Agrosystèmes et développement durable
Cours complet · SVT (seconde), chapitre 9 · seconde générale, sciences de la vie et de la Terre
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9.1 Qu'est-ce qu'un agrosystème ?
Un champ de blé, un verger, une prairie pâturée par des vaches, un élevage de poulets : tous ces milieux ressemblent, à première vue, à des écosystèmes naturels. Ils réunissent en effet des êtres vivants (plantes cultivées, animaux d'élevage, mais aussi insectes, micro-organismes du sol) en interaction avec un milieu physique (sol, eau, climat). Pourtant, ils s'en distinguent par un point essentiel : ils sont façonnés par l'être humain dans un but précis, celui de produire.
Un agrosystème (ou agroécosystème) est un écosystème transformé et géré par l'être humain en vue d'une production agricole (culture de végétaux ou élevage d'animaux). Comme tout écosystème, il comprend une communauté d'êtres vivants en relation avec leur milieu, mais son fonctionnement est piloté par les pratiques agricoles (labour, semis, irrigation, fertilisation, traitements, récolte...).
Propriété : Un écosystème modifié dans son fonctionnement
À la différence d'un écosystème naturel, où la matière organique produite (feuilles mortes, cadavres, déjections) reste globalement sur place et est recyclée par les décomposeurs, un agrosystème est ouvert : une grande partie de la biomasse produite est exportée hors du système lors de la récolte (grains, fruits, bois, lait, viande...). Cette exportation appauvrit le milieu en matière et en éléments minéraux, et doit être compensée par l'apport d'intrants pour que la production puisse se poursuivre d'une année sur l'autre.
Dans une prairie naturelle non exploitée, les herbes qui poussent finissent, à leur mort, par retourner au sol et y être décomposées : les éléments minéraux qu'elles contenaient (azote, phosphore...) sont ainsi recyclés sur place. Dans un champ de blé, au contraire, les épis sont récoltés et emportés loin du champ (vers un silo, puis un moulin) : les éléments minéraux qu'ils contenaient quittent définitivement la parcelle. Sans apport d'engrais, le sol s'appauvrirait donc d'année en année.
Le schéma ci-dessous résume les principaux flux de matière et d'énergie qui caractérisent un agrosystème.
Contrairement à un cycle naturel refermé sur lui-même, l'agrosystème fonctionne donc comme un système ouvert : il reçoit en permanence des intrants et exporte de la matière, ce qui a un coût économique et environnemental. La figure fig:cycle-ferme-ouvert met en regard ce fonctionnement ouvert avec le cycle fermé d'un écosystème naturel.
9.2 Production primaire et production secondaire
Au sein d'un agrosystème, on distingue deux grands types de production, selon que les organismes fabriquent eux-mêmes leur matière organique ou qu'ils la prélèvent chez d'autres êtres vivants.
La production primaire d'un agrosystème est la biomasse végétale produite par photosynthèse, à partir de matière minérale (CO, eau, ions du sol) et d'énergie lumineuse. C'est le cas des céréales, des légumes, des fruits, ou encore de l'herbe d'une prairie.
La production secondaire d'un agrosystème est la biomasse animale produite par des organismes hétérotrophes (animaux d'élevage) qui consomment de la matière organique déjà formée, le plus souvent des végétaux (herbe, céréales, tourteaux). C'est le cas de la viande, du lait, des œufs, produits par les bovins, les volailles, les porcins...
Un champ de blé illustre la production primaire : l'énergie solaire est convertie directement en matière organique (les grains) par les plants de blé. Un élevage bovin illustre la production secondaire : les vaches ne captent pas l'énergie solaire, elles consomment l'herbe ou les céréales (production primaire d'un autre agrosystème) pour fabriquer leur propre biomasse (muscle, lait).
9.3 Le rendement des chaînes alimentaires
La production secondaire n'est jamais gratuite : produire de la viande suppose d'abord de produire des végétaux pour nourrir les animaux. À chaque étape de la chaîne alimentaire, une partie importante de l'énergie disponible est perdue, ce qui a des conséquences directes sur l'efficacité des différents types de production agricole.
