Semis Nature avec distributeur pneumatique de 24 m
Les graines de sorgho, dont la densité de semis Nature a été augmenter, sont accompagnées de graines de colza et de chicorée …..Ainsi que des granulés de lisier de porc destiné à stabiliser le mélange de graine dans la trèmie
Intervention destinée à aplatir le couvert végétal vers le sol ….
Objectifs : accès à la lumière et à la chaleur pour favoriser la germination et créer un mulch permettant de garder de l’humidité…
A suivre avec les propositions de la météo et de la gourmandise des limaces et autres escargots…!
Les mesures réduites concernent la jachère, la couverture végétale des champs et la rotation des cultures et visaient à éviter un problème majeur dans l’Union européenne : la perte de sols fertiles. Rappelons qu’en Europe nous perdons environ 2,4 Tm de terre par hectare et par an. Nous perdons les récoltes du futur.
Dans l’État espagnol, 74 % de la superficie est menacée de désertification . Il existe suffisamment de connaissances scientifiques pour développer des pratiques agricoles qui préservent les sols et les écosystèmes, et approuver ce type de mesures envoie le mauvais message : l’agriculture et la durabilité environnementale ne sont pas des ennemis irréconciliables.
Cette flexibilité approuvée est un énorme revers, elle bloque les changements urgents dont le secteur a besoin, favorise les intérêts des secteurs les plus réactionnaires, promeut un message contraire à la science et permet d’amplifier des canulars très néfastes .
Et cette couleur limoneuse de l’eau n’est pas normale …..C’est de l’érosion et du gaspillage de sol agricole …il y a pourtant des solutions super efficaces pour éviter ce désastre ……. https://lucienseguy.fr
Aujourd’hui, nous devons parler de l’un des aspects les plus méconnus du sol, mais d’une grande importance : le réseau trophique.
Mais dans quelle mesure est-ce important ?
C’est fondamental; Il n’y a pas de sols sains sans un réseau trophique dynamique et actif, qui joue un rôle crucial dans la fertilisation.
Tout commence par la matière organique. C’est la base de tout. Au premier niveau se trouvent les plantes. Ces incroyables êtres vivants qui, avec le CO2 de l’air, de l’eau et des minéraux, sont capables de créer des sucres simples par photosynthèse. Nous sommes au 1er niveau trophique.
Une partie de ces sucres sera transformée en molécules plus complexes comme la cellulose ou la lignine qui feront partie de sa structure et une autre partie sera exsudée par les racines dans le sol. Et pourquoi fait-il ça ? Avec le coût énergétique élevé de la photosynthèse…
Eh bien, pour nourrir les micro-organismes présents dans la rhizosphère dans un merveilleux processus de symbiose dans lequel, en retour, ces organismes offrent des nutriments à la plante. Nous y reviendrons plus tard
On entre dans le niveau 2, où l’on retrouve un grand nombre de micro-organismes qui seront responsables de nombreuses fonctions très importantes dans le sol, comme par exemple la décomposition des restes de plantes mortes, de racines, etc.
On retrouve ainsi des bactéries, des champignons et des nématodes, qui minéralisent les nutriments contenus dans la matière organique, fixent l’azote de l’atmosphère, solubilisent de nombreux minéraux du sol, améliorent la structure du sol grâce à leurs colles, formant des agrégats.
et établir des relations complexes et contrôler les populations d’organismes du sol, y compris les ravageurs des cultures, par le biais de mécanismes de mutualisme, de parasitisme, de prédation, etc. De la même manière que l’on peut observer dans les écosystèmes aériens
Lorsque ces populations augmentent grâce aux apports de matière organique, des micro-organismes typiques du niveau suivant, le 3ème, commencent à apparaître, parmi lesquels se trouvent des protozoaires, des nématodes et des arthropodes, qui contrôleront les populations du niveau précédent.
Et ainsi de suite consécutivement avec chacun des niveaux jusqu’à atteindre les organismes que l’on peut observer à l’œil nu dans un réseau alimentaire complexe et dynamique dont on peut tirer quelques conclusions.
L’apport constant de matière organique dans le sol est nécessaire au fonctionnement du réseau. Le carbone est la base alimentaire de tout le système
Biodiversité : plus le nombre d’espèces et d’interactions est élevé, plus le sol sera équilibré et plus de fonctions importantes pour les plantes pourront être satisfaites.
Une bonne structure du sol est essentielle à une bonne oxygénation du sol. Cela favorise les conditions propices au développement des micro-organismes bénéfiques.
Plus la diversité et la présence d’organismes bénéfiques sont grandes, dans des conditions aérobies, moins il est probable que les agents pathogènes puissent causer des problèmes aux plantes.
Enfin, les micro-organismes du sol jouent un rôle fondamental dans la nutrition des plantes. Regardons le rapport C/N de certains d’entre eux :
Lorsqu’un protozoaire a besoin de 30 atomes de carbone pour chaque atome d’azote pour sa nutrition, il les obtiendra de bactéries, donc pour 6 bactéries consommées, il éliminera 5 atomes d’azote.
Un protozoaire mange environ 10 000 bactéries par jour, puis libère environ 8 000 molécules d’azote.
S’il y avait environ 50 000 protozoaires par gramme dans un sol sain, cela libérerait environ 400 000 000 de molécules d’azote par gramme, soit plus que suffisant pour les besoins nutritionnels des plantes.
Qui a besoin de fertiliser avec des produits chimiques de synthèse ?
Comprendre le fonctionnement d’un sol « vivant » et créer les conditions permettant à la microbiologie de développer ses fonctions au sein du réseau trophique est sans aucun doute la première étape vers une agriculture saine et productive.
Dans un écosystème naturel comme la forêt, le sol n’est jamais perturbé et il est protégé en permanence par un couvert végétal très diversifié, qui crée des conditions favorables (humidité, aération, température, substrat nutritif, etc.) pour une forte activité biologique. Plantes et organismes du sol très divers vivent en interactions, assurent une forte production de biomasse et remplissent diverses fonctions écosystémiques comme:
la production de matière organique par photosynthèse, à partir de l’eau et du gaz carbonique;
la protection du sol et la réduction du ruissellement par le couvert végétal permanent;
le recyclage des élé ments nutritifs et de l’eau par les racines profondes;
la fixation d’azote atmosphérique par les bactéries associées aux plantes (dans les nodosités des racines de légumineuses ou dans la rhizosphère);
la minéralisation et la solubilisation des éléments nutritifs par les organismes vivants permettant une alimentation régulière des plantes;
l’enrichissement du sol en matière organique stable et la séquestration de carbone;
l’aération du sol par les systèmes racinaires puissants;
la régulation de la température du sol; et
l’ensemble des processus de pédogenèse avec:
altération de la roche mère en argiles (plus ou moins rapide en fonction du climat et du type de roche), par les systèmes racinaires puissants et leurs exsudats, les champignons, les micro-organismes du sol, etc.
fractionnement progressif par la faune des débris végétaux de grosse taille (ce qui les rend accessibles à la microflore), sous l’intervention d’une grande diversité trophique: gros collemboles, diptères, macro-arthropodes, enchytrées, petits collemboles, oribates, etc.
humification sous l’action des bactéries, la vitesse et les produits de cette humification variant en fonction de la végétation, du climat et de la microflore;
bioturbation (fonction indispensable à la pédogenèse, mixant ainsi matières minérales et matières organiques, permettant la formation du complexe argilo-humique et les processus d’agrégation du sol) par la faune du sol: vers de terre, fourmis, termites, larves de coléoptères, etc.
agrégation et stabilisation des agrégats par la faune (bioturbation, activation de la microflore), les champignons (par les mycélium/hyphes), les colonies de bactéries, les exsudats racinaires, polysaccharides, etc. Ces diverses fonctions, remplies par les plantes et les organismes vivants du sol, permettent d’assurer une pédogenèse active, et de maintenir un sol qui se renouvelle régulièrement. Le turnover important de la matière organique et des éléments nutritifs, et l’absence de pertes par lessivage, permettent d’entretenir de manière durable une forte production, même sur des sols à fertilité réduite. Cette production de biomasse permet quant à elle d’entretenir la pédogenèse. L’écosystème est stable et résilient.
Le sol vivant La macrofaune et les micro-organismes jouent un rôle fondamental dans la vie d’un sol. Ils sont indispensables à sa formation: altération de la roche mère, décomposition de la matière organique, processus de minéralisation et de formation d’humus, bioturbation, etc. Ils jouent également un rôle clef dans la formation et la stabilité des agrégats du sol et donc de sa structure. La microflore (bactéries, mycorhizes, trichodermes, etc.) est aussi fondamentale pour les processus assurant l’alimentation des plantes:
minéralisation de la matière organique;
fixation d’azote atmosphérique;
solubilisation des éléments minéraux par oxydation ou chélation, ce qui les rend assimilables par les plantes; extraction d’éléments nutritifs du sol peu mobilisables (modification du pH et du potentiel redox,
augmentation de la surface d’interception par les mycorhizes, etc.). Ils sont si importants pour les plantes qu’elles les stimulent par leurs exsudats racinaires, allant jusqu’à «relacher» par rhizodéposition 20 à 50% du carbone capté par photosynthèse. Certaines plantes carencées en phosphore par exemple peuvent, par leurs sécrétions, favoriser de manière préférentielle le développement de bactéries qui extraient le phosphore fixé dans le sol et le solubilisent.
Trois principes fondamentaux
Minimiser la perturbation du sol et de la litière (pas de travail mécanique du sol).
maintenir le sol couvert en permanence.
Produire et restituer au sol une forte biomasse par associations/successions d’une diversité de plantes aux fonctions multiples.
