Principes de base de la fertilisation
Méthode :
Selon l'agronome Christian de Carné-Carnavalet, voici comment appréhender la fertilisation :
La fertilisation biologique se calcule sur un seul grand principe de base : apporter la nourriture aux organismes vivants du sol pour entretenir le réseau édaphique et les chaînes trophiques telluriques qui permettent d'agir dans trois directions :
sur les qualités physiques du sol : porosité, capacité de rétention en eau, structure dépendant du CAH [complexe argilo-humique], de la CEC [capacité d'échange cationique], du taux d'humus stable, etc ;
sur les qualités biologiques du sol : développement de la mésofaune, de la microfaune, de la microflore avec une attention particulière pour les bactéries (fixation de l'azote atmosphérique) et les champignons (décomposition de la lignine et de la cellulose), aux fins d'obtenir toutes les conséquences intrinsèques à leurs activités […] ;
sur les qualités chimiques du sol : mise à disposition des éléments minéraux contenus dans les MO [matières organiques], prélèvement des minéraux des roches constitutives du sol, compensation de l'humus annuellement minéralisé, fixation de l'azote atmosphérique...
Christian de Carné-Carnavalet, 2011 Agriculture biologique, une approche scientifique, Éditions France Agricole.
Nous allons l'explorer éléments par éléments
L'azote
La gestion de l'azote (N) demeure un facteur clé dans la réussite de toute culture. La présence constante d'azote disponible pour la plante en croissance est essentielle pour assurer une croissance régulière et une interaction active entre les racines et les micro-organismes dans le sol (à la base de la nutrition végétale). Dans la plante, l'azote est essentiel pour la synthèse de la chlorophylle et des protéines, entre autres.
Absorption de l’azote
De tous les minéraux, l'azote est celui qui contribue le plus à la croissance des Végétaux et au rendement des cultures. C'est un élément essentiel des protéines, des acides nucléiques, de la chlorophylle et d'autres molécules organiques importantes pour les Végétaux.
L’azote ne devient assimilable par les plantes qu'après avoir été transformé en ammonium (NH4+) ou en nitrate (N03-). Contrairement aux autres minéraux, NH4+ et N03- ne proviennent pas de la désagrégation de la roche mère. La décomposition de l’humus par les microorganismes constitue, à court terme, la source principale de ces minéraux. Une partie de cet azote peut quitter le cycle local et retourner dans I' atmosphère. En effet, certaines Bactéries dites dénitrifiantes transforment le N03- en N2. A l’inverse, d'autres Bactéries, les Bactéries fixatrices d’azote, emmagasinent l'azote dans le sol en transformant le N2 en NH3 (ammoniac). Ce processus métabolique porte le nom de fixation de l’azote.
Utilisation de l’azote par la plante
Les racines absorbent l’azote sous forme de nitrate (N03-) ou d’ammonium (NH4+). Une fois que le nitrate a été absorbé par les racines, une enzyme de la plante le transforme en ammonium qui peut ensuite être incorporé dans les acides aminés et d'autres substances organiques.
La plupart des espèces végétales acheminent l'azote, des racines jusqu'à l'extrémité des pousses, via le xylème, sous forme de nitrate ou de composés organiques synthétisés dans les racines.
Les sources d'azote
Fondamental :
Un sol agricole biologiquement performant met à disposition des cultures environ 600 à 800 kg d'azote minéral/an/ha, voire une tonne, largement de quoi compenser les prélèvements azotés des plantes les plus voraces.
Christian de Carné-Carnavalet (2011)
Les sources d'azotes sont nombreuses
L'azote atmosphérique
On trouve l'azote d'abord dans l'atmosphère, dont il constitue la majeure partie. Il pénètre dans le sol grâce à différents mécanismes
Par les bactéries fixatrices d'azote
Apports d'azote de l'ordre de 40 kg/ha/an (voir détail plus bas)
Par les précipitations
Apports d'azote de l'ordre de 15 kg/ha/an
Par le mécanisme d'Ingham
Selon Ingham (1950) l'azote sous une forme gazeuse ou fixé sur les poussières atmosphériques se poserait par adsorption sur les feuilles des végétaux vivants, sur les résidus végétaux du sol ou sur les particules du sol comme l'argile et l'humus. Cette adsorption est une attraction provisoire, du type "post-it". Les pluies viendraient ensuite nettoyer les feuilles ou résidus et entraîner l'azote dans les profondeurs du sol, au niveau des racines. Plus il y aura de feuilles au-dessus du sol dans le temps et dans l'espace, plus il y aura de résidus au sol (BRF, pailles, feuilles mortes, ...) et plus grande sera la quantité d'azote capturée.
