Introduction

Le phosphore en agriculture constitue à la fois une ressource limitée et non renouvelable, tout au moins sous la forme de minerai de phosphates, et une source potentielle de pollution, lorsqu'il est utilisé en excès comme fertilisant. C'est un élément déterminant pour la sécurité alimentaire mondiale dans la mesure où il conditionne notre capacité à produire des aliments, il n'est pas substituable et ne peut pas être synthétisé à partir d'un compartiment gazeux, à la différence des fertilisants azotés (Cordell et White, 2013). Les réserves mondiales de phosphates minéraux sont limitées et concentrées dans un très petit nombre de pays, constituant ainsi un enjeu politique et économique majeur (Cordell et White, 2013). Le phosphore est aussi déterminant pour les stratégies d’atténuation du changement climatique basée sur le stockage du carbone dans le sol. Les travaux de modélisation conduits à l'échelle planétaire ont ainsi montré que, quels que soient les modèles de changements climatiques pris en compte, la disponibilité en phosphore détermine la production primaire de biomasse et par conséquent, le stockage de carbone dans les écosystèmes en réponse à ces changements (Ringeval et al., 2014). Les systèmes animaux jouent un rôle particulièrement important dans les flux de phosphore, compte tenu des teneurs présentes dans les aliments et les déjections. La question du bon recyclage du phosphore des effluents et plus généralement des coproduits animaux et/ou végétaux est donc au cœur de la problématique du phosphore en agriculture. Les produits animaux contribuent également très largement aux apports en alimentation humaine en assurant près de 60 % du phosphore total de la ration moyenne des Français (Lafay, 2009), leur contribution réelle en terme de phosphore bio-disponible étant sûrement encore plus importante si l'on tient compte de la très faible digestibilité du phosphore phytique des sources végétales.

1. Le phosphore une ressource non renouvelable rare et de plus en plus coûteuse

Au cours du siècle dernier l'utilisation de phosphates minéraux a largement contribué à l'amélioration de la fertilité des sols et à l'accroissement des rendements des cultures pour l'alimentation humaine ou animale (Cordell et al., 2009). À l'échelle planétaire les phosphates issus du minerai, que nous qualifierons de minéraux, constituent actuellement la principale source de phosphore utilisé pour les cultures (plus de 80 %), le reste étant apporté par les effluents d'élevage. Toutefois, le phosphore issu de ces derniers provient également en grande partie des phosphates minéraux utilisés pour les cultures servant à produire les aliments ou incorporés dans la ration (Cordell et al., 2009). Les phosphates minéraux, qui sont principalement utilisés par l'agriculture (moins de 10 % sont utilisés par l'industrie), constituent une ressource non renouvelable, rare et coûteuse. L'utilisation mondiale de phosphates minéraux a été multipliée par 15 depuis 1950 et la demande devrait s'accroitre de 50 à 100 % d'ici 2050 du fait de l'accroissement de la population mondiale et de l'évolution des habitudes alimentaires (Cordell et al., 2009). Cette augmentation de la demande devrait surtout être le fait de l'Asie (FAO, 2007) et de l'Afrique sub-saharienne où 70 % des sols sont encore carencés en phosphore du fait d'une faible fertilisation (Cordell et al., 2009). Parallèlement, la production de phosphates pourrait plafonner voire diminuer au cours de ce siècle, la demande pouvant devenir supérieure à l'offre au cours de la seconde moitié de ce siècle (figure 1, Cordell et al., 2009). Il existe une controverse sur l'importance des réserves mondiales en phosphates qui sont estimées de 30 à 300 ans de consommation selon les hypothèses retenues par les auteurs (Cordell et White, 2011). Les valeurs les plus basses sont obtenues lorsque l'on se limite aux réserves de bonne qualité (sans contamination par des métaux lourds) et accessibles à un coût raisonnable. Il y a toutefois un consensus sur le fait que les réserves minières de phosphates diminuent très rapidement et sont moins facilement accessibles, surtout celles non contaminées par le cadmium. Ceci risque de rendre cette ressource plus rare et plus chère, avec de probables tensions sur le marché en cas de faibles disponibilités, comme en 2008 où le prix a été multiplié par 7 en quelques mois. Par ailleurs, les réserves mondiales de phosphates sont concentrées dans un nombre très limité de pays (le Maroc avec le Sahara Occidental qui en possède plus des 3/4, la Chine et les USA) et de ce fait très sensibles aux contextes politique et économique. Le Maroc a le quasi-monopole sur les réserves de l'ouest du Sahara et fournit environ 1/3 de l'offre mondiale, la Chine a quasiment stoppé ses exportations, par l'application d’une taxe très élevée à l'exportation, pour préserver ses réserves et privilégier son marché domestique, les réserves des USA sont estimées à moins de 30 ans, alors que l'Europe et l'Inde sont totalement dépendantes des importations (Cordell et al., 2009). Paradoxalement le continent Africain qui est le premier producteur de phosphates et qui possède la majeure partie des réserves mondiales est aussi le continent où la fertilisation phosphatée est la plus faible et où 75 % des sols sont carencés en phosphore, limitant ainsi la production alimentaire (Cordell et al., 2009).

