Knowledge for Development

L'épuisement du phosphore : une crise invisible ?

Author: A.L. (Bert) Smit, Plant Research International, Wageningen UR, The Netherlands.

Date: 14/06/2011

Introduction:

Un article préparé par Bert Smit, de l'Institut de recherche en biologie végétale de l'Université de Wageningen, intitulé « L'épuisement du phosphore : une crise invisible ? », fait le point sur le contexte actuel d'épuisement des ressources en phosphore. Smit note qu’une diminution des flux de phosphore de la société vers l'agriculture et que l'utilisation et la gouvernance des réserves restantes sont loin d'être durables.

Il met en exergue une gestion inappropriée du phosphore, ainsi que la pénurie de la ressource sur le plan économique, institutionnel et géopolitique. Il espère toutefois que le monde mettra en œuvre des changements fondamentaux et des moyens concrets pour renverser la tendance avant qu'une pénurie physique de phosphore ne se fasse sentir.

Il suggère en outre que la recherche puisse, à l'avenir, assurer le suivi des données sur les réserves mondiales et le commerce du PR, et mener des analyses pays pour quantifier les apports de phosphore en vue de mettre en œuvre des mesures et des politiques efficaces, valoriser et réutiliser les déchets et promouvoir les techniques de sélection végétale pour une meilleure utilisation du phosphore disponible dans les sols.


 

L’épuisement du phosphore : une crise invisible ?

A.L. (Bert) Smit, Plant Research International, Wageningen UR, Pays-Bas

Introduction

Le phosphore (P) est l'un des principaux éléments nutritifs dont les plantes ont besoin pour convertir l'énergie solaire et le dioxyde de carbone en composés organiques nécessaires pour maintenir la vie sur terre. La faible concentration et solubilité de P dans la plupart des sols agricoles en fait un facteur limitant pour la croissance des plantes partout dans le monde. Par le passé, les écosystèmes agricoles s’adaptaient à la disponibilité faible en P en le recyclant autant que cela était possible à partir des flux de déchets organiques (détritus, déchets (urbains) et excréments humains) et du fumier d’origine animale. Ceci s’ajoutait à la collecte quotidienne du fumier produit par les animaux pâturant en dehors de la ferme. On observe encore communément ces pratiques dans de nombreuses régions du monde.

Depuis la seconde moitié du XIXe siècle, l'exploitation minière des gisements de phosphates naturels a induit d'importants changements écologiques et agricoles dans de nombreuses parties du monde (Howarth et al., 1995). La disponibilité de P à travers les engrais artificiels a réduit la nécessité de recycler les flux de déchets organiques, y compris le fumier, et a abouti à une spécialisation et une intensification croissantes. Duncan Brown (2003) affirme qu'un système à rétroaction négative (limité par le recyclage des nutriments provenant de sources organiques) a été remplacé par un système à rétroaction positive. Les engrais minéraux entraînent des rendements plus élevés et suppriment la dépendance vis-à-vis du fumier animal. Cette productivité et sécurité alimentaire plus élevée a contribué à une augmentation de la population mondiale, qui à son tour accroît la demande alimentaire : une spirale ascendante a été créée. L’engrais phosphaté et, dans une plus large mesure, l’engrais azoté ont permis à la production alimentaire de suivre le rythme de croissance continuelle de la population mondiale.

Dans de nombreuses régions du monde, l'agriculture s’intensifie et se spécialise (l’élevage et la production de cultures arables sont maintenant géographiquement séparés). Les rendements n’ont pas seulement augmenté, mais il est devenu possible de cultiver des terres qui seraient autrement restées marginales. Un effet secondaire négatif de l'utilisation des engrais minéraux et de la spécialisation des cultures est le manque d’efficacité dans l’utilisation du fumier traditionnel. Aujourd'hui, la production alimentaire et d’aliments pour animaux ne peut pas maintenir son niveau actuel sans recourir aux engrais minéraux. Bien que les engrais azotés aient donné une impulsion initiale à l’agriculture, ils ont eu un effet limité sur les terres ayant de faibles niveaux de P sans un complément en engrais phosphatés. Van Keulen et Breman (1990) le montrent clairement pour la région sahélienne de l’Afrique de l'Ouest.

