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Vers une nouvelle agriculture plus rentable et moins polluante

  • Posté le : Mardi 1 Février 2005
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  • par : A. Blais
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  • Expert : Z. Cerovic
  • Actualisé le : Lundi 17 Novembre 2008
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"Ajouter la bonne dose, au bon moment et au bon endroit" est le slogan de l'agriculture de précision. Les recherches menées dans ce domaine ont pour objectif de pallier la pollution agricole en développant de nouvelles techniques permettant de moduler, au sein même d'une parcelle et en temps réel, l'apport des intrants (engrais, pesticides…) en fonction des besoins des cultures.

Epandage d'intrants en plein champDans les pratiques agricoles classiques, l’apport des intrants (fertilisants, pesticides, herbicides…) est réalisé de manière uniforme sur l’ensemble de la parcelle.
© LURE

Trou dans la couche d'ozone, rivières et nappes souterraines souillées, déserts marins qui s'agrandissent, la pollution est devenue une préoccupation récurrente dans notre société. Le principal responsable : l'homme des pays industrialisés. Conscient depuis peu de son impact négatif sur la planète, celui-ci tente aujourd'hui de limiter, voire de réparer, les dégâts. Une entreprise qui s'avère difficile…

En milieu agricole, la principale source de pollution est liée à l'utilisation de fertilisants azotés. Souvent mal gérés, ils polluent les nappes phréatiques, les rivières et les bords de côtes. Sur ces derniers, ils contribuent à la formation de zones appauvries en oxygène, appelées "zones mortes", en favorisant le développement d'algues microscopiques. Conséquence : la fuite ou la mort de nombreuses espèces marines. Les experts du programme des Nations unies viennent de recenser 150 zones mortes, soit deux fois plus qu'en 1990 !

Dans les pratiques agricoles classiques, l'apport des intrants (fertilisants, pesticides, herbicides…) est réalisé de manière uniforme sur l'ensemble de la parcelle. Cependant sur un même terrain, les besoins des cultures peuvent varier considérablement. Résultat : surdosage et pollution à certains endroits et sous-dosage et perte de rendement à d'autres.

Aujourd'hui, il devient urgent de préserver notre environnement en contrôlant mieux le dosage des intrants dans les cultures. Les recherches actuelles s'orientent sur le développement d'outils permettant une agriculture de précision. Le slogan donne le ton : "Ajouter la bonne dose, au bon moment et au bon endroit". Il s'agit de moduler l'apport des intrants en fonction de l'information sur l'état des cultures et du sol. Le laboratoire Écologie systématique évolution (ESE) à Orsay contribue au développement de ces techniques. Les chercheurs développent des capteurs optiques qui mesurent l'émission lumineuse - la fluorescence - des végétaux. Les mesures de fluorescence permettent d'obtenir des informations sur les plantes qui aident, par la suite, à faire des préconisations agronomiques. Fruit d’un transfert de technologie du CNRS, l'entreprise Force-A - incubée jusqu’en 2006 par l’IFSI (Île-de-France Sud Incubation) de Gif-sur-Yvette) et domiciliée sur le campus de l’université Paris-Sud commercialise deux nouvelles familles outils : les pinces Dualex® et les capteurs Multiplex®. Ces outils sont les premiers à pouvoir mesurer la teneur de certains composés des plantes - les polyphénols - en plus de la chlorophylle. Cette donnée est d'importance car elle est utilisée en agriculture de précision pour, notamment, mieux gérer l'apport des fertilisants azotés.

01.Limiter l'apport d'azote

Avec l'arrivée des tracteurs, moissonneuses-batteuses et autres machines agricoles, l'agriculture avait connu sa première révolution technologique. Davantage de cultures, de récoltes et de profits mais aujourd'hui, davantage de pollution également. Prenons le cas de l'azote. Après l'eau, l'azote est l'élément le plus important pour la croissance des plantes. Durant l'année 2001, environ 2,3 millions de tonnes d'azote ont été distribuées sous forme d'engrais chimiques aux céréaliers français et épandues sur 10,5 millions d'hectares, soit environ un cinquième du territoire. Problème : on estime que seuls 50 % des engrais azotés sont absorbés par les cultures. Où va le reste ? Dans l'eau et l'atmosphère où il contribue à polluer nappes souterraines, rivières et bords de côtes. Une pollution certes, mais également une perte nette d'argent !
Le GreenSeeker en actionLe GreenSeeker, développé par l’entreprise NTech, est muni de capteurs qui mesurent la réflectance des cultures et permettent d’ajuster en temps réel l’apport d’azote. La distribution d’engrais a lieu en trois temps :
1 - le capteur analyse la réflectance de la végétation (dans le carré vert)
2 - l’information est traitée
3 - la bonne dose d’engrais est distribuée (carré rouge) grâce à un système de trois vannes qui permet d’ajuster la quantité.
© LURE

Aujourd'hui, une nouvelle révolution technologique se prépare. De nouvelles pratiques agricoles voient le jour, motivées par une pression économique et environnementale grandissante (sur des zones sensibles comme la Bretagne, l'application de la directive nitrate européenne de 1991 limite aujourd'hui l'apport d'azote d'origine organique à 170 kg par hectare et par an - contre 210 kg dès qu'elle a commencé à être appliquée, en 2000). Ces nouvelles pratiques s'appuient sur les progrès des technologies de l'information, de la télédétection et de la biophotonique. Ainsi, l'agriculture biologique bannit les engrais chimiques, l'agriculture raisonnée tente de concilier productivité et respect de la nature et l'agriculture de précision a pour objectif de moduler l'apport des intrants (fertilisants, herbicides, pesticides, etc.) au sein même des parcelles et en temps réel.