Propriété : Perte d'énergie à chaque niveau trophique
Lorsqu'un organisme (par exemple un animal d'élevage) consomme de la matière organique, seule une petite fraction de l'énergie ingérée est réellement convertie en nouvelle biomasse (croissance, muscle). Le reste est :
- rejeté sous forme de déchets non digérés (fèces) ;
- utilisé par la respiration cellulaire pour produire l'énergie nécessaire au fonctionnement de l'organisme (mouvement, maintien de la température corporelle...), et finalement dissipé sous forme de chaleur.
Par conséquent, à chaque passage d'un niveau trophique au suivant (végétal herbivore carnivore), la quantité d'énergie disponible diminue fortement, typiquement d'un facteur de l'ordre de 10.
Méthode : Comparer l'efficacité de deux régimes alimentaires
Pour estimer combien de biomasse végétale est nécessaire pour produire une certaine quantité de biomasse animale, on peut calculer un indice de conversion, défini par :
- Relever dans un document la masse de céréales (ou d'herbe) consommée par un animal d'élevage sur une période donnée, et la masse de viande (ou de lait) produite sur la même période.
- Calculer le rapport ci-dessus.
- Interpréter : plus l'indice est élevé, plus la production est « coûteuse » en biomasse végétale, donc en surface agricole et en ressources.
Selon les filières, il faut de l'ordre de de céréales pour produire de viande bovine, contre environ pour de viande de volaille — ces valeurs, très variables selon les élevages, restent des ordres de grandeur.
Propriété : Se nourrir directement de végétaux : un choix plus efficace
Puisqu'une grande partie de l'énergie se perd lors du passage par un niveau trophique animal, une même surface agricole cultivée en céréales destinées à l'alimentation humaine directe permet de nourrir beaucoup plus de personnes que si ces céréales servaient d'abord à nourrir du bétail. C'est un argument central dans les réflexions sur la sécurité alimentaire mondiale et la réduction de l'empreinte environnementale de l'alimentation.
9.4 Les intrants et leurs impacts environnementaux
Pour compenser les exportations de matière et maximiser la production, l'agriculture moderne a recours à des intrants, dont l'usage n'est pas sans conséquences sur l'environnement.
Un intrant est toute ressource apportée de l'extérieur à un agrosystème pour en soutenir ou en augmenter la production : engrais (azotés, phosphatés, potassiques), eau d'irrigation, produits phytosanitaires (pesticides, herbicides, fongicides) et énergie (carburant des engins, électricité).
Les plantes ont besoin d'azote et de phosphore pour fabriquer leurs protéines et leurs acides nucléiques. Les engrais azotés apportent des ions nitrate ou ammonium , directement assimilables par les racines ; les engrais phosphatés apportent des ions phosphate . Un champ de blé intensif peut recevoir de l'ordre de d'azote par an, contre un apport quasi nul dans un écosystème naturel non fertilisé.
Propriété : Impacts environnementaux des intrants
L'usage massif d'intrants a des conséquences négatives sur les écosystèmes environnants :
- les engrais non absorbés par les plantes sont lessivés par les pluies et rejoignent les cours d'eau et les nappes phréatiques : l'excès d'azote et de phosphore y provoque une eutrophisation (prolifération d'algues qui, en se décomposant, appauvrissent l'eau en dioxygène) ;
- les pesticides, en éliminant des espèces non ciblées (insectes pollinisateurs, auxiliaires des cultures), contribuent à la perte de biodiversité ;
- l'irrigation intensive peut épuiser localement les ressources en eau douce ;
- le travail répété du sol (labour) et la mise à nu des parcelles favorisent l'érosion et l'appauvrissement des sols (perte de matière organique et de structure) ;
- la fabrication et l'utilisation des engrais azotés, ainsi que le fonctionnement des engins agricoles, sont à l'origine d'émissions de gaz à effet de serre (CO, NO).
