Perturbation des cycles biogéochimiques de l’azote et du phosphore

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Dans le cadre des travaux sur les neuf limites planétaires (Rockström et al., 2009), l’azote et le phosphore, éléments essentiels à la vie, ont été considérés par les scientifiques comme des enjeux prioritaires. Sous l’effet des activités humaines, leur cycle biogéochimique est perturbé, ce qui peut provoquer, dans les cas les plus graves, de lourds dommages à l’environnement (anoxie des océans, eutrophisation des eaux douces continentales, prolifération d’algues vertes, etc.). Ce ne sont pas les seules substances identifiées dans le modèle des limites planétaires qui ont un rôle important dans le fonctionnement du système terrestre ; certaines sont traitées dans le cadre d’autres limites (comme le carbone, dans la limite « changement climatique ») ; d’autres devront être prises en compte (comme le silicium) dans le cadre de nouvelles limites planétaires (Steffen et al., 2015).

Enjeux globaux

L’azote est un nutriment indispensable à la croissance des végétaux. L’azote réactif, émis en abondance dans l’environnement, peut cependant constituer un surplus par rapport aux besoins des plantes, des arbres, des algues, etc. Il contribue alors à la pollution de l’eau par les nitrates. Associé à d’autres nutriments comme le phosphate, et en fonction de conditions physico-chimiques particulières, il est également responsable du phénomène d’eutrophisation. Les principales sources d’émission d’azote dans l’environnement sont les engrais azotés et la combustion des ressources fossiles et de procédés industriels. L’azote des émissions polluantes d’oxyde d’azote (NOx) dans l’atmosphère provenant du transport et de l’industrie n’est pas pris en compte dans la limite planétaire précisée ci-dessous (Steffen et al., 2015b).

À l’instar de l’azote, le phosphore est également un nutriment indispensable à la croissance des plantes. La modification de son cycle biogéochimique, causée par l’agriculture (fertilisants, effluents d’élevage) et par les eaux usées urbaines (excréments et détergents), affecte la capacité de la biosphère à le séquestrer et entraîne l’eutrophisation des eaux douces.

Les dommages causés par l’azote et le phosphore sont généralement considérés comme des problèmes régionaux plutôt que mondiaux. Toutefois, dans le cadre des travaux sur les neuf limites planétaires, un seuil global a été défini pour chacun des deux cycles biogéochimiques de l’azote et du phosphore.

Concernant l’azote, l’enjeu est d’empêcher un rejet excessif d’azote réactif dans l’eau et les milieux naturels aquatiques afin d’éviter leur eutrophisation. Lors de la révision du modèle conceptuel (Steffen et al., 2015b), le seuil à ne pas dépasser a été fixé entre 62 et 82 millions de tonnes (Mt) par an, soit 41 à 55 kg d’azote excédentaire (surplus) par hectare par an (kg/ha/an) en moyenne à l’échelle mondiale. En 2015, les pertes d’azote dans l’environnement sont estimées à 150 Mt.

Concernant le phosphore, l’enjeu initialement envisagé était d’éviter que ne se produise un événement anoxique océanique majeur (épisode de forte réduction d’oxygène dans les océans) ayant des impacts sur les écosystèmes marins. Lors de la révision du modèle conceptuel en 2015, une approche à deux niveaux géographiques est proposée.

Au niveau mondial (asphyxie des océans), le seuil est estimé à 11 Mt par an de phosphore rejetées dans l’eau (excédent agricole et eaux usées insuffisamment épurées). En 2015, il est dépassé avec 22 Mt de phosphore effectivement rejetées dans les eaux.

À un échelon plus localisé, un seuil supplémentaire est défini pour traiter de l’eutrophisation des eaux douces continentales. Ce seuil porte sur les surplus de phosphore résultant d’apports excessifs lors de la fertilisation des sols agricoles. Ces surplus de phosphore ne doivent pas être supérieurs, chaque année, à une fourchette comprise entre 6,2 et 11,2 Mt (soit 4,1 à 7,5 kg/ha/an) pour éviter l’Eutrophisation des systèmes d’eau douce. En 2015, la limite est franchie avec environ 14 Mt.