Le cycle de P

Dans la période préindustrielle, les activités de production, de transformation et de consommation d'aliments humains et animaux ainsi que de fibres sont étroitement liées. Le P prélevé du sol par la production agricole était compensé par des inondations régulières ou des activités agricoles itinérantes, ou encore par le fumier du bétail des pâturages environnants. S’agissant du système de fertilisation présent, qui utilise un engrais minéral, tout se passe comme si le P n’était utilisé qu’une seule fois. En comparant la quantité de P « consommée » dans les aliments par la population mondiale avec la quantité annuelle de P utilisée comme engrais, on note qu’environ 20 % du P utilisé comme engrais se retrouve dans les aliments consommés (Cordell, 2010) : ce qui témoigne d’une faible efficacité. Les pertes expliquant ce faible résultat se produisent tout au long de la chaîne qui va de la mine à l'assiette : pertes minières, pertes par l'érosion des sols, pertes à tous les stades de la récolte. L'érosion représente sans doute la perte la plus importante. Bennet et al. (2001) estiment que 22 millions de tonnes (Mt) de P se retrouvent dans l'océan chaque année, comparé à 8 Mt à l'époque préindustrielle. D'autres estimations des pertes par l’érosion varient de 9 à plus de 22 Mt par an (Smil, 2000 ; Rockström et al., 2009). À l’échelle mondiale, 17 à 20 Mt d’engrais phosphaté sont consommées annuellement, chiffres qui soulignent l’importance des quantités de P qui finissent au fond des océans, et qui sont actuellement impossibles à récupérer.

À côté de ces pertes irrécupérables, l'accumulation de P dans les sols agricoles peut aussi expliquer la faible efficacité, depuis la mine jusqu’à l’assiette, mentionnée ci-dessus. D’un strict point de vue, l'accumulation (apports en P plus élevés que les prélèvements dus aux cultures) n'est pas une perte à long terme mais, étant donné la forte liaison du phosphore aux particules de sol, il n'est pas disponible pour être absorbé par les plantes à court terme.

L’accumulation de P résulte en général d’une forte concentration de l'élevage, lorsque la production de fumier est excédentaire par rapport à la superficie du sol arable environnant disponible. Mais cette accumulation se produit à différentes échelles spatiales : au niveau national, régional et local. Même au sein d'une ferme, les champs à proximité du centre de celle-ci ont une fertilité plus élevée par rapport aux champs éloignés en raison du coût de transport du fumier. L’accumulation de P se produit cependant pour de bonnes raisons, à savoir l’amélioration de la fertilité en P d'un champ, ou l’obtention d’un rendement économique maximal. Les caractéristiques particulières du phosphore dans le sol (immobile, insoluble et lié aux particules de sol) le rendent précieux pour atteindre une fertilité élevée dans le cadre d’une agriculture intensive. Ainsi, des quantités importantes de P sont nécessaires. Par conséquent, le P s’accumule dans le sol, même dans les champs des agriculteurs appliquant strictement les directives en matière de fertilisation.

Sachant que les ressources mondiales en phosphates sont limitées et que l‘on devra s’appuyer sur le recyclage quasi complet des sources organiques (y compris le fumier) pour la production alimentaire, l'accumulation locale devrait être évitée autant que cela est possible. Dans une telle situation, l'accumulation dans une région impliquerait un épuisement du sol dans une autre région.

Ainsi, bien que les pertes gazeuses de P soient négligeables, on peut difficilement parler de cycle nutritif pour cet élément. La réutilisation agricole de flux de déchets riches en P produits par la société (boues d'épuration et excréments humains) a diminué pour diverses raisons : urbanisation, installations d’assainissement « modernes », souci de la contamination par les métaux lourds et les produits pharmaceutiques,des barrières culturelles qui empêchent la réutilisation des excréments humains (Liu, 2005 ; Liu et al., 2008). Combien de temps pourrons-nous maintenir cette unique utilisation des engrais minéraux phosphatés ?

Durée de vie des gisements de phosphates

Le caractère limité des gisements rocheux d'où proviennent les engrais phosphatés a provoqué un large débat et est devenu un sujet de recherche international important au cours de ces dernières années (par exemple, Cordell et al., 2010). Smit et al. (2009) estiment, d’après des recherches publiées par l'USGS (United States Geological Survey) à l’époque, qu’au rythme de consommation actuel les réserves de phosphate économiquement extractibles (« la réserve ») seront épuisées d'ici 125 ans, tandis que d'autres réserves (actuellement économiquement non exploitables, dites « la réserve de base ») seront épuisées d'ici 340 ans. Si l’on tient compte de divers développements comme l’augmentation de la population mondiale (+ 50 % d’ici 2050), le changement des préférences alimentaires vers plus de viande, et l’augmentation de la production de biocarburants, ils estiment que tous les gisements (ceux publiés par l'USGS) seront épuisés en moins de deux siècles.