Production et restitution au sol d’une forte biomasse. La biomasse est renouvelée annuellement (ce qui permet de maintenir la couverture du sol malgré la minéralisation) par diverses plantes (cultures et plantes de couverture) multifonctionnelles, conduites en association et/ou en succession et qui remplissent des fonctions éco systémiques diverses. L’écosystème cultivé en SCV est cependant intensifié par rapport à un écosystème naturel, pour permettre la production de cultures et/ou de fourrages qui sont exportés (ce qui implique en retour des apports pour restituer les éléments nutritifs prélevés par le système). Ces trois principes permettent de construire trois “piliers”:
Les trois “piliers” du semis direct sur couverture végétale
Le premier “pilier” des SCV, est donc la couverture végétale permanente du sol (alimentée par une forte production de biomasse, et non perturbée en l’absence de travail du sol). L’épaisse litière ainsi constituée protège le sol et modifie la dynamique de la matière organique, de l’eau et des éléments nutritifs;
Le deuxième “pilier” des SCV est constitué par la diversité des plantes (associées ou en succession dans les systèmes SCV selon le troisième principe) qui remplissent de multiples fonctions. Elles assurent en particulier la production de biomasse aérienne (alimentation de la litière) et racinaire (exploration d’un important volume de sol, production de biomasse souterraine, restructuration du sol, mobilisation et recyclage des éléments nutritifs, etc.)
Le troisième “pilier” des SCV est la forte activité biologique du sol (faune et microflore), rendue possible par les deux premiers “piliers” qui alimentent le sol en matière organique et favorisent le développement des organismes, en:
restructurant et aérant le sol par les systèmes racinaires puissants;
maintenant l’humidité (faible ruissellement, forte infiltration et stockage, évaporation limitée) et tamponnant les températures par la couverture végétale;
fournissant un substrat énergétique: la matière organique fraîche (au niveau de la litière en décomposition et des racines après la mort des plantes) et les exsudats (sucres, hormones, enzymes, etc.) émis par les jeunes racines. En retour, cette forte activité biologique contribue à améliorer et stabiliser la structure du sol (structuration et stabilisation des agrégats du sol par la macrofaune, les champignons du sol, les colonies de bactéries, etc.). Elle est essentielle dans la genèse des sols et joue un rôle fondamental dans les cycles des éléments nutritifs, aussi bien au niveau de la litière (cycle de la matière organique: minéralisation, humification et séquestration de carbone, accumulation d’azote organique ; solubilisation des éléments nutritifs par oxydation ou chélation) que du complexe absorbant (nature des bases et rétention). Elle renforce le deuxième “pilier” (les plantes multifonctionnelles) qui alimente le premier (la litière). Ces trois “piliers” (couverture végétale/litière + plantes multifonctionnelles/racines + activité biologique associée) se renforcent mutuellement. Ils permettent aux SCV, par leur nature et leur quantité sans cesse renouvelées (biodiversité fonctionnelle), de remplir des fonctions multiples et complémentaires, communes à tous les SCV mais d’intensité variable en fonction des systèmes et de leurs conditions de réalisation (qualité et quantité de la biomasse produite et restituée au sol).
La couverture végétale / litière La couverture végétale du sol/litière est fondamentale pour le bon fonctionnement des SCV. Elle doit être maintenue aussi totale que possible, de manière aussi continue que possible. Elle est composée des résidus de récolte auxquels s’ajoute la matière sèche, souvent prépondérante en quantité et en biodiversité, provenant des plantes associées à la culture principale ou pratiquées en succession annuelle. Elle peut être difficile à maintenir dans des conditions climatiques exceptionnelles, qui peuvent limiter fortement la croissance des plantes. Elle peut à l’inverse être très épaisse, composée parfois des résidus de biomasse issus de plusieurs années successives, en fonction de la quantité et de la qualité de la biomasse et des conditions climatiques. Cet approvisionnement régulier et ce maintien en permanence d’une couverture végétale, sans perturbation du sol, distinguent les SCV de la plupart des techniques parfois regroupées sous le vocable d’agriculture de conservation, dont les Techniques Culturales Simplifiées (TCS).
Les champignons mycorhiziens arbusculaires (AM) jouent un rôle important dans la formation et la stabilisation de la matière organique du sol (MOS). Des études antérieures ont mis l’accent sur les composés organiques produits par les champignons AM en tant qu’agents de liaison persistants pour la formation d’agrégats et le stockage de la SOM. Ce concept néglige les multiples processus biogéochimiques médiés par les activités fongiques AM, qui déterminent la génération, le retraitement, la réorganisation et la stabilisation de la MOS. Nous proposons ici un cadre conceptuel mis à jour pour faciliter une compréhension mécaniste du rôle des champignons AM dans la dynamique de la SOM. Dans ce cadre, quatre voies pour la dynamique de la MOS médiée par les champignons AM sont incluses : « Génération », les exsudats fongiques AM et la biomasse servent de sources clés de chimiodiversité de la MOS ; « Retraitement », les micro-organismes de l’hyphosphère conduisent à la décomposition et à la resynthèse de la SOM ; « Réorganisés », les champignons AM interviennent dans les changements physiques du sol et influencent le transport, la redistribution, la transformation et le stockage de la MOS ; et « stabilisants », les champignons AM conduisent à l’altération des minéraux et aux interactions organo-minérales pour la stabilisation de la MOS. De plus, nous discutons du rôle fongique AM dans la dynamique de la SOM à différentes échelles, en particulier lors de la traduction de résultats à petite échelle vers des échelles complexes à plus grande échelle. Nous pensons que travailler avec ce cadre conceptuel peut permettre une meilleure compréhension du rôle fongique AM dans la dynamique de la MOS, facilitant ainsi le développement de technologies basées sur les mycorhizes pour la santé des sols et l’atténuation du changement global.
Introduction
Les champignons mycorhiziens arbusculaires (AM), en tant que champignons du sol omniprésents qui peuvent former des symbioses avec > 80 % de plantes terrestres, peuvent aider les plantes hôtes à acquérir des nutriments (par exemple les macronutriments phosphore (P) et azote (N)), en recevant en retour des glucides et lipides issus de plantes (Smith & Read, 2010 ; Bravo et al ., 2017 ; Jiang et al ., 2017 ; Luginbuehl et al ., 2017 ). Il est largement rapporté que les champignons mycorhiziens arbusculaires génèrent des agents liants organiques pour la formation, la stabilisation et le développement des agrégats de matière organique du sol (MOS) (Tisdall, 1991 ; Rillig, 2004 ; Rillig & Mummey, 2006 ; Singh et al ., 2013 ). Cependant, en tant que « moteur » clé « pompant » le carbone (C) de la surface (atmosphère) vers le sous-sol, reliant ainsi le cycle du C aérien et souterrain, le rôle des champignons AM dans la dynamique de la MOS est loin d’être entièrement compris. Dans des études précédentes (Frey, 2019 ), les chercheurs ont souligné le rôle clé des champignons AM dans la formation et la stabilisation de la SOM principalement via : la fourniture de molécules persistantes dérivées des champignons AM, telles que les substances protéiques (partiellement générées par les champignons AM) (Irving et al ., 2021 ); et/ou l’enchevêtrement de particules minérales et de matière organique (MO) par des mycéliums fongiques pour la formation d’agrégats et le stockage de la MOS (Rillig & Mummey, 2006 ). Les deux aspects mettent en évidence l’importance des composés organiques dérivés des champignons AM (exsudats fongiques ou biomasse/nécromasse mycélienne) en tant que « colle » organique et sources de SOM pour lier les particules minérales. Cependant, ils ignorent la diversité moléculaire des composés organiques produits par les champignons AM, le retraitement de la MO microbienne de l’hyphosphère, ainsi que l’altération minérale médiée par les champignons AM et les interactions organo-minérales qui contrôlent la nature et la stabilisation de la MOS dans les sols. Il manque, d’une manière ou d’une autre, un cadre conceptuel couvrant ces aspects clés pour faire progresser notre compréhension du rôle des champignons AM dans la dynamique de la MOS et des mécanismes sous-jacents.
Le nouveau cadre conceptuel pour la dynamique de la MOS médiée par les champignons AM
Nous proposons que les champignons AM conduisent systématiquement la génération, le retraitement, la réorganisation et la stabilisation de la SOM, de plusieurs manières, déterminant finalement la nature et la persistance de la SOM (Fig. 1 ). En règle générale, les champignons AM peuvent influencer la dynamique de la MOS principalement via : la génération de MOS médiée par les champignons AM, le retraitement, puis la diversité moléculaire et la persistance biochimique à travers les champignons eux-mêmes et/ou les activités microbiennes de l’hyphosphère associées ; et la réorganisation et la stabilisation de la MOS induite par les champignons AM (c’est-à-dire le transport et la transformation) en influençant l’altération des minéraux, les interactions organo-minérales et la dynamique des agrégats du sol. Nous proposons qu’il existe quatre voies par lesquelles les champignons AM peuvent façonner la dynamique de la SOM.
Fig. 1Ouvrir dans la visionneuse de figuresPower PointDiagramme montrant le cadre conceptuel mis à jour de la dynamique de la matière organique du sol (MOS) médiée par les champignons mycorhiziens arbusculaires (AM). Les plantes fixent le carbone par la photosynthèse, qui est ensuite transmis aux champignons AM. Les champignons mycorhiziens arbusculaires influencent la dynamique de la MOS par quatre voies : (1) « Générants », les champignons AM génèrent des composés organiques, notamment des métabolites fongiques AM, du mucilage, des exsudats, de la nécromasse, conduisant à une chimiodiversité accrue et à la persistance biochimique des molécules de MOS dans le sol ; (2) « Retraitement », les mycéliums fongiques AM induisent le développement d’une communauté microbienne (en particulier bactérienne), la « communauté microbienne de l’hyphosphère », qui retraite (y compris, mais sans s’y limiter, la décomposition, l’assimilation et la resynthèse) la MOS par des voies intra- et/ou extracellulaires pour générer de nouveaux composés organiques, contribuant à la chimiodiversité et à la persistance de la MOS ; (3) La « réorganisation », la colonisation et l’expansion des mycéliums fongiques AM modifient les propriétés hydrauliques du sol et la dynamique des agrégats, qui influencent le transport, les réactions biogéochimiques et le stockage de la MOS, conduisant à la redistribution (hétérogénéité) et à la transformation de la MOS ; (4) « Stabilisants », les champignons AM entraînent l’altération des minéraux et les interactions organo-minérales, qui influencent la transformation et la stabilisation de la SOM (y compris l’adsorption de la SOM minérale, les réactions de transformation de la SOM médiées par les minéraux et l’association organo-minérale sur les surfaces minérales modifiées). Les parcours 1 et 4 sont surlignés en rouge car il existe davantage de lacunes en matière de connaissances à combler dans ces deux parcours.
