Pollutions, agriculture, eau, biodiversité

Ce chapitre présente plusieurs frontières planétaires, leur fonctionnement et leur dépassement lié aux activités humaines, en particulier à l’agriculture. Il se termine avec quelques notions sur la biodiversité, mais elle est présente, telle un fil rouge tout au long de ce chapitre, et même de ce cours.

1Les cycles biogéochimiques¶

Un cycle « biogéochimique » est un processus cyclique de recyclage « naturel » de composés chimiques organiques dans la biosphère. La biosphère englobe l’ensemble des organismes vivants et leurs environnements sur Terre. Un cycle fait appel à des réservoirs, des flux, des temps de résidence.

1.1Le cycle du carbone¶

Nous avons déjà entraperçu le cycle du carbone, perturbé par les activités humaines, notamment la combustion des énergies fossiles qui rejette du dioxyde de carbone dans l’atmosphère.

La partie géologique du cycle du carbone est liée à l’équilibre de dissolution du dioxyde de carbone présent dans l’atmosphère dans l’eau des océans. Cet équilibre produit des ions carbonates (CO$_3^{2-}$) qui, combinés aux ions calcium (Ca$^{2+}$) également dissous dans l’eau (provenant de la réaction de l’acide carbonique dissous avec les roches silicatées — CaSiO$_3$) donne le carbonate de calcium (CaCO$_3$) principal composé du calcaire et de la coquille et du squelette des organismes marins. À la fin de leur vie ces composés calcaire sédimentent sur le fond marin. Les mouvements géologiques peuvent soit exposer ce calcaire à l’érosion suite à un soulèvement tectonique (orogénèse, à savoir la formation des montagnes), soit l’enfouir dans le manteau terrestre par subduction où il se retransforme sous les conditions de pression et de température élevée en silicate (CaSiO$_3$) et en dioxyde de carbone. Ce dernier peut s’échapper dans l’atmosphère à l’occasion des éruptions volcaniques. Ce réservoir géologique de carbone est constitué d’environ 120 000 000 Gt de carbone sous forme de roches sédimentaires. Les océans contiennent 37 000 Gt de carbone sous forme de carbone inorganique dissous. La surface des océans, où se passent les échanges avec le carbone atmosphérique contient 900 Gt. Ce cycle du carbone géologique se passe à l’échelle de plusieurs millions d’années. Le flux de sédimentation des roches carbonatées est d’environ 0,3 Gt/an ; le flux du dégazage volcanique du manteau est d’environ 0,1 Gt/an de carbone.

La partie biologique du cycle du carbone concerne la respiration et la décomposition des êtres vivants et la photosynthèse. Les organismes (végétaux, bactéries, etc.) contenant de la chlorophylle ont la capacité d’utiliser l’énergie radiative (du soleil) pour fixer le carbone contenu dans le dioxyde de carbone de l’air sous forme de sucres comme le glucose (C$_6$H$_{12}$O$_6$). La respiration des êtres vivants (dont les organismes photosynthétiques) rejette du dioxyde de carbone. Le flux de carbone entre la biosphère et l’atmosphère est d’envion 60 Gt/an (dans les deux sens). Les végétaux stockent environ 400 Gt de carbone, l’atmosphère 860 Gt et les sols 2300 Gt auxquelles il faut ajouter 1600 Gt dans les pergélisols (les sols gelés en permanence aux hautes latitudes). Le stockage dans les sols se fait sous forme de matière organique (végétaux morts), il dure en moyenne quelques décennies.

Le corps humain contient 18 % de sa masse sous forme de carbone constituant les glucides, les lipides, les protéines, etc. Ce carbone provient du dioxyde de carbone de l’atmosphère qui a été fixé par photosynthèse dans les plantes que nous ingérons ou qui sont ingérées par les animaux que nous ingérons ensuite.

1.2Les cycles de l’azote et du phosphore¶

1.2.1Le cycle de l’azote¶

L’azote est une autre brique essentielle à la vie. Le corps humain en contient 3 % en masse. Il est l’une des briques élémentaires des acides aminés (et donc des protéines et de l’ADN). L’atmosphère contient une très grande quantité d’azote (78 % des molécules d’air) sous forme de diazote (N$_2$). Cependant la plupart des êtres vivants ne sont pas capables d’incorporer directement l’azote atmosphérique. Seules quelques bactéries (genre Rhizobium) peuvent fixer le diazote et le transformer en azote organique (ion ammonium — NH$_4^+$ ; ion nitrate — NO$_3^-$ ; ion nitrite — NO$_2^-$) qui peut ensuite être utilisé par les autres êtres vivants. Ces bactéries vivent dans les sols, et certaines d’entre elles vivent en symbiose avec des plantes, les légumineuses (soja, pois, haricot, lentille, luzerne, trèfle, etc.). Ces bactéries forment des nodosités sur les racines ainsi capables de récupérer directement l’azote atmosphérique (figure 1).

L’autre source d’azote organique au sein du sol est la décomposition des êtres vivants morts qui restituent ainsi les éléments qu’ils contiennent au milieu (figure 2).

1.2.2Le cycle du phosphore¶

Le phosphore est important pour fournir l’énergie aux êtres vivants pour leur métabolisme ou leur locomotion sous la forme d’ATP (adénosine triphosphate). Le corps humain en contient 0,8 % en masse.