Apports d'azote de l'ordre de 30 kg/ha/an
Par les mécanismes de Lebedjantzef et Rossi
Lebedjantzef (1924) et Rossi (1947) ont, chacun de leur côté, démontré que la surface du sol fixe l'azote atmosphérique, surtout si elle est sèche
Apports d'azote de l'ordre de 25 kg/ha/an
Les bactéries fixatrices d'azote
Des bactéries du sols sont capables de fixer l'azote atmosphériques soit seules, soit en symbiose avec d'autres bactéries ou des plantes
Les bactéries libres :
Les azotobacters : ce sont des bactéries libres aérobies dans le sol et fixatrices d'azote. Pour être efficaces du point de vue azote, ces bactéries ont besoin d'oxygène, d'un sol proche de la neutralité, et d'autres conditions comme un sol non carencé en phosphore. Il leur faut aussi des résidus végétaux (pailles, BRF, feuilles mortes, etc.).
Les Clostridiums : comme les azotobacters, ce sont des bactéries libres dans le sol et fixatrices d'azote. Mais contrairement à leurs collègues, elles sont anaérobies, c'est à dire qu'elles préfèrent les ambiances pauvres en oxygène. Elle sont donc à l’œuvre dans les profondeurs du sol ou plus en surface dans les terres lourdes.
Les Azospirillum : sont des bactéries libres microaérophiles (nécessitant une concentration en oxygène inférieure (généralement entre 2 à 10 % contre les 21% de la concentration atmosphèrique) fixatrices d'azote, qui colonisent la rhizosphère des graminées. Ces bactéries stimulent la croissance des plantes par divers mécanismes, en particulier en synthétisant des hormones végétales (auxines).
Sans être en symbiose, ces bactéries colonisent généralement la rhizosphère et bénéficient de la rhizodéposition (voir ci-dessous).
Les bactéries en association symbiotique avec le système racinaire des plantes, créant des nodosités :
le groupe des Rhizobia (Rhizobium, Bradyrhizobium, Mesorhizobium (en)…) en symbiose avec les légumineuses (fabacées) et ulmacées ;
les Actinomycètes comme les Frankia en symbiose avec des arbres et arbustes (notamment les aulnes, l'argousier, les Casuarinaceae et le Myrica gale) et certaines graminées tropicales.
Les remontées de nitrate par l'eau de capillarité
En période sèche, les remontées d'eau capillaire remontent aussi des nitrates pour un apport d'azote de l'ordre de 10 à 30 kg/ha/an
La minéralisation de la MO
La minéralisation de l''humus
La minéralisation de l'humus qui fournit parfois jusqu'à 70 % des besoins des plantes. Un bon sol maraîcher avec 5 % de matières organiques peut contenir plus de 5 t/ha d'azote et en libérer, en une saison complète, entre 50 et 150 kg/ha selon la dynamique de minéralisation. Le coefficient de minéralisation varie de 1,5 à 2,5 % du taux d'humus du sol en fonction des conditions du sol. Pour une terre sableuse (60% sables totaux) et un taux d'humus de 2,2 % :
Poids = volume x masse volumique (1 200 Kg/m3)
Poids de terre/ha = 10 000 m² x 0,3 m x 1,2 t/m3 = 3 600 t/ha
2,2% humus = 3 600 t x 2,2 % = 79,2 t d'humus/ha
Si la destruction est de 2 % par an (bonne condition et irrigation), humus minéralisé/an = 79,2 t x 2 % = 1,58 t/ha/an. Sachant que cette minéralisation amène 5 % d'azote cela représente 1,58 t x 5 % soient 79 unités N/ha.
