Structure et fonctionnement des agrosystèmes, vers une gestion durable

a) Un agrosystème est un écosystème aménagé et géré par l'humain dans le but de produire de la biomasse (ici du blé) qui est récoltée puis vendue. Comme tout écosystème, il associe un biotope (sol, climat) et une biocénose, mais celle-ci est simplifiée et contrôlée.

b) Intrants (apportés par l'agriculteur) : semences certifiées de blé, fumier de bovins, ammonitrate, gazole du tracteur (énergie fossile). Exportation : grains de blé vendus à la coopérative, qui quittent la parcelle. Autres êtres vivants de la biocénose : coquelicots (adventices, plantes sauvages concurrentes du blé), lombrics (faune du sol qui participe à la décomposition de la matière organique), pucerons (ravageurs).

c) Première différence, la biodiversité : la forêt compte de nombreuses espèces d'arbres, d'arbustes et d'herbacées réparties en strates, alors que le champ est dominé par une seule espèce cultivée, souvent une seule variété. Seconde différence, le devenir de la biomasse : en forêt, feuilles et bois morts restent sur place et sont recyclés par les décomposeurs (cycle presque fermé) ; dans le champ, les grains sont exportés (cycle ouvert), ce qui impose des apports d'engrais. Le champ est donc un écosystème simplifié, ouvert et piloté par l'humain.

a) Rendement = masse récoltée ÷ surface.
Parcelle irriguée : 41,6 ÷ 4 = 10,4 t/ha ; comme 1 t = 10 q, cela fait 104 q/ha.
Parcelle non irriguée : 24,9 ÷ 3 = 8,3 t/ha, soit 83 q/ha.

b) Écart : 10,4 − 8,3 = 2,1 t/ha. La référence est la parcelle non irriguée : 2,1 ÷ 8,3 × 100 ≈ 25,3 %. Le rendement irrigué dépasse le rendement non irrigué d'environ 25,3 %. Diviser par 10,4 (≈ 20,2 %) répondrait à une autre question : de combien le rendement non irrigué est inférieur au rendement irrigué.

c) L'eau d'irrigation est un intrant car elle est apportée par l'agriculteur, en plus des pluies, pour augmenter et régulariser la production : le maïs a de forts besoins en eau en été, et la parcelle non irriguée est limitée par la sécheresse. Inconvénient : l'eau est prélevée dans les nappes ou les rivières en été, au moment où leur niveau est le plus bas ; cela peut assécher des cours d'eau, nuire aux êtres vivants aquatiques et entrer en concurrence avec l'eau potable. Le pompage consomme en outre de l'énergie.

a) Gain de masse = 43 − 17 = 26 kg.

b) Efficacité de conversion = biomasse produite ÷ biomasse consommée × 100 = 26 ÷ 221 × 100 ≈ 11,8 %. Seuls 11,8 % de la masse d'aliments se retrouvent dans la masse gagnée par l'agneau.

c) Les 88,2 % restants ne sont pas stockés dans l'agneau : une partie des aliments n'est pas digérée et se retrouve dans les excréments ; une partie des produits de la digestion est éliminée dans l'urine ; une grande partie des nutriments absorbés est utilisée par la respiration cellulaire, qui fournit l'énergie nécessaire au maintien de la température du corps, aux mouvements et au fonctionnement des organes, énergie dissipée en chaleur. Chez ce ruminant, une petite part est aussi rejetée sous forme de méthane lors de la digestion.

d) Masse d'aliments pour 1 kg de gain : 221 ÷ 26 = 8,5 kg. Produire 1 kg d'agneau mobilise donc 8,5 kg de végétaux et la surface cultivée correspondante. Nuance : le foin n'est pas consommable par l'humain, ce qui rend la comparaison avec une alimentation végétale directe moins simple. Remarque de méthode : on compare ici des masses fraîches ; un calcul rigoureux utiliserait la matière sèche ou l'énergie contenue.

a) 7,1 t = 7 100 kg de grains par hectare. Azote exporté = 7 100 × 1,9 ÷ 100 = 134,9 kg N/ha.