Le phosphore est présent dans la matière minérale, il est libéré par le lessivage (cycle de l’eau) et la dissolution des roches, il devient alors disponible pour les plantes sous la forme de phosphate (PO$_4^{3-}$). La matière organique en décomposition libère le phosphore organique dans le sol : celui-ci est alors à nouveau utilisable par des plantes. Le lessivage des sols concentre le phosphore dans les sédiments marins ; celui-ci revient sur terre par la tectonique des plaques (cycle lent) et par les excréments des oiseaux marins (guano).

1.2.3L’anthropisation du cycle de l’azote¶

Au début du 20^e siècle le chimiste allemand Fritz Haber parvient à synthétiser l’ammoniac (NH₃) à partir de l’azote atmosphérique (N$_2$) et de dihydrogène (H$_2$). En 1913, la réaction est industrialisée par l’entreprise BASF sous l’impulsion de l’ingénieur Carl Bosch (figure 3). Il s’agit du procédé « Haber-Bosh ». L’ammoniac sert de base à la constitution des engrais industriels azotés. La réaction est réalisée à haute pression et haute température :

N$_2$ atmosphérique + hydrogène (issu du gaz naturel — CH$_4$) $\rightarrow$ NH$_3$ + CO$_2$

La production d’ammoniac nécessite beaucoup d’énergie (elle constitue 2 % des rejets mondiaux de dioxyde de carbone) et d’hydrogène issu du gaz naturel (la production d’ammoniac synthétique consomme 5 % de la poduction annuelle de gaz naturel). La production de 1 kg d’ammoniac rejette 5 kgCO$_2$é.

1.2.4L’eutrophisation¶

L’eutrophisation (du grec ancien « bien » et « nourriture ») est l’accumulation de nutriments dans un habitat terrestre ou aquatique. Il s’agit d’un déséquilibre que l’on constate essentiellement dans les milieux aquatiques lié à un excès de concentration d’azote et de phosphore. En effet, les composés azotés et phosphatés organiques (nitrates, phosphates) sont très solubles dans l’eau, ils se retrouvent facilement dans les eaux de ruissellement puis dans les cours d’eau, les lacs et le littoral. Ce surplus d’azote et de phosphore provient des activités humaines (engrais, épandage de fumier et lisier, eaux usées, etc.). Il provoque la multiplication d’espèces aquatiques (comme, par exemple les lentilles d’eau sur les bassins d’eau douce ou les algues vertes sur les littoraux) et de cyanobactéries.

Cette augmentation de la biomasse végétale limite de plus en plus la pénétration de la lumière ce qui limite la production d’oxygène par photosynthèse dans les profondeurs. Le milieu fini par consommer tout son oxygène (hypoxie ou anoxie — très peu ou pas d’oxygène). Les bactéries aérobie (qui décomposent la matière organique en présence d’oxygène) sont remplacées par des bactéries anaérobies (qui décomposent la matière organique sans oxygène) ce qui entraine une fermentation et un dégagement de gaz de type méthane, ammoniac ou sulfure d’hydrogène (figure 5). Cela entraine la disparition de nombreuses espèces végétales et animales, et donc engendre une baisse de biodiversité.

Le phénomène d’eutrophisation est particulièrement important en Bretagne. Il se matérialise avec la prolifération d’algues vertes sur les littoraux peu profonds (figure 6).

La problématique des algues vertes en Bretagne est très bien documenté dans l’enquête de la journaliste Inès Léraud publiée en bande dessinée : « Algues vertes, l’histoire interdite » (Delcourt) en 2019. Enquête qui a inspiré le film de Pierre Jolivet « Les algues vertes » sorti en 2023 avec Céline Sallette dans le rôle d’Inès Léraud (figure 7).

1.2.5Le nitrate d’ammonium : un explosif !¶

Le nitrate d’ammonium (NH$_4$NO$_3$) est un composé des engrais industriels. C’est aussi un explosif puissant. Il est à l’origine de plusieurs catastrophes industrielles. Citons l’explosion de 300 à 400 t de nitrate d’ammonium qui a ravagé l’usine AZF à Toulouse en 2001 qui a fait 31 mort·es et 2500 blessé·es (figure 8). Elle produisait essentiellement des engrais par le procédé Haber-Bosch, grâce à sa proximité avec le gisement de gaz naturel de Lacq.

Et l’explosion de 400 à 600 t de nitrate d’ammonium qui étaient entreposés dans le port de Beyrouth au Liban en 2020, faisant 235 mort·es, 6500 blessé·es et 4 milliards d’euros de dégâts (figure 9).

2L’agriculture et l’alimentation¶

2.1L’agriculture intensive « moderne »¶

L’agriculture intensive moderne est un système de production agricole fondé sur un accroissement de la production agricole optimisé par rapport à la disponibilité des facteurs de production (moyens humains, matériels et surfaces cultivées).

Elle repose sur quatre piliers :

• La mécanisation et automatisation et maintenant robotisation et IA.
• La chimie : pesticides et engrais azotés.
• La sélection variétale : production de semences « artificielles » (biologie, génétique, biotechnologies...), privatisation des semences.
• L’irrigation.

Elle est responsable de 24 % des rejets mondiaux de gaz à effet de serre, les principaux n’étant pas le dioxyde de carbone mais le protoxyde d’azote^[1] (N$_2$O) qui provient des engrais azotés synthétiques^[2] (figure 10) et le méthane^[3] (CH$_4$) qui provient de la fermentation entérique des ruminants (ovins, bovins...) et de la culture du riz. Les émissions de dioxyde de carbone de l’agriculture proviennent des engins mécaniques, du labour intensif, qui, en retournant le sol expose le carbone qu’il contient à l’oxygène de l’air en le transformant en dioxyde de carbone (Cooper et al. (2021)).