Ainsi une partie importante de l'azote, mais aussi du phosphore et des oligoéléments, se trouve mobilisée dans l'humus puis est remise en circulation lorsque l'humus se minéralise. Des nitrates sont donc produits naturellement par le processus de minéralisation. Cette minéralisation connaît un pic à l'automne qui représente 60 % de la minéralisation de l'année alors que le reste a principalement lieu au printemps. Minéralisation et besoins des cultures ne se produisent pas toujours au même moment. Si le sol n'est pas couvert, ces nitrates sont lessivés alors que si une culture intermédiaire type engrais vert est en place, les plantes captent ces nitrates et les « stockent » dans leur biomasse.
La minéralisation des amendements engrais, fumiers, composts et autres apportés par l'agriculteur.
La minéralisation de l'azote des amendements organiques est très faible lorsqu'ils sont uniquement d'origine végétale comme le compost de déchets verts. La minéralisation des fumiers, compostés ou non, est plus élevée puisqu'elle peut atteindre de 10% à 30% d'azote minéralisé dans l'année de l'apport (cf tableau 1). Les engrais organiques (guano, farine de plumes, fientes de volailles, farine d'os, farine de viande, tourteau de ricin) sont riches en azote (plus de 3% de l'azote organique du produit), lequel est rapidement minéralisé (de 66 à 93% dans l'année de l'apport). En revanche, l'arrière effet des amendements organiques est surtout important dans les années qui suivent car ils continuent à se minéraliser les années suivantes. Avec le temps, l'utilisation régulière de tels amendements entraîne une accumulation de nutriments dans le sol. Il faut donc tenir compte de cet effet résiduel des fumiers, composts et des engrais organiques car il est cumulatif et à long terme. L'azote amené par les engrais classiques est minéral et donc rapidement assimilable par les plantes mais un usage excessif court-circuite les chaînes trophiques et fait chuter les populations microbiennes notamment les mycorhizes qui sont fortement détruites par cet azote minéral.
La minéralisation des résidus de culture et des engrais verts.
En fonction de la culture qui précède les résidus vont libérer plus ou moins d'azote :
Plus la culture est riche en eau (jeune, légumes feuilles, …), plus les résidus seront riches en azote et faciles à décomposer. Ceci peut amener de 10 à 60 unités d'azote/ha ; 40 unités pour les légumes feuilles et racines.
Plus la culture est ligneuse (fin de cycle avec parties aériennes sèches, légumes en graines, …), plus les résidus seront difficiles à décomposer. Le résultat de la minéralisation des résidus sera faible en azote, voire négatif (effet dépressif si enfouissement à l'automne, de 0 à – 30 unités). Pois, haricots, fèves, tomates : 20 unités d'azote/ha.
L'engrais vert, de vie très courte, va restituer très peu d'azote utilisable par la culture suivante : de 20 unités pour un engrais vert non légumineuse à 30 pour une légumineuse. Son effet, par contre, s'ajoute au précédent cultural. Par exemple, si on a une rotation tomates-vesces-radis noir, les résidus de la tomate apportent 20 unités d'azote et ceux de l'engrais vert, la vesce, 30 unités. Ce qui donne donc un total de 50 unités.
Voir la méthode MERCI détaillée dans un autre cours.
La mort d'organismes vivants du sol
La mort d'organismes vivants du sol, riches en protéines, contribue aussi à une fraction appréciable des besoins des cultures. Ces micro-organismes sont les agents de la minéralisation et de l'humification.
Issus de la biomasse bactérienne - Apports d'azote de l'ordre de 200 kg/ha/an
Issus de la biomasse fongique - Apports d'azote de l'ordre de 200 kg/ha/an
La nitrification
La nitrification est l’oxydation par des microorganismes aérobies spécifiques de l’azote ammoniacal en azote nitrique. Elle s’effectue en deux étapes successives : la nitritation réalisée par des bactéries nitreuses : Nitrosomonas et la nitratation réalisées par des des bactéries du genre Nitrobacter.
Apports d'azote de l'ordre de 50à 60 kg/ha/an
Le mécanisme de la rhizodéposition
La rhizodéposition, est l'injection de rhizodépôts (cellules détachées de la racine [notamment les cellules mortes de la coiffe], composés organiques sécrétés par la racine [lysats, mucilages, exsudats]) directement dans le sol par les racines des plantes vivantes. Ces composés riches en carbone, sont une source d'énergie essentielle pour les micro-organismes de la rhizosphère. Cette mince couche du sol qui colle aux racines contient en particulier des bactéries, protozoaires, nématodes, champignons.