Figure 1. Évolution de la production mondiale de phosphates minéraux (en million de tonnes de P par an) depuis 1900 et perspectives d'évolution (Cordell et al., 2009).

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2. Le phosphore en excès, un risque pour l'environnement

L'épandage de fertilisants minéraux et/ou d'effluents d'élevage en quantité supérieure au besoin en phosphore des plantes s'accompagne d'une accumulation dans le sol et de pertes vers les écosystèmes aquatiques. Ces pertes peuvent avoir lieu sous forme particulaire, en relation avec les phénomènes d'érosion, ou sous forme dissoute. Il s'agit de phénomènes très variables dans l'espace et le temps en termes d'intensité, de nature du phosphore émis (particulaire ou dissous) et de mécanismes d'émission, ceci en relation avec les propriétés biogéochimiques du phosphore, de la nature des sols, du mode d'occupation de sols et des pratiques agricoles (Dorioz et Trevisan, 2008). Le phosphore provenant des sols est donc véhiculé vers les milieux aquatiques par différentes voies : ruissellement, érosion ou drainage (Fourrie et al., 2011). Les sols ayant une forte capacité à retenir le phosphore en excès ces phénomènes peuvent s'amplifier avec le temps du fait de l'enrichissement du sol en phosphore total ou assimilable par les plantes. Dans les régions d’élevage intensif, les apports importants d’effluents d’élevages sur de longues périodes ont ainsi conduit à accroître, parfois de façon très importante, la teneur des sols en phosphore total et en phosphore assimilable (exemple de la France, figure 2). Dans le nord-ouest de la Bretagne, la teneur des sols a augmenté de 75 à 200 mg P₂O₅ Dyer/kg entre les périodes 1980-1985 et 1990-1995 à la suite des apports répétés d’engrais de ferme. En 2006, la teneur moyenne des sols était en Bretagne de 400 mg P₂O₅ Dyer/kg, alors que les sols y étaient plutôt carencés dans les années 1950 (Fourrie et al., 2011).

Figure 2. Teneur en P assimilable des sols en France métropolitaine (Gis Sol, 2011).

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L'accroissement de la teneur en phosphore et en nitrates de l'eau peut contribuer, surtout en présence de lumière et de températures élevées, à l'apparition de phénomènes d'eutrophisation caractérisés par un développement exacerbé d'algues ou de cyanobactéries pouvant être associé dans les cas extrêmes à l'apparition de phénomènes d'hypoxie ou d'anoxies, affectant également la faune aquatique (Correll, 1998). Une concentration trop élevée en phosphore constitue la cause la plus fréquente de l'eutrophisation des eaux douces des lacs, des réservoirs et des rivières, alors que dans la mer, l'azote est l'élément le plus limitant pour la production primaire de biomasse (Correll, 1998). La situation des estuaires étant intermédiaire, les deux éléments N et P peuvent être impliqués dans les phénomènes d'eutrophisation, de manières variables dans le temps et dans l'espace (Correll, 1998).