b) Entrées : 125 + 42 = 167 kg N/ha. Sorties : 134,9 kg N/ha (seuls les grains quittent la parcelle). Bilan = entrées − sorties = 167 − 134,9 = +32,1 kg N/ha. Le bilan est excédentaire : environ 32 kg d'azote par hectare n'ont pas été emportés par la récolte. Sous forme de nitrates très solubles, cet azote risque d'être entraîné par les pluies d'automne et d'hiver vers la nappe et les rivières.

c) Sans lisier, les entrées se limitent à 125 kg N/ha. Bilan = 125 − 134,9 = −9,9 kg N/ha. Le bilan serait négatif d'environ 10 kg N/ha : la récolte prélèverait un peu plus d'azote qu'il n'en est apporté, et le sol s'appauvrirait légèrement. Une dose totale proche de 135 kg N/ha équilibrerait le bilan.

d) Les pailles broyées restent sur la parcelle : leur matière organique est décomposée par les êtres vivants du sol puis minéralisée, et l'azote qu'elles contiennent retourne au sol. Une exportation désigne seulement la biomasse qui quitte la parcelle : les pailles ne sont donc pas une sortie du bilan.

Limite : ce bilan est simplifié ; il ignore l'azote déjà présent dans le sol, la minéralisation de la matière organique du sol et les pertes gazeuses.

a) De mars à juillet, la concentration en nitrates diminue fortement (de 38 à 9 mg/L), la chlorophylle des algues augmente fortement (de 7 à 97 µg/L) et le dioxygène dissous près du fond chute (de 11,3 à 1,2 mg/L). Des poissons morts apparaissent en juillet.

b) Les engrais apportés en excès en fin d'hiver sont entraînés par le ruissellement et le drainage jusqu'à l'étang : l'eau s'enrichit en nitrates (et en phosphates). Avec la lumière et la chaleur du printemps, ces nutriments permettent une prolifération d'algues : la chlorophylle augmente tandis que les nitrates, absorbés par les algues, diminuent. Les algues finissent par mourir et tombent au fond, où des bactéries décomposeuses les dégradent en respirant : elles consomment le dioxygène de l'eau. En juillet, le dioxygène du fond est presque épuisé (1,2 mg/L) : les poissons meurent asphyxiés. C'est l'eutrophisation.

c) En juillet, la concentration en nitrates est la plus faible des trois mesures (9 mg/L) : ce n'est donc pas un excès de nitrates au moment de la mortalité qui l'explique. Le document montre que la mort des poissons coïncide avec le minimum de dioxygène. Les nitrates sont une cause indirecte : ils ont nourri les algues dont la décomposition a privé les poissons de dioxygène.

d) Par exemple : ajuster la dose d'engrais aux besoins des cultures grâce à un bilan (fertilisation raisonnée) ; implanter des bandes enherbées ou des haies entre les champs et l'étang pour freiner le ruissellement ; couvrir le sol entre deux cultures pour piéger les nitrates.

a) Blé : 7,6 t = 7 600 kg ; protéines = 7 600 × 11 ÷ 100 = 836 kg par hectare.
Viande bovine : 290 × 20 ÷ 100 = 58 kg de protéines par hectare.

b) 836 ÷ 58 ≈ 14,4. Un hectare de blé fournit donc environ 14 fois plus de protéines qu'un hectare consacré à la viande bovine.

c) Le blé est un producteur primaire : ses protéines sont consommées directement par l'humain. La viande ajoute un maillon à la chaîne alimentaire : le bovin mange des végétaux mais n'en transforme qu'une faible partie en biomasse, car la majorité de la matière ingérée est rejetée (excréments, urine, méthane) ou utilisée par la respiration cellulaire et dissipée en chaleur. De plus, seule une partie de l'animal (la carcasse) fournit de la viande. À chaque transfert entre maillons, une grande part de la matière et de l'énergie est perdue pour la production.

d) Premier argument : beaucoup de prairies occupent des terres impossibles à labourer (pentes, montagne, zones humides) où l'on ne pourrait pas cultiver de blé ; l'herbe, riche en cellulose que l'humain ne digère pas, y est transformée en aliments par les ruminants. Second argument : les prairies permanentes stockent du carbone dans le sol et abritent une biodiversité importante, et les déjections animales fournissent un engrais organique aux cultures.