Récemment, sur la base d’une revue de la littérature par l'IFDC (International Fertilizer Development Center (van Kauwenbergh, 2010), l'USGS a considérablement augmenté son estimation des réserves de phosphates (de 15 à 65 milliards de tonnes en 2011) et ne fait plus la distinction entre réserves extractibles et réserve de base. Le rapport de l’IFDC conclut que le pic de production des phosphates n'aura pas lieu dans les 20-25 prochaines années et que le phosphate naturel sera encore disponible dans un avenir lointain. À partir des données examinées, le rythme d’extraction actuel ne sera pas un problème pour au moins 300 ans. Ceci est peut-être trop optimiste, surtout quand on envisage une croissance de la consommation d'engrais dans les prochaines décennies. Smit et al. (2009) ont estimé que l'utilisation actuelle de 19 Mt par an de P augmenterait d'au moins 3 Mt afin de compenser l'augmentation de la population mondiale vers 2020. De plus, si la population mondiale adoptait un régime alimentaire occidental, 10 Mt par an de plus seraient nécessaires, dans l’hypothèse d’une non-amélioration du taux actuel de 20 % de « l’efficacité des engrais jusqu’à l’alimentation » (Cordell, 2010).

Toutefois, le rapport de l’IFDC reconnaît également que « quelle que soit l'estimation des gisements, il s’agit d’une ressource non renouvelable, et des efforts supplémentaires doivent être fournis afin d’établir des estimations plus fiables sur la disponibilité de la roche phosphatée ». L’IFDC conclut qu'« il devrait y avoir un effort mondial pour extraire et transformer cette ressource d’une manière plus efficace et utiliser les déchets contenant du P et les engrais aussi efficacement que possible ». Pour plus d'informations, voir le commentaire sur le rapport de l'IFDC sur la plate-forme GPRI (Initiative mondiale de recherche sur le phosphore) :

http://phosphorusfutures.net/files/GPRI_Statement_responseIFDC_final.pdf

Outre la question du caractère limité des réserves, il est important de tenir compte des aspects géopolitiques. Plus de 85 % des réserves de phosphore se trouvent dans seulement cinq pays, la Chine, le Maroc et les États-Unis étant les plus importants.

Également pour des raisons géopolitiques, l'agriculture mondiale pourrait vouloir réduire sa dépendance à l’égard des engrais phosphatés. Pour réaliser ceci, des changements fondamentaux dans le domaine agricole sont nécessaires. Cependant, par rapport à une future pénurie des combustibles fossiles, une telle pénurie de P est encore minime, malgré les conséquences désastreuses possibles en matière de sécurité et de disponibilité alimentaires. Dans le tableau 1, une comparaison est faite entre une « crise énergétique » et une « crise du phosphore ».

Tableau 1 : Comparaison entre une « crise du phosphore » et une « crise énergétique ».
  P Énergie
Alternatives - ++
Conscience des conséquences - ++
Gouvernance des réserves - +
Gouvernance des aspects environnementaux + ++
Aspects géopolitiques +++ ++

Consommation et commerce

Le tableau 2 montre la quantité de P utilisée dans des engrais phosphatés dans différentes régions du monde. Au total, en 2005, les terres arables et cultures permanentes mondiales ont reçu 17,2 Mt d'engrais minéraux phosphatés. Cela représente un taux de 11 kg de P par hectare en moyenne, un taux relativement élevé si l’on considère qu’une récolte de blé de 3 000 kg contient déjà plus ou moins la même quantité de P. Cependant, les différences entre les continents sont surprenantes. La fertilisation en Afrique n'est que de 2 kg de P par hectare en moyenne, mais répartis inégalement : la plupart des pays sur ce continent ont une fertilisation de moins de 1 kg de P par hectare, alors que quelques pays, à savoir l'Afrique du Sud, l'Égypte et le Kenya, consomment beaucoup plus d'engrais phosphatés.

