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Chapitre 2 Aquaponie : Clôture du cycle sur les ressources limitées en eau, en terres et en nutriments

1. 2.1 Introduction

   Original publication 2019 · Publié pour la première fois sur FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   Le terme « point de basculement » est actuellement utilisé pour décrire les systèmes naturels qui sont au bord de changements importants et potentiellement catastrophiques (Barnosky et al., 2012). Les systèmes de production alimentaire agricole sont considérés comme l'un des services écologiques clés qui approchent d'un point de basculement, car le changement climatique engendre de plus en plus de nouveaux risques de ravageurs et de maladies, de phénomènes météorologiques extrêmes et de températures mondiales plus élevées. Les mauvaises pratiques de gestion des terres et de conservation des sols, l'épuisement des nutriments des sols et le risque de pandémies menacent également l'approvisionnement alimentaire mondial.

   Les terres arables disponibles pour l'expansion agricole sont limitées, et l'augmentation de la productivité agricole au cours des dernières décennies résulte principalement de l'augmentation de l'intensité des cultures et de l'amélioration des rendements des cultures plutôt que de l'expansion de la masse terrestre agricole (par exemple, 90 % des gains de production végétale ont été dus à l'augmentation de la production agricole. d'augmentation de la productivité, mais seulement 10% en raison de l'expansion des terrains) (Alexandratos et Bruinsma 2012 ; Schmidhuber 2010). Selon les estimations, la population mondiale atteindra 8,3 à 10,9 milliards de personnes d'ici 2050 (Bringezu et al., 2014), et cette population mondiale croissante, avec une augmentation correspondante de la consommation totale et par habitant, pose un large éventail de nouveaux défis sociétaux. Le rapport de 2017 de la Convention des Nations Unies sur la lutte contre la désertification (UNCCD) (Global Land Outlook Working Paper_ 2017) fait état de tendances inquiétantes affectant la production alimentaire (Thomas et al. 2017), notamment la dégradation des terres, la perte de biodiversité et d'écosystèmes, et la diminution de la résilience face aux contraintes environnementales, comme ainsi qu'un fossé croissant entre la production et la demande alimentaires. La répartition inégale des approvisionnements alimentaires se traduit par des quantités insuffisantes de nourriture ou un manque de nourriture de qualité nutritionnelle suffisante pour une partie de la population mondiale, tandis que dans d'autres régions du monde, la surconsommation et les maladies liées à l'obésité sont devenues de plus en plus fréquentes. Cette juxtaposition déséquilibrée de la faim et de la malnutrition dans certaines parties du monde, avec le gaspillage alimentaire et la surconsommation dans d'autres, reflète des facteurs interdépendants complexes tels que la volonté politique, la rareté des ressources, l'abordabilité des terres, le coût de l'énergie et des engrais, l'infrastructure des transports et une multitude de d'autres facteurs socioéconomiques influant sur la production et la distribution de denrées alimentaires.

   Des réexamens récents des approches en matière de sécurité alimentaire ont permis de déterminer qu'une approche « lien eau-énergie-alimentaire » est nécessaire pour comprendre, analyser et gérer efficacement les interactions entre les systèmes de ressources mondiales (Scott et al., 2015). L'approche fondée sur le lien reconnaît l'interdépendance de la base de ressources — terre, eau, énergie, capital et main-d'œuvre — avec ses moteurs, et encourage les consultations et la collaboration intersectorielles afin d'équilibrer les objectifs et les intérêts des utilisateurs des ressources. Il vise à maximiser les avantages globaux tout en maintenant l'intégrité des écosystèmes afin d'assurer la sécurité alimentaire. La production alimentaire durable nécessite donc une utilisation réduite des ressources, en particulier de l'eau, des terres et des combustibles fossiles, qui sont limitées, coûteuses et souvent mal distribuées par rapport à la croissance démographique, ainsi que le recyclage des ressources existantes telles que l'eau et les nutriments dans les systèmes de production réduire au minimum les déchets.

   Dans ce chapitre, nous discutons d'une série de défis actuels en matière de sécurité alimentaire, en mettant l'accent sur les limites des ressources et sur la façon dont les nouvelles technologies et les approches interdisciplinaires telles que l'aquaponie peuvent aider à aborder le lien eau-alimentaire énergétique par rapport aux objectifs de l'ONU en matière de développement durable. Nous nous concentrons sur la nécessité d'accroître le recyclage des éléments nutritifs, de réduire la consommation d'eau et les énergies non renouvelables, ainsi que d'accroître la production alimentaire sur des terres marginales ou inadaptées à l'agriculture.