a) La lutte biologique consiste à utiliser un être vivant (un auxiliaire : prédateur, parasitoïde…) pour limiter la population d'un ravageur. Ici, c'est la parcelle où l'on a lâché des trichogrammes : ces guêpes parasitent les œufs de la pyrale, qui ne donnent donc pas de chenilles.

b) La référence est la parcelle témoin (41 %).
Trichogrammes : (41 − 13) ÷ 41 × 100 ≈ 68,3 % de pieds attaqués en moins.
Insecticide : (41 − 8) ÷ 41 × 100 ≈ 80,5 % de pieds attaqués en moins.

c) L'insecticide est plus efficace contre la pyrale, mais il n'est pas sélectif : les coccinelles passent de 24 à 5 pour 100 pieds, soit environ 79 % de moins, alors qu'elles restent presque aussi nombreuses avec les trichogrammes (23). Or les coccinelles sont des auxiliaires qui mangent les pucerons : les détruire expose à des pullulations d'autres ravageurs. La lutte biologique évite aussi la contamination des eaux et des sols par l'insecticide, les risques pour l'agriculteur et la sélection de pyrales résistantes. Une efficacité un peu plus faible peut donc être acceptée en échange d'un agrosystème plus durable.

d) La parcelle témoin indique le niveau d'attaque sans traitement dans les mêmes conditions (même année, même climat, même variété). Sans elle, on ne pourrait pas savoir si une faible attaque est due au traitement ou simplement à une année peu favorable à la pyrale : elle permet d'attribuer l'effet observé au seul facteur testé.

1. Économie d'engrais : 190 − 150 = 40 kg N/ha, soit 40 ÷ 190 × 100 ≈ 21,1 % de la dose apportée après un blé. Gain de rendement : 7,4 − 6,9 = 0,5 t/ha, soit 0,5 ÷ 6,9 × 100 ≈ 7,2 %. Après un pois, le blé produit donc davantage tout en recevant moins d'engrais.

2. Les deux lots ne diffèrent que par la présence des bactéries. Sans azote minéral dans le milieu, le lot B, sans bactéries, reste chétif (0,9 g) et jaune : le jaunissement traduit un manque de chlorophylle, molécule qui contient de l'azote, donc une carence en azote. Le lot A, avec bactéries et nodosités, est vert et produit environ 5 fois plus de matière sèche (4,7 ÷ 0,9 ≈ 5,2). Les bactéries des nodosités permettent donc au pois de disposer d'azote en l'absence d'azote minéral dans le sol.

3. Le milieu ne contient pas d'azote minéral ; la seule source d'azote restante est le diazote (N₂) de l'air, qui constitue près des quatre cinquièmes de l'atmosphère et circule dans le sable. Les bactéries des nodosités fixent ce N₂ et le transforment en composés azotés utilisables par la plante, qui leur fournit en échange des sucres issus de la photosynthèse : c'est une symbiose. Après la récolte, les résidus de pois, riches en azote, sont décomposés et minéralisés en nitrates (document 3) : le blé suivant dispose de cet azote et nécessite moins d'engrais.

4. Le champignon du piétin-échaudage se conserve sur les résidus des céréales (document 3). Après un blé, il est présent et attaque les racines du nouveau blé ; après un pois, qui n'est pas une céréale, il n'a pas trouvé d'hôte l'année précédente et se raréfie. La rotation rompt le cycle de la maladie, ce qui peut expliquer le meilleur rendement ; l'azote libéré progressivement par les résidus peut aussi y contribuer.

5. Introduire une légumineuse dans la rotation diminue les apports d'engrais azotés de synthèse, dont la fabrication consomme beaucoup d'énergie fossile et dont l'excès pollue les eaux par les nitrates et émet du N₂O. Elle limite aussi certaines maladies sans traitement chimique, tout en maintenant, voire en améliorant, le rendement. C'est une pratique typique d'une gestion durable des agrosystèmes, qui s'appuie sur un processus biologique (la symbiose fixatrice d'azote) plutôt que sur des intrants.

