OBJECTIF

       TP1. Modélisation d'une culture de blé
I. Fonctionnement d'un écosystème naturel
• A. Un exemple d'écosystème naturel
• B. Relations alimentaires dans un écosystème naturel
• C. Les plantes vertes sont à la base du fonctionnement des écosystèmes continentaux
• D. Circulation de matière et d'énergie dans un écosystème naturel
• L'essentiel

II. Les flux de matière et d’énergie conditionnent la productivité d'un agrosystème
• A. L’agriculture repose sur la constitution d’agrosystèmes
• B. Les intrants permettent d'améliorer le rendement agricole
• C. Un agrosystème a un coût énergétique
• D. Circulation de matière et d'énergie dans un agrosystème
• E. La production animale : une rentabilité énergétique réduite
• L'essentiel

       TP 2. Conséquences environnementales de l'utilisation d'intrants
III. L'utilisation des intrants a des conséquences environnementales
• A. Un exemple de pollution liée aux nitrates
• B. Un exemple de pollution liée à un insecticide
• C. Concilier production alimentaire et gestion de l'environnement
• L'essentiel

BILAN

OBJECTIF
● L'agriculture fournit des produits nécessaires à l'humanité, en premier lieu, les aliments.

● On cherche à préciser la conception, l’organisation et le fonctionnement d’une culture et d'un élevage de manière à dégager leur impact écologique et les principes conduisant à une pratique raisonnée pour garantir une productivité optimale.

La forêt landaise à Biscarosse
Avec une superficie de près d'un million d'hectares le massif forestier des Landes de Gascogne est le plus grand d'Europe. Bien que sa plus grande partie soit plantée, il fonctionne comme un écosystème naturel.
On appelle biotope un milieu, délimité dans l'espace et dans le temps, présentant des conditions de vie stables et homogènes définies par un ensemble de paramètres physico-chimiques : altitude, exposition, topographie, température, précipitations, nature du sol et du sous-sol, etc. On appelle biocénose l'ensemble des êtres vivants capables d'occuper un même biotope et écosystème l'ensemble formé par un biotope et une biocénose.
Sources : documents.irevues.inist.fr

biotope + biocénose = écosystème

Réseau trophique dans une forêt tempérée de feuillus (très simplifié)
Dans un écosystème naturel, les organismes de la biocénose dépendent les uns des autres sur le plan alimentaire. Ainsi, s'organisent des chaînes alimentaires dont la superposition constitue un réseau trophique (voir cours de seconde chapitre 2.1). Le premier maillon d'une chaîne alimentaire est toujours un organisme chlorophyllien.
Image : lamaisondalzaz.files.wordpress.com

Les plantes vertes permettent l'entrée de matière et d'énergie dans les écosystèmes
Grâce à la photosynthèse, les plantes vertes convertissent environ 1% de l’énergie lumineuse incidente en énergie chimique en produisant des molécules organiques (glucose) à partir de matière minérale uniquement (dioxyde de carbone et eau). Le glucose issu de la photosynthèse sert alors de squelette carboné pour la production d'autres molécules organiques (lipides, protides et acides nucléiques) grâce à l'absorption d'ions minéraux prélevés dans le sol. Les plantes vertes ne dépendent donc pas d'autres organismes pour se nourrir, ce sont des producteurs primaires de matière organique (autotrophes)..

Productivité primaire de divers écosystèmes
La productivité primaire est la biomasse produite par les végétaux verts d'un écosystème par unités de surface et de temps (elle est exprimée par exemple en g de carbone par m² et par an). Elle varie beaucoup selon les écosystèmes.
On appelle productivité primaire brute (PPB) la quantité de matière organique produite par photosynthèse. Or, en respirant, les plantes consomment 90% de la matière organique qu'elles produisent. On mesure en fait la productivité primaire nette (PPN), c'est à dire la PPB diminuée de la matière organique utilisée par la respiration des plantes. La PPN représente donc environ 0,1 % de l'énergie solaire incidente.
Image : Campbell, De Boeck 1995, p. 1137

Pyramide des productivités
La productivité du niveau n+1 ne représente en moyenne que 10% de la productivité du niveau n (selon les cas elle varie entre 1 et 20%).
Rendement énergétique (ou efficacité énergétique) = productivité nette/matière ingérée X 100
Image : SVT 1S, Bordas p. 191 fig. 3

Décomposition des végétaux morts dans un sous bois
Les décomposeurs sont des organismes du sol (microfaune, bactéries, champignons) qui transforment entièrement la matière organique non assimilée et celle des organismes morts en matière minérale à nouveau disponible pour les producteurs primaires.
Image : www.smhv.net

Cycle de matière et flux d'énergie dans un écosystème naturel
Dans un écosystème naturel on observe :
- un cycle de la matière, qui passe alternativement de la forme organique à la forme minérale ;
- un flux d'énergie, avec une énergie entrante (la lumière solaire) et une énergie sortante (dépenses des organismes et chaleur).