3. Bilan de phosphore à l'échelle nationale, importance de l'élevage

Senthilkumar et al. (2012) ont réalisé à l'échelle de la France une représentation et une quantification des flux de phosphore sur la base de statistiques nationales et européennes. Nous en retiendrons ci-après les principaux éléments (figure 3). Les apports totaux de P s'élèvent à 778 kt par an dont 40 % par les effluents animaux, 37 % par les fertilisants minéraux et 14 % par les résidus de cultures (pailles, systèmes racinaires…), le reste correspondant aux effluents municipaux et aux dépôts atmosphériques. La quantité de P apporté par les effluents animaux a diminué d'environ 8 % depuis 1990, alors qu'elle a été réduite de près de 60 % pour les fertilisants minéraux qui représentaient en 1990 l'équivalent du double des effluents d'élevages. Ces évolutions traduisent une très forte réduction de la fertilisation phosphorée moyenne annuelle qui est passée de 36 kg P/ha en 1990 à 24 kg P/ha, alors que les exportations par les plantes sont restées stables autour de 18-23 kg P/ha. Les stocks en phosphore des sols français ont donc fortement augmenté depuis 1948 puis se sont stabilisés depuis les années 70, en lien avec la baisse constatée des apports d’engrais. Le modèle de Senthilkumar et al. (2012) montre ainsi qu’actuellement, du fait de l’historique de fertilisation, environ 80 % du P contenu dans les sols est d’origine anthropique, c’est à dire qu’il provient directement (apport d’engrais minéraux) ou indirectement (apport d’engrais organiques contenant du P provenant initialement d’engrais minéraux) des gisements géologiques utilisés pour la fabrication d’engrais P (Senthilkumar et al., 2012). De même, la part du phosphore contenu dans les produits agricoles qui est d’origine anthropique est d’environ 84 %. Une étude récente conduite dans des exploitations biologiques en France aboutit à des valeurs du même ordre avec 71 % du phosphore des produits biologiques hérités des engrais minéraux, la majorité provenant des stocks de phosphore du sol constitués avant la conversion (Nowak et al., 2013) et dans une moindre mesure des flux en provenance des exploitations conventionnelles, sous la forme principalement de compost, en particulier pour les exploitations sans élevage.

Figure 3. Représentation et quantification des stocks et des flux de P en France. Les valeurs exprimées en kt P par an (mis à part les stocks exprimés en kt P) correspondent aux moyennes des années 2002–2006 (Pellerin et Nesme, 2015).

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Les cultures exportent en moyenne 452 kt de P par an dont 213 kt de P dans les fourrages distribués aux animaux avec une contribution majoritaire des prairies permanentes (59 %), des prairies temporaires (21 %) et de l'ensilage de maïs (15 %). Il convient d'ajouter à ces 213 kt de P des fourrages les 177 kt de P contenus dans les aliments composés distribués aux animaux. La consommation totale des animaux s'élève donc à 390 kt P par an. Les effluents d'élevages représentent au total 310 kt P par an dont 70 % issus des bovins, 10 % par les porcs, 10 % par les volailles et 7 % par les petits ruminants (Meschy et al., 2008 ; Senthilkumar et al., 2012).