02.Quand la cabine de l'agriculteur devient… un cockpit

Actuellement, plusieurs techniques permettent de faire de l'agriculture de précision. L'une d'elles consiste à embarquer des capteurs sur des satellites pour mesurer la partie de la lumière du soleil réfléchie par la végétation au sol : la réflectance. Vu du satellite, l'analyse des données de réflectance permet aux scientifiques de mesurer la biomasse verte du couvert végétal et d'estimer l'indice foliaire, c'est-à-dire le rapport entre la surface des feuilles et la surface de terrain occupée par la végétation. Cet indice augmente au fur et à mesure de l'apparition des feuilles au cours du cycle de croissance des cultures. Il est donc utilisé comme un indicateur de croissance végétale. Une autre approche consiste à équiper les tracteurs et les moissonneuses-batteuses de capteurs GPS et de compteurs de grains. Le GPS donne la position précise de l'engin agricole sur la parcelle, tandis que le compteur de grains permet d'estimer la productivité en un point donné. En associant ces deux données, l'agriculteur établit des cartes de rendement.

Aujourd'hui, ces deux pratiques agricoles sont utilisées aux États-Unis aussi bien qu’en France, sur de grandes surfaces. Elles présentent toutefois deux inconvénients majeurs : le manque de réactivité (les données sont analysées après les récoltes et ne sont utilisables que d'une année sur l'autre) et les désavantages liés à l'utilisation de satellites (faible résolution - de l'ordre de 20 m -, survols peu fréquents, nuages perturbateurs). Toutefois, de nouvelles constellations de satellites dédiés spécifiquement aux besoins de l’agriculture viennent d’être mis en orbite par le consortium RapidEye (Allemagne) avec une résolution de 5 m au sol et couverture hebdomadaire.
Teneur d'azote dans des plants de bléLa teneur en polyphénols et en chlorophylle dans des plants de blé est fonction de la quantité d’azote apportée.
© LURE

Avec l'introduction de capteurs optiques placés directement sur les tracteurs, l'agriculture de précision a fait un grand pas. Les technologies en place aujourd'hui mesurent la réflectance à l'échelle de la feuille afin d'estimer la teneur en chlorophylle des cultures. Cette donnée est d'importance car elle peut être reliée à la nutrition azotée des végétaux et permet donc de faire de la préconisation agronomique. Parmi les modèles proposés sur le marché, citons le N-Sensor de la société européenne Yara et le GreenSeeker de la société américaine N-Tech. Ces deux outils fonctionnent suivant le même principe : au fur et à mesure que le tracteur avance, les données de réflectance mesurées par les capteurs sont transmises et analysées par un ordinateur embarqué dans la cabine. Si la culture a besoin d'un apport en fertilisant azoté, l'ordinateur commande le modulateur d'engrais installé à l'arrière du tracteur. Si ce n'est pas le cas, l'ordinateur stoppe le modulateur. Cela permet d'ajuster en temps réel l'apport des fertilisants azotés au sein de la parcelle et suivant les besoins des cultures.

Aujourd'hui, il faut compter 18 500 euros pour acquérir le détecteur du type N-Sensor de Yara. Une "petite" somme qui fait réfléchir ! Aussi, avant de se lancer dans l'aventure, mieux vaut être sûr de rentabiliser son investissement. Les chercheurs estiment que ces équipements deviennent intéressants quand l'agriculteur possède plus de 150 ha de parcelles présentant des hétérogénéités pédologiques (de sol). Aujourd'hui, 350 tracteurs sont équipés de détecteurs Yara en Allemagne et 7 en France.

À l’ESE, les chercheurs s'intéressent de près à une autre propriété des végétaux : la fluorescence.

03.Qu'est-ce que la fluorescence ?

Une partie de la lumière du soleil est absorbée par les plantes, interagit avec elles, puis est réémise. C'est ce que l'on appelle la fluorescence des végétaux.

Fluorescence d'une feuille de bléFluorescence de la surface d’une feuille de blé.
© LURE
Dans la nature, l'intensité de la fluorescence émise par les plantes est très faible : de l'ordre de 1 % de celle de la lumière du soleil absorbée. Pour mettre au point une technique basée sur ce phénomène, les scientifiques ont dû relever un véritable défi. Comment, en effet, extraire une information de si faible intensité ? Ce challenge a été relevé grâce à l'utilisation d'une lumière artificielle : le laser. L'intensité de la lumière laser est un million de fois plus importante que celle de la lumière naturelle. En réponse à une exposition au laser, l'intensité de la fluorescence émise par la plante est donc beaucoup plus forte que la normale. Si maintenant, on applique sur cette même plante une série d'impulsions laser très brèves, on aura en retour une série de pics de fluorescence faciles à détecter. Cette technique permet également de s'affranchir facilement de la fluorescence due à la lumière naturelle. Car celle-ci s'apparente alors à un bruit de fond permanent dont l'intensité est la même pendant et en dehors des phases d'exposition laser.