Tableau 2 : Utilisation d’engrais minéraux phosphatés par continent (statistiques de la FAO, 2005/20061)
  Superficie2
(Mha)

Application d’engrais

phosphatés (Mt par an)

Taux moyen (kg P/ha)
Afrique 239 0.4 2
Asie
577 10.0 17
Europe 296 1.8 6
Amérique du N. 229 2.5 11
Océanie 55 0.4 8
Monde 1562 17.2 11

1http://www.fao.org/ag/agl/fertistat/fst_fubc_en.asp

2 Superficie en cultures arables et permanentes

Il est intéressant de noter que le continent qui possède les plus grands gisements de phosphates mondiaux n'utilise guère d'engrais pour sa propre production alimentaire. Au contraire, les sols africains souffrent couramment d’un épuisement des sols en P (Smaling et al., 1993 ; Stoorvogel et al., 1993).

Le tableau 2 montre également que l'application d'engrais phosphatés en Europe est relativement faible, mais il faut ici prendre en compte le surplus de fumier chez ces pays ayant un secteur du bétail développé qui réduit le besoin d’engrais minéraux. Par contre, leur dépendance vis-à-vis des engrais minéraux est masquée par l’importation d’une alimentation animale riche en P. Toutefois, ces aliments ne pourraient être produits sans fertilisation phosphorique, par exemple la production de soja au Brésil se fait généralement sur des terres pauvres en P. Enfin, les gisements de phosphates sont inégalement répartis dans le monde, mais il en est de même pour l'accès aux engrais inorganiques. Pour diverses raisons, un grand nombre d'agriculteurs n'ont pas accès aux engrais. En Afrique, par exemple, le prix des engrais est inabordable pour la plupart d’entre eux : il dépasse largement le prix payé dans les pays ayant un excédent de P.

Conclusion

Sachant que le phosphore est une ressource essentielle et non renouvelable pour la production alimentaire mondiale, il convient de noter que l’utilisation et la gouvernance des réserves restantes de P sont loin d’avoir un caractère durable. Selon Cordell (2010), ce n'est pas seulement la rareté physique (futur) de P qui est importante, ce sont aussi le manque de gestion de P (se traduisant par une faible efficacité de la mine au produit final), une rareté économique (engrais non disponibles pour tous les agriculteurs), une rareté institutionnelle (manque de gouvernance au niveau international) et une rareté géopolitique (réserves contrôlées par un nombre limité de pays, dont certains sont sujets à de tensions politiques).

Le monde aura probablement le temps de réaliser des changements fondamentaux et d'inverser certaines tendances récentes avant qu’une pénurie physique de P devienne apparente.

Certains aspects semblent essentiels :

  • La prévention des pertes irrécupérables, comprenant l'érosion des sols, mais aussi les boues d'épuration, par exemple. Ces dernières sont incinérées dans plusieurs pays, mais leurs cendres, contenant du P, ne sont pas recyclées vers les sites agricoles.
  • En général, le flux en retour du milieu urbain vers le milieu rural est en diminution, une tendance stimulée par l'urbanisation et un assainissement accru (Liu et al., 2008.). Cependant, une réutilisation complète des excréments humains ne peut être la seule solution (une population mondiale de 9 milliards d'habitants en 2050 excréterait annuellement environ 5 Mt de P, alors que l'utilisation actuelle d'engrais à base de P est déjà de 17-20 Mt).
  • Des changements fondamentaux doivent venir du milieu agricole lui-même, une meilleure utilisation du fumier étant un élément clé. La concentration du bétail par rapport à la zone environnante de terres arables est importante, mais malheureusement, dans de nombreux endroits dans le monde, il est difficile d'intégrer l’élevage et l'agriculture à des degrés appropriés.
  • La population humaine est un facteur clé, au regard des chiffres globaux ainsi que des modèles de consommation humains. S’il n’y a aucune amélioration dans la « conversion » de l'engrais en produit alimentaire final, le changement en matière d’alimentation dans les pays en développement (vers plus de viande) va augmenter considérablement la demande pour les engrais minéraux, ce qui rendra tous les points précédents encore plus urgents.

 

Pour parvenir à une utilisation plus durable de P à l’échelle mondiale, les domaines de recherche devront inclure :

 

  • le suivi des données de référence pour les réserves de phosphate naturel et le commerce mondial ;
  • une analyse nationale des entrées et sorties de P afin d'identifier les mesures et les politiques les plus efficaces ;
  • la valorisation (agricole) et la réutilisation des déchets produits par la société, y compris les déchets humains, les boues d'épuration, les cendres d'incinération ;
  • l'amélioration des plantes au niveau de leurs racines, ce qui conduirait à une meilleure utilisation du P disponible dans le sol.

