pour la lumière et les sources de nutriments souligne la nécessité d’une gestion optimisée pour maintenir un rendement élevé et stable dans les systèmes de culture biologique.
La réduction moyenne du rendement entre les systèmes biologiques (BIODYN et BIOORG) et conventionnels (CONFYM et CONMIN) après la CRP3 était de 20%31. Pourtant, dans cette étude, la réduction de rendement est tombée à 15% après l’inclusion du maïs et du soja à partir de la CRP4 . Cet écart de rendement est inférieur à la gamme des méta-analyses publiées à l’échelle mondiale30, ce qui pourrait s’expliquer par les restrictions en matière d’utilisation de pesticides et d’engrais en Suisse, qui abaissent le niveau d’intensification des systèmes de culture conventionnels81.
La stabilité des rendements dans tous les systèmes de l’essai DOK montre que, même dans les systèmes mixtes de culture biologique, le recyclage du fumier animal à raison de 1,4 UGB/ha permet de maintenir les rendements pendant plus de quatre décennies.
La culture qui a connu la plus forte baisse de rendement en agriculture biologique est la pomme de terre, qui a une forte demande en nutriments sur une courte période de croissance et qui est sensible aux ravageurs et aux maladies. L’effet de l’utilisation du cuivre dans BIOORG se traduit par des rendements légèrement supérieurs à ceux de BIODYN. Sur les cinq principales cultures plantées dans le cadre de l’essai DOK, le trèfle des prés et le maïs d’ensilage sont utilisés pour nourrir les animaux afin d’imiter un système de cultures mixtes à 1,4 UGB par hectare. Le blé, les pommes de terre et le soja sont quant à eux cultivés pour la consommation humaine.
Conclusion
En résumé, nous avons constaté que la réduction drastique des apports d’engrais synthétiques et de pesticides dans les systèmes biologiques réduit la pression sur la santé des sols, la biodiversité et les indicateurs liés au climat, avec des pertes de rendement modérées (Fig. 5). L’absence d’apport d’azote minéral et de phosphore dans les systèmes biologiques contribue de manière substantielle à la sauvegarde des stocks de phosphore et réduit les dépendances aux intrants externes avec une forte demande énergétique pour les engrais azotés, rendant ainsi les systèmes biologiques plus résistants aux crises de la chaîne d’approvisionnement. L’intégration du bétail et la rotation des cultures, y compris les légumineuses, sont des facteurs favorables à la durabilité à long terme des systèmes de culture biologiques et conventionnels. La diminution lente des stocks de phosphore dans les sols, y compris dans les systèmes présentant un bilan positif, exige des sources alternatives de phosphore qui relient les flux de nutriments urbains et ruraux et équilibrent les régions présentant des déficits et des excédents de nutriments, en particulier dans les systèmes de culture biologique. Bien que l’augmentation des stocks de carbone organique du sol soit pertinente en vue de la santé du sol, nos résultats soulignent l’importance du N2O en tant que gaz à effet de serre décisif dans les systèmes de culture arable. La fertilisation azotée organique et le compostage du fumier de ferme peuvent augmenter les stocks de carbone organique du sol sans accroître les émissions de N2O. L’amélioration de la santé du sol, associée à une plus grande richesse du microbiote et de la macrofaune dans les systèmes biologiques, se traduit également par une minéralisation microbienne de l’azote plus importante en cas de stress dû à la sécheresse. Malgré des rendements plus faibles dans les systèmes biologiques, la réduction des rendements est passée de 20 % après trois rotations de cultures à 15 % après six rotations, ce qui souligne le potentiel des systèmes de culture biologique à fournir des rendements stables avec de faibles intrants externes sur le long terme.