2. 2.2 Offre et demande alimentaires

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   2.2.1 Prédictions

   Au cours des 50 dernières années, l'approvisionnement alimentaire total a presque triplé, alors que la population mondiale n'a fait que doubler, un changement qui s'est accompagné d'importants changements dans l'alimentation liée à la prospérité économique (Keating et al., 2014). Au cours des 25 dernières années, la population mondiale a augmenté de 90% et devrait atteindre la barre des 7,6 milliards au premier semestre 2018 (Worldometers). Les estimations de l'augmentation de la demande alimentaire mondiale en 2050 par rapport à 2010 varient entre 45 % et 71 % selon les hypothèses concernant les biocarburants et les déchets, mais il est clair qu'il y a un déficit de production qui doit être comblé. Afin d'éviter un renversement des tendances à la baisse récentes de la sous-alimentation, il faut réduire la demande alimentaire et/ou réduire les pertes de capacité de production alimentaire (Keating et al., 2014). Une raison de plus en plus importante de l'augmentation de la demande alimentaire est la consommation par habitant, en raison de la hausse du revenu par habitant, marquée par des changements vers des aliments riches en protéines, en particulier la viande (Ehrlich et Harte, 2015b). Cette tendance crée d'autres pressions sur la chaîne d'approvisionnement alimentaire, puisque les systèmes de production animale nécessitent généralement une plus grande quantité de ressources, tant pour la consommation d'eau que pour les intrants alimentaires (Rask et Rask 2011 ; Ridoutt et al. 2012 ; Xue et Landis 2010). Même si le taux d'augmentation de la demande alimentaire a diminué au cours des dernières décennies, si les trajectoires actuelles de croissance démographique et les changements alimentaires sont réalistes, la demande mondiale de produits agricoles augmentera de 1,1 à 1,5 % par an jusqu'en 2050 (Alexandratos et Bruinsma, 2012).

   La croissance démographique dans les zones urbaines a exercé une pression sur les terres traditionnellement utilisées pour les cultures à base de sol : les demandes de logements et d'équipements continuent d'empiéter sur les terres agricoles de première qualité et d'en accroître la valeur bien au-delà de ce que les agriculteurs pourraient tirer de la culture. Près de 54 % de la population mondiale vit maintenant dans les zones urbaines (Esch et al., 2017), et la tendance à l'urbanisation ne montre aucun signe de diminution. Les systèmes de production capables de fournir de manière fiable des aliments frais à proximité des centres urbains sont en demande et augmenteront à mesure que l'urbanisation s'intensifiera. Par exemple, la montée de l'agriculture verticale dans les centres urbains comme Singapour, où les terres sont très avantageuses, donne à penser que les systèmes agricoles concentrés et hautement productifs feront partie intégrante du développement urbain à l'avenir. Les progrès technologiques rendent de plus en plus économiques les systèmes d'agriculture intérieure, par exemple le développement de lampes horticoles à DEL extrêmement durables et économes en énergie a accru la compétitivité de l'agriculture intérieure et de la production sous des latitudes élevées.

   L'analyse de l'agrobiodiversité montre systématiquement que les pays à revenu élevé et intermédiaire obtiennent divers aliments par le biais du commerce national ou international, mais cela implique également que la production et la diversité alimentaire sont dissociées et donc plus vulnérables aux interruptions des lignes d'approvisionnement que dans les pays à faible revenu où la majorité des aliments sont produits à l'échelle nationale ou régionale (Herrero et al., 2017). De plus, à mesure que la taille des exploitations augmente, la diversité des cultures, en particulier pour les cultures appartenant à des groupes alimentaires hautement nutritifs (légumes, fruits, viande), tend à diminuer en faveur des céréales et des légumineuses, ce qui risque encore une fois de limiter la disponibilité locale et régionale d'un éventail de groupes alimentaires différents (Herrero et al., 2017).

3. 2.3 Terres arables et éléments nutritifs

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   2.3.1 Prédictions

   Même s'il faut produire davantage de denrées alimentaires, les terres utilisables pour les pratiques agricoles sont par nature limitées à environ 20 à 30 % de la surface terrestre mondiale. La disponibilité des terres agricoles diminue et il y a une pénurie de terres convenables là où elles sont les plus nécessaires, c'est-à-dire en particulier à proximité des centres de population. La dégradation des sols est un facteur important de ce déclin et peut généralement être classée de deux façons : le déplacement (érosion éolienne et hydrique) et la détérioration chimique et physique interne du sol (perte de nutriments et/ou de matières organiques, salinisation, acidification, pollution, compactage et engorgement). Il est difficile d'estimer la dégradation totale des sols naturelle et anthropique dans le monde entier étant donné la variabilité des définitions, de la gravité, du moment, de la catégorisation des sols, etc. Toutefois, il est généralement admis que ses conséquences ont entraîné une perte de production primaire nette sur de vastes superficies (Esch et al. 2017), limitant ainsi l'augmentation des terres arables et cultivées de façon permanente à 13 % au cours des quatre décennies, du début des années 1960 à la fin des années 1990 (Bruinsma, 2003). Plus important encore, en ce qui concerne la croissance démographique au cours de cette période, les terres arables par habitant ont diminué d'environ 40 % (Conforti, 2011). Le terme « terres arables » implique la disponibilité de nutriments suffisants pour soutenir la production végétale. Pour lutter contre l'appauvrissement des éléments nutritifs, la consommation mondiale d'engrais est passée de 90 kg/ha en 2002 à 135 kg en 2013 (Pocketbook 2015). Pourtant, l'utilisation accrue d'engrais entraîne souvent des excès de nitrates et de phosphates qui se retrouvent dans les écosystèmes aquatiques (Bennett et al., 2001), provoquant la prolifération d'algues et l'eutrophisation lorsque la biomasse d'algues en décomposition consomme de l'oxygène et limite la biodiversité de la vie aquatique. Les changements environnementaux à grande échelle induits par le nitrate et le phosphate sont particulièrement évidents dans les bassins versants et les zones côtières.