 

Enfin, les concepts de « durabilité » et de « capacité de charge de la planète » sont particulièrement significatifs par rapport à la limite des ressources en phosphate. À long terme, cela demandera des changements fondamentaux dans la manière dont notre nourriture est produite. Le monde aura probalement assez de temps pour accomplir cette transition vers le recyclage complet du P utilisé, mais une sensibilisation accrue sera nécessaire afin de mettre en œuvre les politiques et les mesures indispensables.

Références

Bennett, E.M., Carpenter, S.R. and Caraco, N.F. 2001. Human impact on erodable phosphorus and eutrophication: a global perspective. Bioscience 51: 227-234.
http://www.agci.org/dB/PDFs/09S2_EBennett_ErodablePhosphorus.pdf

Cordell, D. 2010. The Story of Phosphorus: Sustainability implications of global phosphorus scarcity for food security. Doctoral thesis. Collaborative PhD between the Institute for Sustainable Futures, University of Technology, Sydney (UTS) and Department of Water and Environmental Studies, Linköping University, Sweden. Linköping University Press, ISBN 978-91-7393-440-4,
http://liu.diva-portal.org/smash/record.jsf?pid=diva2:291760

Duncan Brown, A. 2003. Feed or feed back. Agriculture, Population Dynamics and the State of the Planet. International Books, Tuross Head, Australia; ISBN 905727048X.

Howarth, R.W., Jensen, H.S., Marino, R. and Postma, H. 1995. Transport to and processing of P in near-shore and oceanic waters. In: Tiessen, H. (Ed.). Phosphorus in the Global Environment. Scope 54, John Wiley and Sons Ltd, Chichester, UK, pp. 323-362.
http://www.icsu-scope.org/downloadpubs/scope54/19howarth.htm

Kauwenbergh, S.J. van 2010. World phosphate rock reserves and resources. IFDC Technical Bulletin No. 75. Muscle Shoals, Alabama, USA, 58 pp.

Keulen, H. van and Breman, H. 1990. Agricultural development in the West African Sahelian region: a cure against land hunger? Agriculture, Ecosystems & Environment 32: 177-197.

Liu, Y. 2005. Phosphorus flows in China: physical profiles and environmental regulations. PhD Thesis Environmental Policy Group, Dept. Soc. Sci., Wageningen University, Wageningen, The Netherlands.
http://edepot.wur.nl/121667

Liu, Y., Villalba, G., Ayres, R.U. and Schroder, H. 2008. Global phosphorus flows and environmental impacts from a consumption perspective. Journal of Industrial Ecology 12: 229-247.

Rockström, J., Steffen, W., Noone, K., Persson, A., Chapin, F.S. III, Lambin, E., Lenton, T.M., Scheffer, M., Folke, C., Schellnhuber, H.J., Nykvist, B., Wit, C.A. de, Hughes, T., Leeuw, S. van der, Rodhe, H., Sörlin, S. , Snyder, P.K., Costanza, R., Svedin, U., Falkenmark, M., Karlberg, L., Corell, R.W., Fabry, V.J., Hansen, J., Walker, B., Liverman, D., Richardson, K., Crutzen, P. and Foley, J. 2009. Planetary boundaries: exploring the safe operating space for humanity. Ecology and Society 14: Art. 32. http://www.ecologyandsociety.org/vol14/iss2/art32/

Smaling, E.M.A., Stoorvogel, J.J. and Windmeijer, P.N. 1993. Calculating soil nutrient balances in Africa at different scales - II. District scale. Fertilizer Research 35: 237-250.

Smil, V. 2000. Phosphorus in the environment: natural flows and human interferences. Annual Review of Energy and the Environment 25: 53-88.

Smit, A.L., Bindraban, P., Schröder, J.J., Conijn, J.G. and Meer, H.G. van der. 2009. Phosphorus in agriculture: global resources, trends and developments. Plant Research International, Wageningen, Netherlands (Report 282), 36 pp.
http://edepot.wur.nl/12571

Stoorvogel, J.J., Smaling, E.M.A. and Janssen, B.H. 1993. Calculating soil nutrient balances in Africa at different scales – I Supra-national scale. Fertilizer Research 35: 227-235.

Related documents:

14/06/2011

No Comments available.

Please log in to make your comment. In order to log in you may have to first register.