Six frontières planétaires sont directement atteintes par l’agriculture intensive :

• Le réchauffement climatique avec les rejets de gaz à effet de serre.
• Les cycles biogéochimiques avec l’utilisation d’engrais de synthèse qui perturbent les cycles de l’azote et du phosphore.
• Le cycle de l’eau : l’agriculture consomme des quantités considérables d’eau pour l’irrigation. Elle pertube le cycle de l’eau (bleu et verte) en prélevant dans les rivières, les lacs ou les nappes phréatiques l’eau dont elle besoin.
• L’introduction d’entités nouvelles : l’agriculture est responsable de vastes pollutions avec des molécules pesticides (figure 12) ; l’utilisation d’engrais phosphatés entraine des concentrations de cadmium dans les sols et dans les aliments^[4].
• La biodiversité est fortement impactée par toutes les pratiques de l’agriculture intensive : monoculture (figure 11), usage des pesticides, vastes étendues agricules (suppression des haies), etc.
• Le changement d’usage des sols est également au cœur des pratiques agricoles, avec la déforestation, la suppression des haies, la monoculture, etc.

2.2La révolution verte¶

La « révolution verte » est l’orientation politique et industrielle de l’agriculture pendant la période 1960-1990 suite aux progrès techniques notamment dans le domaine de la chimie (engrais de synthèse et pesticides). La Première Guerre Mondiale a engendré la reconversion des industries de matériel militaire (char d’assaut) dans le domaine agricole entrainant une mécanisation importante dans la première moitié du 20^e siècle. L’intensification de l’agriculture a aussi été rendue possible par la mise au point de nouvelles variétés à haut rendement (hybrides souvent), notamment de céréales (blé et riz), grâce à la sélection variétale.

La contribution des engrais de synthèse à cette révolution agricole est saisissante. La figure figure 13 montre la croissance de la consommation d’engrais dans le monde depuis le début de la révolution verte. En 2023, cette consommation était de 183 millions de tonnes soit 6,5 fois plus qu’en 1961 ! La figure 14 montre qu’après une forte augmentation la consommation d’engrais par personne s’est stabilisée au début des années 1990. Elle est environ de 23 kg/an par personne en 2023.

La croissance de la population semble donc être en partie responsable de la croissance de la consommation d’engrais. En fait, c’est exactement l’inverse. C’est grâce à la synthèse de l’ammoniac (procédé Haber-Bosch) que la population connait une croissance importante à partir du milieu du 20^e siècle. La figure 15 montre en effet que le 20^e siècle connait un taux de croissance de la population très important, qui culmine en 1968 : la population croit fortement à partir des années 1950.

De fait, la figure 16 montre que sans le procédé Haber-Bosch la population serait environ deux fois moindre à la surface de la Terre.

La seconde moitié du 20^e voit en effet augmenter considérablement les redements de certaines plantes cultivées, comme le blé (figure 17), qui passe de 15 q/ha (quintal par hectare) à 70 q/ha soit un facteur 4,7 en 50 ans ! D’autres espèces suivent ou ont suivi une courbe similaire (maïs, betterave sucrière, riz...). Il en est de même pour la production de viande.

La révolution verte et la mise en place d’une agriculture intensive a permis de diminuer la malnutrition dans le monde, de réduire la pauvreté dans le monde, d’éviter la famine pour un grand nombre de personnes (Pingali (2012)).

2.3L’envers du décor¶

L’agriculture intensive, basée sur le développement et le déploiement technologique a permis une croissance importante de la population. Mais à quel prix ?

L’accès aux technologies agricoles, couteuses, n’est pas à la portée de tous·tes les agriculteur·ices : il en resulte de profondes inégalités dans les sociétés rurales, une concentration des terres et une croissance de la taille des exploitations.

Les conséquences environnentales sont considérables et montrent que le système n’est pas viable à long terme : la mécanisation liée au travail du sol l’épuise et diminue sa biodiversité tout comme les intrants (engrais et pesticides) le polluent et le rendent toxique. L’irrigation puise de plus en plus directement dans les nappes phréatique entrainant une compétition entre l’eau pour boire et l’irrigation de cultures inadaptées. La biodiversité est fortement impactée par les vastes monocultures, le labour profond, l’usage des pesticides et des engrais. Tous ces éléments montrent une agriculture sous perfusion technologique avec une nécessaire surenchère pour continuer à produire ainsi.

2.3.1L’exemple des pesticides¶

Les pesticides^[6] ou « produits phytosanitaires » sont des produits pour protéger les cultures des agresseurs (mauvaises herbes ou adventices, insectes, champignons…) ; ils regroupent les herbicides, insecticides, fongicides et parasiticides. Ce sont des produits pour « tuer la vie », qui ne tuent pas seulement ce pour quoi ils sont fabriqués, ce qui entraine une perte de biodiversité.

En 1962 la biologiste américaine Rachel Carson publie le livre Printemps silencieux (figure 18) dans lequel elle dénonce les effets du DDT, un insecticide mis sur le marché aux États-Unis en 1943, notamment sur les oiseaux. Elle y accuse également l’industrie chimique de pratiquer la désinformation. L’utilisation du DDT en agriculture a été interdit aux États-Unis en 1972. Le DDT reste néanmoins utilisé dans certains cas (comme la lutte chimique contre les moustiques vecteurs de paludisme).

