Engrais

Nitrate de chaux Le Gaulois, 1927.

Les Égyptiens, durant des milliers d'années, ont utilisé les limons apportés par les crues du Nil pour enrichir et entretenir les sols. Divers amendements ont été utilisés dans le monde, des poissons enterrés sous le maïs en Amérique du Nord, les excréments humains et animaux. En Grèce antique, les engrais animaux et minéraux sont connus, ainsi que du fumier, et des engrais verts, les plus souvent utilisés.

La poudrette est au XIX^e siècle un engrais préparé à partir de matière fécale humaine. Elle est préparée à partir des vidanges des fosses d'aisances des grandes villes dans des usines spécialisées qui étaient aménagées en périphérie.

Début XIX^e siècle, Justus von Liebig affirme dans sa Chimie organique appliquée à la physiologie végétale et à l’agriculture que les plantes contiennent des sels minéraux, et qu'elles ont extrait des substances minérales du sol. Il conclut à la nécessité de restituer à la terre les sels dont elle a été privée progressivement par l'absorption végétale. Très lentement, ces idées sont diffusées à la campagne.

On commence à fabriquer des engrais azotés et potassiques à Valenciennes en 1838. L'usage des phosphates ne se généralise en France qu'après 1870 (« Rrous à phosphates » des Phosphatière du Cloup d'Aural, découverts par Jean-André Poumarède et mis en exploitation dans les années 1870, travaux de Jean-Baptiste Dumas et de Georges Ville). En 1871, la Société Saint-Gobain monte deux usines de fabrication des superphosphates : à Chauny et à Montluçon. En 1876, le Chili et le Pérou sont en guerre pour la conquête du seul gisement d'engrais nitrates connus (Guerre hispano-sud-américaine ou « la guerre du Guano » et guerre du Pacifique. Jusqu'en 1914, on se contentera de rechercher et d'exploiter les sources minérales d'engrais. Les gisements de phosphates d'Algérie sont mis en exploitation en 1893, ceux de Tunisie en 1899, ceux du Maroc seront découverts en 1917. On utilise concurremment les scories de déphosphorisation (Scories Thomas). Dans le domaine de l'azote, on utilise simultanément les nitrates du Chili et les engrais ammoniacaux provenant de la récupération des eaux usées ou de la purification des gaz de cokeries (Sulfate d'ammonium). À partir de 1900, le procédé Birkeland-Eyde permet de fabriquer des nitrates de calcium, et l'on commence à utiliser la cyanamide calcique.

La Première Guerre mondiale détermine un bouleversement complet du marché des engrais azotés. L'Allemagne, isolée des producteurs de nitrates, donne une portée industrielle au procédé Haber permettant de fabriquer de l'ammoniaque à partir de l'azote de l'air. Il est employé à la fabrication d'explosifs comme le trinitrotoluène. Après la guerre, des cartels ont rassemblé producteurs d'azote synthétique et producteurs de nitrates pour résoudre la violente crise de concurrence ouverte entre les marchés de nitrates naturels et ceux d'azote industriel. La soude, primitivement extraite des eaux-mères des marais salants par le procédé Balard, est fournie depuis 1890 par les salines, en France, les salines de Lorraine. La France est enfin particulièrement avantagée par la possession de mines de potasse d'Alsace[1].

Au début du XX^e siècle, le commerce et l'industrie des engrais se constituent en très grosses sociétés liées entre elles par des accords internationaux contingentant la production pour limiter l'effet des crises par la suppression de la concurrence : entente mondiale de l'azote, cartel des phosphates. Par l'intermédiaire du commerce des engrais, l'influence de l'économie moderne s'exerce sur la vie et le rythme des prix à la campagne[1].

En 2007, la consommation mondiale d'engrais représentait près de 5 800 kg/s soit 179 milliards de kilogrammes, dont 61,6 % d'azote, 23,1 % de phosphates et 15,3 % de potasses[2].

Pour accomplir le processus de leur vie végétative, les plantes ont besoin d'eau, de près de vingt éléments nutritifs qu'elles trouvent sous forme minérale dans le sol, de dioxyde de carbone (CO₂) apporté par l'air, et d'énergie solaire nécessaire à la synthèse chlorophyllienne.

Puis, avec l'avènement de l'industrie chimique, charbonnière et pétrolière au XIX^e siècle, sont apparues des formes chimiques de plus en plus « pures » des éléments de base (NPK). Ces engrais chimiques, en dépit de leurs effets immédiats sur la croissance, n'ont pas toujours été facilement acceptés : par exemple, en 1858, dans le nord de la France, la presse locale rapportait qu'à l’approche des semailles « les agriculteurs sont harcelés par des marchands d’engrais qui prétendent que leurs concentrés chimiques sont plus efficaces que le fumier. La Société impériale d’agriculture, qui a effectué des essais, met en garde contre ces engrais concentrés, qui ne sauraient selon elle remplacer le fumier »[3].