Remarque

• Le dioxyde de carbone et l'eau appartiennent à des circuits ouverts (atmosphère et hydrosphère), communs à tous les écosystèmes.
• Dans des conditions naturelles, les entrées et sorties d'ions minéraux d'un écosystème sont négligeables. Les ions minéraux sont échangés en circuit fermé.

● Un écosystème naturel est constitué d’un milieu de vie ou biotope peuplé d'un ensemble d'êtres vivants ou biocénose.

biotope + biocénose = écosystème

● Dans les écosystèmes continentaux, la photosynthèse de matière organique par les plantes vertes permet l'entrée de matière et d'énergie dans les réseaux trophiques. On appelle productivité primaire la biomasse produite par les végétaux verts par unité de surface et de temps.

● La biomasse végétale est consommée par les herbivores, eux-mêmes consommés par les carnivores, etc. D'un niveau trophique au suivant, la plus grande partie de la matière organique est perdue soit parce qu'elle n'est pas consommée, soit parce qu'elle n'est pas assimilée soit surtout parce qu'elle sert de substrat respiratoire.

● Les décomposeurs assurent la minéralisation de la matière organique des organismes morts.

Cycle de matière et flux d'énergie dans un écosystème naturel

● Dans un écosystème naturel on observe un flux d'énergie, avec une entrée d'énergie solaire lors de la photosynthèse et une sortie d'énergie par respiration et pertes de chaleur à chaque niveau trophique, et un cycle de la matière car les ions minéraux sont en permanence recyclés. Dans un écosystème naturel, la circulation de matière et d’énergie peut être décrite par la notion de pyramide de productivité.

Pyramide des productivités

Les vignes du château Margaux dans le Médoc
Un agrosystème est un écosystème, construit ou modifié par l'Homme, afin de privilégier le développement d'une seule plante. Il est monospécifique même si d'autres espèces peuvent y vivre en interaction avec la plante cultivée. Il est destiné à fournir des produits nécessaires à l'humanité : aliments humains, aliments des animaux d'élevage, matières premières (coton, bois...) ou à des fins énergétiques (biocarburants).
Image : www.fotopedia.com

Récolte du blé
En France, un hectare de blé produit chaque année environ 7 tonnes de grain (moyenne mondiale 2 t/an) et 60 tonnes de paille.
Image : musee.moisson.free.fr

Rendements céréaliers en France depuis 1862
Alors que les rendements céréaliers avaient peu progressé entre 1850 et 1950 on observe une forte croissance dans la deuxième partie du XXe siècle. Cela a été permis par le développement de la sélection des variétés cultivées ainsi que par l'utlisation d'engrais et de produits phytosanitaires (= pesticides).
Image : agreste.agriculture.gouv.fr

On appelle intrants agricoles les produits apportés aux cultures : les engrais, les produits phytosanitaires, les amendements (éléments améliorant les propriétés physiques et chimiques du sol, tels que le sable, la tourbe, la chaux...), les activateurs ou retardateurs de croissance, les semences (et plants).
Par extension on peut y rajouter tout ce que l'exploitation agricole doit acheter : le carburant, les aliments pour animaux non produits dans la ferme, l'eau, le matériel agricole, les frais vétérinaires, etc.

Épandage d'engrais (ici un engrais organique, du fumier)
Dans un agrosystème une partie importante de la production primaire constitue la récolte qui est exportée. La matière organique correspondante ne pourra donc pas être recyclée ce qui entraîne une perte d'ions minéraux. Pour éviter l'épuisement des sols on procède à des apports compensateurs d’engrais. Plus l'agriculture est intensive, plus le récoltes sont importantes, plus l'exportation d'ions est importante, plus le besoin d'engrais est important.
Image : forum.grostracteurspassion.com