Pour autant, d’autres substances l’ont remplacé en agriculture : dès qu’un composé est démontré nocif pour l’environnement et interdit, l’industrie chimique le remplace aussitôt par un produit encore plus nocif. L’escalade est sans fin.

Les derniers produits mis sur le marché sont les néonicotinoïdes, une famille d’insecticides agissant sur le système nerveux ; ils sont mis en vente dans les années 1990. Ils sont 1000 fois plus toxiques que le DDT : quelques g/ha suffisent... Ils sont interdits en Europe depuis 2018^[7] mais les trente années pendant lesquels ils ont été utilisé ont fait des ravages notamment sur les populations d’insectes.

Les pesticides sont également nocifs pour la santé humaine. Les agriculteur·ices doivent se protéger avec des combinaisons pour les utiliser. Il y a des risques de cancers et de déformation des fœtus pour les femmes enceintes. Le lien causal avec le cancer se précise même avec une publication très récente qui associe (avec un niveau de preuve inédit) des cas de cancer à une exposition aux pesticides.

2.3.2Le déclin des populations d’insectes¶

La figure 19 montre le résultat d’une étude sur les populations d’insectes dans plusieurs dizaines de zones protégées en Allemagne. Le résultat est alarmant : la biomasse a chuté de 77 % en l’espace de 27 ans !

D’autres études confirment ce déclin dans de nombreuses zones, selon différentes modalités (biomasse, abondance, biodiversité). Il s’explique par la destruction des habitats, notamment par l’agriculture intensive (diminution des zones humides, des haies par le remembrement...), par l’utilisation de pesticides (en particulier d’insecticides), par l’eutrophisation, l’urbanisation et l’industrialisation, les pollutions (métaux, oxydes d’azote — les NOx), les espèces envahissantes et le réchauffement climatique (Eggleton (2020)).

La figure 20 montre l’évolution de l’utilisation d’un pesticide néonicotinoïde aux États-Unis entre 1992 et 2019. La corrélation entre l’utilisation de ces insecticides et le déclin foudroyant des insectes est flagrante. La causalité reste controversée, même si des études montrent qu’ils entrainent des pertes de biodiversité (Woodcock et al. (2016)).

2.4L’alimentation¶

L’agriculture intensive prétexte l’alimentation de l’ensemble de l’humanité pour justifier son existence. Pourtant de larges inégalités subsistent : toute l’humanité n’est pas nourrie correctement. Nous allons voir dans cette section que des alternatives sont possibles.

2.4.1Le problème de la viande¶

L’élevage pour la production de produits carnés et de viande en particulier pose un certain nombre de problèmes. Dont celui de l’empreinte carbone : l’élevage c’est 15 % des rejets de gaz à effet de serre (7 GtCO$_2$é/an). La production d’un kilogramme de bœuf rejette 27 kgCO$_2$é et consomme 13 500 L d’eau (à comparer, par exemple, avec le blé qui consomme 1200 L d’eau par kg).

La figure 9 montre la distribution de la masse de l’ensemble des êtres vivants sur Terre. Les êtres humains et les animaux d’élevage (livestock) représentent 8 % de la masse (en carbone) de l’ensemble des animaux^[8], ce qui est loin d’être négligeable. Les animaux d’élevage pèsent 14 fois plus que les mammifères sauvages !

L’élevage c’est aussi 2000 animaux tués par seconde dans le monde. Les produits animaux (viande et produits laitiers) représentent 50 % des rejets de gaz à effet de serre de l’agriculture mais seulement 10 % des calories^[9] ingérées. De même, 40 % des céréales produites le sont pour nourrir le bétail. Donc 70 % de la surface cultivée sert de nourriture (pâturage et céréales) pour le bétail. La déforestation (forêt amazonienne) est une conséquence de cette agriculture tournée vers la production de viande.

La consommation de viande a baissé (un peu) en France, mais croit fortement dans le monde (figure 22) passant de 22 kg/an/pers en 1961 à 42 kg/an/pers en 2020-22. Soit 338 millions de tonnes (équivalent-carcasses) consommées en moyenne dans le monde en 2022.

Les rejets de gaz à effet de serre de la consommation de viande (et de produits animaux en général) sont très élevés (figure 23). La viande de bœuf, loin en tête du palmarès, rejette environ 60 kgCO$_2$é par kilogramme de viande, suivie par la viande d’agneau un facteur 2,5 moindre.

La consommation de viande augmente fortement dans le monde, ce qui pose de sérieux problèmes environnementaux compte tenu de l’impact écologique de l’élevage. Cela pose également des problèmes sanitaires. Ainsi, 42 kg de viande (bœuf, porc, mouton, volaille...) sont consommés par an par personne dans le monde en moyenne. Et justement, il y a de grosses disparités qui sont représentées sur la figure 24 (en kcal). En France, en 2022, la consommation totale de viande était de 84,6 kg/personne, aux États-Unis elle était de 122,8 kg/personne. Inversement, en Inde, elle était de 6,63 kg/personne.