04.Les polyphénols à la rescousse

Pourquoi utiliser la fluorescence des végétaux plutôt que la réflectance ? Parce qu'avec cette donnée, les chercheurs peuvent recueillir deux informations au lieu d'une seule : la teneur en chlorophylle et la teneur en polyphénols. Explications.

Sous lumière ultraviolette (UV), les végétaux fluorescents réémettent de la lumière dans plusieurs longueurs d'onde du spectre : le rouge, le proche infrarouge (IR) et le bleu-vert. Les fluorescences rouge et proche infrarouge émanent des chloroplastes, de petites usines qui fabriquent la chlorophylle des feuilles. La fluorescence bleue-verte, quant à elle, provient de composés aromatiques qui se trouvent dans l'épiderme des feuilles (polyphénols, coenzymes, alcaloïdes). En couplant les signatures de fluorescence émises sous lumière UV et rouge, les scientifiques ont pu isoler et mesurer la quantité d'absorbeurs UV, principalement représentés par les polyphénols.
Spectre d’émission d’une feuille de bléSpectre d’émission d’une feuille de blé sous excitation UV. BGF = Fluorescence bleu-verte. RF = Fluorescence rouge. FRF = Fluorescence infrarouge.
© LURE

Les expériences menées sur des feuilles de blé montrent que ces deux signatures sont de bons indicateurs de la nutrition azotée. En effet, lorsque la plante manque d'azote, le taux de polyphénols augmente tandis que le taux de chlorophylle diminue. La mesure du rapport chlorophylle/polyphénols est donc un paramètre particulièrement discriminant pour établir un pronostic sur les besoins en fertilisation azotée et faire des préconisations agronomiques. De plus, les polyphénols ne sont pas influencés par une carence en soufre contrairement à la chlorophylle. Cette technique est donc plus discriminante que celle basée sur la réflectance des végétaux qui ne permet de mesurer que la teneur en chlorophylle.

En plus des informations fournies sur la teneur en azote, les polyphénols peuvent délivrer de nombreux autres renseignements qui sont très précieux en agriculture de précision. Ainsi, la teneur en polyphénols varie en fonction de l'espèce végétale. On peut donc l'utiliser pour Vue en coupe d’une feuille de bléLa fluorescence rouge provient de l’intérieur de la feuille, là où sont localisés les chloroplastes, tandis que la fluorescence bleu-verte émane surtout de l’épiderme.
© LURE
estimer le pourcentage de mauvaises herbes et préconiser des opérations de désherbage.

Certains polyphénols fluorescents sont également de bons indicateurs de la présence d'agents pathogènes (virus, champignons…) car ils augmentent lorsque la plante est affectée. Surveiller leur teneur peut donc permettre de détecter très rapidement une maladie et d'effectuer les traitements phytosanitaires appropriés. D'autres polyphénols non fluorescents sont importants pour prévenir les invasions d'insectes. En effet, ces derniers préfèrent les feuilles pauvres en polyphénols. Enfin, les raisins et le vin sont des sources bien connues et appréciées de polyphénols dans la consommation courante.

05.De nouveaux outils bientôt sur le marché

Dosage des polyphénolsPour exploiter le potentiel offert par la fluorescence, les chercheurs ont mis au point un nouvel instrument : le Dualex permet de mesurer très facilement la teneur en polyphénols des cultures dans les champs.
© Force-A
Pour exploiter le potentiel offert par la fluorescence, les chercheurs ont mis au point deux nouveaux instruments : le Dualex et le Multiplex. Ils sont commercialisés par l'entreprise Force-A qui a été créée pour leur exploitation et application agricole. Le Dualex utilise comme sources lumineuses deux diodes électroluminescentes émettant dans l'UV et dans le rouge. L'appareil, qui a la forme d'une pince, permet de mesurer très facilement la teneur en polyphénols des cultures dans les champs. Cet outil peut être utilisé en complément d'un autre indicateur pour évaluer les besoins en azote des cultures. Bientôt, le Dualex mesurera simultanément la chlorophylle et les polyphénols.

Depuis 2007, un capteur qui s'utilise sans contact avec la feuille est disponible. Il s'agit du Multiplex. La version portable (piéton) est déjà utilisée par les conseillers agricoles en France, mais aussi en Italie, au Chili, en Nouvelle-Zélande... Une deuxième version est actuellement à l’essai : elle est embarquée sur des machines agricoles pour pouvoir agir en temps réel sur les parcelles. Le Multiplex est basé sur l'analyse de plusieurs signatures de fluorescence. Il permet d’optimiser les vendanges, et d’aider à mieux gérer la culture du blé, de la pomme de terre, du maïs... Affaire à suivre…

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