Voie 1, « Génération » : la chimiodiversité moléculaire des composés organiques dérivés de champignons AM
Les études précédentes se concentraient principalement sur des composés fonctionnels ciblés tels que les substances protéiques produites par les champignons AM, sans une compréhension complète de la diversité chimique, de la composition et des propriétés (chimiodiversité) des composés organiques générés par les activités fongiques AM. La « chimiodiversité » des composés organiques dérivés des activités fongiques AM comprend toutes les molécules organiques (spectre complet des composés), plutôt qu’un indice de diversité spécifique. Les mycéliums fongiques mycorhiziens arbusculaires et les composés organiques dérivés représentent une proportion importante de la MOS microbienne (Zhu & Miller, 2003 ; Singh et al ., 2020 ), et les composés protéiques ne sont qu’une partie des composés organiques des exsudats fongiques AM. Il a été rapporté qu’outre les composés protéiques, les champignons AM produisent également de petites molécules telles que des sucres, des monosaccharides et des acides organiques de faible poids moléculaire (Hooker et al ., 2007 ; Toljander et al ., 2007 ). Ces composés ainsi que les protéines ont été caractérisés principalement par des méthodologies basées sur l’extraction chimique, l’immunoréactivité, la spectroscopie et la chromatographie liquide, mais il existe un manque d’informations sur la composition chimique et la diversité moléculaire des composés organiques générés par les champignons AM. Sans zoomer sur la chimiodiversité des composés organiques dérivés des champignons AM au niveau moléculaire, il est difficile de comprendre le rôle réel des champignons AM dans la persistance de la MOS. Plus précisément, des questions clés restent sans réponse : quelles sont la composition moléculaire et les caractéristiques des composés organiques produits par les activités fongiques AM ?
La chimiodiversité de la MOS, plutôt que celle des composés individuels, contrôle probablement la décomposition globale par les micro-organismes du sol, qui dépend des compromis entre l’énergie dépensée pour la production enzymatique et l’énergie gagnée par la décomposition des molécules du substrat (rapport coût-bénéfice) ( Lehmann et coll ., 2020 ). Généralement, la taille moléculaire, la composition élémentaire (stoechiométrie), le degré d’aromaticité, l’insaturation et l’oxydation des composés organiques individuels influencent ensemble la biodégradabilité et la décomposition de la SOM (Marschner & Kalbitz, 2003 ; Lehmann et al ., 2020 ). Plus précisément, le statut d’oxydation nominal du carbone sert de paramètre thermodynamique pour déterminer la décomposition microbienne des composés moléculaires (Boye et al ., 2017 ). La composition moléculaire et les caractéristiques des composés organiques produits par les champignons AM pourraient également influencer leur affinité avec les minéraux et leur persistance ultérieure (Coward et al ., 2018 ). Par conséquent, il est important de considérer la chimiodiversité moléculaire des composés organiques produits par les champignons AM pour découvrir pleinement leur contribution à la composition globale de la MOS, à la biodégradabilité et à la persistance.
De plus, la biomasse fongique AM (y compris les structures fongiques intraradicalaires et extraradicalaires) et leurs produits décomposés (Steinberg & Rillig, 2003 ) constituent des éléments importants des sources de matière organique dans la mycorrhizosphère. Comment la décomposition de la biomasse fongique AM contribue-t-elle à la chimiodiversité de la MOS ? En particulier, les voies de mort fongique pourraient déterminer la formation et la chimie de la MOS dérivée de la nécromasse (Camenzind et al ., 2023 ), alors qu’on ne sait toujours pas quelles sont les voies de mort prédominantes pour les mycéliums extraradicaux fongiques AM dans le sol et/ou les structures fongiques intracellulaires. à l’intérieur de la racine. Lors de la mort de la biomasse fongique AM, certains nutriments peuvent être recyclés, tandis que les fragments fongiques ou la nécromasse contribuent à la MOS (Camenzind et al ., 2023 ). Une étude récente a révélé que la biomasse/nécromasse fongique AM contenait principalement des polysaccharides, des lipides, des aromatiques, des protéines et des composés phénoliques (Horsch et al ., 2023 ). De plus, cette biomasse/nécromasse sera transformée par les micro-organismes du sol (Steinberg & Rillig, 2003 ). Au cours de ces processus, le retraitement microbien de la biomasse/nécromasse fongique AM pourrait conduire à la génération d’un nouvel ensemble de composés organiques par catabolisme et/ou anabolisme microbien (Liang et al ., 2017 ). Cependant, nous ne savons pas actuellement quelles sont la diversité moléculaire et les propriétés de ces produits de décomposition de la biomasse/nécromasse fongique AM. En outre, des facteurs environnementaux tels que les éléments nutritifs et le contexte du sol peuvent influencer les voies d’exsudation et de mort des champignons AM afin de modifier la chimie des composés organiques dérivés des champignons AM, ce qui doit également être pris en compte.
Élucider la chimiodiversité et la complexité moléculaire des composés organiques dérivés des champignons AM serait d’une grande valeur pour évaluer leur stabilité thermodynamique et leur comportement environnemental, contribuant ainsi à une compréhension approfondie de la dynamique et de la stabilisation de la MOS médiée par les champignons AM dans le sol. Pour étudier la composition moléculaire et les propriétés de la SOM, des technologies de pointe de spectrométrie de masse (MS) à ultra haute résolution sont nécessaires, telles que Orbitrap MS (Perry et al ., 2008 ) et la spectrométrie de masse à résonance cyclotronique ionique à transformation de Fourier ( Analyse ESI-FT-ICR-MS) (Kurek et al ., 2020 ). Nous espérons qu’avec le développement de ces techniques, la chimiodiversité des composés organiques dérivés des activités fongiques AM ou de la décomposition de la biomasse fongique AM sera révélée.
Voie 2, « Retraitement » : traitement microbien de la MOS par hyphosphère
Plusieurs études récentes ont porté sur la communauté microbienne de l’hyphosphère et son rôle dans le cycle des nutriments minéraux et des éléments (Faghihinia et al ., 2022 ; Zhang et al ., 2022 ). Les microbes de la mycorhizosphère (en particulier les bactéries) en association avec les champignons AM jouent un rôle important en aidant les champignons AM et les plantes hôtes à acquérir des nutriments du sol via la décomposition de composés organiques contenant des nutriments (Jiang et al ., 2021 ; Rozmos et al ., 2022 ). Ces activités de la communauté microbienne de l’hyphosphère facilitent non seulement l’acquisition de nutriments par les plantes et les champignons AM (tels que P et N), mais jouent également un rôle important dans le traitement de la MOS (Herman et al ., 2012 ; Horsch et al ., 2023 ), étant donné que les champignons AM ne peuvent pas décomposer la SOM eux-mêmes. En fait, il existe des études sur la décomposition de la SOM contenant de l’azote par les microbes de l’hyphosphère, qui ont facilité l’absorption de l’azote par les plantes (Hodge et al ., 2001 ), mais aucune information n’est disponible sur la façon dont une telle décomposition de la SOM médiée par les microbes de l’hyphosphère modifierait la SOM ultérieure. profil dans le sol (par exemple, qualité et quantité de MOS d’origine microbienne). Du point de vue de la biogéochimie du sol (plutôt que de la nutrition des plantes), ces microbes de l’hyphosphère fongique AM agissent comme des moteurs clés du retraitement de la MOS (y compris, mais sans s’y limiter, la décomposition, l’assimilation et la resynthèse) par des voies extracellulaires et intracellulaires (Liang et al ., 2017 ), qui a été largement ignorée dans les études précédentes sur la dynamique des champignons AM et de la SOM.
Compte tenu de la présence omniprésente de mycélium fongique AM dans le sol (plusieurs à dizaines de mètres de mycélium dans 1 g de sol ; Miller et al ., 1995 ), les microbes de l’hyphosphère peuvent jouer un rôle important dans la formation globale de SOM. La communauté microbienne de l’hyphosphère diffère de celle habitant la non-hyphosphère (Scheublin et al ., 2010 ; Emmett et al ., 2021 ), et donc les fonctions au niveau de la communauté peuvent également différer, y compris pour les processus liés à la décomposition et à l’assimilation de la MOS (Herman et al . , 2012 ). La communauté microbienne de l’hyphosphère formerait des « points chauds » de l’hyphosphère pour le traitement microbien de la MOS par catabolisme et/ou anabolisme, influençant probablement la dynamique globale de la MOS et contribuant à la chimiodiversité et à la persistance de la MOS. Ici, nous appelons cela la « pompe à carbone microbienne » de l’hyphosphère pour décrire le rôle de la communauté microbienne de l’hyphosphère fongique AM dans le traitement de la MOS.
Comparés à d’autres micro-organismes du sol, les microbes de l’hyphosphère sont principalement liés au traitement des substances organiques dérivées des activités fongiques AM ou de la SOM fixée sur les surfaces du mycélium fongique AM. De plus, ces microbes de l’hyphosphère auraient également accès à la MOS difficilement accessible aux autres microbes. Par exemple, en étant transportés le long des mycéliums fongiques AM, les microbes de l’hyphosphère pourraient accéder à la MOS occluse dans les agrégats du sol, ou aux composés organiques liés aux minéraux, qui pourraient être inaccessibles aux microbes non associés aux hyphes fongiques AM. De plus, lorsque les mycéliums fongiques AM meurent, ces bactéries de l’hyphosphère pourraient décomposer la biomasse fongique et générer de nouveaux composés organiques (Liang et al ., 2017 ). De plus, les microbes de l’hyphosphère des champignons AM peuvent avoir une efficacité d’utilisation du carbone microbien (CUE) différente (Sinsabaugh et al ., 2013 ) – l’efficacité de la biomasse C par rapport à l’absorption du C par les microbes, qui influence ainsi la génération et l’accumulation de composés organiques microbiens. dans le sol à hyphosphère. L’efficacité de l’utilisation du carbone sera probablement liée aux caractéristiques microbiennes de l’hyphosphère (« décomposeurs ») et aux exsudats/biomasse fongiques AM et/ou à d’autres MOS attachées aux mycéliums fongiques AM avec des caractéristiques stoechiométriques spécifiques (« substrats ») (Manzoni et al ., 2012 ).
