La productivité primaire, une source d’énergie majeure et abondante mais sous tension

L’utilisation de la biomasse a suffi, depuis des millénaires, à répondre aux besoins vitaux des hommes, à savoir se nourrir, se chauffer, se vêtir, et même s’abriter. L’industrialisation a d’abord été basée sur le bois, et l’exploitation du charbon de bois a conduit à une déforestation préjudiciable, tant en Chine qu’en Europe occidentale (Lire : La consommation mondiale d’énergie avant l’ère industrielle). L’utilisation massive du « charbon de terre », puis du pétrole et du gaz naturel a permis de faire sauter le goulet d’étranglement et d’enclencher une accélération fulgurante du développement et de l’enrichissement matériel de certaines sociétés (Lire : Une brève histoire de l’énergie).

Depuis le début du 21^e siècle, l’humanité est engagée, à l’échelle planétaire, dans l’abandon progressif des sources fossiles. Cette transition énergétique soulève d’innombrables problèmes, liés à l’exploitation de sources d’énergie encore disponibles, notamment de la biomasse dont l’utilisation augmente (Lire : Biomasse et énergie, des ressources primaires aux produits énergétiques finaux).

Pourquoi utilisons-nous de la biomasse ? D’abord pour satisfaire nos besoins vitaux, pourtant considérés minimes en terme énergétique. Le plus vital d’entre eux est de manger environ 2 500 kilocalories par jour : si l’on additionne ce besoin des 7,8 milliards d’habitants de la planète, on arrive à 30×10¹⁸ Joules par an, soit 30 ExaJoules (EJ) par an, ou encore 0,7 milliard de tonnes équivalent pétrole (Gtep[1]), ce qui représente environ 5 % de toute l’énergie primaire consommée. À quoi il faut ajouter tous les autres besoins notamment de bois-énergie et de biocarburants.

L’utilisation de la biomasse est déjà critiquée pour son manque de soutenabilité écologique. L’exploitation d’une ressource n’est soutenable que si elle préserve sa capacité de régénération. Les paramètres importants en jeu sont donc la production annuelle de biomasse, d’une part, et la proportion de cette production que le monde utilise, d’autre part.

1. Du flux solaire à la productivité primaire nette (PPN) : la limite fondamentale de biomasse disponible

Le flux solaire qui arrive en sommet d’atmosphère est de 340 W/m² en moyenne pour la planète Terre, et de 180 W/m² à sa surface, le reste étant absorbé ou réfléchi par l’atmosphère. Intégré sur toute la surface terrestre, ce flux incident solaire est gigantesque, de l’ordre de 3×10²⁴ Joules par an (ou 10¹⁷ Watts). L’essentiel de ce flux est absorbé par la surface terrestre, océans et continents, et il la réchauffe.

Une part infime de ce flux incident est captée par les organismes photosynthétiques pour produire de la matière organique, dite biomasse (Lire : Photosynthèse et biomasse) à raison d’environ 220 milliards de tonnes de carbone par an (GtC/an). Cette production est exprimée en flux de carbone car la photosynthèse convertit le CO₂ de l’air en molécules organiques. On peut aussi la considérer comme un flux d’énergie, disponible dans la biomasse produite : en effet, tous les organismes vivants tirent l’énergie nécessaire à leur fonctionnement (le métabolisme) de cette biomasse que, via le processus de respiration, ou parfois de fermentation, (Lire : Conversion de l’énergie chimique des plantes en énergie musculaire).

Figure 1. Du flux solaire à la productivité primaire nette disponible pour les organismes hétérotrophes. [Source : Maxicours. https://www.google.com/search?q=Du+flux+solaire+%C3%A0+la+productivit%C3%A9+primaire&source=lnms&tbm=isch&sa]

On considère qu’en moyenne la matière organique sèche (atomes C-H-O-N, essentiellement) peut fournir 18,5 Mégajoules par kg (MJ/kg). En moyenne, également, le carbone représente environ la moitié en masse de la biomasse sèche. L’énergie chimique sous forme de matière organique produite par la photosynthèse est donc de l’ordre de 8,5×10²¹ Joules par an (8500 EJ). Un premier rendement de la photosynthèse, par rapport à l’énergie solaire disponible en surface, peut être estimé à 8,5×10²¹/3×10²⁴, soit environ 0,3 %. Ce rendement peut être affiné en ne prenant en compte que le flux solaire utilisable par les végétaux : par exemple en déduisant de la surface les déserts chauds et froids, ou en ne prenant en compte que la partie « active » du flux solaire, les longueurs d’onde rouges et bleues seules utiles pour les réactions photosynthétiques. Les rendements sont alors supérieurs. Ce rendement global de 0,3 % correspond donc à la capacité du monde vivant à exploiter l’énergie solaire disponible sur toute la Terre. Vu sous cet angle cette capacité n’est donc pas si faible que cela.