   L'azote, le potassium et le phosphore sont les trois principaux nutriments essentiels à la croissance des plantes. Même si la demande d'engrais au phosphore continue de croître de façon exponentielle, les réserves de phosphate rocheux sont limitées et les estimations suggèrent qu'elles seront épuisées d'ici 50 à 100 ans (Cordell et al., 2011 ; Steen, 1998 ; Van Vuuren et al., 2010). De plus, les apports anthropiques d'azote devraient conduire les écosystèmes terrestres vers une plus grande limitation du phosphore, bien qu'une meilleure compréhension des processus soit essentielle (Deng et al., 2017 ; Goll et al., 2012 ; Zhu et al., 2016). À l'heure actuelle, il n'existe pas de substituts au phosphore dans l'agriculture, ce qui impose des contraintes à la productivité agricole future qui dépend de l'apport important d'engrais de phosphate extrait (Sverdrup et Ragnarsdottir 2011). Le 'paradoxe', en d'autres termes, un excès de P nuisant à la qualité de l'eau, ainsi que sa pénurie en tant que ressource non renouvelable épuisante, signifie qu'il doit y avoir des augmentations substantielles du recyclage et de l'efficacité de son utilisation (Leinweber et al. 2018).

   Les pratiques agricoles intensives modernes, telles que la fréquence et le moment du travail du sol ou du travail sans labour, l'application d'herbicides et de pesticides et l'ajout peu fréquent de matières organiques contenant des micronutriments, peuvent modifier la structure du sol et sa biodiversité microbienne de sorte que l'ajout d'engrais n'est plus possible augmente la productivité par hectare. Étant donné que les changements dans l'utilisation des terres ont entraîné des pertes de carbone organique du sol estimées à environ 8 %, et que les pertes prévues entre 2010 et 2050 sont 3,5 fois supérieures à ce chiffre, on suppose que la capacité de rétention d'eau du sol et les pertes d'éléments nutritifs se poursuivront, surtout en raison du réchauffement de la planète (Esch et al., 2017) . De toute évidence, il y a des compromis entre satisfaire les besoins humains et ne pas compromettre la capacité de la biosphère de soutenir la vie (Foley et al., 2005). Toutefois, lorsqu'on modélise les limites planétaires en fonction des pratiques actuelles d'utilisation des terres, il est clair qu'il est nécessaire d'améliorer le cycle de l'azote et du phosphore, principalement en réduisant à la fois les émissions d'azote et de phosphore et le ruissellement provenant des terres agricoles, mais aussi en améliorant la capture et la réutilisation (Conijn et al., 2018).

   2.3.2 Aquaponie et nutriments

   L'un des principaux avantages de l'aquaponie est qu'elle permet le recyclage des ressources nutritives. L'apport en éléments nutritifs dans la composante poisson provient des aliments pour animaux dont la composition dépend de l'espèce cible, mais les aliments pour animaux en aquaculture représentent généralement une part importante des coûts des intrants et peuvent représenter plus de la moitié du coût annuel total de production. Dans certains modèles aquaponiques, la biomasse bactérienne peut également être exploitée comme aliment, par exemple, lorsque la production de biofloc rend les systèmes aquaponiques de plus en plus autonomes (Pinho et al., 2017).

