Agrosystèmes : biomasse exportée, bilan d'azote, intrants et gestion durable

Les séries de résultats de ces exercices sont construites pour l'activité et ne proviennent pas d'une étude réelle.

Agrosystème et flux de matière

Un agrosystème est un écosystème aménagé et entretenu par l'être humain pour produire de la biomasse destinée à être récoltée : céréales, fourrages, légumes, animaux d'élevage. Comme dans tout écosystème, les producteurs primaires réalisent la photosynthèse : à partir de dioxyde de carbone, d'eau et d'énergie lumineuse, ils fabriquent de la matière organique. Pour construire leurs constituants (protéines, ADN, chlorophylle), ils absorbent aussi des ions minéraux du sol, notamment des nitrates (azote), des phosphates (phosphore) et du potassium.

Un cycle de la matière ouvert

Dans une forêt, la matière est largement recyclée sur place : la litière est décomposée, les décomposeurs libèrent des ions minéraux (c'est la minéralisation) et les arbres les absorbent de nouveau. Dans un agrosystème, une grande partie de la biomasse est exportée : grains, fourrages ou animaux quittent la parcelle. Les éléments minéraux qu'elle contient ne retournent pas au sol, le cycle est donc « ouvert ». Sans compensation, la fertilité du sol diminue.

Le bilan apparent

On évalue un élément chimique par un bilan apparent : apports moins exportations. Les entrées comprennent les intrants (engrais minéraux, effluents d'élevage), la fixation symbiotique du diazote de l'air par les bactéries associées aux racines des légumineuses, les dépôts atmosphériques et les résidus de culture restitués. Les sorties comprennent l'exportation par la récolte, mais aussi des pertes : lixiviation des nitrates entraînés par l'eau de drainage, volatilisation, ruissellement et érosion. Un bilan négatif répété signifie que le sol puise dans ses réserves. Un bilan fortement positif signale un excédent, qui peut rejoindre les nappes et les cours d'eau et contribuer à leur eutrophisation.

Intrants et énergie

Les intrants regroupent engrais, produits phytosanitaires, eau d'irrigation, semences et carburant. L'énergie contenue dans la biomasse récoltée provient du rayonnement solaire capté par la photosynthèse : un engrais apporte des éléments minéraux, pas d'énergie à la plante. En revanche, la fabrication des engrais et le fonctionnement des machines consomment de l'énergie, souvent d'origine fossile.

Vers une gestion plus durable

Une gestion est dite durable lorsqu'elle maintient à long terme la fertilité des sols, la qualité de l'eau et la biodiversité, tout en restant viable économiquement. Plusieurs leviers existent : allonger la rotation des cultures en y incluant des légumineuses, semer des couverts d'interculture qui absorbent les nitrates restant dans le sol, ajuster et fractionner les apports aux besoins de la culture, restituer les pailles, implanter des haies et des bandes enherbées qui limitent le ruissellement et abritent des auxiliaires de culture. Aucun levier n'est universel : son effet dépend du sol, du climat et de la culture.

Exemple analysé

Un blé produit 7 t/ha de grain, à 86 % de matière sèche, avec 2,0 % d'azote dans cette matière sèche. Matière sèche exportée : 7 × 0,86 = 6,02 t/ha, soit 6020 kg/ha. Azote exporté : 6020 × 0,020 ≈ 120 kg N/ha. Si l'agriculteur apporte 150 kg N/ha, le bilan apparent vaut +30 kg N/ha : cet excédent peut être stocké dans le sol ou perdu. S'il n'apporte rien, le bilan vaut −120 kg N/ha et le sol fournit l'azote manquant.

Un piège à éviter

Un rendement élevé n'est pas synonyme de gestion durable, et davantage d'engrais ne donne pas proportionnellement davantage de récolte : le rendement tend vers un plateau, alors que l'excédent d'azote continue d'augmenter. Attention aussi à ne pas confondre biomasse produite et biomasse exportée : racines et pailles restent souvent sur la parcelle.

Les séries de résultats de ces exercices sont construites pour l'activité et ne proviennent pas d'une étude réelle.