Les trois éléments de base d'un engrais sont l'azote (N sous forme d'ion nitrate NO₃^-), qui contribue au développement de toutes les parties aériennes de la plante. Le phosphore (P) renforce la résistance des plantes et contribue au développement des racines. Le potassium (K) contribue à favoriser la floraison et au développement des fruits. Selon la nature de la plante cultivée les proportions de ces 3 éléments sont variables.
En outre, un engrais apporte parfois en complément des éléments secondaires (calcium (Ca), soufre (S), magnésium (Mg)) et des oligo-éléments (fer (Fe), manganèse (Mn), molybdène (Mo), cuivre (Cu) ...). Cet apport complémentaire n'est pas toujours nécessaire car le sol est généralement assez riche. De plus, bien qu'indispensables à faible dose, les éléments secondaires et les oligo-éléments sont rapidement toxiques pour la plante.
On distingue les engrais organiques d'origine animale (fumiers) ou végétale (engrais verts), et les engrais minéraux, produits par l'industrie chimique ou provenant de l'exploitation de gisements naturels (de phosphates ou de potasse).
Les engrais organiques permettent en outre de renouveler le complexe argilo-humique du sol.

Traitement de la vigne
On distingue principalement trois catégories de produits phytosanitatires (= phytopharmaceutiques = pesticides) parmi lesquelles :
- les herbicides pour empêcher le développement des plantes qui concurrencent la plante cultivée (adventices) ;
- les insecticides pour empêcher le développement des insectes qui se nourrissent de la plante cultivée (ravageurs de culture) ;
- les fongicides pour empêcher le développement des champignons provoquant des maladies de la plante cultivée.
Image : lachapiniere.blogspot.com

Arrosage du maïs (rampe frontale)
L'eau intervient de trois manières dans le développement d'une plante. Par ordre d'importance quantitative croissante :
- c'est un produit entrant de la photosynthèse ;
- elle est accumulée dans les cellules (60 à 90% de la biomasse) ;
- le flux d'eau permanent qui traverse la plante des racines (absorption) aux feuilles (évapotranspiration) permet l'absorption des ions minéraux dissous dans l'eau.
Image : fr.academic.ru

Productivité agricole et rendement énergétique
Bien que la productivité soit plus importante dans une culture irriguée (9 t/ha) que dans une culture pluviale (6 t/ha, soit + 50%), le rendement énergétique est inférieur (1,83 contre 2,36 soit - 23%). La recherche de la productivité a un coût énergétique et donc un coût financier.
D’après SVT 1 e S, Nathan 2011, p. 241

Flux de matière et d'énergie dans un agrosystème de production végétale
Dans un agrosystème l'exportation de la récolte constitue un flux sortant de matière qui doit être compensé par un flux entrant représenté par les engrais. Les autres intrants agricoles participent à l'augmentation de la production primaire et donc à l'amélioration des rendements.
On appelle lixiviation l'entraînement par l'eau d'éléments solubles non retenus par le complexe argilo-humique du sol (nitrates, phosphates, pesticides...). Voir cours de seconde : chapitre 2.4. Le terme de "lessivage" désigne quant à lui l'entraînement de particules solides.

Alimentation des vaches
Les vaches sont des herbivores, leur alimentation est composée principalement de matières végétales riche en fibres (fourrage, céréales,…), mais également de concentré riche en énergie (granulés, farines,…) des minéraux et des vitamines. Chacune mange environ chaque jour 70 kilos de végétaux et boit environ 80 litres d'eau.
Image : www.publicdomainpictures.net

Rendement énergétique de l'alimentation carnée
Pour produire 1 kg de de viande de bœuf il faut 3 kg de céréales pour l'alimentation de l'animal qui nécessitent 40 000 litres d'eau pour leur culture.
1 kilogramme de céréales contient en moyenne 3 000 kcal alors qu'un kg de viande boeuf en contient la moitié. On obtiendra donc pour chaque kilogramme de céréales utilisé pour l’alimentation du bétail 500 kilocalories pour la consommation humaine, soit le tiers d'une ration journalière.

Comparaison de deux pyramides de productivité
Situation théorique d'adolescents dont la masse augmente de 5 kg en un an en se nourrissant soit uniquement d'aliments à base de blé (pain, semoule, pâtes...) soit uniquement de veau. Remarquer que cette situation artificielle ne respecte aucun équilibre alimentaire.
Image (modifiée) : SVT 1eS, Belin 2011 p. 170

Bilans de matière et d'énergie pour différents types d'élevages
Toutes les viandes ne présentent pas le même bilan en termes de matière et d'énergie. Pour produire 1 MJ sous forme de viande de volaille 0,3 kg de céréales suffisent (2/6,5) alors qu'il en faut plus de 0,5 kg (8/15,2) pour produire 1 MJ sous forme de viande bovine. Le constat est encore plus flagrant en ce qui concerne le volume d'eau nécessaire.