Les engrais doivent apporter, en justes proportions :

• des éléments de base, aussi appelés macronutriments, azote (N), phosphore (P), potassium (K) ; on parle des :
  • engrais ternaires de type NPK si les trois sont associés,
  • engrais binaires NP, NK ou PK,
  • engrais simples s'ils sont constitués d'un seul de ces éléments N ou P ou K ;
• des éléments secondaires, calcium (Ca), soufre (S), magnésium (Mg) ;
• des oligo-éléments, tels que le fer (Fe), le manganèse (Mn), le molybdène (Mo), le cuivre (Cu), le bore (B), le zinc (Zn), le chlore (Cl), le sodium (Na), le cobalt (Co), le vanadium (V) et le silicium (Si).

Ces éléments secondaires se trouvent habituellement en quantité suffisante dans le sol, et ne devraient être ajoutés qu'en cas de carence, la plupart devenant toxiques, à faible dose, au-delà d'un seuil variant selon les éléments, certaines synergies entre éléments, et selon le pH du sol.

Les plantes ont besoin de quantités relativement importantes des éléments de base, les macro-éléments. L'azote, le phosphore et le potassium sont donc les éléments qu'il faut ajouter le plus souvent aux sols pauvres ou épuisés par l'agriculture intensive. Ces ressources sont consommées par les plantes et ne se reconstituent pas entièrement par la jachère.

• L’azote (N) contribue au développement végétatif de toutes les parties aériennes de la plante. Il est profitable à la plantation, au printemps, lors de la pousse de la végétation, et aux légumes feuillus, à condition de le distribuer sans excès car cela se ferait au détriment du développement des fleurs, des fruits (alimentation humaine) ou des bulbes, l'azote permet à la plante de fabriquer en quantité et en vitesse accrue les acides nucléiques, aminées ainsi que la synthèse des protéines et de la chlorophylle pour permettre à la plante une croissance plus rapide. On trouve de l'azote dans le sang séché, dans les tontes de gazon ou dans le purin d'orties. Sous forme chimique (ion NO₃- dit « nitrate »), il est particulièrement soluble dans l'eau et utilisé en excès il est à l'origine de la pollution azotée.
• Le phosphore (P) renforce la résistance des plantes et contribue au développement des racines. Le phosphore est extrait principalement des roches phosphatées, on le trouve également dans la poudre d'os ou dans les fientes. Utilisé en excès, il est un facteur d'eutrophisation de l'eau. Les engrais phosphatés chimiques contiennent une multitude d'éléments minéraux secondaires et d'oligo-éléments dont de petites quantités d'uranium (radionucléide) et de cadmium (métal lourd).
• Le potassium (K) contribue à favoriser la floraison et le développement des fruits. Le potassium se trouve dans la cendre de bois, qui peut par ailleurs contenir des métaux lourds, ou des radionucléides dans certaines régions.

La chaux calcique est un amendement agricole et une source de calcium. La chaux dolomitique fournit du calcium et du magnésium. Le soufre est généralement présent en quantité suffisante dans le sol.

Les engrais peuvent être de trois types : organiques, minéraux et organo-minéraux.

Le trio « NPK » constitue la base de la plupart des engrais vendus de nos jours. L'azote est le plus important d'entre eux, et le plus controversé à cause du phénomène de lixiviation, lié à la forte solubilité des nitrates dans l'eau. Au XXI^e siècle, 1 % de l'énergie consommée par les humains sert à produire de l'ammoniac[5], produit qui fournit la moitié de l'azote nécessaire à la fabrication des engrais utilisés en agriculture.

Voici une liste de quelques exemples d'engrais simples qui ne fournissent que l'un des éléments du trio NPK, mais peuvent aussi contenir d'autres types d'éléments ayant une action sur les plantes ou les sols (chaux, magnésium, soufre, etc.) :

• azote (N) : l'urée (46 % d'azote), le sulfate d'ammoniaque (SA, 21 % d'azote, et 24 % de soufre), l'ammonitrate (AN, 33,5 % d'azote) et le nitrate de chaux (CAN/NAC, jusqu'à 27 % d'azote, et 26 à 28 % de chaux) ;
• phosphore (P₂O₅) : le superphosphate simple (SSP, 18 % de phosphore, et 12 % de soufre) ou le superphosphate triple (TSP, 46 % de phosphore) ;
• potasse (K₂O) : le chlorure de potassium (60 % de potassium), le sulfate de potassium (SOP, 50 % de K₂O, et 18 % de soufre).