Le rendement traité par la suite est plus faible d’un facteur 2 : en effet, pour réaliser cette photosynthèse, un organisme photosynthétique doit maintenir en état ses cellules, croître, se reproduire, tout cela nécessitant de l’énergie, prise sur la biomasse photosynthétisée par cet organisme. Les organismes photosynthétiques respirent ainsi environ la moitié de leur production de biomasse. Le reste est la production primaire nette (figure 1). Elle est mesurée par l’accroissement de matière organique (masse par an). C’est, par exemple, l’accroissement d’une forêt estimé par le forestier, ou la productivité au champ estimée par l’agriculteur. Une estimation de cette PPN globale peut être exprimée en masse de carbone stockée par unité de surface et par an (figure 2).

Fig. 2. Estimation de la productivité primaire nette (PPN) globale, en kg de carbone par km² et par an. [Source : © NASA EarthObservatory, 2003]

Le contraste de productivité est très fort entre les continents où la productivité est en général limitée par l’eau et la température et les océans où elle est limitée par la lumière et les nutriments. Les eaux côtières sont très productives du fait de l’apport de nutriments des continents, mais le centre des océans, les gyres subtropicaux[2] (en noir sur la figure 2), sont de grands déserts de productivité par absence de nutriment. Pourtant, de par leur grande surface (2/3 de la surface terrestre), les océans fixent presque autant de carbone que les continents, environ 50 et 60 GtC par an, respectivement, même si la biomasse marine est beaucoup moins exploitée que celle des continents.

La productivité primaire nette globale est donc de l’ordre de 110 GtC par an, un chiffre qui fixe ainsi la limite supérieure à l’utilisation soutenable de la biomasse. Cette productivité fournit un stock d’énergie chimique de l’ordre de 4,2×10²¹ Joules par an, soit 100 Gtep par an. Le seuil réellement soutenable à cette utilisation n’est pas connu, mais probablement très inférieur à cette limite : cette biomasse créée chaque année est en effet partagée entre tous les organismes qui ne fabriquent pas eux-mêmes leur matière organique et dépendent, directement ou indirectement, de la photosynthèse (appelés les hétérotrophes[3]), dont les humains. Or ces hétérotrophes sont nécessaires à la croissance des végétaux : certains transforment la biomasse morte en nutriments nécessaires aux végétaux, d’autres apportent ces nutriments aux plantes voire les protègent ce qui est le rôle des champignons mycorhiziens[4]. Des rôles naturels fondamentaux qui ont été remplacés par l’apport d’engrais et de pesticides dans l’agriculture dite ‛conventionnelle’.

Quelle part de ce stock d’énergie chimique primaire est utilisée par les humains ?

2. Quelle énergie extraite de cette productivité pour satisfaire les besoins humains ?

L’humanité utilise cette biomasse pour satisfaire des besoins très différents. Selon leur périmètre et selon le type d’utilisation, les estimations varient considérablement.

La satisfaction du besoin le plus vital, se nourrir, nécessite environ 30 ExaJoules ou 0,7 Gtep par an, sous forme d’énergie chimique. Quelle est la consommation d’énergie primaire associée ? L’Organisation des Nations Unies pour l’alimentation et l’agriculture (FAO) détient la base d’informations la plus complète et fournit des estimations de production agricole, d’élevage animal et de pêche, pour la plupart des pays. Elle estime ainsi que la quantité d’aliments disponible est, en moyenne mondiale, de 3000 kcal par personne et par jour, moyennant, bien sûr, des disparités régionales très fortes.