   Les eaux usées provenant des enclos à cage ouverte ou des chemins de roulement sont souvent rejetées dans les plans d'eau, où elles entraînent une pollution nutritive et une eutrophisation subséquente. En revanche, les systèmes aquaponiques prélèvent les nutriments dissous des aliments non consommés pour poissons et des matières fécales, et en utilisant des microbes qui peuvent décomposer la matière organique, convertissent l'azote et le phosphore en formes biodisponibles pour utilisation par les plantes de l'unité hydroponique. Afin d'atteindre des niveaux de production de plantes économiquement acceptables, la présence d'assemblages microbiens appropriés réduit la nécessité d'ajouter une grande partie des nutriments supplémentaires qui sont couramment utilisés dans des unités hydroponiques autonomes. L'aquaponie est donc un système de rejet presque nul qui offre non seulement des avantages économiques des filières de production de poissons et de plantes, mais aussi des réductions significatives des rejets nocifs pour l'environnement provenant des sites aquacoles. Il élimine également le problème des eaux de ruissellement riches en N et en P provenant des engrais utilisés dans l'agriculture à base de sol. Dans les systèmes aquaponiques découplés, les bioréacteurs aérobies ou anaérobies peuvent également être utilisés pour traiter les boues et récupérer des macro- et micronutriments importants sous des formes biodisponibles en vue d'une utilisation ultérieure dans la production hydroponique (Goddek et al. 2018) (voir Chap. 8))). De nouveaux développements passionnants comme ceux-ci, dont beaucoup sont en cours de réalisation pour la production commerciale, continuent d'affiner le concept d'économie circulaire en permettant de plus en plus la récupération des éléments nutritifs.

4. 2.4 Lutte contre les ravageurs, les mauvaises herbes

   Original publication 2019 · Publié pour la première fois sur FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   2.4.1 Prédictions

   Il est généralement reconnu que la lutte contre les maladies, les ravageurs et les mauvaises herbes est un élément essentiel de la réduction des pertes de production qui menacent la sécurité alimentaire (Keating et al., 2014). En fait, l'utilisation accrue d'antibiotiques, d'insecticides, d'herbicides et de fongicides pour réduire les pertes et accroître la productivité a permis une augmentation spectaculaire de la production agricole dans la seconde moitié du XXe siècle. Cependant, ces pratiques sont également liées à une multitude de problèmes : pollution due aux composés organiques persistants dans les sols et les eaux d'irrigation, modification de l'activité rhizobactérienne et mycorhizienne dans les sols, contamination des cultures et du bétail, développement de souches résistantes, effets néfastes sur les pollinisateurs et un large éventail de risques pour la santé humaine (Bringezu et al. 2014 ; Ehrlich et Harte 2015a ; Esch et al. 2017 ; FAO 2015b). La lutte contre les ravageurs, les mauvaises herbes et les maladies de manière à réduire l'utilisation de ces substances est mentionnée dans pratiquement tous les appels visant à assurer la sécurité alimentaire d'une population mondiale croissante.

   2.4.2 Lutte contre les ravageurs, les mauvaises herbes et les maladies

   En tant que système fermé avec des mesures de biosécurité, les systèmes aquaponiques nécessitent beaucoup moins d'applications chimiques de pesticides dans les composants végétaux. Si les stocks de semences et de greffes sont manipulés et surveillés avec soin, les mauvaises herbes, les champignons et les contaminants bactériens/algues peuvent être contrôlés dans des unités hydroponiques au moyen de mesures ciblées plutôt que d'appliquer à grande échelle des herbicides et des fongicides dans l'agriculture basée sur le sol. À mesure que la technologie continue de progresser, des développements tels que les serres à pression positive peuvent réduire davantage les problèmes de ravageurs (Mears et Both, 2001). Les caractéristiques de conception visant à réduire les risques de ravageurs peuvent réduire les coûts en termes de produits chimiques, de main-d'œuvre, de temps d'application et d'équipement, d'autant plus que l'empreinte terrestre des systèmes aquaponiques à l'échelle industrielle est faible et que les systèmes sont compacts et étroitement confinés, par rapport à la zone de production ouverte équivalente de légumes et de les cultures fruitières des fermes conventionnelles basées sur le sol.

   L'utilisation du RAS dans les systèmes aquaponiques prévient également les transmissions de maladies entre les stocks d'élevage et les populations sauvages, ce qui est une préoccupation urgente dans l'aquaculture en enclos à écoulement continu et en filet ouvert (Read et al., 2001 ; Samuel-Fitwi et al., 2012). L'utilisation systématique d'antibiotiques n'est généralement pas nécessaire dans la composante SAR, car il s'agit d'un système fermé avec peu de vecteurs disponibles pour l'introduction de la maladie. De plus, l'utilisation d'antimicrobiens et d'antiparasitaires est généralement déconseillée, car elle peut nuire au microbiote qui est crucial pour convertir les déchets organiques et inorganiques en composés utilisables pour la croissance des plantes dans l'unité hydroponique (Junge et al., 2017). En cas de maladie, le confinement des poissons et des plantes de l'environnement environnant rend la décontamination et l'éradication plus faciles à gérer. Bien que les systèmes fermés ne permettent manifestement pas d'atténuer complètement tous les problèmes de maladies et de ravageurs (Goddek et coll., 2015), des mesures de biocontrôle appropriées qui sont déjà mises en œuvre dans les systèmes autonomes de détection et d'hydroponie entraînent des réductions importantes du risque. Ces questions sont examinées plus en détail dans les chapitres suivants (pour les poissons, voir Chap. 6 ; pour les plantes, plus de détails dans Chap. 14))))) .