Situation de la France

En France, l’apport excessif en azote et en phosphore, provenant principalement de l’activité agricole pour le premier, et des eaux résiduaires urbaines pour le second, correspond au surplus dans l’environnement, aux rejets en mer et en eaux douces, pouvant conduire localement à des phénomènes d’eutrophisation et à la prolifération d’algues vertes. Les surplus sont calculés à une échelle régionale sans tenir compte des traitements et des exportations vers d’autres régions éventuelles réalisées notamment dans les régions à élevage.

Le surplus d’azote a tendance à diminuer en France métropolitaine entre 1990 et 2015

L’azote apporté par l’activité agricole l’est sous forme organique ou sous forme minérale. En 2015, les apports organiques s’élèvent en moyenne à 62 kg par hectare (ha) de surface agricole utilisée (SAU) et les apports minéraux à 77 kg/ha. Les deux types d’apports ont diminué depuis 1990. Cette diminution s’explique notamment par la réduction des effectifs du cheptel français et par la meilleure gestion de l’azote dans les exploitations agricoles. Cette dernière découle en particulier de la mise en œuvre des programmes d’actions « nitrates » dans les zones vulnérables, progressivement étendues, en application de la directive « nitrates », ainsi que l’évolution des moyens technologiques.

Sur la période 2006-2015, la moyenne de surplus d’azote s’élève à 45 kg/ha de SAU, contre 55 kg/ha pour la période 1996-2005. En 2015, les régions présentant les excédents d’azote les plus élevés sont la Bretagne et les Pays de la Loire avec plus de 70 kg/ha. Cependant, ces chiffres ne tiennent pas compte des exportations vers les régions voisines demandeuses d’azote organique et des traitements des effluents d’élevage. Ces mesures sont obligatoires au-delà d’une quantité annuelle pour une partie des exploitants bretons. Les régions les plus proches de l’équilibre sont la Corse, la Bourgogne et la région Provence Alpes Côte-d’Azur, tandis que l’Île-de-France affiche un bilan négatif.

Bilan régional d’azote par région en 2015
Bilan régional d'azote par région en 2015
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Bilan régional d’azote par région en 2015

Note : Bilan = entrées d’azote (apports d’azote minéral et organique, fixation symbiotique et déposition atmosphérique de l’azote gazeux) - sorties (prélèvements par les cultures) selon une méthode de calcul validée par la Commission européenne.

Champ : France métropolitaine

Source : Agreste, Citepa, Unifa, Comifer, 2015

Traitement : SDES, 2018

Le surplus de phosphore diminue en France métropolitaine entre 2000 et 2015

Le phosphore est apporté sous forme d’engrais organique ou minéral. Les surplus sont calculés sans tenir compte des traitements et des exportations éventuelles réalisées notamment dans les régions à élevage.

En 2015, en Bretagne, le surplus atteint 20 kg/ha. En effet, les zones d’élevage intensif de porcs et de volailles connaissent des apports en phosphore total (surtout organique) parfois trop importants par rapport aux besoins des cultures et des prairies. En France métropolitaine, le surplus de phosphore est passé de 9 kg/ha de SAU à 0 kg/ha entre 2000 et 2015. Cette baisse est principalement liée à la diminution des apports de fertilisants minéraux. Depuis 2009, le bilan est proche de l’équilibre.

Bilan régional du phosphore en 2015
Bilan régional du phosphore en 2015
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Bilan régional du phosphore en 2015

Note : Bilan = imports – exports selon une méthode de calcul validée par la Commission européenne.