Situation-problème

Une exploitation céréalière veut ajuster sa fertilisation azotée sur du blé tendre. Un conseiller agricole compare, sur un même sol et pendant une même année, cinq modalités d'apport d'engrais, puis suit deux parcelles voisines après la moisson : l'une laissée en sol nu, l'autre semée avec un couvert de moutarde. L'agriculteur veut savoir quelle quantité d'azote la récolte exporte réellement, quelle part de l'apport devient excédentaire et si un couvert d'interculture peut limiter les pertes. Deux documents permettent de construire une réponse argumentée. Toutes les données utiles sont fournies ; les résultats seront arrondis au dixième.

Document 1 : essai de fertilisation azotée sur blé (Données pédagogiques simplifiées)

Même variété, même sol limoneux, même année, parcelles de 1 ha. Le grain contient 86 % de matière sèche et 2,0 % d'azote par rapport à cette matière sèche. Seul le grain est exporté ; la paille est restituée au sol.

Document 2 : suivi de deux parcelles après la moisson (Données pédagogiques simplifiées)

Deux parcelles voisines de 1 ha, de même sol et soumises à la même pluviométrie (280 mm de novembre à février), ont été suivies de la moisson à la fin de l'hiver. La parcelle P1 est restée en sol nu. La parcelle P2 a reçu un semis de moutarde après la moisson, détruite fin février. Le stock de nitrates a été mesuré dans les 60 premiers centimètres du sol. Observation de terrain : sur P1, une croûte superficielle et des flaques de ruissellement après les fortes pluies ; sur P2, sol couvert et aucun ruissellement visible. La biomasse aérienne de la moutarde contenait déjà 45 kg N/ha à la mi-novembre, avant sa destruction fin février.

Exercice 1 : azote exporté par la récolte

1. Calculer la masse de matière sèche de grain récoltée, en t/ha, pour les modalités A et C.
2. Calculer la quantité d'azote exportée, en kg N/ha, pour chacune des cinq modalités.
3. Décrire, avec des valeurs, l'évolution du rendement lorsque l'apport d'azote augmente de A à E.
4. La modalité A n'a reçu aucun engrais et a pourtant exporté de l'azote. Proposer une explication sur l'origine de cet azote et discuter de la durabilité de cette situation si elle se répétait chaque année.

Exercice 2 : bilan apparent et efficacité de l'apport

1. Calculer le bilan apparent (apport moins exportation) de chaque modalité, en kg N/ha.
2. Calculer, pour chaque passage d'une modalité à la suivante (A vers B, B vers C, C vers D, D vers E), le gain de rendement obtenu par kilogramme d'azote supplémentaire apporté, en kg de grain par kg N.
3. Identifier la modalité dont le bilan est le plus proche de l'équilibre. Justifier pourquoi la modalité E n'est pas la plus pertinente malgré le rendement le plus élevé.

Exercice 3 : couvert d'interculture et recommandation

1. Calculer la variation du stock de nitrates de mi-novembre à fin février pour P1 et pour P2.
2. Calculer l'écart de stock de nitrates entre P1 et P2 en mi-novembre, puis la part de cet écart que représente l'azote contenu dans la moutarde. Expliquer comment la moutarde fabrique sa matière organique et quel est le devenir de cet azote après sa destruction.
3. Le Document 2 permet-il de conclure que le couvert réduit les pertes d'azote ? Indiquer deux limites et proposer un protocole plus rigoureux.
4. En confrontant les deux documents, rédiger en six lignes maximum une recommandation argumentée pour l'agriculteur.