Malgré une forte baisse depuis 1990 le bilan national de phosphore (import – export) reste positif en 2006 de 260 kt P/an (contre 680 kt P/an en 1990). Toutefois, avec 138 kt P/an, les pertes vers l'environnement en constituent une part significative, dont 34 % de "mise en décharge" (résidus d'incinération) et 66 % de pertes vers l'eau. Pour ces dernières évaluées à 91 kt/an, les eaux issues des traitements domestiques et les pertes des sols par érosion et par lessivage en représentent respectivement 49,4 %, 47,3 % et 3,3 %. Le bilan au niveau des sols est positif de 160 kt P/an, ce qui correspond à l'équivalent de 0,15 % du stock en phosphore des sols ou 5,7 kg P/ha SAU. Toutefois cette valeur moyenne cache une diversité régionale importante, le bilan étant plus élevé dans les régions d'élevage alors qu'il devient négatif dans les régions de grandes cultures (Fourrie et al., 2011).

L'efficacité apparente moyenne d'utilisation du phosphore par le compartiment sol - culture s'élevait à environ 76 % en 2006 contre 47 % en 1990. Elle s'est beaucoup améliorée à la suite du meilleur ajustement de la fertilisation. L'efficacité globale au niveau national estimée pour les productions animales est plus faible, de l'ordre de 20 %, et a assez peu évolué au cours de ces dernières années. Elle semble sous-estimée comparativement à celle que l'on peut déterminer à l'échelle de l'animal sur la base des connaissances de l'utilisation du P chez les différentes espèces d'élevage (voir ci-après). Par ailleurs cette valeur est plus faible que l'efficacité à l'échelle du système d'élevage qui prend en compte le recyclage du phosphore des effluents comme fertilisant.

4. Utilisation du phosphore par les animaux

Conclusion

Les différents éléments présentés ci-dessus montrent que le phosphore utilisé en agriculture constitue à la fois une ressource non renouvelable et une source potentielle de pollution de l'eau, même si les flux vers les milieux aquatiques sont limités et du même ordre de grandeur que les flux d'origine domestique. C'est un élément déterminant pour la sécurité alimentaire mondiale dans la mesure où, le phosphore conditionne notre capacité à produire des aliments, il n'est pas substituable et ne peut pas être synthétisé, à la différence des fertilisants azotés. Le phosphore conditionne également la séquestration du carbone dans les sols. Les effluents animaux ont une contribution significative à la fertilisation phosphorée puisqu'ils représentent aujourd'hui la moitié des apports à l'échelle nationale. L'évolution des pratiques de fertilisation, sous la pression de la réglementation dans certaines régions, et des modalités d'alimentation des animaux ont contribué à réduire le bilan de phosphore à l'échelle nationale à moins de 6 kg P/ha, avec des différences entre régions, les bilans des zones d'élevage restant généralement positifs alors qu'ils deviennent négatifs dans certaines zones de grandes cultures. Les produits animaux contribuent également très largement aux besoins pour l'alimentation humaine en apportant près de 60 % du phosphore total de la ration moyenne des Français et vraisemblablement une part plus importante en termes de phosphore bio disponible. Les connaissances acquises ces dernières années permettent maintenant de raisonner avec une grande précision aussi bien l'alimentation des animaux que la fertilisation des cultures et de grand progrès ont été réalisés en pratique. Les pertes de phosphore vers l'environnement étant limitées, si on les compare aux pertes d'azote, il est théoriquement possible d'atteindre des valeurs très élevées (proche de 100 %) d'efficacité d'utilisation du phosphore dans les systèmes agricoles et/ou alimentaire, mais ceci nécessite un parfait recyclage du phosphore des déjections animales, de celui des coproduits animaux (en particulier le phosphore des os) et végétaux et même des déjections humaines. En conclusion au colloque « Facing Phosphorus Scarcity » organisé à Montpellier en 2014, Ringeval et al. (2014) rapportaient que les spécialistes mondiaux du phosphore s'accordent à dire qu'« il convient de faire émerger une gouvernance mondiale des ressources en phosphore, en vue d'éveiller la conscience collective et la responsabilité des individus face à cette problématique globale. Ceci commence à prendre forme en Europe, au travers des activités de l'European Sustainable Phosphorus Platform[2] ou de collectifs au niveau mondial[3] »

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