La figure 24 montre que diminuer la consommation de calories carnées par les pays les plus consommateurs pour revenir à une consommation médiane similaire à celle du Moyen-Orient ou de l’Afrique du Nord en 2010, permettrait de limiter l’usage des terres agricoles (et donc d’arrêter de déforester), et de réduire fortement les émissions de gaz à effet de serre. Il suffirait même de reporter la consommation de bœuf vers d’autres types de viandes moins problématiques d’un point de vue environnemental (figure 23). Cela rejoint les recommandations en matières de santé qui sont de 500 g de viande rouge (bœuf, porc, agneau, mouton...) par semaine maximum pour réduire les risques de maladies cardiovasculaires, de diabète de type 2, d’hypertension, de surpoids, du cancer colorectal... Soit 26 kg/an hors volaille (en France, la consommation de viande rouge est de 60 kg/personne/an, c’est une réduction d’un facteur 2,5), ce qui est encore beaucoup par rapport au seuil équitable de la figure 24 qui se trouve à 52 kcal/jour ou environ 26 g/jour soit plutôt 10 kg/an.

2.4.2Le problème du gaspillage alimentaire¶

L’autre marge de manœuvre pour nourrir correctement l’humanité est la réduction du gaspillage. Dans le monde, environ un tiers de la part comestible des aliments destinés à la consommation humaine est perdue ou gaspillée, équivalant à environ 1,3 milliards de tonnes par an. Les denrées sont gaspillées tout au long de la chaîne alimentaire, de la production initiale à la consommation finale par les ménages. La figure 25 montre le gaspillage en kg/personne pour différentes régions du mondes correspondant à la phase de production et de distribution et à celle de la consommation. Elle montre que la partie de gaspillage lors de la production et la distribution est à peu près identique partout autour de 170 kg/personne/an. En Europe le gaspillage par les consommateurs représente 35 % des pertes. La figure montre également que le gaspillage alimentaire par les consommateurs est corrélé à la richesse. Le gaspillage alimentaire par les consommateurs enregistré dans les pays industrialisés (222 millions de tonnes) est presque aussi élevé que le total de la production alimentaire nette enregistrée en Afrique subsaharienne (230 millions de tonnes)... Réduire ce gaspillage est donc un impératif.

2.4.3Comment nourrir 10 milliards d’êtres humains ?¶

Réduir la consommation de viande pour éviter de devoir agrandir les surfaces cultivables et supprimer le gaspillage alimentaire à toutes les étapes, sont des étapes indispensables pour nourrir correctement toute l’humanité (il y encore 700 millions de personnes sous-alimentées dans le monde), tout en réformant le système de production agricole qui, nous l’avons vu, n’est pas écologiquement soutenable dans le temps.

En 2020 moins de la moitié des calories produites par l’agriculture a servi à nourrir la population. L’autre moitié (54,7 %) est « perdue » dans (figure 26) :

• la production de bœuf (qui nécessite 10 kcal / kcal de viande sans os) — 40 % ;
• les cultures non-alimentaires (comme les biocarburants) — 15 %.

Les terres agricoles ont produit suffisamment de calories pour nourrir 14,5 milliards de personnes en 2020. Pourtant :

• 733 millions de personnes souffraient de faim chronique en 2023 ;
• 2,3 milliards étaient en situation d’insécurité alimentaire modérée à grave ;
• en 2021, 2,11 milliards d’adultes de plus de 25 ans étaient en surpoids ou obèses. Le système alimentaire actuel ne répond clairement pas aux besoins nutritionnels de la moitié de la population mondiale.

2.4.4Se nourrir sainement¶

Les régimes alimentaires sains se caractérisent par un apport calorique optimal (figure 27 et figure 28) et se composent principalement d’une diversité d’aliments d’origine végétale, de faibles quantités d’aliments d’origine animale, de graisses insaturées plutôt que saturées et de quantités limitées de céréales raffinées, d’aliments hautement transformés et de sucres ajoutés (Willett et al. (2019)).

En multipliant par au moins deux la consommation d’aliments sains tels que les fruits, les légumes, les légumineuses et les noix, en réduisant de plus de 50 % la consommation mondiale d’aliments moins sains tels que les sucres ajoutés et la viande rouge (c’est-à-dire principalement en réduisant la consommation excessive dans les pays riches^[10] — voir la figure 29 et la figure 30 ), on « gagne » suffisamment de calories pour nourrir 850 millions de personnes !

2.5Une autre agriculture est possible¶

L’agroécologie est une production agricole qui s’appuie sur les écosystèmes eux-mêmes afin de diminuer les pressions sur l’environnement et de préserver les ressources. Des légumineuses sont associées aux cultures pour enrichir les sols en azote organique, le labour profond est limité pour augmenter la quantité de carbone dans les sols (et pour limiter leur oxydation et préserver la biodiversité notamment les vers de terre), les cultures sont diversifiées.

L’agriculture « biologique » est une agriculture qui s’interdit l’utilisation d’engrais et de pesticides de synthèse (ainsi que d’OGM).

Dans tous les cas, la baisse (éventuelle) des rendements peut être compensée par une diminution du gaspillage et un changement global de comportement alimentaire (régime moins carné).

3L’empreinte eau¶

Cette section est en partie basée sur le cours donné par Alexis Groleau.

3.1Le cycle de l’eau¶

Le cycle de l’eau (figure 31) décrit les mouvements de l’eau à la surface de la Terre entre le sol, le sous-sol, l’atmosphère et les océans. La quantité d’eau sur Terre est constante, elle se trouve sous forme liquide, solide et gazeuse, dans des réservoirs (table 1) ou en train de s’écouler.

Le moteur du cycle de l’eau est l’énergie solaire qui permet l’évaporation de l’eau.