Quelques exemples d'engrais composés :

• le phosphate diammonique contient à la fois N et P. Les formules les plus courantes sont le 18-46-0 et le 20-20-0 ;
• le nitrate de potassium contient à la fois N et K.

Généralement, les engrais sont incorporés au sol, mais ils peuvent aussi être apportés par l'eau d'irrigation. Cette dernière technique est employée aussi bien pour les cultures en sol, traditionnelles, que hors sol, sur un substrat plus ou moins inerte, tel que terreau, tourbe, laine de roche, perlite, vermiculite. Une autre technique particulière, la culture hydroponique, permet de nourrir les plantes avec ou sans substrat. Les racines se développent dans une solution nutritive, eau plus engrais, qui circule à leur contact. La composition et la concentration de la solution nutritive doivent être constamment réajustées.

Dans certains cas, une partie de la fertilisation peut être réalisée par voie foliaire, par pulvérisation. En effet, les feuilles sont capables d'absorber des engrais, s'ils sont solubles, et si la surface de la feuille reste humide assez longtemps. Cette absorption reste toutefois limitée en quantité. Ce sont donc plutôt les oligo-éléments qui peuvent être ainsi apportés, compte tenu des faibles quantités nécessaires aux plantes.

Sur des sols acides, on peut procéder au chaulage pour augmenter le pH. Cette mesure augmente l'efficacité des engrais en favorisant l'assimilation par les plantes des éléments nutritifs présents dans le sol.

Les engrais doivent être utilisés avec précaution. Il est généralement suggéré :

• d'éviter les excès, car au-delà de certains seuils les apports supplémentaires, non seulement n'ont plus aucun intérêt économique, mais de plus, risquent d'être toxiques pour les plantes, particulièrement en oligo-éléments, et de nuire à l'environnement ;
• de maîtriser leurs effets sur l'acidité du sol ;
• de tenir compte des interactions possibles entre les éléments chimiques ;
• de tenir compte des limites imposées par les autres facteurs de production.

La dose d'engrais est la quantité d'engrais à apporter pour une certaine surface, ou à un certain nombre de plantes. Idéalement, la quantité apportée devrait être suffisante pour couvrir les besoins des plantes, de façon à garantir le rendement, la qualité, le taux de croissance, voire la beauté, souhaités, sans toutefois les excéder, de façon à limiter le coût de la fertilisation, ainsi que l'impact environnemental. Une dose trop élevée peut aussi endommager une culture. L'excès d'engrais peut se montrer en effet pire que son manque.

Selon les plantes et végétaux, l'apport devra être plus ou moins important et se présenter sous une forme optimale. L'utilisateur de fertilisants se fiera souvent à la notion de dose recommandée[10]. La dose recommandée est la dose d'application suggérée par les instituts de recherche agricoles, publics ou privés, certaines associations ou ONG, ou par les entreprises de commercialisation. Elle va être exprimée en nombre de sacs à utiliser, avec indication des proportions NPK contenues dans un sac, ou directement en quantité de chaque élément à apporter par hectare, ou en quantité à apporter par plante.

Les doses recommandées varient en fonction de la culture, de la variété utilisée, du type de sol, du climat, etc.

Dans certaines zones d'Afrique, on utilise avec succès la technique de micro dosage d'engrais consistant à ne mettre que quelques grammes d'engrais dans le sol lors du semis[11].

L'utilisation des engrais entraîne deux types de conséquences qui peuvent comporter des risques sanitaires (atteinte à la santé de l'homme) ou des risques environnementaux (dégâts sur les écosystèmes).

Risques environnementaux

Carte des excédents d'azote relevés dans les sols agricoles en Europe (année 2005[12])

Les engrais présentent un risque de pollution de l'eau potable. Par ailleurs, ils contribuent à l'eutrophisation des eaux, lorsque les engrais, organiques ou minéraux, répandus en trop grande quantité par rapport aux besoins des plantes et à la capacité de rétention des sols, qui dépend notamment de sa texture, sont entraînés vers la nappe phréatique par infiltration, ou vers les cours d'eau par ruissellement.

Les engrais contribuent par ailleurs de façon importante au réchauffement climatique, en raison des fortes émissions, après épandage, d'oxydes d'azote, notamment le protoxyde d'azote (N₂O), un gaz à effet de serre présentant un fort potentiel de réchauffement global et une durée de résidence relativement longue : le potentiel du protoxyde d'azote est 298 fois supérieur à celui du CO₂ à 100 ans, et reste 153 fois supérieur à un horizon de 500 ans[13] - [14].