En raison des informations limitées sur le traitement et la régénération de la MOS par les microbes de l’hyphosphère, son importance relative dans la formation globale de la MOS est assez floue. Dans les travaux futurs, il sera donc nécessaire d’examiner comment la communauté microbienne de l’hyphosphère fongique AM influence les processus de SOM, et comment la diversité moléculaire de la SOM change par la suite.
Voie 3, « Réorganisation » : changements physiques du sol induits par les champignons AM et dynamique de la MOS
Les mycéliums fongiques mycorhiziens arbusculaires enchevêtrent les particules de matière minérale et organique lors de la formation des agrégats (Rillig & Mummey, 2006 ), un processus au cours duquel la MOS est enfermée dans les agrégats. Cependant, les agrégats du sol se renouvellent également de manière dynamique ; c’est-à-dire qu’ils sont désintégrés et réassemblés. Le mycélium fongique mycorhizien arbusculaire pourrait ralentir la désintégration des macroagrégats mais accélérer le renouvellement des microagrégats (Morris et al ., 2019 ), ce qui implique une réorganisation du modèle de distribution de la taille des agrégats induit par les mycéliums fongiques AM. De plus, le mycélium fongique AM lui-même est temporellement dynamique (Staddon et al ., 2003 ; Steinberg & Rillig, 2003 ), ce qui peut influencer la stabilité des agrégats de sol initialement soutenus par le mycélium fongique AM en tant que « colle ». Le renouvellement des agrégats induit par les champignons mycorhiziens arbusculaires et ses processus de réorganisation hiérarchique pourraient par la suite affecter la dynamique et la stabilisation de la MOS (Six et al ., 2004 ; De Gryze et al ., 2006 ). Cependant, il n’est pas clair comment la dynamique des agrégats médiée par les champignons AM influencerait la translocation, la minéralisation et le stockage de la MOS au fil du temps.
Outre leur fonction dans le renouvellement des agrégats du sol, les champignons AM peuvent modifier les propriétés hydrauliques et la porosité physique du sol par expansion mycélienne directe, ce qui peut ensuite influencer la dynamique de la MOS. Par exemple, les mycéliums fongiques AM dans les sols pourraient altérer la capacité de rétention d’eau, la conductivité hydraulique et la capacité d’infiltration du sol (Rillig et al ., 2010 ; Querejeta, 2017 ). Cela pourrait influencer davantage le transport des composés organiques et des minéraux (McCarthy & McKay, 2004 ), conduisant à une abondance fluctuante de divers composés moléculaires et nutriments minéraux, ainsi qu’à leur hétérogénéité spatiale, limitant le développement microbien et le traitement microbien de la MOS ( German et al. ., 2011 ). De plus, les conditions microenvironnementales temporelles (température, humidité, oxygène et disponibilité des nutriments) dans les agrégats ou les espaces poreux entre les agrégats peuvent réguler la communauté microbienne et le métabolisme (Hartmann & Six, 2022 ). Ces mycéliums fongiques AM ont induit une hétérogénéité à la fois de la SOM (substrats) et des microbes (décomposeurs), ainsi que des variations temporelles (conditions environnementales) qui pourraient ensemble influencer le traitement microbien de la SOM, conduisant à une minéralisation de la SOM et/ou à des changements de composition moléculaire (Lehmann et al ., 2020 ). Cependant, on ne sait toujours pas comment la porosité physique et les changements hydrauliques induits par les champignons AM influencent la dynamique de la MOS.
Compte tenu des questions ci-dessus, il existe un manque de connaissances concernant le lien entre ces changements physiques induits par les champignons AM et la dynamique de la MOS. Cela est dû à la difficulté de suivre la dynamique du renouvellement des agrégats et d’autres changements physiques associés au transport de la MOS et aux transformations biogéochimiques. Le marquage des éléments de terres rares (REE) couplé au marquage au 13 C pourrait être utilisé pour résoudre ce problème (Peng et al ., 2017 ). En outre, la tomodensitométrie (CT) à haute résolution, la microscopie à fluorescence X (XFM) basée sur le synchrotron et la microscopie à rayons X à transmission par balayage (STXM), couplées à la spectrométrie de masse des ions secondaires à l’échelle nanométrique (NanoSIMS) pourraient être adoptées pour l’identification in situ . des changements physiques induits par les champignons AM et de la dynamique ultérieure de la SOM (Remusat et al ., 2012 ; Ma et al ., 2015 ; Morris et al ., 2019 ). De telles informations obtenues grâce à une analyse microspectroscopique in situ à haute résolution pourraient fournir des preuves directes de la distribution spatiale et des informations chimiques de la MOS dérivée des champignons AM et de leur association avec les minéraux dans les agrégats du sol ou les espaces poreux à petite échelle au fur et à mesure de leur apparition. En outre, ces informations d’imagerie spatiale au fil du temps pourraient aider à suivre le mouvement dynamique et la transformation de la MOS dans le système pédologique en réponse aux activités fongiques AM, contribuant ainsi à une compréhension approfondie de la dynamique de la MOS induite par les changements physiques induits par les champignons AM.
Voie 4, « Stabilisation » : altération des minéraux et interactions organo-minérales induites par les champignons
Dans des études antérieures, il a été souligné que les mycéliums fongiques AM pourraient conduire à l’altération des minéraux pour l’acquisition de nutriments minéraux (Clark & Zeto, 2000 ), un processus principalement considéré du point de vue de la nutrition des plantes. Cependant, du point de vue de la biogéochimie du sol, l’altération et la transformation des minéraux revêtent une importance cruciale pour réguler la transformation et la stabilisation de la MOS par le biais d’interactions organo-minérales (Kleber et al ., 2021 ). Les champignons mycorhiziens arbusculaires peuvent stimuler l’altération des minéraux en raison de leur grande capacité à « extraire » des nutriments minéraux tels que N, P, potassium (K), magnésium (Mg) des sols, en particulier lorsque ces nutriments sont déficients (Smith & Read, 2010 ; Verbruggen et coll ., 2021 ). Le mycélium fongique AM pourrait physiquement (force mécanique) et chimique (exsudats tels que des acides organiques de faible poids moléculaire) décomposer la structure minérale, libérer des éléments nutritifs minéraux, conduisant à la formation de minéraux secondaires (Arocena et al ., 2012 ; Li et al . , 2022b ). Comparés aux minéraux primaires, ces minéraux secondaires ont généralement une taille de particules plus petite, une surface spécifique plus élevée et une réactivité covalente pour interagir avec la SOM (Kleber et al ., 2015 ). Les changements dans la minéralogie provenant de l’altération minérale provoquée par les champignons AM peuvent influencer l’adsorption minérale de la MOS, la catalyse minérale des réactions de la MOS (dégradation électrolytique/hydrolytique des macromolécules et oxydation hétérogène), ainsi que l’oxydation de la MOS médiée par les minéraux (par exemple par l’oxygène réactif). substances) (Kleber et al ., 2021 ). Les composés organiques résultant de la transformation de la MOS par les minéraux seraient piégés par ces minéraux secondaires par association organo-minérale. La persistance et l’accumulation de MOS médiées par les minéraux du sol ont été proposées comme une « pompe à carbone minéral du sol » (Xiao et al ., 2023 ). Par conséquent, l’altération/transformation des minéraux induite par les champignons AM pourrait être un régulateur clé de la « pompe à carbone minéral du sol », influençant la transformation et la stabilisation de la MOS.
Il est essentiel de souligner que le rôle réel des champignons AM dans la bioaltération des minéraux du sol et leur relation avec la dynamique de la MOS n’est toujours pas résolu (Smits & Wallander, 2017 ). Des études antérieures ont abordé le rôle des mycorhizes dans l’altération des minéraux de biotite et/ou d’apatite dans des expériences en pot (Bonneville et al ., 2011 ; Arocena et al ., 2012 ) et sur le terrain (Koele et al ., 2014 ), mais n’ont pas établi de lien altération minérale avec stabilisation SOM. Nos études récentes ont révélé que dans les premiers sols riches en Fe, la colonisation fongique AM stimulait l’altération de la biotite et la formation de minéraux secondaires riches en Fe(III)-Si, ce qui stabilisait davantage les composés riches en N (Li et al ., 2022a , b ) . Une étude de suivi a révélé une hétérogénéité des groupes fonctionnels organiques dérivés des champignons AM (enrichis en groupes aromatiques, aliphatiques et carboxyliques/amides), étroitement associés aux produits altérés dérivés de minéraux de type biotite (Fe(II) et Fe( III) contenant des minéraux) (données non publiées). Cela a confirmé que, au moins dans les sols enrichis en minéraux primaires porteurs de Fe, les champignons AM peuvent provoquer l’altération des minéraux primaires et améliorer l’association organo-minérale ultérieure. Cependant, des études supplémentaires sont nécessaires pour élucider le rôle des champignons AM dans l’altération des minéraux dans différents types de sols et contextes sous diverses conditions climatiques.
