Agrosystèmes et développement durable

Introduction

Nourrir bientôt 10 milliards d'êtres humains est l'un des défis majeurs du XXIe siècle. Pour y répondre, l'humanité a profondément transformé les écosystèmes naturels en agrosystèmes — des systèmes agricoles gérés pour produire de la biomasse. Mais cette production a un coût : épuisement des sols, pollution des eaux, perte de biodiversité.

Ce chapitre t'apprend à comprendre la structure et le fonctionnement des agrosystèmes, le rôle essentiel des sols dans la production de biomasse, et les enjeux d'une agriculture durable qui concilie productivité et respect de l'environnement.

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1. Structure et fonctionnement des agrosystèmes

1.1 Qu'est-ce qu'un agrosystème ?

Un agrosystème est un écosystème artificialisé, géré par l'être humain pour produire de la biomasse utilisable : nourriture, textiles (coton, lin), agrocarburants, produits pharmaceutiques, etc.

Contrairement à un écosystème naturel, un agrosystème est contrôlé par l'agriculteur qui choisit les espèces cultivées ou élevées, apporte des intrants et exporte la production (récolte).

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1.2 Les différents modèles agricoles

Les agrosystèmes varient considérablement selon les modèles de culture :

Agriculture vivrière : production destinée à nourrir l'agriculteur et sa famille. Faible mécanisation, peu d'intrants, petites surfaces. Pratiquée surtout dans les pays en développement.

Agriculture extensive : grandes surfaces cultivées, peu d'intrants par hectare, rendements modérés. L'élevage extensif utilise de vastes prairies naturelles.

Agriculture intensive : utilisation massive d'intrants (engrais, pesticides, irrigation, mécanisation) sur des surfaces parfois restreintes, pour obtenir des rendements élevés. Dominante dans les pays industrialisés.

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1.3 Fonctionnement : entrées, flux et sorties

Un agrosystème fonctionne comme un système avec des entrées et des sorties :

Entrées (apports) :

• Énergie lumineuse (photosynthèse)
• Eau (pluie ou irrigation)
• Intrants : engrais (azote N, phosphore P, potassium K) pour nourrir le sol, et produits phytosanitaires (pesticides, herbicides, fongicides) pour protéger les cultures.
• Travail humain et énergie mécanique (tracteurs, machines).

Flux internes : flux de matière (nutriments du sol vers la plante, matière organique dans les chaînes alimentaires) et d'énergie (énergie lumineuse → énergie chimique dans la biomasse).

Sorties (exportations) :

• La récolte (biomasse exportée hors du système).
• Les pertes (ruissellement, lessivage des engrais, évaporation).

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2. Rendement agricole et rendement écologique

2.1 Biomasse et production

La biomasse est la masse totale de matière organique produite par les êtres vivants dans un milieu donné, à un instant donné. Dans un agrosystème, on s'intéresse à la biomasse des cultures ou des animaux d'élevage.

La production est la quantité de biomasse produite par unité de temps (par exemple, en tonnes par hectare et par an).

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2.2 Rendement agricole

Le rendement agricole est la quantité de produit récolté par unité de surface. C'est la mesure utilisée couramment en agriculture.

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2.3 Rendement écologique

Le rendement écologique compare la production de biomasse d'un niveau trophique à la quantité de biomasse (ou d'énergie) qui lui a été fournie. Il est toujours inférieur à 100 % car une grande partie de l'énergie est dissipée sous forme de chaleur (respiration).

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3. Les sols : formation et rôle dans la production de biomasse

3.1 Le sol, une interface vivante

Le sol n'est pas simplement de la « terre » : c'est une interface complexe entre la roche du sous-sol (lithosphère), l'atmosphère, l'hydrosphère et la biosphère. Il résulte de l'interaction entre :

• L'altération de la roche-mère (fragmentation et transformation chimique, cf. chapitre 7).
• L'activité des êtres vivants : plantes (racines), animaux (vers de terre, insectes), micro-organismes (bactéries, champignons).

Le sol est constitué de plusieurs composants :

• Des fragments minéraux (issus de la roche-mère : sable, limon, argile).
• De la matière organique en décomposition (humus).
• De l'eau et de l'air dans les pores.
• Des êtres vivants (faune et flore du sol).

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3.2 Le rôle des éléments minéraux

La biosphère prélève dans le sol des éléments minéraux essentiels à la production de biomasse. Les principaux sont l'azote (N), le phosphore (P) et le potassium (K), mais aussi le calcium, le magnésium, le fer et de nombreux oligoéléments.

Les plantes absorbent ces éléments par leurs racines sous forme d'ions dissous dans l'eau du sol. Sans ces éléments, la croissance des plantes est limitée ou impossible.

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3.3 Le recyclage de la biomasse par les décomposeurs

Dans un écosystème naturel, la biomasse morte (feuilles mortes, cadavres, excréments) est décomposée par les êtres vivants du sol :

• Les décomposeurs (bactéries, champignons) dégradent la matière organique en matière minérale (minéralisation).
• Les détritivores (vers de terre, cloportes, collemboles, acariens) fragmentent la matière organique et facilitent l'action des décomposeurs.