La gestion de l'azote
L'effet néfaste de l'utilisation d'azote soluble
L'emploi de doses massives d'azote soluble, court-circuite ces processus naturels et provoque la diminution des populations de micro-organismes dans le sol. Les nitrates de synthèse qui sont directement assimilables par les plantes ont un impact négatif sur la vie du sol. Il la brûle (sels minéraux) et court-circuitent bactéries et champignons entraînant leur disparition progressive. Il semble évident maintenant que les performances des engrais minéraux, utilisés en masse après guerre, étaient liées au fait qu'alors les sols étaient encore vivants et relativement riches en matière organique. Or, ce n'est plus le cas aujourd'hui et de sérieux problèmes se posent.
Les pertes par lessivage ou dénitrification
Ces pertes dans un système conventionnel sont très importantes. En effet, l'absence de COM stable, lié à la faiblesse du taux de matières organique dans de nombreux sols cultivés, entraîne un part de plus en plus importante des intrants qui se retrouvent dans le sol et dans les nappes phréatiques. Il faut comprendre qu'avec les engrais solubles, seule une fraction de l'engrais apporté se retrouve dans les plantes. Les pertes peuvent parfois être importantes. C'est rarement plus de 60 à 70 % de l'azote des fertilisants solubles qui est absorbé par les cultures, fréquemment moins de 50 % et parfois aussi peu que 25 % selon certains auteurs.
Si le sol est suffisamment pourvu en carbone, donc en matière organique, les micro-organismes peuvent dénitrifier le sol en limitant ainsi le lessivage des nitrates dans la nappe phréatique. Les nitrates sont alors transformés en diazote (N2) qui retourne dans l'atmosphère. On a donc là un mécanisme naturel de régulation des nitrates dans le sol.
Si les conditions du sol sont défavorables et notamment en cas de compaction importante (manque d'oxygène) et d'excès d'eau, la dénitrification peut être incomplète et on aboutit à l'émission de protoxyde d'azote (N2O) qui est un gaz à effet de serre (GES).
L'agriculteur se doit d'intervenir avec habileté dans le cycle de l'azote afin de favoriser la disponibilité constante de cette substance pour les besoins des plantes et de la vie du sol et faciliter son recyclage soigné qui minimise les pertes polluantes vers l'environnement. Les moyens d'intervention sont les suivants :
Maximiser l'activité biologique.
Faire attention à avoir une bonne structure et un bon drainage du sol.
Avoir un bon entretien calcique du sol.
Optimiser la gestion des matières organiques
Dans le sol, la séquence de minéralisation est présentée comme suit dans sa forme simplifiée :
N organique | --> | NH4 + ammonium | --> | NO2 - nitrite | --> | NO3 - nitrate |
|---|
Ces transformations sont faites par des micro-organismes, des bactéries notamment. Les plantes absorbent principalement des nitrates, fortement solubles, et aussi de l'ammonium. Étant un cation, ce dernier peut-être maintenu en réserve par rétention sur le CAH. Ce n'est pas le cas des nitrates, qui, en sol peu actif biologiquement, sont lessivés s'ils ne sont pas utilisés par les cultures. En sol biologiquement actif, ils sont aussi utilisés rapidement par les organismes du sol qui les réorganisent.
Pour certaines cultures exigeantes en azote, l'apport de fertilisants organiques, même riches en azote comme certains engrais organiques, n'est pas la seule technique à mettre en œuvre. Pour ces cultures, et principalement pour les céréales et les cultures maraîchères, ce sont surtout des précédents à base de légumineuses (luzerne, prairies temporaires de mélange, engrais verts, protéagineux) qui fournissent l'essentiel de l'azote. Les légumineuses compensent en partie les exportations d'azote par la culture sans contribuer à l'enrichissement en phosphore comme les fumiers et composts.
