La disponibilité en phosphore des sols pourrait-elle limiter la production de l’agriculture biologique dans un contexte de forte expansion ?

To what extent agricultural soil phosphorus fertility could limit the production of organic agriculture, in the context of a large expansion?

• Auteur / Autrice : Joséphine Demay
• Direction : Thomas Nesme, Sylvain Pellerin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences agronomiques et forestières
• Date : Soutenance le 09/04/2024
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et Environnements (Talence, Gironde ; 1999-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Interactions sol plante atmosphère (INRA Bordeaux-Aquitaine)
• Jury : Président / Présidente : Astrid Oberson Dräyer
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Adrian Müller, Julia Le Noë, Souhil Harchaoui, Gregory Vericel
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Astrid Oberson Dräyer, Philippe Ciais

Mots clés

Mots clés contrôlés

Engrais phosphatés

Sols -- Fertilité

Cycle du phosphore

Agriculture biologique

Mots clés libres

Agriculture biologique

Cycle du phosphore

Transfert de fertilité

Engrais minéraux phosphatés

Organic agriculture

Phosphorus cycle

Mineral fertilizer

Fertility transfer

Résumé

Face aux crises environnementales et climatiques actuelles, les systèmes de production alimentaire doivent être transformés de toute urgence. Parmi les alternatives possibles, l'agriculture biologique est souvent mise en avant. Cependant, la question de savoir si l'expansion à grande échelle de l'agriculture biologique serait limitée par la disponibilité en nutriments des sols reste encore largement débattue. Jusqu'à présent, des études ont montré qu'à condition de réorganiser en profondeur les systèmes alimentaires, la conversion de 60 % des terres arables à l'agriculture biologique pourrait répondre à la demande alimentaire mondiale. Ces réorganisations incluent une réduction des densités d’animaux et du gaspillage alimentaire, la modification des régimes alimentaires et la relocalisation des élevages et des cultures sur les territoires. Au-delà de ce seuil de 60%, l'azote (N) entrainerait une limitation trop important de la production alimentaire mondiale. Toutefois, ces études n'ont pas examiné si la disponibilité en phosphore (P) des sols pourrait limiter la production de l’agriculture biologique à long terme. Cette question se pose dans la mesure où les engrais minéraux phosphatés, qui contribuent actuellement à plus de la moitié des apports mondiaux de P sur les sols agricoles, sont interdits dans le cadre de l'agriculture biologique. Répondre au manque de connaissances sur ce sujet est primordial, non seulement pour évaluer la capacité de l’agriculture biologique à se développer globalement, mais aussi dans le contexte de l'inévitable épuisement des réserves de roches phosphatées. Dans cette thèse, nous avons tout d'abord quantifié la dépendance de la fertilité actuelle en P des sols agricoles vis-à-vis de l'utilisation passée et présente d'engrais minéraux phosphatés. Nous avons ensuite analysé dans quelle mesure la production de l’agriculture biologique pourrait être affectée par un déficit en P des sols dans un monde 100% biologique. Dans l'ensemble, nous montrons que la fertilité actuelle en P des sols agricoles dépend fortement de l'utilisation cumulée d'engrais minéraux phosphatés sur la période 1950-2017, la moitié du P disponible des sols agricoles mondiaux étant d'origine anthropique. Cette tendance globale cache de fortes disparités entre les pays, reflétant des historiques d’utilisation d'engrais minéraux phosphatés contrastés. La forte dépendance à l'égard des engrais minéraux phosphatés est à la fois une opportunité et un obstacle au développement de l'agriculture biologique. D'une part, elle se traduit souvent par d'importants stocks de P hérités dans les sols, ce qui facilite la transition vers l'agriculture biologique. Cependant, cette dépendance remet en question la durabilité à long terme des systèmes agricoles sans aucun apport de P minéral. Nos simulations d'un monde 100% biologique ont révélé que, si la production agricole serait fortement limitée par l'azote à court terme, un déficit en P des sols agricoles sur le long terme affecterait aussi grandement la production alimentaire, en particulier dans les régions où le niveau actuel de fertilité en P des sols est faible, où les niveaux de production sont élevés et où la part de légumineuses dans les rotations est importante. Après 100 ans de production en agriculture biologique, la production alimentaire mondiale serait réduite de 41 %, les déficits en P des sols des terres arables et des prairies permanentes contribuant respectivement à 39 % et 18 % de cette perte. Dans l'ensemble, notre travail apporte de nouvelles connaissances sur les limitations potentielles de la production de l’agriculture biologique par la disponibilité en P des sols agricoles, soulignant les risques à long terme pour la sécurité alimentaire dans un monde 100 % biologique. Enfin, nous discutons des leviers potentiels qui permettraient de limiter la perte de P des sols agricoles, dont notamment le bouclage du cycle du P.

Faced with the current environmental and climate crises, food production systems urgently need to transform. Among possible alternatives, organic agriculture is often put forward. Yet, it is still under debate whether large scale expansion of organic farming would be limited by nutrient availability. So far, studies have shown that provided a strong redesign of food systems including a reduction in livestock densities and food waste, changes in diets and re-location of crops and livestock, the global food demand could be met by converting up to 60% of cropland areas to organic agriculture. Above this threshold, nitrogen (N) limitations would lead to an unsatisfied demand. However, these studies have not considered whether soil available phosphorus (P) could limit organic food production in the long run. This question arises because mineral P fertilizers, which currently contribute to more than half of global soil P inputs to cropland soils, are banned under organic farming. Filling this knowledge gap is of utmost importance not only to assess the ability of organic farming to expand globally but also in the context of the slow and inevitable depletion of phosphate rock reserves. In this thesis, we first quantified the reliance of current agricultural soil P fertility on past and current use of mineral P fertilisers. We then analysed the extent to which organic food production would be affected by the potential soil P deficits in a hypothetical 100% organic world. Finally, we quantified the N and P fertility transfers between grassland and cropland soils in order to assess their contribution to the total nutrient inputs to cropland soils. To simulate a 100% organic world, we coupled two already published models: the GOANIM model and the GPASOIL model and ran them for 100 years at a spatially explicit resolution. Overall, we show that the current P fertility of agricultural soils is highly reliant on the cumulated use of mineral P fertilizers over the 1950-2017 period, half of the global soil agricultural available P being of anthropic origin. This global pattern hides great discrepancies between countries, reflecting contrasting historical uses of mineral P fertilizers and contrasting soil biogeochemical backgrounds. The strong reliance on mineral P inputs is both an opportunity and an obstacle to the development of organic farming. On the one hand, heavy dependence on mineral P fertilizers often results in large inherited soil P stocks, making it easier to switch to organic farming. However, this reliance questions the long-term sustainability of farming systems without any mineral P inputs. Our simulations of a 100% organic world revealed that while crop production would be strongly limited by N in the short term, long term P limitations would also strongly affect food production, especially in places with initial low level of P fertility, high levels of production and a high share of N-fixing crop in rotations. After 100 years of farming the world organically, global food production would be reduced by 41%, with global cropland and grassland soil P deficit contributing to 39% and 18% of that loss respectively. We also show that under organic farming, fertility transfers from grassland to cropland soils contribute to 13% and 37% of total N and P inputs to cropland soils respectively, making cropland production levels reliant on the fertility of grassland systems. Overall, our work provides novel knowledge on the potential limitations of organic production by agricultural soil available P, highlighting long term risks for food security in a 100% organic world. Finally, we discuss various options for limiting this global soil P deficit, which include better connected livestock and crop production systems to enhance fertility transfers, closing the P cycle by limiting soil erosion and by better recycling of household organic waste and human excreta back to agricultural soils.