L’altération minérale provoquée par le mycélium fongique se produit généralement à la surface des minéraux (Bonneville et al ., 2011 , 2016 ), entraînant la modification des propriétés de la surface minérale (par exemple, la surface, les réactivités et les sites de liaison), ce qui peut faciliter l’adsorption de la MOS, transformation et stabilisation. En particulier, le mycélium fongique AM abondant dans la rhizosphère pourrait probablement accéder aux minéraux même au sein des agrégats, conduisant à une altération minérale plus étendue sur les surfaces minérales dans les sols mycorhizosphériques que dans les sols sans mycélium fongique AM. L’altération et la néoformation des minéraux sur les surfaces minérales peuvent être difficiles à détecter à l’aide d’une analyse globale (telle que l’extraction chimique et l’analyse basée sur la spectroscopie globale). Cependant, cela est important car les surfaces minérales modifiées pourraient probablement avoir plus de sites réactifs pour se lier et réagir avec les composés OM que ces surfaces minérales inchangées. De plus, les activités microbiennes de l’hyphosphère telles que celles des bactéries solubilisant le P (Zhang et al ., 2022 ) pourraient également stimuler l’altération des minéraux et l’association organo-minérale. La liaison directe des mycéliums fongiques AM et/ou des exsudats sur les surfaces des minéraux dans les sols pourrait faciliter la formation de matière organique associée aux minéraux (MAOM), qui est généralement plus persistante que la MO particulaire (Lavallee et al ., 2020 ). Une étude récente (Cotrufo et al ., 2019 ) a également révélé que davantage de carbone organique (CO) associé aux minéraux était stocké dans les forêts AM que dans les forêts écotomycorhiziennes dans une étude à l’échelle européenne, qui a confirmé au moins partiellement le rôle potentiel des champignons AM. en formation MAOM. Les mécanismes sous-jacents du rôle fongique AM dans la formation de MAOM peuvent se produire à l’interface mycélium fongique-minéraux-matière organique à l’échelle submicronique, dont la capture nécessite des techniques à haute résolution spatiale pour caractériser in situ les informations chimiques dans la mycorhizosphère. Malheureusement, peu d’informations sont disponibles sur cet aspect. Nous proposons qu’avec le développement de technologies microspectroscopiques à haute résolution telles que NanoSIMS, STXM et la cartographie par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) à transmission haute résolution basée sur le synchrotron (Kaminskyj et al ., 2008 ; Behrens et al ., 2012 ) , la biogéochimie de l’altération minérale et des interactions organo-minérales provoquées par les champignons AM dans divers types de sols pourrait être découverte. Cela aiderait à comprendre l’importance du rôle des champignons AM dans la stabilisation de la MOS en améliorant l’altération des minéraux et la protection minérale de la MOS.
Interaction entre les quatre voies ci-dessus
Les quatre voies ci-dessus que jouent les champignons AM dans la dynamique de la MOS sont étroitement liées les unes aux autres dans le contexte environnemental, influençant finalement la chimie et la protection globales de la MOS. Par exemple, la signature moléculaire et la chimiodiversité des composés organiques dérivés des champignons AM (voie 1) peuvent influencer leur affinité avec les minéraux pour former une association organo-minérale (voie 4), et pourraient également influencer l’hétérogénéité spatiale de la MOS et réguler la communauté microbienne de l’hyphosphère. et des fonctions pour le traitement SOM (voie 2). Les microbes de l’hyphosphère fongique mycorhizienne arbusculaire pourraient non seulement décomposer/retraiter la SOM (Herman et al ., 2012 ) (voie 2), mais également stimuler l’altération des minéraux (Calvaruso et al ., 2010 ) et faciliter la formation de minéraux secondaires pour les interactions organo-minérales (voie 4). Ceci, à son tour, réduit l’accessibilité de la SOM aux microbes de l’hyphosphère, influençant l’efficacité de la « pompe à carbone microbienne » de l’hyphosphère. De plus, les mycéliums fongiques peuvent faciliter l’incorporation de SOM (biomasse bactérienne et/ou nécromasse) dérivée des bactéries de l’hyphosphère dans les particules minérales du sol pour le stockage et l’agrégation (voie 3) (Voir et al ., 2022 ). La formation d’agrégats médiée par le mycélium fongique AM et les espaces poreux entre des agrégats de différentes tailles (voie 3), ainsi que les phases et propriétés minérales (voie 4), pourraient produire un gradient de microenvironnements temporellement dynamiques (par exemple, redox, humidité, température et disponibilité des nutriments) à l’intérieur et à l’extérieur des agrégats (Rillig et al ., 2017 ) pour les réactions chimiques et les interactions organo-minérales de la MOS, ainsi que le traitement et le remaniement microbiens de la MOS (voie 2) (Hartmann & Six, 2022 ). Il est donc important de considérer toutes ces voies dans un modèle intégré pour parvenir à une compréhension plus complète du rôle que jouent les champignons AM dans la dynamique de la MOS.
Points saillants du cadre conceptuel actualisé
Notre cadre conceptuel pour le rôle des champignons AM dans la persistance et la stabilisation de la MOS diffère de la vision traditionnelle sur plusieurs aspects décrits dans le tableau 1 . En bref, la vision traditionnelle se concentre sur la caractérisation de certains composés organiques ciblés tels que les composés protéiques produits par les champignons AM, la décomposition microbienne par hyphosphère de la matière organique/inorganique pour l’acquisition de nutriments et l’enchevêtrement mycélien de particules minérales pour l’agrégation et la protection de la MOS. Le cadre conceptuel mis à jour met l’accent sur la chimiodiversité moléculaire des composés organiques produits par les champignons AM, le retraitement de la SOM microbienne dans l’hyphosphère, ainsi que l’altération minérale et les interactions organo-minérales induites par les champignons AM.Tableau 1. Comparaison du cadre conceptuel mis à jour avec la vision traditionnelle du rôle des champignons mycorhiziens arbusculaires (AM) dans la persistance et la stabilisation de la matière organique du sol (MOS).
Article
Vue traditionnelle
Cadre conceptuel mis à jour
Composés organiques dérivés de champignons AM
Cibler certains composés protéiques et nécromasse fongique
Mettre l’accent sur la composition moléculaire et les propriétés (chimiodiversité) des composés organiques générés par les champignons AM
Fonctions microbiennes de l’hyphosphère fongique AM
Mettre l’accent sur le rôle des microbes de l’hyphosphère dans l’acquisition de nutriments (tels que le phosphore et l’azote) issus de la décomposition de la matière organique
Cibler le rôle microbien de l’hyphosphère dans le retraitement de la MOS (c’est-à-dire la décomposition, l’assimilation et la resynthèse) et la génération de nouveaux composés organiques
Modifications physiques du sol induites par les champignons AM
Mettre l’accent sur l’enchevêtrement des minéraux par les mycéliums fongiques pour la formation d’agrégats et la protection de la MOS
Renouvellement des agrégats induit par les champignons AM, changements physiques et hydrologiques qui exploitent le transport de la MOS et les processus biogéochimiques
Altération minérale provoquée par les champignons
Soulignant le rôle du mycélium fongique dans l’acquisition de nutriments minéraux (par exemple phosphore, potassium et magnésium)
Aborder les réactions biogéochimiques se produisant aux interfaces mycélium-minéral-matière organique fongique AM qui régissent la nature et la stabilisation de la MOS
Il est essentiel de souligner que, comparés à d’autres champignons du sol tels que les champignons saprotrophes, les champignons AM peuvent former une relation symbiotique avec la plupart des plantes terrestres et développer un mycélium extraradicalaire important dans le sol de la rhizosphère. En raison de son association intime avec les racines des plantes, le rôle fongique AM dans la dynamique de la MOS devrait être unique à plusieurs égards : notamment des composés organiques spécifiques dérivés de champignons AM, une communauté microbienne unique de l’hyphosphère pour le retraitement de la MO, le transfert direct de C photosynthétique à partir des partenaires végétaux. aux minéraux du sol. Ces contributions uniques des champignons AM à la dynamique de la SOM n’ont pas été reconnues, en raison des contraintes de la technique et/ou des méthodologies. Par exemple, comparés aux champignons saprotrophes qui dépendent de la décomposition des racines mortes ou des portées, les champignons AM obtiennent des lipides et/ou des glucides à partir des plantes hôtes, ce qui peut influencer le métabolisme fongique AM et ainsi conduire à la génération de composés organiques spécifiques. Nous pensons qu’avec le développement de techniques de MS à haute résolution, des molécules organiques ou des groupes moléculaires uniques provenant des champignons AM pourraient être identifiés et distingués des composés générés par d’autres champignons du sol. En outre, les champignons AM pourraient modifier les propriétés des surfaces minérales et simultanément délivrer du CO des plantes aux minéraux du sol pour former une association organo-minérale, ce qui signifie que les champignons AM constituent un « pont » clé pour relier directement le C photosynthétique à la formation de MAOM dans le sol. Avec le développement de l’examen in situ à haute résolution des interfaces mycélium-minéral-MO fongiques AM dans le sol de la mycorhizosphère, nous pourrions révéler comment le C photosynthétique des plantes est délivré et stabilisé par les minéraux via des voies symbiotiques AM, ce qui est l’un des rôles uniques des champignons AM. dans la formation et la stabilisation de la SOM.