5. 2.5 Ressources en eau

   Original publication 2019 · Publié pour la première fois sur FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   2.5.1 Prédictions

    

   Fig. 2.1 Empreinte d'eau (L par kg). Les poissons dans les systèmes RAS utilisent le moins d'eau que n'importe quel système de production alimentaire

   En plus d'exiger des applications d'engrais, les pratiques agricoles intensives modernes imposent également des exigences élevées en matière de ressources en eau. Parmi les flux biochimiques (figure 2.1), on croit maintenant que la pénurie d'eau est l'un des facteurs les plus importants qui freinent la production alimentaire (Hoekstra et al., 2012 ; Porkka et al., 2016). Les augmentations projetées de la population mondiale et les changements dans la disponibilité de l'eau terrestre en raison du changement climatique exigent une utilisation plus efficace de l'eau dans l'agriculture. Comme il a été mentionné précédemment, d'ici 2050, la production agricole globale devra produire 60 % plus de nourriture dans le monde (Alexandratos et Bruinsma, 2012), avec une augmentation estimée de 100 % dans les pays en développement, compte tenu de la croissance démographique et des attentes croissantes en matière de niveau de vie (Alexandratos et Bruinsma, 2012 ; OMS 2015). La famine dans certaines régions du monde, ainsi que la malnutrition et la faim cachée, indiquent que l'équilibre entre la demande alimentaire et la disponibilité a déjà atteint des niveaux critiques, et que la sécurité alimentaire et hydrique sont directement liées (McNeill et al., 2017). Les prévisions relatives aux changements climatiques suggèrent une diminution de la disponibilité en eau douce et une diminution correspondante des rendements agricoles d'ici la fin du XXIe siècle (Misra, 2014).

   Le secteur agricole représente actuellement environ 70 % de la consommation d'eau douce dans le monde, et le taux de retrait dépasse même 90 % dans la plupart des pays les moins avancés du monde. La pénurie d'eau augmentera au cours des 25 prochaines années en raison de la croissance démographique prévue (Connor et al., 2017 ; Esch et al., 2017), la dernière modélisation prévoyant une baisse de la disponibilité de l'eau dans un proche avenir dans presque tous les pays (Distefano et Kelly, 2017). Les Nations unies prévoient que la poursuite de pratiques de statu quo entraînera un déficit mondial d'eau de 40 % d'ici 2030 (Eau 2015). À cet égard, à mesure que les approvisionnements en eau souterraine pour l'irrigation sont épuisés ou contaminés, et que les régions arides connaissent davantage de sécheresses et de pénuries d'eau dues au changement climatique, l'eau destinée à la production agricole deviendra de plus en plus précieuse (Ehrlich et Harte 2015a). La rareté croissante des ressources en eau compromet non seulement la sécurité de l'eau pour la consommation humaine, mais aussi la production alimentaire mondiale (McNeill et al., 2017). Étant donné que la pénurie d'eau est attendue même dans les régions où les ressources en eau sont relativement suffisantes, il est important de mettre au point des techniques agricoles à faible consommation d'eau et d'améliorer la gestion écologique des eaux usées grâce à une meilleure réutilisation (FAO 2015a).

   Le Rapport des Nations Unies sur la mise en valeur des ressources en eau pour 2017 (Connor et al. 2017) met l'accent sur les eaux usées en tant que source inexploitée d'énergie, de nutriments et d'autres sous-produits utiles, avec des implications non seulement pour la santé humaine et environnementale, mais aussi pour la sécurité alimentaire et énergétique, ainsi que pour l'atténuation des changements climatiques. Ce rapport préconise des technologies appropriées et abordables, ainsi que des cadres juridiques et réglementaires, des mécanismes de financement et une plus grande acceptabilité sociale du traitement des eaux usées, dans le but de réaliser la réutilisation de l'eau dans une économie circulaire. Le rapport fait également état d'un rapport du Forum économique mondial 2016 qui indique que la crise de l'eau est le risque mondial le plus préoccupant au cours des 10 prochaines années.