3.2Eau bleue, eau verte¶

L’eau des précipitations se décompose en deux fractions selon sa vitesse de transit dans le cycle de l’eau. La distinction entre « eau bleue » et « eau verte » est proposée en 1995 (figure 32) :

• L’eau « bleue » transite rapidement dans les cours d’eau, les lacs, les nappes phréatiques. Elle représente 40 % de la masse totale des précipitations.
• L’eau « verte » est l’eau stockée dans le sol et la biomasse ; elle est évaporée ou absorbée et évapotranspirée par les plantes, et retourne ainsi directement dans l’atmosphère. Elle représente 60 % de la masse des précipitations.

Ces deux réservoirs génèrent des flux par l’intermédiaire de la biomasse pour l’eau verte et via les rivières, les zones humides, les eaux souterraines, pour l’eau bleue.

3.3Une frontière planétaire dépassée¶

Les activités humaines modifient profondément le cycle de l’eau depuis la naissance de l’agriculture (Néolithique). Cela s’est intensifié depuis le 20^e siècle. De l’eau est directement puisée dans le cycle (par exemple dans les nappes phréatiques pour les besoins de l’alimentation, de l’industrie — mise en bouteille —, de l’agriculture — stockage dans des « mégabassines ») pour les activités humaines, des cours d’eau sont modifiés, canalisés, stockés dans des barrages et des retenues. La modification du couvert végétal (déforestation, agriculture, urbanisation) modifie également fortement les écoulements. Le réchauffement climatique perturbe également le cycle de l’eau : une atmosphère plus chaude contient plus de vapeur d’eau^[11].

Pour quantifier la frontière planétaire du cycle de l’eau, les scientifiques modélisent la surface des continents avec des carrés d’environ 50 km de côté. Ils calculent pour chacune de ces cases les variations des flux d’eau bleue et d’eau verte. Pour l’époque industrielle (1861-2005), ils obtiennent des écarts importants à la moyenne (plus sèches ou plus humides) sur 18 % de la surface des terres pour l’eau bleue et 16 % pour l’eau verte. Pour l’époque antérieure (1661-1860), ils obtiennent 10 % d’écarts pour l’eau bleue et 11 % pour l’eau verte. La différence significative entre les deux époques indique que la « frontière » eau est dépassée (Porkka et al. (2024),Virkki et al. (2025)).

3.4L’eau disponible¶

L’eau douce disponible pour les activités humaines représente 1 % du stock d’eau douce (figure 33). Parmi cette ressource en eau, environ 20 % est actuellement utilisée, soit $9\cdot 10^{12}$ m$^3$ (soit 9000 km$^3$). Cela représente, en moyenne 1125 m$^3$/an par personne (3082 L/jour/personne !). Cette consommation se répartit de la manière suivante (Hoekstra & Mekonnen (2012)) :

• 74 % d’eau verte (précipitations) ;
• 11 % d’eau bleu (eau de surface) ;
• 15 % d’eau grise (eau « usée »^[12]).

L’utilisation se répartit de la manière suivante :

• à 92 % par l’agriculture ;
• à 4,4 % par industrie ;
• à 3,6 % pour les usages domestiques.

La figure 34 montre l’empreinte eau par pays (Hoekstra & Mekonnen (2012)).

L’eau virtuelle est la quantité d’eau nécessaire à la fabrication de biens de consommation ou intermédiaires. Il s’agit de l’eau « qui n’est pas visible » ; elle représente 97 % de l’empreinte eau dans laquelle seulement 3 % est de l’eau « visible ». La figure 35 illustre cela à travers quelques objets et denrées du quotidien.

3.5L’eau en bouteille¶

En France, boire de l’eau en bouteille est une aberration. L’eau du robinet est effectivement de très bonne qualité, elle est fortement contrôlée (même si elle peut contenir des molécules problématiques, comme des résidus de pesticide ou des PFAS). L’eau en bouteille revient beaucoup plus chère : l’eau du robinet coute environ 0,3 c€/L tandis que l’eau en bouteille revient à 0,2 à 1,5 €/L soit un facteur 67 à 500 fois plus élevé !

Les eaux en bouteille plastique contiennent de fortes concentrations en micro et nanoplastiques (de tailles inférieures à 5 mm et à 1 µm) (Hagelskjær et al. (2025)). De manière générale il faut éviter de mettre des aliments en contact avec des récipients en plastiques et surtout de les faire chauffer dans des récipients en plastique : il y a un dégazage de molécules nocives^[13]. Il est préférable d’utiliser au maximun des récipients en verre. Malgré les inconvénients de ce matériau qui est plus lourd et plus fragile que le plastique ; c’est d’ailleurs ce qui fait le succès des récipients en plastique, ils sont étanches, légers et solides.

La gestion de la bouteille plastique « déchet » est d’ailleurs problématique, il finit souvent dans l’environnement où il se fragmente en petits morceaux (micro et nanoplastiques).

3.6La pollution plastique¶

Les plastiques se fragmentent sous l’action du rayonnement ultraviolet et par action mécanique. Les microplastiques (< 5 mm) sont absolument partout : on les retrouve dans tous les océans, dans l’air, en montagne, en Antarctique. Et donc à tous les étages de la chaine alimentaire (le réseau trophique), jusque dans le corps humain, comme l’illustre la figure 36.

Les microplastiques, constitués de molécules synthétiques, ne sont pas dégradés par des processus naturels : ils persistent et s’accumulent dans les chaines alimentaires. Leur effet sur la santé humaine est mal connu.