L’implication des champignons AM dans la dynamique de la MOS à différentes échelles
Le rôle des champignons AM dans la génération, le retraitement, la réorganisation et la stabilisation de la SOM peut potentiellement varier selon l’échelle spatiale/temporelle (Fig. 2 ). Ici, nous avons démontré les processus clés qui peuvent se produire à chaque échelle, et nous notons que les processus qui se produisent à petite échelle se produisent également à plus grande échelle, mais sont influencés par des facteurs biotiques/abiotiques supplémentaires. (1) À l’échelle de l’interface mycélium-minéral-matière organique du champignon AM (échelle nanométrique à micrométrique), les champignons AM excrètent diverses molécules organiques et entraînent l’altération des minéraux et la modification de la surface minérale par le biais de mécanismes physiques et chimiques ; cela médie en outre les réactions chimiques de la SOM pour la nouvelle génération de SOM et l’association organo-minérale ultérieure. (2) À l’échelle des agrégats du sol (à l’échelle du millimètre au centimètre), les mycéliums fongiques AM et les microbes de l’hyphosphère traitent la SOM pour produire un nouvel ensemble de composés organiques d’origine microbienne. En outre, les mycéliums fongiques AM assemblent des particules de matière minérale et organique lors de la formation d’agrégats, conduisant à l’occlusion de la SOM. La réorganisation de l’espace poreux entre différents agrégats conduit au transport de SOM, à des réactions biochimiques et à une hétérogénéité. (3) À l’échelle de la plante individuelle (échelle centimétrique à mètre), les glucides et les lipides sont délivrés de la plante hôte aux champignons AM puis au sol. Les exsudats racinaires, la biomasse des racines mortes et leurs produits décomposés contribuent au pool de MOS. Cependant, les « effets d’amorçage de la rhizosphère » peuvent provoquer une minéralisation de la MOS (Cheng et al ., 2014 ), au cours de laquelle de nouveaux composés organiques d’origine microbienne peuvent être générés. De plus, les processus hydrauliques induits par les activités racinaires pourraient conduire au transport et à la redistribution de la MOS dans le sol. (4) À l’échelle de la communauté végétale et de l’écosystème (à l’échelle du mètre au kilomètre), la MOS subit un renouvellement, un mouvement et un changement continus de sa composition moléculaire en raison de processus biotiques et abiotiques complexes. Différents types de litières végétales agissent comme de nouvelles sources de MOS et subissent un gradient de décomposition microbienne et d’anabolisme. De plus, les interactions plante-plante pourraient entraîner des changements dans les activités enzymatiques, la communauté microbienne et la MOS d’origine végétale, entraînant une dynamique complexe de la MOS (Pausch et al ., 2013 ). Le réseau de mycélium fongique AM se connecte entre différentes plantes hôtes et influence davantage la dynamique de la SOM. Il existe également un transport vertical de MOS, provoquant un mouvement de la MOS de la couche arable vers le sous-sol, influençant la distribution et la chimie de la MOS à différentes profondeurs du sol (Roth et al ., 2019 ).
Figure 2Ouvrir dans la visionneuse de figuresPower PointDynamique de la matière organique du sol (MOS) médiée par les champignons mycorhiziens arbusculaires (AM) à différentes échelles. Quatre échelles spatiales principales sont incluses : les « interfaces mycélium fongique-minéraux-matière organique (MO) » à l’échelle nanométrique à micrométrique, les « agrégats de sol » à l’échelle millimétrique à centimétrique, les « plantes individuelles » à l’échelle centimétrique à métrique, et « Communauté végétale et écosystème » à l’échelle du mètre au kilomètre. À chaque échelle, différents processus entrent en jeu.
À chaque échelle, plusieurs processus physiques, chimiques et biologiques coexistent, mais ceux-ci deviennent plus complexes à mesure que l’échelle augmente dans cette hiérarchie de taille, en raison de la variance et de la complexité croissantes de la matrice du sol et de la biodiversité. À notre connaissance, la plupart des études sur les fonctions des champignons AM ont été réalisées avec des systèmes simplifiés à plus petite échelle. Par exemple, pour étudier le rôle des champignons AM dans l’altération des minéraux, des minéraux purs ont été utilisés (Bonneville et al ., 2011 ; Arocena et al ., 2012 ), imitant les processus à l’échelle microscopique. Cependant, en passant à des échelles plus grandes (plante individuelle et communauté végétale), des conditions microbiologiques et physicochimiques plus diverses influenceraient ces processus et remettraient en question la validité externe des résultats obtenus à partir d’un système simplifié (Smits & Wallander, 2017 ; Gu et al ., 2020 ). De même, des études ont montré que les micro-organismes de l’hyphosphère pouvaient décomposer la SOM et améliorer l’acquisition de N grâce à des expériences bien contrôlées où de l’azote pur contenant de la OM (comme la chitine) était appliqué (Rozmos et al ., 2022 ). Cependant, l’importance de la décomposition de la MOS par les microbes de l’hyphosphère fongique AM peut varier dans des conditions « réelles » de sol, où divers autres microbes du sol et la MOS dans le système du sol sont présents simultanément. Par conséquent, il est important de prendre en compte ces effets d’échelle lors de l’examen du rôle des champignons AM dans la dynamique de la MOS dans les études futures.
Remarques finales et orientations futures
Notre cadre conceptuel mis à jour fournit un guide pour réévaluer le rôle des champignons AM dans la formation et la stabilisation de la MOS grâce à une prise en compte complète des multiples voies de génération, de retraitement, de réorganisation et de stabilisation de la MOS induite par les champignons AM. Tous ces processus contrôlent la composition et les propriétés moléculaires de la SOM. En particulier, nous insistons sur la chimiodiversité des composés organiques dérivés des champignons AM, ainsi que sur l’altération des minéraux et les interactions organo-minérales induites par les champignons AM, processus qui ont été largement ignorés dans les études précédentes. Nous pensons qu’avec le développement de méthodes de pointe à haute résolution, les mécanismes qui sous-tendent la dynamique de la MOS médiée par les champignons AM peuvent être progressivement découverts. De plus, nous suggérons que les effets d’échelle soient pris en compte dans les études futures sur la dynamique des champignons AM et de la SOM, en particulier lors de la traduction des connaissances obtenues dans un système simplifié à un écosystème de sol complexe et réel. De telles connaissances favoriseraient non seulement une compréhension approfondie du rôle des champignons AM dans le cycle du carbone (C) du sol, mais fourniraient également une base importante pour l’incorporation des champignons AM dans l’amélioration de la santé des sols et la modélisation globale du C. Par la suite, des technologies mycorhiziennes pourraient être développées pour améliorer la santé et la productivité des sols, et/ou renforcer la capacité des sols à séquestrer le carbone et à atténuer les changements globaux.
Remerciements
Ce travail est soutenu financièrement par le programme clé de recherche et de développement de la province du Shandong, en Chine (2021CXGC010803), et par les projets de liaison du Conseil australien de la recherche (LP160100598 et LP190100975). Publication en libre accès facilitée par l’Université du Queensland, dans le cadre de l’accord Wiley – Université du Queensland via le Conseil des bibliothécaires universitaires australiens.
Des intérêts concurrents
Aucun déclaré.
Contributions d’auteur
SW a été impliqué dans la conceptualisation, la méthodologie, la discussion et la rédaction – ébauche originale, révision et édition. WF a été impliqué dans la méthodologie, la discussion et la rédaction – révision et édition. MCR a participé à la discussion et à la rédaction – révision et édition. BC a participé à la conceptualisation, à la méthodologie, à l’acquisition de financement, aux discussions et à la rédaction – révision et édition. Y-GZ a participé à la discussion et à la rédaction – révision et édition. LH a participé à l’acquisition du financement, à la discussion, à la rédaction, à la révision et à l’édition.
Comprendre que le travail mécanique du sol perturbe fortement la vie du sol….!!
Vous savez peut-être qu’il est difficile d’augmenter la matière organique du sol, mais à quel point est-ce difficile, avec des chiffres ? Premièrement, votre récolte élimine jusqu’à 50 % de la biomasse cultivée. Ensuite, environ 90 % de la biomasse restante des cultures est décomposée par les organismes du sol, ne laissant que 10 % contribuant à la matière organique du sol. Vous devez également tenir compte des pertes annuelles de 1 à 5 % de matière organique existante dans le sol. À l’aide de ces estimations et d’autres, effectuons quelques calculs approximatifs afin que vous sachiez à quoi vous attendre. La tâche est difficile, mais le calcul est facile, je le promets.
Une question d’intrants et de pertes
Voici l’équation de base (Janzen et al. 2022).
∆SOM= Biomasse entrante – Pertes sortantes
La variation de la matière organique du sol (MOS), qu’elle soit positive ou négative, est égale aux apports de biomasse des cultures moins les pertes dues à la décomposition de la biomasse des cultures et de la MOS existante. C’est le cas quels que soient les mécanismes spécifiques conduisant à la formation de MOS, les racines, les microbes morts, etc. (Caruso et al. 2018 ; Janzen et al. 2022).
L’équation nous indique que le principal facteur limitant de la matière organique du sol est la production végétale, ou la biomasse dans l’équation ci-dessus (Fujisaki et al., 2018). Par conséquent, la photosynthèse limite la limite supérieure des niveaux de MOS.
« Étant donné que tout le C du sol provient de la photosynthèse, la quantité de productivité primaire nette (NPP) appliquée au sol doit représenter la limite ultime de la séquestration supplémentaire de C. » Janzen et coll., 2022
Pour ces calculs approximatifs, les résultats seront à peu près égaux, qu’on utilise le carbone (C) ou la biomasse sèche totale. Cela fonctionne parce que le C représente environ la moitié de la biomasse végétale et le C organique du sol représente environ la moitié de la matière organique du sol. De plus, je suppose que tous les poids sont des poids secs lorsque certains d’entre eux (valeurs de rendement en résidus) incluent de faibles quantités d’humidité. Et je ne vais pas aborder les nutriments nécessaires pour augmenter la MOS . Commençons par ce chiffre de 90 %.
Nourrir votre sol nécessite 90 % de la biomasse végétale ajoutée
Au moins 90 % des apports de biomasse végétale ajoutés aux sols sont consommés par les organismes du sol (principalement des microbes) et retournent dans l’atmosphère sous forme de CO 2 (Berthelin et al. 2022 ; voir aussi Janzen et al. 2022). En d’autres termes, pour chaque 10 lb, tonne ou kg de biomasse végétale entrant dans votre sol, vous obtenez 1 lb, tonne ou kg de matière organique du sol, soit un rapport de 10 : 1. Environ la moitié de cette perte se produit au cours de la première année, passant à 80 % après 7 ans et atteignant 90 % après 30 ans, mais elle peut se produire beaucoup plus rapidement en fonction de plusieurs facteurs. Des conditions plus chaudes et plus humides et la perturbation des sols accélèrent toutes ces pertes.
Berthelin et coll. (2022) estiment qu’il s’agit d’une estimation prudente, particulièrement pertinente lorsque le sol a une grande capacité de rétention de matière organique. À mesure que les niveaux de MOS augmentent, il devient de plus en plus difficile d’augmenter la MOS, ce qui nécessite un ratio supérieur à 10 : 1.