Combien de biomasse végétale est utilisée pour satisfaire ce besoin primaire ? L’ordre de grandeur, autour de l’année 2000, était de 6 GtC/an, comprenant les produits végétaux agricoles, le fourrage utilisé par les ruminants et le phytoplancton utilisé par les poissons. En termes d’énergie, cette utilisation représente 230 EJ par an, ou 5 Gtep, extraite de la productivité primaire nette. Cet ordre de grandeur était très proche de la consommation d’énergies fossiles de l’époque, soit 8,3 Gtep ! Et sept fois le besoin énergétique vital (0,7 Gtep/an). Pourquoi une telle différence ?

Une bonne partie de la production agricole et de l’élevage est perdue ou gaspillée (figure 3). Mais les pertes les plus importantes, notamment la partie non comestible des cultures, telle que tiges, feuilles, ou autres ont été défalquées du total de 6 GtC/an. Une autre raison plus fondamentale est que les humains sont omnivores, c’est à dire qu’ils occupent une place assez élevée dans la ‛chaîne trophique’ : cette chaîne décrit les relations trophiques entre les organismes vivants (‟ qui mange qui ”), et donc aussi les flux d’énergie entre ces maillons appelés les ‛niveaux trophiques’.

Si tous les hommes étaient strictement végétariens, le besoin énergétique vital serait tiré uniquement de la production primaire. En réalité la consommation humaine est faite également de viande, de poisson, d’œufs et autres provenant d’animaux soit herbivores, qui se nourrissent de végétaux, soit carnivores, qui se nourrissent d’autres animaux. Or le transfert d’énergie entre chaque niveau trophique est de l’ordre de 10 % seulement : pour produire 1 kg de viande de bœuf, il faut qu’un bœuf broute dix fois plus de fourrage (en terme énergétique). La raison est essentiellement que sa digestion a un rendement faible, parce que réalisée par des micro-organismes commensaux.

Le transfert d’énergie depuis la production primaire jusqu’au niveau trophique TL est 1/(EF)^TL‑1 avec une efficacité énergétique (EF) d’environ 10 %. Si les humains étaient strictement carnivores, et ne mangeaient que du bœuf, il faudrait donc puiser 10 fois plus d’énergie dans la productivité primaire qu’en situation végétarienne. Ce serait encore plus avec des animaux de niveaux trophiques supérieurs, les prédateurs, qui ne se nourrissent eux-mêmes que d’animaux (ou, de façon équivalente, des bœufs nourris aux farines animales !). C’est la situation avec une nourriture à base de poissons : la morue, par exemple, a un niveau trophique compris entre 3 et 4 selon son régime, avec une déperdition énergétique d’un facteur 100 à 1000 depuis la productivité primaire (le phytoplancton marin).

En moyenne le niveau trophique des humains est estimé à 2,2. Pour en comprendre l’implication énergétique, on peut d’abord supposer un régime alimentaire composé pour 80 % de végétaux et pour 20 % de viande bovine. En considérant une efficacité de 10 %, ces 20 % de viande nécessiteraient de puiser dans la productivité primaire presque 3 fois plus d’énergie que si les humains étaient strictement végétariens (0,8×1 + 0,2×10 = 2,8). En réalité, l’efficacité énergétique des ruminants est inférieure à 10 %, et les humains consomment aussi du poisson (parmi d’autres animaux) : il faut ainsi puiser presque 5 fois plus dans la productivité primaire que si les humains étaient strictement végétariens, et finalement 10 fois plus que notre besoin calorique strict (tableau 1).

Tableau 1. Productivité primaire nette (PPN) et son utilisation par 6 milliards d’humains (en 2000). NB : GtC = milliards de tonnes de carbone; EJ = 1E18 Joules; Gtep = milliards de tonnes équivalent pétrole (voir note 1 pour conversion)

3. Quelle utilisation soutenable de la productivité primaire ?

La population mondiale est en croissance, avec des projections de 1 à 2 milliards d’humains en plus en 2050 par rapport à 2020. La demande en nourriture va donc croître, celle en énergie aussi sauf si les gains d’efficacité énergétique compensent la hausse de l’utilisation. L’Agence Internationale de l’Energie (AIE) prévoit dans son scénario standard SPS (basé sur le prolongement des politiques actuelles jusqu’en 2040), une augmentation de 60 % de l’utilisation de la biomasse pour le chauffage et un triplement des biocarburants pour le transport, pour un total d’environ 1 Gtep. Peut-on exploiter encore plus de biomasse, en remplaçant encore plus l’environnement naturel par des cultures ?