Méthode : Interpréter un phénomène d'eutrophisation
On dispose de mesures de la concentration en nitrates et de la concentration en dioxygène dissous d'une rivière, en amont et en aval d'une zone de grandes cultures.
- Comparer les concentrations en nitrates en amont et en aval de la zone cultivée.
- Comparer de même les concentrations en dioxygène dissous.
- Interpréter : un enrichissement en nitrates en aval, associé à une baisse du dioxygène dissous, traduit une eutrophisation : les nitrates favorisent la prolifération d'algues, dont la décomposition par les micro-organismes du milieu consomme le dioxygène de l'eau, ce qui peut asphyxier la faune aquatique.
9.5 Vers une gestion durable des agrosystèmes
Face à ces impacts, de nombreuses pratiques agricoles visent aujourd'hui à concilier production suffisante et préservation des milieux : c'est l'objectif du développement durable appliqué à l'agriculture.
L'agroécologie est un ensemble de pratiques agricoles qui s'appuient sur le fonctionnement des écosystèmes naturels (cycles de la matière, régulations biologiques) pour réduire la dépendance aux intrants chimiques, tout en maintenant une production suffisante.
- La rotation des cultures (alterner céréales et légumineuses, par exemple) limite l'épuisement du sol en un même élément minéral et réduit naturellement les populations de ravageurs spécifiques d'une culture.
- La lutte biologique consiste à utiliser des prédateurs ou parasites naturels d'un ravageur (par exemple des coccinelles contre les pucerons) plutôt que des pesticides de synthèse.
- L'agriculture de précision (capteurs, irrigation localisée) permet d'ajuster les apports d'eau et d'engrais aux besoins réels de la plante, réduisant le gaspillage et le lessivage.
- Le maintien de haies et de bandes enherbées autour des parcelles favorise la biodiversité auxiliaire et limite l'érosion et le ruissellement des intrants.
Propriété : Un compromis entre production et préservation
Une gestion durable des agrosystèmes ne cherche pas à supprimer toute intervention humaine — un agrosystème reste par définition un écosystème géré pour produire — mais à réduire les intrants et leurs impacts tout en conservant un niveau de production suffisant pour répondre aux besoins alimentaires. Cet équilibre suppose souvent des choix techniques (variétés plus résistantes, associations de cultures) et des changements dans les habitudes de consommation, en particulier une réduction de la part de production secondaire (viande) au profit de la production primaire (végétaux) dans l'alimentation.
Méthode : Comparer deux systèmes de culture
On dispose de données (rendement, quantité d'intrants utilisés, biodiversité observée) pour une parcelle conduite en agriculture conventionnelle et une parcelle voisine conduite en agroécologie.
- Comparer les rendements (masse de récolte par hectare) des deux parcelles.
- Comparer les quantités d'intrants (engrais, pesticides) utilisées sur chacune.
- Comparer un indicateur de biodiversité (nombre d'espèces d'insectes observées, par exemple).
- Conclure en discutant le compromis entre le rendement obtenu et l'impact environnemental de chaque système.
9.6 Ce qu'il faut retenir
- Un agrosystème est un écosystème géré par l'être humain pour produire ; à la différence d'un écosystème naturel, il exporte une grande partie de sa biomasse (récolte), ce qui doit être compensé par des intrants.
- La production primaire (végétaux, par photosynthèse) et la production secondaire (animaux d'élevage, hétérotrophes) sont les deux grands types de production agricole.
- À chaque niveau trophique, une grande partie de l'énergie est perdue (chaleur, déchets) : la production animale a donc un rendement beaucoup plus faible que la production végétale directe.
- Les principaux intrants sont les engrais, l'eau d'irrigation, les pesticides et l'énergie ; leur usage excessif entraîne pollution des eaux, eutrophisation, perte de biodiversité et émissions de gaz à effet de serre.
- L'agroécologie (rotation des cultures, lutte biologique, agriculture de précision...) vise une gestion plus durable des agrosystèmes, en réduisant les intrants tout en maintenant une production suffisante.