Une légère augmentation de la matière organique du sol
Supposons que vous souhaitiez augmenter la matière organique de votre sol de 2,0 % à 2,1 % en un an, soit une augmentation d’un point de pourcentage (à 3 %) sur 10 ans. Ce n’est pas un mauvais objectif. Si nous regardons simplement la surface de 6 pouces, un sol à 2 % de MOS contient 40 000 lb de MOS par acre :
Un acre de sol, d’une profondeur de 6 pouces, pèse environ 2 000 000 de livres (tranche de sillon d’acre).
2 % de SOM : 2 000 000 x 0,02 = 40 000 lb de SOM
Notre augmentation de 0,1 point de pourcentage est alors d’environ 2 000 lb :
2,1 % de SOM : 2 000 000 x 0,021 = 42 000 lb de SOM
42 000-40 000 = 2 000 livres.
Malheureusement, cela ne suffit pas. Nous devons également remplacer la MOS qui se décomposera au cours de l’année.
Maintenir la matière organique du sol existante
La perte continue de matière organique existante offre les avantages des nutriments minéralisés (le crédit d’azote de la MOS) et de la nourriture pour les organismes du sol (Janzen 2006), mais pour maintenir ces avantages, la perte doit être remplacée par une nouvelle MOS. L’ampleur de cette perte est plus difficile à estimer car elle dépend à la fois du lieu – sol et climat – et des pratiques – travail du sol et irrigation. Avec une érosion minimale, les taux de perte annuelle varient de 1 à 5 % de la MOS totale (Magdoff et Weil, 2004).
Regardons un scénario modéré : vous pratiquez le semis direct sur un sol contenant une bonne quantité d’argile, ce qui entraîne une perte de seulement 2 %.
Perte annuelle de MOS : 40 000 x 0,02 = 800 lb de MOS perdue
Mais attendez, c’était pour un sol avec 2% de SOM. Compte tenu des conditions ci-dessus, vous pourriez avoir 5 % de SOM, auquel cas vous auriez besoin de 1 200 lb de plus. Ce facteur de perte annuelle explique pourquoi il devient de plus en plus difficile d’augmenter la MOS à mesure que les niveaux de MOS augmentent ; plus vous en avez, plus vous devez entretenir.
Nous devons également tenir compte de l’évolution à long terme de la MOS résultant du changement d’affectation des terres. Cela peut être positif, comme c’est le cas ici, dans le bassin du Columbia, dans l’État de Washington, où l’irrigation a augmenté les apports des plantes dans le sol, ce qui entraîne des niveaux de MOS plus élevés. Cependant, le changement est souvent négatif, comme lorsque la production agricole annuelle remplace les prairies indigènes. Dans ce cas, la diminution de la matière organique du sol due à la réduction des apports ou au travail du sol peut se poursuivre pendant des décennies jusqu’à ce qu’un nouvel équilibre soit atteint. En raison du changement des intrants, d’autres pratiques telles que le travail réduit du sol ne peuvent que ralentir la diminution ( Pour en savoir plus ici ). Ce n’est pas facile à estimer, je vais donc ignorer ce facteur dans nos calculs et m’en tenir à notre sol à 2 % de SOM au lieu de celui à 5 %.
Ainsi, notre biomasse totale a besoin d’une augmentation annuelle de 0,1 point de pourcentage et pour tenir compte de la perte annuelle de MOS est de 2 800 lb de matière organique du sol :
2 000 lb pour l’augmentation en points de pourcentage de 0,1
800 lb pour remplacer la matière organique en décomposition.
La question suivante est : quelle quantité de biomasse végétale cela nécessitera-t-il et vos cultures la fourniront-elles ?
Apport des racines et des exsudats racinaires
Parce qu’elles sont beaucoup plus difficiles à mesurer, les estimations de la biomasse racinaire, y compris les exsudats, et du taux de conversion de la biomasse racinaire en MOS varient considérablement. Il y a plus d’incertitude avec ces chiffres. Cependant, ce qui est clair, c’est que dans les cultures annuelles, la biomasse des racines ne représente qu’un faible pourcentage de la biomasse des pousses. Ici, j’ai utilisé un ratio Root:Shoot de 0,21 (Pausch et Kuzyakov, 2018). Il est également clair que la conversion de la biomasse des racines en MOS est beaucoup plus élevée que celle de la biomasse des pousses. Fujisaki et coll. (2018) trouvent une fourchette de 1,5 à 3 fois celle de la conversion de la biomasse des pousses. J’utiliserai le taux de conversion de 3x ou 30 %.
Biomasse des cultures requise
En utilisant le rapport de 10 : 1 pour la biomasse aérienne et la contribution des racines indiquée ci-dessus, la biomasse aérienne (pousses) de la culture nécessaire pour y parvenir est de 12 389 lb ou 6,2 tonnes/acre par an.
Biomasse des pousses x 0,1 + Biomasse des racines x 0,3 = 2 800 lb. Augmentation de la MOS
Racine / pousse = 0,21, donc : Biomasse racinaire = Biomasse totale des racines x 0,21.
Ici, avec un indice de récolte de 0,5 (voir ci-dessous), la biomasse totale des pousses est 2x la biomasse résiduelle des pousses que nous calculons (sans compter la récolte exportée).
( Biomasse des pousses x 0,1) + ( Biomasse des pousses x 2 x 0,21) x 0,3 = 2 800 lb d’augmentation de la MOS
Biomasse des pousses = 12 389 lb/acre
La biomasse des cultures peut être estimée par le rendement et l’ indice de récolte de la culture . Avec un indice de récolte de 0,5 pour le maïs et le blé, le poids des résidus de culture aériens ≈ rendement en grains. Pour obtenir les 6,2 tonnes/acre de résidus dont nous avons besoin, nous avons besoin d’un rendement de blé de 206 boisseaux. ou un rendement de maïs de 221 boisseaux/acre.
Il s’agit de rendements élevés, supérieurs aux moyennes américaines. Il faudra donc plus d’un an pour parvenir à cette augmentation de MOS en utilisant uniquement les résidus de récolte. Et ce sont des cultures à haute teneur en résidus ; Il faudra encore plus de temps pour obtenir les 6,2 tonnes/acre dont nous avons besoin avec des cultures contenant moins de résidus.
Que peut-on faire pour améliorer les choses ? Il existe deux manières d’augmenter les apports de biomasse végétale au sol :
Augmenter la production totale de biomasse végétale
Augmenter la quantité de production de biomasse végétale allant au sol (réduire la récolte)
Et si on utilisait des cultures de couverture ? Ils font les deux.
Les cultures de couverture aident… un peu
Les cultures de couverture augmentent la production totale de biomasse et, comme elles ne sont pas récoltées, 100 % de leur biomasse est disponible pour construire la MOS. Le problème avec les cultures de couverture est qu’elles ne bénéficient pas d’une bonne saison de croissance. Pour de bonnes raisons, les cultures commerciales occupent la majeure partie de la meilleure saison de croissance, laissant des périodes de croissance plus courtes et moins productives pour les cultures de couverture. En utilisant les données sur les cultures de couverture hivernales , une culture de couverture dans une bonne année peut produire 2,4 tonnes/acre de biomasse, de racines et de pousses.
En utilisant ce chiffre, nous n’avons alors besoin que de 3,8 tonnes/acre pour notre augmentation de MOS (6,2 – 2,4 = 3,8 tonnes/acre), ce qui se traduit par une récolte de blé de 126 boisseaux/acre ou une récolte de maïs de 135 boisseaux/acre.
13,8 tonnes/acre x 2 000 lb/tonne x 1 boisseau/60 lb = 126 boisseaux/acre de récolte de blé
13,8 tonnes/acre x 2 000 lb/tonne x 1 boisseau/56 lb = 135 boisseaux/acre de récolte de maïs
Nous sommes désormais en bonne voie, car ces rendements sont réalisables dans de nombreuses régions. Cependant, rappelez-vous qu’il s’agit d’une augmentation modeste de la MOS dans un sol avec une MOS relativement faible et de faibles pertes annuelles, ce qui constitue un scénario proche du meilleur des cas. Dans de nombreuses régions où la MOS et les pertes sont plus élevées, cela peut encore être hors de portée. C’est pourquoi les cultures de couverture, bien qu’elles présentent de nombreux autres avantages, notamment celui de minimiser l’érosion, ne se sont pas révélées très efficaces pour augmenter les niveaux de matière organique du sol (voir également Chaplot et Smith, 2023). Compte tenu de leur modeste production de biomasse, ils contribuent mieux à maintenir les niveaux de MOS qu’à les augmenter.
Voir la figure 1 pour une représentation visuelle de ces calculs.
Figure 1. Ce qu’il faut faire pour augmenter la matière organique du sol de 1 % à 1,1 % dans les 6 premiers ». Les racines et les exsudats sont inclus dans les chiffres de la biomasse aérienne, voir les calculs.
Et le fumier et le compost ?
Le fumier et le compost aident… mais ne sont pas la solution
Le fumier et le compost sont d’excellents outils si vous y avez accès au bon prix. Lorsqu’ils sont appliqués à des taux élevés, ils peuvent sembler magiques, mais ils ne le sont pas :
Bien qu’ils semblent contourner le rapport apports/MOS stockée de 10 : 1, c’est une illusion causée par l’ignorance de la source des amendements organiques. Si on revient aux cultures ou aux plantes qui sont devenues du fumier ou du compost, on voit que les pertes sont toujours là ; avec le fumier, à l’intérieur du bétail, et avec le compost, dans le processus de compostage (Tiquia et al., 2002). De la photosynthèse au fumier ou au compost en passant par la matière organique du sol, les pertes sont similaires, proches de 90 %.
Leurs résultats ne sont pas évolutifs. Aux taux élevés nécessaires pour augmenter la MOS, l’application de fumier et de compost constitue une concentration de biomasse végétale d’une grande surface sur une plus petite surface. Cette concentration permet de produire des niveaux de MOS supérieurs à ce que dicterait la productivité de la terre, mais pour cette raison, elle n’est pas durable à grande échelle. ( J’ai déjà écrit sur le fumier et le compost ici ). L’épandage de fumier ou de compost au rythme où les terres qui les reçoivent produisent de la biomasse entraînerait des gains de MOS similaires au retour de la biomasse végétale fraîche.