On mesure une quantité de 1 à 5 millions de tonnes de microplastiques dans les océans soit un morceau par 2 m² (Maes (2022)). Les nanoplastiques (< 1 µm) représentent 27 millions de tonnes dans l’Atlantique nord (ten Hietbrink et al. (2025)).

Les microplastiques que l’on retrouve dans les océans proviennent :

• du lavage des textiles synthétiques (35 %) ;
• de l’abrasion des pneus sur les routes (28 %) ;
• des poussières urbaines, à savoir l’usure des matériaux divers en ville (24 %) ;
• du marquage routier (7 %) ;
• des peintures marines qui contiennent du polyuréthane, de l’époxy ainsi que des vinyles ou des laques (3,7 %) ;
• les produits de toilette (cosmétiques) (2 %) ;
• les granulés de plastiques (0,2 %).

4La biodiversité¶

4.1Écologie ou écologie ?¶

De quoi parle-t-on quand on parle d’écologie ? Ce terme revêt différents aspects, tous liés aux liens entre les êtres vivants (dont les humains) et la nature. On pourra distinguer :

• L’écologie qui est une discipline scientifique étudiant les interactions des êtres vivants (non humains) entre eux et avec leur milieu.
• L’écologisme est un courant de pensée qui vise à la protection et au respect du vivant, de l’environnement, de la nature.
• L’écologie politique est la prise en compte des enjeux socio-écologiques dans l’action politique. Bien que ces trois courants se rejoignent sur nombre de points, ils sont souvent confondus et dénommés « écologie » (les figures 37, 38 et 39 illustrent ces trois positions).

4.2Les écosystèmes¶

Un écosystème peut être défini comme un « complexe dynamique composé de plantes, d’animaux, de micro-organismes et de la nature morte environnante agissant en interaction en tant qu’unité fonctionnelle » (Watson & Zakri (2005)). Ou encore comme « un ensemble formé par une communauté d’êtres vivants en interaction (biocénose) avec leur environnement (biotope) »

Ainsi un écosystème est un lieu de vie (un biotope) dans lequel il y a des êtres vivants qui coéxistent, s’organisent et interagissent (la biocénose). Les interactions ont lieu entre deux compartiments : le compartiment biotique qui regroupe les êtres vivants et le compartiment abiotique qui regroupe ce qui est non-vivant (eau, nutriments, énergie). Il y a des interactions entre les deux compartiments (figure 40).

La figure figure 41 donne un exemple d’écosystème, tout comme la figure 42.

4.3La biodiversité¶

La biodiversité est définie comme « la variabilité parmi les organismes vivants de toutes origines, entre autres dans les écosystèmes terrestres, marins, aquatiques, ainsi que parmi les complexes écologiques dont ils font partie ; cela inclut la diversité au sein des espèces, entre les espèces et celle des écosystèmes. » (Watson & Zakri (2005))

En gros, la biodiversité c’est comme son nom l’indique la diversité du vivant. Elle revêt quatre niveaux :

• La diversité des espèces (diversité interspécifique) ; c’est la plus visible.
• La diversité génétique à savoir la variabilité des gènes au sein d’une même espèce.
• La diversité selon la fonction écologique (pollinisation, filtrage de l’eau, production d’oxygène, etc.).
• La diversité des écosystèmes présents sur Terre et formant la biosphère.

La biodiversité est un indice de la « santé » de la nature. Plus la biodiversité est importante, plus la nature est résiliente, c’est-à-dire qu’elle peut guérir facilement des perturbations qui l’affectent.

4.4Pourquoi la biodiversité est importante ?¶

L’espèce humaine, malgré sa volonté séculaire de vouloir se différencier ou s’extraire de la « nature » et en ayant une ambition de domination sur elle, vit en interaction permanente avec la biodiversité. Celle-ci lui rend d’inombrables services, les « services écosystémiques ». En effet, d’un point de vue anthropocentré, la biodiversité nous permet :

• de respirer (production d’oxygène par la photosynthèse) ;
• de boire (en filtrant l’eau) ;
• de manger (notre nourriture est constituée d’êtres vivants) ;
• d’avoir du bienêtre au sein de la nature ;
• d’avoir de l’inspiration (artistique, notamment) ;
• etc.

Les services écosystémiques recouvrent d’autres aspects comme la pollinisation des fleurs par les insectes, ce qui permet d’avoir des fruits. 70 % des cultures dépendent des pollinisateurs (figure 43).

Une importante diversité parmi le vivant permet plus d’options pour répondre à des déséquilibres. C’est donc plus « efficace » et plus pérenne. Par exemple en agriculture, il vaut mieux de la diversité pour mieux répondre aux agressions (insectes, champignons, maladies...), ce que l’agriculture intensive ne fait pas : elle doit en contrepartie utiliser beaucoup de produits phytosanitaires (pesticides).

Enfin, la biodiversité est importante pour elle-même en dehors de toute considération humaine et sans utilitarisme.

4.5L’évolution de la biodiversité¶

La biodiversité augmente en moyenne en permanence depuis que le vivant existe. Elle a néanmoins subit des aléas au cours de l’histoire de la Terre, dont cinq grandes extinctions. Celles-ci ont entrainé la disparition brutale d’une grande partie (plus de 50 % des genres) de la biodiversité à l’échelle globale de la planète (figure 44). Mais la vie se remet et poursuit sa conquête.