Source : Agreste, Citepa, Unifa, Comifer

Traitement : SDES, 2019

Concernant l’azote, la moyenne du surplus agricole respecte la limite planétaire théorique (entre 41 et 55 kg/ha/an). Cette limite est toutefois nettement dépassée dans certaines régions. Pour le phosphore, la moyenne du surplus agricole est inférieure au seuil limite de 4 à 7,5 kg/ha/an. Cependant, ce seuil est dépassé dans certaines régions. Par ailleurs, les résidus de phosphore présents dans les eaux usées après épuration, qui représentent la principale source d’émission de phosphore dans l’eau en France, ne représentent pas une masse suffisamment importante pour entraîner un dépassement de la limite à l’échelle de l’ensemble de la France.

Flux à la mer : une grande quantité d’azote, mais moins de phosphore

Les informations sur les flux de polluants parvenant à la mer confirment les résultats indiqués ci-dessus. Les rejets de nitrates se maintiennent, alors que les rejets de phosphore ont nettement diminué depuis le début des années 2000.

L’azote arrive en mer, via les cours d’eau, essentiellement sous forme de nitrates d’origine agricole et d’ammonium d’origine domestique. Par exemple, les surplus d’azote apportés aux cultures migrent en partie vers les eaux souterraines et les cours d’eau avant de rejoindre la mer [1]. De 1990 à 2017, le flux d’azote total transporté par les cours d’eau a été en moyenne de 408 000 tonnes par an.

Le flux de phosphore total en mer a été en moyenne de 20 000 tonnes par an entre 1990 et 2017, avec une tendance à la baisse. Cette baisse est notamment liée à l’amélioration des performances des stations d’épuration, à l’interdiction de l’utilisation des phosphates dans les lessives depuis 2007, à l’augmentation du nombre d’habitants raccordés à un assainissement collectif et à une moindre utilisation d’engrais phosphatés en agriculture.

D’importantes variations interannuelles s’observent, tant pour l’azote que pour le phosphore, et peuvent s’expliquer par les variations de pluviométrie et de débits des cours d’eau.

Flux d’azote et de phosphore à la mer de 1990 à 2017
Flux d'azote et de phosphore à la mer de 1990 à 2017

Note : flux annuels vers l’Atlantique et la Manche calculés avec les concentrations moyennes en azote et en phosphore et les débits moyens des cours d’eau.

Source : Système d’information sur l’eau Eaufrance

Traitement : SDES, 2018

Les apports excessifs d’azote et de phosphore sont responsables des phénomènes d’eutrophisation

Les phénomènes d’eutrophisation perturbent l’état des rivières, des plans d’eau, des estuaires et des eaux marines. Ils sont présents sur le littoral métropolitain mais n’ont pas la même intensité selon les façades maritimes. Globalement, en Manche, la plupart des zones côtières présentent des problèmes liés à l’eutrophisation, mais ceux-ci restent limités au voisinage des estuaires (Seine, Somme) et des fonds de baie confinés de Bretagne (Saint-Brieuc, Lannion, Morlaix). Sur la façade Atlantique, les débuts d’enrichissement en azote et en phosphore sont limités au nord de la Gironde. En Méditerranée, les problèmes d’eutrophisation concernent essentiellement des sites très localisés dans certaines lagunes d’Occitanie.

Conséquence de l’eutrophisation : une prolifération d’algues sur les côtes métropolitaines

L’excès de nutriments entraîne l’eutrophisation et le développement important d’algues sur le littoral métropolitain, appelé bloom algal (algues vertes). Deux types d’algues sont concernés : les macroalgues (ulves), qui produisent des marées vertes, et les algues microscopiques (phytoplancton), qui provoquent des eaux colorées, avec un éventuel risque de toxicité pour les organismes marins et l’alimentation. Les algues vertes sont surtout présentes sur les côtes bretonnes et s’étendent en Centre-Atlantique et en Basse-Normandie. Les algues microscopiques sont localisées, des Flandres au bassin d’Arcachon et dans les lagunes de Méditerranée.