1. Référence : sol nu. Réduction = (52 − 14) ÷ 52 × 100 ≈ 73,1 %. La moutarde diminue d'environ trois quarts la quantité d'azote lessivé.

2. Le lessivage exige deux conditions : des nitrates dans le sol et de l'eau qui le traverse. En automne et en hiver, les pluies dépassent l'évaporation et la transpiration, faibles à cette saison : l'eau en excès percole vers la nappe. Au même moment, le sol nu contient les nitrates restés après la récolte, auxquels s'ajoutent ceux libérés par la décomposition des résidus. Aucune plante ne les absorbe : très solubles, ils sont entraînés par l'eau de drainage.

3. La moutarde, semée juste après la récolte, pousse pendant l'automne : ses racines absorbent les nitrates du sol, et l'azote est stocké dans sa biomasse sous forme organique, qui n'est pas lessivable. Elle transpire aussi une partie de l'eau. Elle « piège » donc les nitrates pendant la période à risque ; en couvrant le sol, elle le protège en outre de l'impact des pluies.

4. Azote libéré par la moutarde enfouie : 45 × 60 ÷ 100 = 27 kg N/ha. Cet azote redevient disponible sous forme minérale pour la culture de printemps suivante : l'agriculteur peut diminuer sa dose d'engrais d'environ 27 kg N/ha. L'azote piégé en hiver n'est pas perdu : il est recyclé.

5. La limite de potabilité est de 50 mg/L de nitrates. Sous sol nu, l'eau drainée (78 mg/L) la dépasse nettement ; sous moutarde (23 mg/L), elle reste largement en dessous. La CIPAN protège donc la qualité des nappes utilisées pour l'eau potable, tout en économisant de l'engrais : c'est une pratique de gestion durable. Limite : elle demande un semis supplémentaire (coût, temps de travail) et sa levée dépend des pluies de fin d'été.

1. Conventionnel : 113 ÷ 17,5 ≈ 6,5. Biologique : 62 ÷ 6,1 ≈ 10,2. Le système conventionnel récolte 6,5 fois l'énergie fossile investie, le système biologique environ 10 fois : le bio est plus efficace par unité d'énergie fossile.

2. Part des engrais azotés : 9,8 ÷ 17,5 × 100 = 56 %. Plus de la moitié de l'énergie fossile du blé conventionnel sert à fabriquer ses engrais azotés : leur synthèse industrielle transforme le diazote de l'air en ammoniac à partir de gaz naturel, à haute température et sous haute pression, ce qui consomme beaucoup d'énergie. Le système biologique n'utilise pas ces engrais : il s'appuie sur la fixation de l'azote par les légumineuses et sur les engrais organiques.

3. Surface = 7,8 ÷ 4,3 ≈ 1,81 ha. Il faut environ 1,8 ha en bio pour récolter autant qu'un hectare conventionnel, soit environ 81 % de surface en plus.

4. Conventionnel : surface = 100 ÷ 7,8 ≈ 12,82 ha ; énergie fossile = 12,82 × 17,5 ≈ 224 GJ.
Biologique : surface = 100 ÷ 4,3 ≈ 23,26 ha ; énergie fossile = 23,26 × 6,1 ≈ 142 GJ.
Comme 142 GJ < 224 GJ, le système biologique consomme moins d'énergie fossile pour la même production, malgré une surface presque deux fois plus grande.

5. L'affirmation est trop générale. Arguments pour : moins d'énergie fossile par hectare et par tonne produite, pas d'engrais ni de pesticides de synthèse, donc moins de risques de pollution des eaux et d'atteinte aux auxiliaires. Arguments contre : le rendement est inférieur de près de moitié ; produire la même quantité demande 1,8 fois plus de surface, ce qui, généralisé, pourrait réduire les espaces naturels ou forestiers ; des engrais organiques mal gérés peuvent aussi provoquer des pertes de nitrates. Conclusion : la durabilité se juge sur plusieurs critères (énergie, surface, pollution, revenu de l'agriculteur) ; aucun système n'est durable « en tout point », et l'on peut combiner des pratiques (agroécologie, rotations avec légumineuses) tout en réduisant le gaspillage alimentaire.