   Le concept d'empreinte hydrique en tant que mesure de l'utilisation des ressources en eau douce par les humains a été mis de l'avant afin d'éclairer l'élaboration de politiques sur l'utilisation de l'eau. L'empreinte hydrique comporte trois composantes : (1) l'eau bleue, qui comprend l'eau de surface et l'eau souterraine consommée lors de la fabrication de produits ou perdue par évaporation ; (2) l'eau verte qui est l'eau de pluie utilisée en particulier dans la production agricole ; (3) l'eau grise, qui est une eau polluée mais qui reste dans l'eau existante normes de qualité (Hoekstra et Mekonnen 2012). Ces auteurs ont cartographié l'empreinte hydrique des pays du monde entier et ont constaté que la production agricole représente 92 % de l'utilisation mondiale de l'eau douce, et que la production industrielle utilise 4,4 % du total, alors que l'eau domestique ne représente que 3,6 %. Cela suscite des inquiétudes quant à la disponibilité de l'eau et a donné lieu à des efforts d'éducation du public visant à sensibiliser le public aux quantités d'eau nécessaires à la production de divers types de denrées alimentaires, ainsi qu'aux vulnérabilités nationales, en particulier dans les pays d'Afrique du Nord et du Moyen-Orient, où l'eau est rare.

   2.5.2 Aquaponie et conservation de l'eau

   Le concept économique de productivité comparée mesure la quantité relative d'une ressource nécessaire pour produire une unité de biens ou de services. On considère généralement que l'efficacité est plus élevée lorsque les besoins en ressources sont plus faibles par unité de biens et de services. Toutefois, lorsque l'on examine l'efficacité de l'utilisation de l'eau dans un contexte environnemental, la qualité de l'eau doit également être prise en compte, car le maintien ou l'amélioration de la qualité de l'eau accroît également la productivité (Hamdy, 2007).

   Le problème croissant de la pénurie d'eau exige une amélioration de l'efficacité de l'utilisation de l'eau, en particulier dans les régions arides et semi-arides, où la disponibilité de l'eau pour l'agriculture et la qualité des rejets de l'eau sont des facteurs essentiels de la production alimentaire. Dans ces régions, la recirculation de l'eau dans les unités aquaponiques peut atteindre une efficacité remarquable de réutilisation de l'eau de 95 à 99 % (Dalsgaard et al., 2013). La demande en eau est également inférieure à 100 L/kg de poisson récolté, et la qualité de l'eau est maintenue dans le système de production des cultures (Goddek et al., 2015). De toute évidence, de tels systèmes doivent être construits et exploités pour minimiser les pertes d'eau ; ils doivent également optimiser leurs rapports entre l'eau du poisson et les plantes, car ce rapport est très important pour maximiser l'efficacité de la réutilisation de l'eau et assurer le recyclage maximal des nutriments. Des algorithmes de modélisation et des solutions techniques sont en cours d'élaboration afin d'intégrer des améliorations dans des unités individuelles et de mieux comprendre comment gérer efficacement et efficacement l'eau (Vilbergsson et al., 2016). Des renseignements supplémentaires sont fournis aux chapitres 9 et 11.

   Compte tenu des besoins en sols, en eau et en éléments nutritifs, l'empreinte hydrique des systèmes aquaponiques est nettement meilleure que celle de l'agriculture traditionnelle, où la qualité et la demande de l'eau, la disponibilité des terres arables, le coût des engrais et l'irrigation sont autant de contraintes à l'expansion (figure 2.1).

   **  **

   Fig. 2.2 Ratios de conversion des aliments (RCA) calculés en kg d'aliment par poids vif et en kg d'aliment pour portion comestible. Seuls les insectes, qui sont mangés entiers dans certaines parties du monde, ont une meilleure FCR que les poissons

6. 2.6 Utilisation des terres

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   2.6.1 Prédictions

   À l'échelle mondiale, les cultures terrestres et les pâturages occupent environ 33 % du total des terres disponibles, et l'expansion pour les utilisations agricoles entre 2000 et 2050 devrait augmenter de 7 à 31 % (350 à 1 500 Mha, selon la source et les hypothèses sous-jacentes), le plus souvent au détriment des forêts et des zones humides (Bringezu et al. 2014). Bien qu'il existe encore actuellement des terres classées comme « bonnes » ou « marginales » qui sont disponibles pour l'agriculture pluviale, une partie importante de ces terres est loin des marchés, manque d'infrastructures ou souffrent de maladies endémiques, de terrains inadaptés ou d'autres conditions limitant le potentiel de développement. Dans d'autres cas, les terres restantes sont déjà protégées, boisées ou mises en valeur pour d'autres utilisations (Alexandratos et Bruinsma, 2012). En revanche, les écosystèmes des zones arides, définis par la Commission du développement durable de l'ONU comme des zones arides, semi-arides et subhumides sèches qui ont généralement une faible productivité, sont menacés par la désertification et ne sont donc pas adaptés à l'expansion agricole, mais ont néanmoins des millions de personnes vivant à proximité (Economic 2007). Ces faits font ressortir la nécessité d'une intensification plus durable de la production alimentaire plus proche des marchés, de préférence sur des terres largement improductives qui pourraient ne jamais être adaptées à l'agriculture basée sur le sol.