4.6La catastrophe actuelle¶

Les écologues estiment l’état de la biodiversité en faisant des inventaires d’espèces, des suivis de populations dans le temps (sur plusieurs années ou décennies) ou des comparaisons avec le passé quand il existe des données historiques. Ils constatent actuellement que le rythme des extinctions est 100 à 1000 fois plus rapides que la normale. En effet, bien que la biodiversité augmente avec le temps, des espèces disparaissent de manière continue à un rythme « normal » d’une disparition tous les 5 à 10 millions d’années.

Actuellement, le nombre des disparitions est comparables en rapidité et en nombre aux cinq grandes extinctions connues. C’est pourquoi on parle de « 6^e extinction » (Cowie et al. (2022)).

Les causes des cinq grandes extinctions sont généralement multi-factorielles et spéculatives pour les quatre premières. La cinquième, celle du Crétacé-Tertiaire, il y a 66 millions d’années, qui a vu la disparition des dinosaures, a pour origine probable l’impact d’une météorite de quelques dizaines de kilomètres de diamètre. La sixième extinction, en cours, a pour origine les activités humaines.

Les causes identifiées actuellement sont (Brondízio et al. (2019)) :

• Les modifications des habitats des espèces (destruction, banalisation^[14], fragmentation, artificialisation, déforestation, drainage, mise en culture, pollution lumineuse, pollution sonore, etc.) — ce qui correspond à la frontière planétaire du changement d’usage des sols.
• La surexploitation (surchasse, surpêche, surlabourage, surpâturage...) ;
• La pollution (des eaux, des sols, de l’air), dont les pesticides — ce qui correspond à la frontière planétaire des « entités nouvelles ».
• L’introduction d’espèces exotiques envahissantes, à savoir des espèces exotiques dans un milieu donné qui s’y établissent et deviennent nuisibles pour les autres espèces.
• Le changement climatique.

4.7La biodiversité comme allié¶

La biodiversité est un atout considérable pour le bienêtre et la vie humaine. Il faut en prendre soin, et le retour est considérable. Et inversement. La biodiversité est réactive et très résiliente : elle s’adapte relativement facilement à des conditions difficiles. Par exemple, autour de Tchernobyl, suite à l’accident nucléaire de 1986, la vie est revenue petit à petit malgré la radioactivité toujours présente.

Le principal conseil est donc de la laisser tranquille : moins on s’en occupe, mieux la biodiversité se porte.

• Contempler une fleur plutôt que la cueillir…
• Aimer/respecter les ours polaires mais aussi les araignées ou les moustiques !! (et les tiques aussi ?)
• Ne pas couper les arbres à tort et à travers
• Limiter la tonte des pelouses (figure 45), pratiquer la fauche tardive.
• Laisser la nature faire ! Et en apprécier la beauté.
• Etc.

Un couvert végétal abondant est de surcoit un allié précieux pour l’adaptation aux changements climatiques : il protège des températures trop élevées^[15] (figure 46) et absorbe l’eau de pluie, l’empêchant de trop ruisseler.

Le reboisement des zones désertiques a prouvé son efficacité. Néanmoins les promesses industrielles et politiques de « compensation carbone » par la plantation d’arbres n’est pas une solution pérenne qui peut se substituer à la diminution drastique des rejets de gaz à effet de serre.

Plusieurs exemples de reboisement ont fonctionné. Citons celui effectué par le couple Salgado^[16] au Brésil au début des années 2000 (figure 47).

On peut citer aussi l’histoire de Yacuba Sawadogo (1946-2023), un paysan du Sahel au nord du Burkina Faso qui parvint à planter des arbres pour stopper l’avancée du désert. Son histoire est relatée dans le livre L’homme qui arrêta le désert de Damien Deville et Yacuba Sawadogo (2022). Autre exemple, celui du village de Chaudun dans les montagnes des Hautes-Alpes, où à la fin du 19^e siècle, les paysans durent quitter leur village ravagé par les conditions météorologiques devenues trop rudes. L’État reboisa, c’est désormais une réserve de biodiversité. Cette histoire est décrite dans le livre de Luc Bronner, Chaudun, la montagne blessée (2020). Tout cela résonne avec la magnifique histoire de Jean Giono, L’homme qui plantait des arbres...

4.8Une nécessaire reconnexion à la nature¶

La protection de la santé de l’humanité passe par celle de l’animal et de leurs interactions avec l’environnement. La santé animale, végétale, la santé de l’environnement et celle de l’humanité sont donc intimement liés (figure 25).

La notion de nature est une invention des sociétés occidentales modernes. Elle a été créé pour extraire et séparer l’humanité de son environnement afin de mieux préciser sa domination sur les autres espèces. Le Siècle des Lumières où la science et le rationalisme ont fait leur essor non seulement dans l’objectif de comprendre le monde qui nous entoure — la nature — mais surtout pour le dominer par la connaissance et son avatar, la technique. La nature devient une externalité dans laquelle le capitalisme — qui prend son essor à la même période — puise sans limites pour sa propre croissance.

Une reconnexion de l’humanité à la nature pour effacer la frontière qu’elle a elle-même établi est une étape nécessaire pour enrayer la trajectoire mortifère qui nous entraine bien au-delà des frontières planétaires. Pour sortir de la catastrophe écologique, il faut :

À commencer par passer au moins deux heures par semaine dans la nature parce que c’est bon pour la santé et le bienêtre (White et al. (2019)). Faire classe dehors à l’école ? À l’université ? Être en contact avec la nature diminue le stress, améliore l’attention et l’autodiscipline. Les élèves montrent plus de motivation, de participation et de joie d’apprendre dans un cadre naturel (Kuo et al. (2019)).