Plus généralement, les conséquences de l'utilisation des engrais qui peuvent comporter des risques ou qui font l'objet de critiques sont les suivantes :

• effets sur la qualité des sols, leur fertilité, leur structure, l'humus et l'activité biologique ;
• effets sur l'érosion ;
• effets d'eutrophisation des eaux douces et marines liés au cycle de l'azote et de pollution diffuse induite par la toxicité des nitrates dans l'eau potable ou pour certaines espèces, et par leur caractère eutrophisant et favorisant la turbidité de l'eau ;
• effets d'eutrophisation des eaux douces et marines liés au cycle du phosphore (eutrophisation voire dystrophisation) ;
• effets liés à la dégradation des engrais inutilisés, qui émettent des gaz à effet de serre, oxydes d’azote (protoxyde d'azote N₂O, et N₂O₄), dans l’atmosphère[15] ;
• effets liés aux autres éléments nutritifs : potassium, soufre, magnésium, calcium, oligo-éléments ;
• effets liés à la présence de Éléments-traces métalliques toxiques : cadmium, arsenic, fluor, présents dans les engrais minéraux et dans les lisiers de porc ;
• effets liés à la présence d'éléments radioactifs (significativement présents dans les phosphates) ;
• effets sur les parasites des cultures ;
• effets sur la qualité des produits ;
• pollution émise lors de la production des engrais chimiques et certains engrais organiques ;
• utilisation d'énergie non renouvelable pour la production, le transport et l'épandage ;
• épuisement des ressources minérales.

Entre 1972 et 1992, l'utilisation mondiale d'engrais est passée de 73,8 à 132,7 millions de tonnes. Au Canada, l'utilisation des engrais est passée de près d'un million de tonnes en 1960 à environ quatre millions de tonnes en 1985, tandis que le pourcentage des terres ayant reçu des engrais est passé de 16 % en 1970 à 50 % en 1985[16].

La consommation mondiale d'éléments fertilisants s'est élevée à 179,4 millions de tonnes en 2007 : 61,6 % d'azote, 23,1 % de phosphates, et 15,3 % de potasses[17]. En 2007, les principaux pays consommateurs sont les suivants :

À titre d'exemple, selon le Centre d'analyse stratégique (CAS) et le Commissariat général au développement durable (CGDD), la France a reçu deux mises en demeure de la Commission européenne, pour non-respect de la « directive nitrates », restées sans effets suffisants[18]. La Commission a ensuite traduit, en février 2012, la France devant la Cour de justice de l'Union européenne (CJUE) pour n'avoir pas pris les « mesures efficaces »[18]. Le CGDD a estimé au vu des chiffres disponibles que le coût des pollutions agricoles (engrais et produits phytosanitaires) (sans compter les condamnations financières de la CJUE), s'élèverait vers 2012 à une fourchette comprise entre 1,113 et 2,395 millions d'euros par an[18].

En 2019, une étude de l’université Cornell et de l'Environmental Defense Fund indique que les émissions de méthane par les usines d’engrais aux États-Unis sont cent fois supérieures aux chiffres déclarés par les industriels[19].

Outre leur toxicité environnementale, certains engrais sont explosifs. Des produits entrant dans la composition d'engrais, notamment le nitrate d'ammonium, sont à l'origine de l'explosion du cargo Ocean Liberty à Brest en 1947, qui a fait 26 morts et 1 000 blessés graves, de l'explosion de l'usine AZF de Toulouse en France en 2001 (31 morts et 2 500 blessés), de celle de la West Fertilizer Company au Texas en 2013 (15 morts et 200 blessés) (ammoniac anhydre), ou de la double explosion au port de Beyrouth de 2020 (plus de 150 morts et 6 000 blessés).

Les chimistes cherchent à limiter l'explosivité des engrais contenant des nitrates par une dilution du nitrate d'ammonium (AN) avec des molécules chimiquement plus inertes ou en y incorporant de faibles quantités de matériau augmentant la zone de réaction chimique (méthode dite de « désensibilisation » du nitrate d'ammonium)[20]. Les additifs doivent cependant ne pas être trop toxiques ni écotoxiques pour rester compatibles avec l'usage agricole de ces engrais[20].

Dans certains pays, des taxes et écotaxes visent à encourager la limitation des engrais chimiques et peuvent contribuer à réparer les dégâts environnementaux qu'ils induisent parfois.

En France, pour lutter contre les pollutions diffuses, le Centre d'analyse stratégique a proposé que soient étudiées les conditions d'une augmentation de la TVA sur les engrais azotés et souhaite qu'ils soient intégrés dans le groupe des substances assujetties à la redevance sur les pollutions diffuses « tout en prévoyant des compensations adéquates pour les agriculteurs » qui limiteront ces pollutions diffuses (via les mesures agro-environnementales par exemple)[21] - [18].