   Certains experts considèrent que les deux facteurs les plus importants qui contribuent à l'efficacité des intrants agricoles sont (i) l'emplacement de la production alimentaire dans les régions où les conditions climatiques (et du sol) augmentent naturellement l'efficacité et (ii) la réduction des impacts environnementaux de la production agricole (Michael et David 2017). Il faut augmenter l'offre de biomasse cultivée grâce à l'intensification de la production par hectare, accompagnée d'une diminution de la charge environnementale (dégradation de la structure du sol, pertes d'éléments nutritifs, pollution toxique, etc.). En d'autres termes, l'empreinte d'une production alimentaire efficace doit diminuer tout en minimisant les impacts négatifs sur l'environnement.

   2.6.2 Aquaponie et utilisation des terres

   Les systèmes de production aquaponiques sont sans sol et tentent de recycler les nutriments essentiels pour la culture des poissons et des plantes, utilisant ainsi les nutriments contenus dans la matière organique des aliments pour poissons et des déchets afin de minimiser ou d'éliminer le besoin d'engrais végétaux. Par exemple, dans de tels systèmes, l'utilisation de terres pour extraire, traiter, stocker et transporter des phosphates ou des engrais riches en potasse devient inutile, éliminant ainsi le coût inhérent et le coût d'application de ces engrais.

   La production aquaponique contribue non seulement à l'efficacité de l'utilisation de l'eau (Sect. 2.5.2), mais aussi à l'efficacité des intrants agricoles en réduisant l'empreinte terrestre nécessaire à la production. Les installations, par exemple, peuvent être situées sur des terres non arables et dans des zones suburbaines ou urbaines plus proches des marchés, ce qui réduit l'empreinte carbone associée aux exploitations agricoles rurales et au transport des produits vers les marchés urbains. Avec un encombrement réduit, la capacité de production peut être localisée dans des zones autrement improductives, comme sur des toits ou sur des sites d'anciennes usines, ce qui peut également réduire les coûts d'acquisition de terrains si ces zones sont jugées inappropriées pour le logement ou le commerce de détail. Une plus faible empreinte pour la production de protéines et de légumes de haute qualité en aquaponie peut également réduire la pression sur le défrichage de zones naturelles et semi-naturelles de valeur écologique pour l'agriculture conventionnelle.

7. 2.7 Ressources énergétiques

   Original publication 2019 · Publié pour la première fois sur FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   2.7.1 Prédictions

   À mesure que la mécanisation se propage à l'échelle mondiale, l'agriculture intensive en plein champ repose de plus en plus sur les combustibles fossiles pour alimenter les machines agricoles et pour le transport des engrais et des produits agricoles, ainsi que pour faire fonctionner le matériel de transformation, d'emballage et de stockage. En 2010, l'Agence internationale de l'énergie de l'OCDE a prévu que la consommation mondiale d'énergie augmenterait jusqu'à 50 % d'ici 2035 ; la FAO a également estimé que 30 % de la consommation mondiale d'énergie est consacrée à la production alimentaire et à sa chaîne d'approvisionnement (FAO 2011). Les émissions de gaz à effet de serre (GES) associées aux combustibles fossiles (environ 14 % dans l'analyse du cycle de vie) ajoutées à celles provenant de la fabrication d'engrais (16 %) et à l'oxyde nitreux provenant des sols moyens (44 %) (Camargo et al., 2013), contribuent toutes de façon importante aux impacts environnementaux de l'agriculture. La tendance au XXIe siècle à produire des biocarburants à base de cultures (par exemple le maïs pour l'éthanol) pour remplacer les combustibles fossiles a accentué la pression sur le défrichage des forêts tropicales, des tourbières, des savanes et des prairies pour la production agricole. Toutefois, des études font état de la création d'une « dette carbone » à partir de ces pratiques, puisque le rejet global de COSub2/Sub dépasse les réductions de GES qu'elles procurent en remplaçant les combustibles fossiles (Fargione et al., 2008). On peut supposer qu'il existe une dette carbone similaire lorsqu'il s'agit de défricher des terres pour élever des cultures vivrières par l'agriculture conventionnelle qui repose sur des combustibles fossiles.

   Dans une analyse comparative des systèmes de production agricole, on a constaté que les pêcheries au chalutage et les systèmes d'aquaculture en recirculation (RAS) émettent des GES de 2 à 2,5 fois plus que les pêcheries non chalutées et l'aquaculture non réglementée (enclos, chemins de roulement). Dans le RAS, ces besoins énergétiques sont principalement liés au fonctionnement des pompes et des filtres (Michael et David, 2017). De même, les systèmes de production en serre peuvent émettre jusqu'à trois fois plus de GES que les cultures en plein champ si l'énergie est nécessaire pour maintenir la chaleur et la lumière dans des fourchettes optimales (ibid.). Toutefois, ces chiffres ne tiennent pas compte des autres impacts environnementaux des systèmes non réglementés, comme l'eutrophisation ou les transferts potentiels d'agents pathogènes vers les stocks sauvages. Ils ne tiennent pas compte non plus des GES provenant de la production, du transport et de l'application d'herbicides et de pesticides utilisés en plein champ, ni du méthane et de l'oxyde nitreux provenant de la production animale associée, qui ont tous deux un potentiel de réchauffement de serre de 100 ans (PRG) 25 et 298 fois plus élevé que celui du COsub2/sub, respectivement (Camargo et al., 2013 ; Eggleston et al., 2006).

