Optimisation spatiale multiobjectif des doses d’engrais pour une production agricole durable dans le sud‑ouest de la Chine

Nourrir les gens sans abîmer la terre

Alors que la population mondiale augmente, les agriculteurs subissent la pression de produire plus de nourriture, mais l’utilisation toujours croissante d’engrais chimiques pollue les rivières, réchauffe le climat et gaspille de l’argent. Cette étude examine une grande région productrice de céréales dans le sud‑ouest de la Chine et pose une question cruciale : peut‑on réorganiser la façon et les lieux d’application des engrais pour que les agriculteurs récoltent suffisamment de riz, maïs et blé tout en réduisant la pollution et les coûts superflus ?

Pourquoi l’engrais peut être trop bon

Les engrais chimiques — principalement l’azote, le phosphore et le potassium — ont contribué à l’essor de la production agricole mondiale. Mais dans de nombreux endroits, en particulier en Chine, ils sont désormais utilisés à l’excès. L’excès d’azote s’écoule vers les rivières, s’infiltre dans les nappes phréatiques et s’échappe dans l’atmosphère sous forme de gaz à effet de serre. L’accumulation de phosphore peut déclencher des proliférations d’algues qui étouffent les poissons, tandis que des carences en potassium limitent discrètement la croissance des plantes. Le bassin du Sichuan, un « bol à riz » fertile ceint de montagnes, est un exemple marquant : les agriculteurs y appliquent plus de 300 kilogrammes d’engrais par hectare, bien au‑dessus des moyennes mondiales, mettant sous pression le haut cours du Yangtsé et les écosystèmes locaux.

Utiliser les données et les algorithmes pour cartographier les besoins réels des parcelles

Pour dépasser les conseils uniformes en matière d’engrais, les chercheurs ont rassemblé une décennie d’informations détaillées : des dizaines de milliers d’échantillons de sol, des enquêtes auprès des agriculteurs et plus de 2 000 essais de parcelle contrôlés où des combinaisons précises d’azote, de phosphore et de potassium ont été appliquées. Ils ont combiné ces données avec des images satellites et des relevés météorologiques, puis ont entraîné une méthode d’apprentissage automatique appelée forêt aléatoire pour prédire les rendements des cultures avec et sans engrais à une fine échelle spatiale sur l’ensemble de la région. Cela leur a permis d’estimer quelle part de la récolte de chaque culture était due à la qualité intrinsèque du sol et du climat, et quelle part résultait des engrais ajoutés.

Inégal et déséquilibré : où les nutriments sont en surplus ou en manque

Les cartes ont révélé un schéma frappant. De 2009 à 2019, les rendements moyens de riz, maïs et blé ont légèrement augmenté, même si l’utilisation d’engrais a diminué, ce qui suggère une amélioration de la santé des sols et une limitation des excès antérieurs d’engrais. Pourtant, la contribution des engrais au rendement a en réalité diminué de 1 à 3 %, en particulier pour le riz et le maïs dans les riches plaines de basse altitude, ce qui signifie que l’apport supplémentaire d’engrais y produisait des rendements marginaux décroissants. Simultanément, les bilans en nutriments étaient fortement déséquilibrés. L’azote était généralement excessif, surtout sur les plaines et le long des grandes rivières où certaines rizières recevaient jusqu’à dix fois le besoin calculé. Le phosphore et le potassium racontaient l’histoire inverse : souvent déficients, en particulier pour le maïs et le blé dans les collines centrales et nord‑est, contredisant l’idée répandue selon laquelle les terres cultivées chinoises seraient uniformément riches en phosphore.

Trouver le point d’équilibre entre rendements et pollution

Pour transformer ces diagnostics en actions, l’équipe a utilisé un algorithme d’optimisation multiobjectif — essentiellement un outil de recherche qui gère des compromis — pour explorer des milliers d’ajustements possibles des doses d’engrais. L’algorithme a cherché des combinaisons qui maintiendraient ou augmenteraient la production totale de céréales tout en réduisant l’utilisation globale d’engrais, en particulier d’azote. La solution optimale a montré que l’utilisation d’azote dans l’ensemble du bassin pourrait diminuer d’environ 18 %, avec des réductions beaucoup plus fortes pour le riz sur les plaines fertiles de l’ouest, tandis que le phosphore et le potassium augmenteraient modestement là où ils manquent actuellement. Dans ce scénario, la production totale de céréales serait légèrement supérieure à celle de 2019, et le mélange global de nutriments passerait d’un ratio riche en azote de 1:0,38:0,33 (N:P:K) à un 1:0,51:0,42 plus équilibré, plus proche des recommandations nationales pour une agriculture durable.

Ce que cela signifie pour les agriculteurs et l’environnement

Pour le grand public, le message est simple : une utilisation plus intelligente des engrais, guidée par les données et des algorithmes modernes, peut aider les agriculteurs à produire autant — voire plus — tout en réduisant les intrants gaspilleurs et polluants. Plutôt que de dire simplement aux agriculteurs d’augmenter ou de diminuer globalement les apports, cette approche indique où réduire fortement l’azote, où ajouter du phosphore ou du potassium, et comment le faire champ par champ. Appliquées à grande échelle, des méthodes similaires pourraient aider de nombreuses régions à nourrir leurs populations, à économiser de l’argent pour les agriculteurs et à garder les cours d’eau plus propres, sans étendre les surfaces agricoles ni sacrifier les récoltes.

Citation: Liao, G., Qian, J., He, P. et al. Multiobjective spatial optimization of fertilizer rates enables sustainable crop production in southwest China. npj Sustain. Agric. 4, 22 (2026). https://doi.org/10.1038/s44264-026-00127-y

Mots-clés: optimisation des engrais, agriculture durable, équilibre des nutriments, apprentissage automatique en agriculture, cultures du bassin du Sichuan