● L'agriculture repose sur la constitution d' agrosystèmes, construits ou modifiés par l'Homme afin de privilégier le développement d'une seule plante (monospécifique). Cela permet de fournir des produits nécessaires à l'humanité : aliments humains, aliments des animaux d'élevage, matières premières (coton, bois...) ou agrocarburants. On appelle intrants agricoles les produits apportés aux cultures. Ce sont notamment les semences, les engrais, qui compensent les pertes d'ions minéraux du sol, et les produits phytosanitaires, qui protègent les plantes. Par extension on peut y rajouter tout ce que l'agriculteur doit se procurer comme le carburant, l'eau d'irrigation, le matériel agricole etc..

Flux de matière et d'énergie dans un agrosystème de production végétale

● Dans un agrosystème la matière n'est pas recyclée. L'exportation de la récolte constitue un flux sortant de matière d'autant plus important que la productivité primaire est importante. Il doit être compensé par un flux entrant d'eau et d'ions minéraux. Le flux de matière vient s'ajouter au flux d'énergie qui est lui même augmenté par l'activité agricole (carburants et coût énergétique des intrants).

Flux de matière et d'énergie dans un agrosystème de production animale

● Dans un agrosystème, le rendement global de la production par rapport aux consommations (énergie, matière) dépend de la place du produit exporté dans la pyramide de productivité. Ainsi, consommer de la viande (consommation secondaire) a un coût énergétique beaucoup plus élevé que de consommer un produit végétal (consommation primaire).

Rétension des nitrates dans le sol
Chargés négativement, les ions nitrates (NO₃^-) et les ions phosphates (PO₄^3-)sont très mal retenus par le complexe argilo-humique du sol (voir cours de seconde : chapitre 2.4) mais sont très solubles dans l’eau.
Image : SVT 1eS, Bordas 2011 p. 194 d'après le logiciel Stics

Concentration de nitrates dans les cours d'eau de Bretagne (année 2011)
Les ions nitrates et les ions phosphates sont entraînés par l'eau (lixiviation) vers les nappes d'eau souterraines et les cours d'eau. La concentration moyenne en nitrates dans les cours d’eau bretons est de 37,2 mg/L pour l’année hydrologique 2010-2011. Certains secteurs sont particulièrement sensibles comme le côtier nord Finistère, le côtier du Jaudy-Guindy-Bizien, la baie de Saint-Brieuc, les bassins de la Seiche et du Semnon, ainsi que quelques stations sur le Blave.
Image : www.observatoire-eau-bretagne.fr

Marée verte en Bretagne (plage de Saint Michel-en-Grève le 2 août 2011)
Les nitrates s'accumulent à l'embouchure des cours d'eau, ce qui entraîne près des côtes la prolifération d'algues vertes consommatrices d'ions nitrates et phosphates. On parle de marée verte. Les algues sont ensuite décomposées par des bactéries qui, non seulement, dégagent des gaz toxiques (méthane (CH₄) et sulfure d'hydrogène (H₂S)), mais consomment tout le dioxygène disponible dans l'eau. Cela entraîne la disparition de la faune aquatique (poissons, mollusques, crustacés), c'est l'eutrophisation.
Image : www.lexpress.fr

Surfaces couvertes par les ulves en Bretagne valeurs cumulées lors des trois inventaires de la saison 2011
Le nombre de sites bretons touchés par des échouages d’ulves (algues vertes) et l’importance des surfaces couvertes varient en fonction des caractéristiques climatiques annuelles qui provoquent des variations des flux de nutriments. Certains sites sont beaucoup moins touchés que les années précédentes et certains secteurs dont l’est du département des Côtes d’Armor apparaissant indemnes d’ulves (mais présence d’une autre algue, brune, proliférante Pylaïella littoralis non représentée sur les cartes).
Image (modifiée) : www.bretagne-environnement.org

Qualité physico-chimique des cours d'eau de Bretagne (année 2011)
Les nitrates ne sont pas les seuls polluants des rivières bretonnes. Les pesticides et les matières organiques se retrouvent aussi très souvent en quantité anormale dans ces cours d'eau.
Image (modifiée) : www.observatoire-eau-bretagne.fr

Le charançon du bananier
Le chlordécone est un insecticide organochloré utilisé en Martinique et en Guadeloupe, entre 1972 et 1993, pour lutter contre les attaques de charançon du bananier.
Image : www.antilles.inra.fr

Crue dans un cours d'eau de Guadeloupe
Le chlordécone a une forte rémanence. Cela signifie qu'il n’est sensible à aucune dégradation, ni chimique ni biologique. Il est très peu soluble dans l’eau mais a une très grande affinité avec les lipides des animaux et avec la matière organique des sols où il s’est accumulé en grande quantité et où il persistera entre 1 et 7 siècles. Lors des crues il est entraîné dans les milieux aquatiques par le transport de particules en suspension. Toutes les espèces terrestres et aquatiques sont ainsi exposées et peuvent être contaminées par ingestion.
Image et source : www.pram-martinique.org