L’utilisation de la productivité primaire décrite ci-dessus ne concerne que les besoins vitaux en énergie (Lire : Les besoins d’énergie). Mais la productivité primaire est utilisée dans bien d’autres usages vitaux : fibres pour les vêtements, bois-énergie pour le chauffage et la cuisson (encore dans de nombreux pays), bois d’œuvre pour la construction. Utiliser ces matériaux structurels naturels, fibres et bois d’œuvre, évite la consommation d’énergie nécessaire à la fabrication de leurs équivalents artificiels, fibres synthétiques, poutrelles d’acier ou autres bétons. Ces utilisations des végétaux qui correspondent à des besoins vitaux, tels que se vêtir, se chauffer et s’abriter, nécessitent de puiser environ 1 GtC de plus dans la productivité primaire pour un total de 7 GtC par an.

D’autres utilisations de la productivité primaire existent et peuvent être considérées dans ce budget. L’ensemble de ces besoins détournent une partie encore plus grande de la productivité primaire naturelle, qui aurait pu être utilisée par les autres organismes vivants. C’est le concept d’appropriation par les humains de la productivité primaire. Par exemple les incendies de forêts détruisent la productivité primaire. Les infrastructures, villes, routes et autres, préemptent des surfaces qui pourraient être productives. L’agriculture et l’agroforesterie détournent les terres de leur production naturelle. Cette appropriation est estimée par référence à la productivité primaire potentielle, celle qui existerait sans activité humaine.

Pour la biosphère continentale, cette productivité potentielle est estimée à environ 65 GtC par an, 10 % supérieure à la productivité estimée (de 60 GtC/an). L’appropriation humaine varie selon la définition retenue (et donc les études), et une valeur de 13 GtC par an peut être retenue pour la biosphère continentale (figure 3). Cette appropriation représente donc plus de 20 % de la productivité continentale. Pour les océans, l’appropriation est de l’ordre de 2-3 GtC par an, soit 5 % de la productivité marine. Cette utilisation semble plus limitée, mais la situation des océans est très différente car la productivité primaire océanique est consommée et recyclée très rapidement, en moyenne en quelques jours, et n’est donc plus disponible (la biomasse marine, planctons, algues et poissons, ne représente que 3 GtC, contre presque 500 GtC de végétaux sur les continents (figure 4).

Figure 3. Appropriation de la productivité primaire nette par les activités humaines autour de l’an 2000. Nota : elle est exprimées en flux d’énergie (ici en Gtep/an, pour un total de 15 Gtep/an, voir Tableau 1 et note 1). [Source : © G.Delaygue – UGA]

Cette appropriation est supérieure à l’utilisation comme nourriture (produits agricoles et élevage) car elle prend aussi en compte le déficit de production naturelle (estimé via la productivité potentielle). Le poste « océans » représente les produits de la mer (poissons, crustacés, algues, entre autres). Une partie significative de la production de poissons provient de l’aquaculture continentale, basée de plus en plus sur les produits agricoles.

Figure 4. Devenir de la productivité primaire nette. [Source : © G.Delaygue – UGA]

Les échanges de carbone (« cycle du carbone ») sont décrits (figure 4) entre les différents organismes vivants et l’atmosphère via photosynthèse et respiration. Les flux de fixation du CO₂ par photosynthèse sont diminués de la respiration autotrophe afin d’indiquer la productivité primaire nette et de la comparer avec les flux d’appropriations humaines. Les stocks de biomasse (végétaux et animaux) sont exprimés en GtC, et flux en GtC par an. Le flux ‛appropriation’ correspond au détournement de la PPN pour les besoins humains.

Peut-on augmenter encore cette exploitation de l’environnement ? Au cours du 20^e siècle cette exploitation a augmenté beaucoup moins vite que les principaux indicateurs de développement humain, notamment la population. Les gains énormes de productivité agricole sont pour beaucoup dans ce découplage, permis par l’utilisation massive d’énergies fossiles utilisées pour les engrais et les machines agricoles. L’abandon de ces énergies fossiles et le report sur la biomasse au 21^e siècle pose donc un problème important, pas seulement en terme énergétique, mais en terme de vitalité des écosystèmes et donc de qualité des services qu’ils rendent. Il faut toutefois rappeler qu’une partie de cette biomasse utilisée reste disponible sous forme de déchets végétaux (Lire : Biomasse et énergie : des ressources primaires aux produits énergétiques finaux).