Il peut être intéressant de réaliser un bilan des éléments nutritifs et notamment de l'azote pour évaluer la quantité d'azote, par exemple disponible pour la culture en la comparant à ses besoins théoriques et éviter les excès qui sont toujours possible.
Complément : Interaction de l'azote avec d'autres éléments
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|---|---|---|
– | P (phosphore), K (potassium), Ca (calcium), Mg (magnésium), Mo (molybdène) | – |
Le phosphore
Particularité du phosphore son peu de mobilité
La nutrition phosphatée des plantes dépend d'abord du fait que cet élément est très peu mobile dans le sol.
On peut mettre l'accent sur trois facteurs principaux :
Le développement d'un système racinaire qui explore le sol abondamment.
La stimulation de l'activité biologique qui rend les différentes formes de phosphore (P) assimilables par les cultures.
Le réchauffement du sol, en particulier au printemps, qui favorise un démarrage hâtif de cette activité biologique
Remarque : Importance des mycorhizes et travail du sol
Il est nécessaire d'accorder une attention toute particulière au développement d'une bonne population de mycorhizes qui pénètrent dans les racines et prolongent de façon importante leur extension dans le sol, fournissant ainsi aux plantes divers éléments nutritifs dont le plus important est le phosphore. Il est à noter que plus un sol est travaillé mécaniquement moins il y a de mycorhizes. Le binage, lui, aère le sol, stimule l'activité biologique, ce qui favorise une meilleur nutrition phosphatée et azotée.
Il y a donc un équilibre à trouver entre les différentes interventions possibles en travail du sol.
Sources du phosphore
Les sources du phosphore dans le sol sont à peu près les mêmes que celles de l'azote :
La minéralisation de l'humus
le Phosphore associé à l'humus peut libérer jusqu'à 20 kg/ha de P dans la saison. Les valeurs peuvent être plus élevées si les fertilisations passées ont favorisé l'accumulation de phosphore organique. Il s'agit ici de P pur ; pour déterminer son équivalent en valeur fertilisante, il faut multiplier par 2,29 pour obtenir la quantité d'acide phosphorique (P2O5) utilisable par les plantes. Ceci nous donnerait donc environ 46 unités de P/ha/an.
Les engrais, fumiers, composts et autres amendements apportés par l'agriculteur
Les amendements organiques sont des engrais phosphatés efficaces car le coefficient d'utilisation du P est sensiblement le même, ou légèrement inférieur (80 %), que celui des engrais minéraux les plus solubles (cf tableau 1). Ce n'est pas le cas des formes de P minérale autorisées en agriculture biologique par exemple (faible disponibilité du P des phosphates naturels en sols calcaires).
Les engrais organiques d'origine animale (farines de plumes, d'os, …) contiennent, en plus de l'azote, des quantités importantes de P.
La minéralisation des résidus de culture et des engrais verts
Dans la littérature sur le sujet le phosphore apporté par les résidus de culture et d'engrais vert est souvent considéré comme négligeable selon certains auteurs. La méthode MERCI (méthode d'évaluation des restitutions des couverts intermédiaires) donne cependant quelques valeurs intéressantes.
La flore microbienne
Elle libère entre 8 et 20 kg de P pur soient entre 18 et 46 unités de P/ha/an.
La gestion du phosphore
Les excès de phosphates (avec les nitrates) constituent la cause majeure d'eutrophisation de l'environnement. On l'a vu, le phosphore est normalement absorbé dans la plante par l'intermédiaire des mycorhizes. Or, des apports excessifs d'engrais phosphatés (et azotés) solubles détruisent également les champignons mycorhiziens. L'alimentation naturelle des plantes en P ne peut donc plus avoir lieu et les cultures deviennent alors dépendantes des seuls apports d'engrais de synthèse. On est en fait dans un cercle vicieux.
Le P excédentaires des engrais minéraux est lessivé par les pluies s'il n'est pas utilisé rapidement par les plantes et il peut donc s'accumuler dans les sédiments des étangs où il reste plus longtemps disponible que les nitrates.