Correction complète

Exercice 1 : correction

1. Matière sèche = rendement × 0,86. Modalité A : 3,5 × 0,86 = 3,01 t/ha. Modalité C : 7,0 × 0,86 = 6,02 t/ha.
2. Azote exporté = matière sèche (en kg) × 0,020. A : 3010 × 0,020 = 60,2 kg N/ha. B : 4816 × 0,020 ≈ 96,3. C : 6020 × 0,020 = 120,4. D : 6536 × 0,020 ≈ 130,7. E : 6622 × 0,020 ≈ 132,4 kg N/ha.
3. Le rendement passe de 3,5 à 7,7 t/ha, soit +4,2 t/ha. La hausse est forte jusqu'à la modalité C (+3,5 t/ha, soit +100 %), puis faible de C à E (+0,7 t/ha, soit +10 %) alors que l'apport double (de 120 à 240 kg N/ha). Le rendement tend vers un plateau.
4. Sans engrais, l'azote exporté (60,2 kg N/ha) provient du sol : minéralisation de la matière organique et des résidus, auxquels s'ajoutent des dépôts atmosphériques. Ce sont des réserves non compensées. Répétée chaque année, la situation appauvrirait le sol et ferait baisser le rendement : elle n'est pas durable.

Critères de réussite : formule posée, conversion des tonnes en kilogrammes, unités exactes, explication reliant exportation et réserves du sol.

Exercice 2 : correction

1. Bilan = apport − exportation. A : 0 − 60,2 = −60,2. B : 60 − 96,3 = −36,3. C : 120 − 120,4 = −0,4. D : 180 − 130,7 = +49,3. E : 240 − 132,4 = +107,6 kg N/ha.
2. A vers B : 2,1 t de gain, soit 2100 kg pour 60 kg N, donc 35,0 kg de grain par kg N. B vers C : 1400 / 60 ≈ 23,3. C vers D : 600 / 60 = 10,0. D vers E : 100 / 60 ≈ 1,7 kg de grain par kg N. L'efficacité de chaque kilogramme supplémentaire diminue fortement.
3. La modalité C a un bilan quasi nul (−0,4 kg N/ha) : l'apport compense l'exportation. La modalité E donne seulement 0,1 t/ha de plus que D, mais laisse un excédent de 107,6 kg N/ha, exposé à la lixiviation (le Document 2 montre qu'un stock de nitrates peut chuter de 55 kg N/ha en hiver). Le surcoût en engrais, l'énergie dépensée et le risque pour l'eau ne sont pas justifiés.

Limite : un bilan apparent ne mesure pas les pertes réelles, qui dépendent du sol et de la pluie. Critères de réussite : signes des bilans respectés, gains marginaux calculés par différence, justification chiffrée.

Exercice 3 : correction

1. P1 : 30 − 85 = −55 kg N/ha. P2 : 22 − 25 = −3 kg N/ha.
2. Écart en novembre : 85 − 25 = 60 kg N/ha. Part due à la moutarde : 45 / 60 = 0,75, soit 75 %. La moutarde réalise la photosynthèse : avec l'énergie lumineuse, elle fabrique sa matière organique à partir de dioxyde de carbone et d'eau ; les nitrates absorbés fournissent l'azote de ses protéines. Après destruction, sa biomasse se décompose et l'azote est progressivement minéralisé : il est mis en réserve temporairement, non supprimé, et peut profiter à la culture suivante si la restitution est bien synchronisée.
3. Non, la conclusion reste prudente. Limites : un seul site et une seule année, sans répétition, donc une différence pouvant tenir à une hétérogénéité du sol ; le stock de nitrates est mesuré, mais pas l'eau drainée, donc la lixiviation n'est qu'estimée. Protocole : au moins trois parcelles ou bandes répétées par modalité, même sol, même précédent cultural, mêmes dates et profondeurs de prélèvement, mesure de la biomasse et de l'azote du couvert, suivi de l'eau drainée et du rendement de la culture suivante, sur plusieurs années.
4. Réponse attendue : ajuster l'apport vers la modalité C (bilan proche de zéro, rendement presque maximal) et tester un couvert d'interculture, qui semble limiter la baisse hivernale des nitrates (−3 contre −55 kg N/ha) et protège le sol. Préciser que ces résultats viennent d'un essai unique, que l'effet dépend du sol et du climat, et qu'un suivi sur plusieurs années est nécessaire avant de généraliser.

Critères de réussite : calculs justes, distinction entre stock mesuré et perte réelle, absence de généralisation abusive, recommandation appuyée sur des valeurs des deux documents.