   Ces estimations minutieuses de la consommation d'énergie actuelle et future et des émissions de GES associées à la production alimentaire ont donné lieu à de nouvelles méthodes de modélisation et de nouvelles approches, par exemple l'approche des Nations Unies entre l'eau et l'énergie mentionnée dans sect. 2.1. Les objectifs de développement durable des Nations Unies ont mis en évidence la vulnérabilité de la production alimentaire aux fluctuations des prix de l'énergie en tant que facteur clé de l'insécurité alimentaire. Cela a incité les efforts visant à rendre les systèmes agroalimentaires « intelligents » en mettant l'accent sur l'amélioration de l'efficacité énergétique, l'augmentation de l'utilisation des sources d'énergie renouvelables et l'encouragement de l'intégration de la production alimentaire et énergétique (FAO 2011).

   2.7.2 Aquaponie et économie d'énergie

   Les progrès technologiques dans le fonctionnement des systèmes aquaponiques tendent à être de plus en plus « intelligentes en matière d'énergie » et à réduire la dette carbone des pompes, des filtres et des dispositifs de chauffage et de refroidissement en utilisant de l'électricité produite à partir de sources renouvelables. Même dans les latitudes tempérées, de nombreuses nouvelles conceptions permettent de réintégrer complètement l'énergie nécessaire au chauffage et au refroidissement des bassins à poissons et des serres, de sorte que ces systèmes ne nécessitent pas d'intrants autres que les réseaux solaires ou l'électricité ou la chaleur générée par la production bactérienne de biogaz de boues dérivées de l'aquaculture (Ezebuiro et Körner 2017 ; Goddek et Keesman 2018 ; Kloas et al. 2015 ; Yogev et al. 2016). De plus, les systèmes aquaponiques peuvent utiliser la dénitrification microbienne pour convertir l'oxyde nitreux en azote gazeux s'il existe suffisamment de sources de carbone provenant des déchets, de sorte que les bactéries anaérobies hétérotrophes et facultatives peuvent convertir les nitrates en azote gazeux en excès (Van Rijn et al. 2006). Comme indiqué dans [Sect. 2.7.1](#271 -prédictions), l'oxyde nitreux est un puissant gaz à effet de serre et les microbes déjà présents dans les systèmes aquaponiques fermés peuvent faciliter sa conversion en azote gazeux.

8. 2.8 Résumé

   Original publication 2019 · Publié pour la première fois sur FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   Alors que la population humaine continue d'augmenter, la demande de protéines de haute qualité augmente dans le monde entier. Comparativement aux sources de viande, le poisson est largement reconnu comme une source de protéines particulièrement saine. En ce qui concerne l'approvisionnement alimentaire mondial, l'aquaculture fournit maintenant plus de protéines de poisson que la pêche de capture (FAO, 2016). À l'échelle mondiale, la consommation humaine de poisson par habitant continue d'augmenter à un taux annuel moyen de 3,2 % (1961-2013), soit le double du taux de croissance démographique. Au cours de la période allant de 1974 à 2013, la « surpêche » biologiquement non viable a augmenté de 22 %. Au cours de la même période, les captures des pêcheries considérées comme « pleinement exploitées » ont diminué de 26 %. L'aquaculture constitue donc la seule solution possible pour répondre à la demande accrue du marché. C'est maintenant le secteur alimentaire qui connaît la croissance la plus rapide et, par conséquent, un élément important de la sécurité alimentaire (ibid.)

   La population mondiale étant estimée à 8,3 à 10,9 milliards de personnes d'ici 2050 (Bringezu et al. 2014), le développement durable des secteurs de l'aquaculture et de l'agriculture nécessite une optimisation en termes d'efficacité de la production, mais aussi une réduction de l'utilisation des ressources limitées, en particulier l'eau, les terres et les engrais. Les avantages de l'aquaponie ne sont pas seulement liés à l'utilisation efficace des terres, de l'eau et des ressources nutritives, mais permettent également une intégration accrue des possibilités d'énergie intelligente telles que le biogaz et l'énergie solaire. À cet égard, l'aquaponie est une technologie prometteuse pour produire à la fois des protéines de poisson et des légumes de haute qualité, d'une manière qui peut utiliser beaucoup moins de terres, moins d'énergie et moins d'eau, tout en minimisant les apports de produits chimiques et d'engrais utilisés dans la production alimentaire conventionnelle.