La bioaccumulation (1 ppm = 1mg/kg ou 1mg/L).
Lipophile et non biodégradable, le chlordécone se concentre dans les tissus adipeux des animaux et s’accumule à chaque maillon de la chaîne alimentaire. Il se concentre d'autant plus que les chaînes alimentaires sont longues, comme en milieu marin. On parle de bioaccumulation.
Image : www.observatoire-pesticides.gouv.fr d'après US Environmental Protection Agency

Marché de poissons de Pointe-à-Pitre (Guadeloupe)
Le chlordécone a une faible spécificité. Il est non seulement toxique pour les insectes mais aussi pour pour les végétaux et pour les animaux dont l'Homme qui peut être contaminé par ses aliments. Le chlordécone perturbe le système nerveux, le foie, les régulations hormonales, la reproduction et augmente le risque d'apparition de cancer de la prostate.
Image : www.laflaneuse.ca - Source : www.observatoire-pesticides.gouv.fr

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1. Remplissage d'une citerne de pesticide - 2. Pesticides : quels dangers pour la santé ? (vidéo, lien externe) - 3 Pesticides : que montrent les études ? (vidéo, lien externe) - 4. Les agriculteurs, premières victimes des pesticides ? (vidéo, lien externe)
L’emploi des pesticides a des répercussions sur la santé : intoxications aiguës ou effets chroniques, cancers ou maladies causées par les agents pathogènes du fumier transmis par l’eau... Les aliments ingérés peuvent également représenter un danger pour l’homme, notamment s’ils contiennent des métaux lourds ou nocifs pour l’organisme, à l’instar du plomb. Le plus souvent, ce sont les légumes eux-mêmes qui atteignent des records de concentration de produits chimiques (nitrates, par exemple).
Image : 1 sh.wikipedia.org - 2, 3, 4 www.allodocteurs.fr - Texte : www.unep.fr

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1 Autoguidage d'un tracteur par GPS (précision 1 cm) - 2 Champs de coton en Grèce, les différents stades de maturation des champs (variation de couleur) ainsi que la structure d’irrigation sont parfaitement visibles sur cette image Spot 5 - 3. Besoins en azote, les zones qui ont besoin d'azote apparaissent en rouge.
L'agriculture de précision permet de gérer les cultures en fonction de l'hétérogénéité des sols et des cultures à l'intérieur des parcelles. Elle requiert l’utilisation l’imagerie satellite, de l'informatique et des systèmes de positionnement par satellite (GPS). On peut ainsi gérer au plus juste les interventions mécaniques (travail du sol, semis...), l'irrigation et l'apport d'intrants en apportant « la bonne dose au bon endroit ». On peut ainsi améliorer les rendements et réaliser des économies d'intrants ou de carburant tout en réduisant l'empreinte écologique de l'activité agricole.
Images : 1 www.paysantarnais.com - 2 www.cnes.fr - 3 SVT 1S, Belin 2011 p. 166

Gérer les flux de matière et d'énergie d'un agrosystème
Le choix des techniques culturales doit permettre d'obtenir une productivité optimale tout en limitant au maximum les effet de l'agrosystème sur l'environnement. Cela passe par une limitation des intrants, des combustibles fossiles et d'eau ainsi que par des techniques qui préservent la biodiversité.

● L'utilisation des engrais et des produits phytosanitaires est difficile à contrôler car l'eau d'infiltration entraîne ces produits (lixiviation ou lessivage) dans le milieu naturel.
- Les phosphates et/ou les nitrates des engrais provoquent la prolifération d'algues vertes en milieu aquatique. Lorsque celles-ci meurent leur décomposition consomme tout le dioxygène disponible, entraînant la mort de la plupart de autres organismes, c'est l'eutrophisation.
- Les pesticides se concentrent dans les chaînes alimentaires (bioaccumulation) à des concentrations telles qu'ils peuvent devenir toxiques.
● L'irrigation et l'utilisation de machines agricoles sont indispensables mais entraînent des coûts énergétiques.

 Gérer les flux de matière et d'énergie d'un agrosystème

● Le choix des pratiques culturales doit permettre de concilier la nécessaire production agricole, la gestion durable de l’environnement et la santé des consommateurs. Cela passe par une gestion raisonnée des surfaces agricoles, de l'eau et des intrants.