Mais cette confiscation énergétique a d’autres impacts environnementaux, notamment sur la diversité biologique : de manière empirique il est observé que la diversité d’un écosystème, mesurée par le nombre de genres différents, est directement reliée à sa productivité primaire. Cette confiscation s’accompagne aussi, via l’agriculture notamment, d’une pollution généralisée de l’environnement et de l’utilisation importante d’eau douce, qui limitent déjà la productivité primaire. Les travaux menés depuis les années 1970 sur la soutenabilité de cette appropriation ont montré l’existence probable de seuils de dégradation irréversible des écosystèmes, même si ces seuils sont difficiles à déterminer.

La vision régionalisée de cette pression sur l’environnement montre à quel point elle est déjà critique. La proportion régionale de la productivité primaire potentielle appropriée par les humains, estimée à l’échelle de la dizaine de kilomètres autour de l’année 2000, le révèle (figure 5). Dans les régions les plus peuplées la productivité primaire détournée était déjà au même niveau que la productivité naturelle, à cause d’une agriculture basée sur l’utilisation massive d’intrants et de l’irrigation, et à cause de la déforestation. Cette production locale répond non seulement à la demande locale mais aussi, et parfois essentiellement, à celle de régions très éloignées, à travers les échanges économiques mondialisés.

Fig. 5. Proportion régionale de productivité primaire potentielle appropriée par les humains en 2000. [Source : Haberl et al 2007.]

Conclusion

Les utilisations de la biomasse pour répondre aux besoins vitaux des humains, tels que se nourrir, se vêtir, se chauffer et s’abriter, doivent être prises en compte dans la consommation énergétique de l’humanité, dont elles représentent une part significative. Ne pas prendre en compte cette part énergétique ne permet pas de prendre la pleine mesure du couplage entre enjeux énergétiques et environnementaux.

Depuis la seconde moitié du 19^e siècle, l’utilisation des sources d’énergies fossiles a permis l’augmentation de la population mondiale et de sa consommation d’énergie. Un découplage historique s’est opéré entre cette consommation d’énergie et l’utilisation de la biomasse naturelle, grâce à l’augmentation massive de la productivité agricole. La Terre a été transformée en une gigantesque exploitation agricole, au dépend de la nature. Cette exploitation intensive soulève de nombreux problèmes, annoncés il y a plusieurs décennies, et qui sont devenus intenables. Les besoins énergétiques de l’humanité vont continuer à augmenter : y répondre de façon soutenable, en abandonnant les énergies fossiles, nécessite une amélioration massive de l’efficacité énergétique. Cette amélioration passe notamment par les régimes alimentaires : en réduire la part animale diminue fortement son empreinte énergétique, et donc écologique. En outre, une telle modification du régime alimentaire permet aussi d’améliorer la santé humaine. Ces deux raisons font du changement de régime alimentaire une des recommandations majeures de l’Organisation des Nations Unies pour atteindre les Objectifs de développement durable.

Références

Image de couverture. [Source : Photosynthèse | Jardins de Mr Khan, Paris. September 2016. | Lilac and Honey | Flickr]

Haberl, H. et al. (2007). Quantifying and mapping the human appropriation of net primary production in earth’sterrestrialecosystems, Proceedings of the National Academy of Sciences. doi: 10.1073/pnas.0704243104.

Krausmann, F. et al. (2013). Global human appropriation of net primary production doubled in the 20th century, Proceedings of the National Academy of Sciences. doi: 10.1073/pnas.1211349110

Springmann, M. et al. (2018). Options for keeping the food system withinenvironmentallimits, Nature. doi: 10.1038/s41586-018-0594-0

Vitousek, P. M. et al. (1986). Human Appropriation of the Products of Photosynthesis, BioScience. doi: 10.2307/1310258

[1] Conversions : 1 calorie = 4,18 Joules; 1 Watt = 1 Joule/seconde; 1 tonne équivalent pétrole = 42 milliards de Joules (Lire : Les unités énergétiques).

[2] Gyres subtropicaux : plus grandes régions océaniques comprises entre l’équateur et les tropiques, caractérisées par une circulation en tourbillon

[3] Un hétérotrophe est un organisme vivant qui se nourrit d’autres organismes

[4] Une mycorhize est une association très étroite entre un champignon et une plante via ses racines, chaque organisme aidant l’autre selon ses capacités respectives