Complément : Des pistes pour valoriser le phosphore accumulé dans les sols
Afin de répondre aux besoins en phosphore des cultures tout en limitant l'utilisation d'engrais, des pistes sont avancées dans la littérature scientifique pour remobiliser le phosphore accumulé dans les sols du fait d'apports historiques excédentaires. Cette remobilisation est nécessaire parce que le phosphore tend à être retenu par certains constituants du sol (oxyhydroxydes de fer et d'aluminium, complexe argilo-humique) ou à précipiter pour former des phosphates insolubles (phosphates de calcium, fer, aluminium…), ce qui le rend moins disponible voire inaccessible pour les plantes. Une remobilisation de ce phosphore pourrait être favorisée par des bactéries (minéralisation du phosphore organique grâce à certaines enzymes p. ex. [Ami et al., 2022. Are native phosphate solubilizing bacteria a relevant alternative to mineral fertilizations for crops? Part I. when rhizobacteria meet plant P requirements. Rhizosphere, 21, 100476]) ou des champignons mycorhiziens (échange du phosphore fixé par des exsudats[Honvault et al., 2021. Interactions between below-ground traits and rhizosheath fungal and bacterial communities for phosphorus acquisition. Functional Ecology, 35, 1603-1619.] ). Par ailleurs, certaines espèces végétales sont plus compétentes que d'autres pour prélever des formes moins disponibles de phosphore dans les sols (féverolle, vesce ou lentille p. ex.), grâce à des particularités de leur système racinaire (mycorhization, production élevée d'exsudats et/ou forte ramification). En association avec d'autres cultures (sous forme de cultures intercalaires p. ex.), de telles plantes peuvent améliorer la disponibilité du phosphore dans les agroécosystèmes (Li et al., 2014. Plant diversity and overyielding: insights from belowground facilitation of intercropping in agriculture. New Phytologist, 203, 63-69.).
Source : Etat de l'environnement Wallon - Bilan du Phosphore
Complément : Interaction du phosphore avec d'autres éléments
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|---|---|---|
– | – | Ca (calcium), Mg (Magnésium), Mn (manganèse), Fe (fer) |
Le potassium
Le potassium (K) est l'élément nutritif majeur le plus abondant dans les sols mais il est essentiellement dans des minéraux insolubles. Les légumes par exemple sont, dans l'ensemble, très exigeants en potasse (200 unités requises/ha pour une culture de laitues par exemple). La carence en potasse entraîne des problèmes sérieux de rendement et de qualité.
Le fumier est riche en potasse, en particulier celui des animaux consommant des fourrages. C'est une potasse hautement soluble et il peut être nécessaire de protéger les tas de compost contre le lessivage car l'eau traversant un compost mûr peut entraîner des pertes importantes en K. Il faut donc recouvrir les tas de composts pour éviter le lessivage par les pluies. Il est aussi préférable de faire des épandages de compost systématiquement avant le semis d'un engrais vert (qui recycle le K dans ses tissus) ou bien épandre au printemps, juste avant l'implantation des cultures. Attention également dans les sols légers et notamment sableux dans lesquels la potasse peut être facilement lessivée en raison de la faiblesse du CAH qui ne peut stocker suffisamment de potassium échangeable. L'enfouissement par déchaumage après récolte, suivi par l'implantation systématique d'engrais verts, aide à minimiser les pertes. La culture en rotation d'un engrais vert de foin fauché, laissé sur place, aide à enrichir le sol de façon appréciable à partir de ses réserves peu solubles. Les légumineuses sont particulièrement efficaces pour extraire du potassium insoluble du sol et du sous-sol. Elles constituent donc un précédent incontournable pour nombre d cultures. A noter également, le K des fumiers, des composts, des engrais verts et des résidus de culture est libéré rapidement car il n'est pas immobilisé par l'humification. Ainsi, le coefficient d'utilisation du potassium contenu dans les amendements est identique à celui des engrais minéraux. Les fumiers pailleux sont plus riches en K.
Il existe des engrais naturels potassiques à base de diverses pierres volcaniques comme le basalt par exemple. L'emploi de ces roches doit être pris comme un apport visant une amélioration de fond du sol et non comme un fertilisant capable de corriger rapidement une carence.
Complément : Interaction du potassium avec d'autres éléments
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|---|---|---|
N (Azote), Na (Sodium), Fe (fer- 50%) | Ca (calcium), Mg (Magnésium) | Fe (fer 50%) |