Sur la période 2007-2012, en mer, le nombre d’événements d’efflorescences algales (croissance excessive d’algues marines) varie de façon interannuelle mais reste globalement stable, tandis que les épisodes avec prolifération de toxines augmentent très légèrement. Ces toxines peuvent être dangereuses pour la faune et pour l’homme. Ces épisodes ont de ce fait également des impacts économiques et sanitaires.

Évolution des efflorescences algales dans les eaux métropolitaines
Évolution des efflorescences algales dans les eaux métropolitaines
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Évolution des efflorescences algales dans les eaux métropolitaines

Champ : France métropolitaine

Source : Ifremer, Quadrige² - REPHY, Ceva

Traitement : SDES, 2016

Algues vertes en Bretagne : mise en œuvre d’un plan pour lutter contre leur prolifération

Du fait de courants importants dispersant les flux de nitrates, la Bretagne subit le phénomène des marées vertes dans les baies peu profondes et à faible renouvellement d’eau de mer. Pour faire face à ce problème, l’État et la Région mettent en œuvre un plan de lutte contre la prolifération des algues vertes sur les huit baies touchées. Un deuxième plan a été signé pour la période 2017-2021. Il vise notamment à réduire les flux d’azote, à l’origine de la prolifération des algues vertes, vers les eaux littorales. Huit chartes de territoire, spécifiques aux huit baies touchées par les échouages d’algues vertes sur la plage, ont également été élaborées en 2017.

Les algues sargasses, dans les Départements d’outre-mer

Les sargasses sont des algues brunes qui vivent dans les eaux tropicales, en pleine mer, et présentent de fortes concentrations dans la mer des Sargasses, au large de la côte Est des États-Unis. Les bancs de sargasse en mer ont un rôle écologique important, servant de refuge à de nombreuses espèces.

Depuis 2011, les sargasses s’échouent épisodiquement de façon plus ou moins massive sur les côtes des Antilles et de la Guyane, avec un pic en 2014-2015 et une recrudescence depuis 2017. Les arrivages massifs de sargasses ont de multiples conséquences :

  • sanitaires : émissions de gaz toxiques tels que le sulfure d’hydrogène et l’ammoniac ;
  • économiques : pénalisation des activités liées au tourisme, pêche, aquaculture ;
  • environnementales : acidification de l’eau par la production d’acide sulfurique, mort du corail, augmentation de la concentration en nitrates et phosphates causant l’eutrophisation, perturbation voire empêchement de la ponte des tortues marines, érosion des plages notamment lors du ramassage, etc.

D’après le rapport de la mission interministérielle (juillet 2016), entre 2014 et 2015, environ un million de m3 de sargasses se sont échouées sur les plages ou dans les baies exposées de la Martinique et de l’archipel guadeloupéen.

L’origine du développement de ces algues est en cours d’étude. Les premiers résultats de deux campagnes en mer effectuées en 2017 par un consortium scientifique coordonné par l’Institut de recherche et développement identifient plusieurs facteurs, parmi lesquels le réchauffement climatique. Responsable de l’élévation de la température des eaux marines (favorable au développement des algues), il pourrait influencer les courants marins et faciliter le déplacement des sargasses. L’apport de nutriments au milieu marin pourrait également favoriser la multiplication des algues.

Fin 2018, un plan national de prévention et de lutte contre les sargasses a été mis en place, visant à définir l’organisation des moyens à engager et des actions à mener dans les zones affectées par les échouages. Début 2019, l’État a lancé un appel à projets sur la problématique des échouages d’algues sargasses « Sargassum ». Cet appel à projets a pour objectif d’apporter des solutions pragmatiques à l’échouage des sargasses et enrichir les connaissances sur ce phénomène qui affecte plus particulièrement les îles du bassin caribéen.

Cet article est un extrait du rapport de synthèse de l’édition 2019 du rapport sur l’environnement en France.

Notes

[1S’ajoutent, dans une moindre mesure, les retombées atmosphériques d’azote provenant des transports, des activités industrielles et de l’agriculture.