Ce recyclage transforme la biomasse morte en éléments minéraux qui retournent au sol et sont à nouveau disponibles pour les plantes. C'est un cycle de la matière qui assure la fertilité naturelle du sol.

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4. Les réseaux trophiques dans les agrosystèmes

4.1 Rappel : les réseaux trophiques

Un réseau trophique décrit les relations alimentaires entre les êtres vivants d'un écosystème. Il est constitué de plusieurs niveaux :

• Producteurs primaires (plantes, algues) : fabriquent de la matière organique par photosynthèse.
• Consommateurs primaires (herbivores) : se nourrissent des producteurs.
• Consommateurs secondaires (carnivores, prédateurs) : se nourrissent des herbivores.
• Décomposeurs : recyclent la matière organique morte.

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4.2 Réseaux trophiques simplifiés dans les agrosystèmes

Dans un agrosystème, les réseaux trophiques sont souvent simplifiés par rapport à un écosystème naturel :

• La diversité d'espèces est réduite (monoculture, une seule espèce d'élevage).
• Les prédateurs naturels des ravageurs sont parfois éliminés par les pesticides.
• L'agriculteur intervient comme « régulateur » du système (désherbage, traitements, choix des cultures).

Cette simplification rend l'agrosystème plus vulnérable aux déséquilibres (prolifération de ravageurs, maladies).

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5. Vers une gestion durable des agrosystèmes

5.1 Impacts environnementaux des agrosystèmes

Les agrosystèmes, en particulier les modèles intensifs, ont des impacts significatifs sur l'environnement :

Sur les sols : érosion accélérée par le labour intensif, perte de matière organique, compaction par les machines lourdes, diminution de la biodiversité du sol.

Sur les eaux : pollution par le lessivage des engrais (eutrophisation des rivières et lacs) et des pesticides (contamination des nappes phréatiques).

Sur la biodiversité : disparition d'espèces sauvages liée à la destruction des habitats (haies, zones humides), à l'usage des pesticides et à la monoculture.

Sur le climat : émissions de gaz à effet de serre (méthane par l'élevage, protoxyde d'azote par les engrais azotés, CO₂ par la mécanisation).

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5.2 Solutions pour une agriculture durable

La recherche agronomique développe des pratiques permettant de maintenir la productivité tout en réduisant les impacts environnementaux :

Rotation des cultures : alterner différentes espèces sur une même parcelle d'une année à l'autre. Cela limite l'épuisement du sol et rompt les cycles des ravageurs.

Agriculture biologique : interdiction des engrais et pesticides de synthèse, utilisation de composts, de lutte biologique (prédateurs naturels) et de rotations.

Agroécologie : conception d'agrosystèmes s'inspirant du fonctionnement des écosystèmes naturels (associations de cultures, agroforesterie, couverture permanente du sol).

Lutte biologique : utiliser des organismes vivants (coccinelles contre pucerons, par exemple) pour contrôler les ravageurs, au lieu de pesticides chimiques.

Agriculture de précision : utiliser des technologies (GPS, capteurs, drones) pour apporter les intrants au bon endroit, au bon moment et en bonne quantité, réduisant le gaspillage et la pollution.

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5.3 La complexité des choix

Chaque modèle agricole a ses avantages et ses limites. Il n'existe pas de solution unique :

• L'agriculture intensive permet de nourrir un grand nombre de personnes mais dégrade l'environnement.
• L'agriculture biologique préserve mieux les sols et la biodiversité mais produit généralement des rendements plus faibles.
• Le choix du modèle dépend du contexte local (climat, sol, ressources en eau, besoins de la population, contraintes économiques).

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L'essentiel du chapitre

Agrosystème : écosystème géré par l'humain pour produire de la biomasse. Entrées : lumière, eau, intrants (engrais N-P-K, pesticides). Sortie principale : la récolte (biomasse exportée).

Différence avec un écosystème naturel : l'exportation de la biomasse rompt le cycle de la matière → nécessité d'intrants pour maintenir la fertilité du sol.

Rendement agricole (t/ha) ≠ rendement écologique (rapport biomasse produite / biomasse consommée, toujours < 100 %).

Sol : interface vivante entre roche, atmosphère et biosphère. Formé par altération de la roche-mère + activité biologique. Les plantes prélèvent des éléments minéraux (N, P, K). Les décomposeurs recyclent la matière organique en éléments minéraux → fertilité.

Impacts des agrosystèmes : érosion et appauvrissement des sols, pollution des eaux (eutrophisation), perte de biodiversité, émissions de gaz à effet de serre.

Agriculture durable : rotation des cultures, agriculture biologique, agroécologie, lutte biologique, agriculture de précision. L'objectif est de concilier productivité et préservation de l'environnement.