Figure 2. L’utilisation du compost et du fumier pour améliorer la santé des sols doit être considérée à la lumière de la productivité des terres sur lesquelles ils sont appliqués. En A, ce qui est appliqué équivaut à la productivité de la terre, mais cela n’augmentera souvent pas la matière organique du sol. En revanche, en B, la quantité appliquée équivaut à plus de 2 acres et, selon le taux, peut augmenter rapidement la matière organique. Ce dernier n’est pas évolutif.
Si vous êtes dans la position enviable d’avoir accès à beaucoup de fumier ou de compost, tant mieux. Utilisez-le et améliorez vos sols, mais nous ne devrions pas présumer que cette option ne concerne que une petite partie des terres cultivées.
Et si nous cultivions des plantes vivaces pour le pâturage ?
Plantes vivaces et aide au pâturage
Nous avançons désormais quelque part, mais au prix de la suppression des cultures annuelles. Cultiver uniquement des plantes vivaces pour le pâturage, comme c’est souvent le cas avec l’agriculture régénérative , augmente les apports de biomasse et diminue les pertes de MOS. Les apports sont augmentés grâce à l’allongement de la saison de croissance des plantes fourragères vivaces et à la réduction des récoltes. La viande récoltée par le bétail pâturé enlève beaucoup moins de biomasse que la récolte, ce qui en laisse davantage à subir le processus de décomposition 10:1. Les pertes sont réduites car le travail du sol est supprimé.
De plus, les plantes vivaces produisent plus de biomasse racinaire qui, comme nous l’avons vu précédemment, est convertie plus efficacement en MOS. Alors que le rapport racine/pousse des cultures annuelles est d’environ 0,21, pour les cultures pérennes, il peut varier de 1 à plus de 3 (Bolinder et al., 2002 ; Sainju et al., 2017).
Les calculs pour les systèmes de pâturage du bétail deviennent compliqués car il y a tellement de facteurs que je ne les ferai pas. Sachez simplement que le ratio de 10 : 1 s’applique toujours ici pour la biomasse aérienne, mais les apports et les pertes changent, et il y a plus de racines. Les cultures de foin pérennes, où presque toute la biomasse aérienne est éliminée, s’apparentent davantage à des cultures annuelles destinées à la construction de MOS.
Ce gain de 0,1 point de pourcentage dans les 6 premiers pouces du sol, qui a nécessité 6,2 tonnes de biomasse végétale, ne nécessitera que 3,1 tonnes/acre dans les 3 premiers pouces, et seulement 2,1 tonnes/acre pour les 2 premiers pouces du sol. Cela rend l’augmentation de la MOS beaucoup plus réalisable, et la surface est l’endroit où se déroulent de nombreuses fonctions importantes (pour l’agriculture) du sol. Une surface de sol fonctionnelle réduit l’érosion éolienne et hydrique, favorise le libre échange d’air, améliore l’activité biologique, permet aux semis d’émerger sans entrave et aux racines des plantes de proliférer et, peut-être le plus important, favorise une infiltration rapide de l’eau et un mouvement profond dans le sol.
Même si le semis direct réduit la perturbation des sols et réduit donc les pertes de MOS, il n’ajoute rien du côté des intrants. Un autre avantage du travail du sol direct, cependant, est de permettre à la MOS de se concentrer à la surface du sol plutôt que d’incorporer les résidus en profondeur comme le font la plupart des pratiques de travail du sol.
Le maintien de la matière organique des sols devient de plus en plus difficile.
Les chiffres confirment la difficulté d’augmenter les niveaux de matière organique des sols. Et c’est de pire en pire. À mesure que le climat se réchauffe, les sols se réchauffent également, ce qui entraîne chaque année des pertes de MOS plus élevées. On estime que nous aurons besoin de 50 à 90 % de biomasse supplémentaire dans les sols simplement pour maintenir les niveaux de matière organique du sol (Riggers et al., 2021). Cette augmentation sera nécessaire avant même de commencer à penser à augmenter les niveaux de SOM. Ajoutez à cela le risque de tempêtes moins fréquentes mais de plus forte intensité entraînant davantage d’érosion… dans de nombreux endroits, nous pourrions avoir du mal à maintenir les niveaux de MOS, et encore moins à les augmenter. Même en utilisant les meilleures pratiques.
Flux d’énergie à travers le sol ; Une lueur d’espoir ?
À ce stade, j’aimerais vous donner quelques chiffres positifs, mais je n’ai pas pu en trouver. Cependant, que se passe-t-il si nous regardons mal les choses ? Poussés par la recherche de la santé des sols et de la séquestration du carbone, notre concentration actuelle sur l’accumulation de matière organique dans le sol est-elle vraiment ce qui compte ? Nous devons nous rappeler que les avantages du carbone fixé par la photosynthèse des cultures ne se produisent pas seulement lorsqu’il se transforme en MOS à long terme. Le taux de décomposition de 90 % représente un flux d’énergie à travers le sol qui est également bénéfique (Janzen 2015).
« La matière organique est plus utile, biologiquement, lorsqu’elle se décompose… la matière organique est le carburant de la machinerie biologique du sol » Janzen 2006
Le sol n’est pas seulement un seau pour le stockage du carbone. Il s’agit plutôt d’une vanne contrôlant le débit de C. En fonction de notre gestion, ce débit peut être augmenté ou diminué, et le timing peut être ajusté. Étant donné la difficulté d’augmenter la matière organique du sol, et le changement climatique rendra cette tâche de plus en plus difficile, nous devrions peut-être nous concentrer sur le maintien des niveaux actuels de MOS et du flux de C/énergie à travers le sol. C’est peut-être tout ce que nous pouvons espérer faire.
11-8-23 Mise à jour
Les calculs ont été mis à jour suite à une erreur constatée par Lucie (merci !), voir ci-dessous dans Commentaires. Et certains facteurs ont été modifiés en raison des commentaires des lecteurs.
Les références
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Engrais azotés et matière organique du sol : que disent les preuves ?
5 décembre 2023Par Andrew McGuire
Auteurs : Jordan Wade et Andrew McGuire
Les engrais azotés synthétiques brûlent-ils la matière organique du sol ? Que vous vous concentriez sur la santé des sols, la séquestration des sols ou les crédits de carbone des sols, c’est une question importante. L’affirmation persistante est que les engrais azotés synthétiques peuvent « brûler » le carbone du sol en suralimentant les microbes du sol. Cette affirmation découle principalement d’un article de recherche de 2007 rédigé par des chercheurs de l’Université de l’Illinois (Khan et al., 2007 ; accès libre ici ) et a récemment refait surface dans un autre article (Jesmin et al., 2021) et dans les médias (imparfaits) qui en ont résulté. couverture . Cependant, une seule étude est loin d’être concluante – alors que dit la littérature scientifique au sens large ? Et qu’avons-nous appris au cours des dernières décennies sur la relation entre l’azote synthétique et la matière organique du sol ?
Un peu de contexte
Le terme « matière organique du sol » (MOS) fait généralement référence à un large éventail de composés d’origines et de complexité variables provenant de plantes ou d’organismes morts du sol. Environ la moitié de cette matière organique du sol est constituée de carbone, ou C organique du sol (COS) (Figure 1), qui est au centre de la séquestration du carbone du sol. Le reste est principalement composé d’autres composés. Certains de ces composés fournissent des éléments nutritifs aux plantes (par exemple, l’azote, le phosphore et le soufre), tandis que d’autres ne le font pas (par exemple, l’hydrogène et l’oxygène). Les termes « matière organique du sol » et « carbone du sol » sont souvent utilisés de manière interchangeable dans les conversations quotidiennes, mais il est important de garder la distinction claire lorsque l’on parle de processus spécifiques du sol.
Ce que nous savons
Une chose est très claire dans la littérature scientifique : les microbes du sol sont généralement limités en N. En moyenne, la matière organique du sol, source de nourriture et d’énergie pour les microbes, a un rapport C:N d’environ 10:1, mais les microbes ont un rapport C:N d’environ 8:1.
Figure 1. Relation entre la matière organique du sol, le carbone et l’azote du sol et les besoins microbiens en carbone et en azote.
Cela signifie que les microbes ont besoin de plus d’azote que n’en trouve la matière organique. Si nous avons 100 livres de carbone organique du sol, il y aura environ 10 livres de N organique du sol. Cependant, 100 livres de biomasse microbienne du sol auront besoin d’environ 12,5 livres de N organique (Figure 1). Pour y parvenir, les microbes vont récupérer dans le sol du N qui n’est pas facilement disponible dans la matière organique du sol. Entrez l’engrais N.
L’azote synthétique est facilement disponible pour les microbes, de sorte que lorsque des engrais sont ajoutés, la taille de la biomasse microbienne augmente rapidement (Geisseler et Scow, 2014). À court terme, cela augmente l’activité microbienne (c’est-à-dire la production de CO 2 ou « respiration ») – mais qu’en est-il à long terme ?
Eh bien, nous savons maintenant que lorsque ces microbes meurent, ils peuvent devenir une forme persistante de matière organique du sol (le C du sol associé aux minéraux). Une méta-analyse récente, utilisant 428 observations provenant de 52 études, a montré que les ajouts de N synthétique augmentent à la fois cette forme persistante de SOC (matière organique associée aux minéraux, MAOM) et la forme de SOC plus disponible microbienne (matière organique particulaire, POM). , ainsi qu’une augmentation globale de la matière organique du sol (Rocci et al., 2021). Une autre étude similaire utilisant 803 comparaisons provenant de 98 études publiées a montré un résultat similaire : les ajouts de N ont augmenté les deux formes de SOC (Tang et al., 2023). Il est important de noter que ces deux méta-analyses ont révélé cet effet quel que soit le type de système étudié, qu’il s’agisse de terres cultivées, de prairies ou de forêts. Il ne s’agit pas d’une découverte nouvelle, car de nombreuses études ont montré que l’augmentation du carbone du sol nécessite également d’autres nutriments, tels que le P, le K et le molybdène (van Groenigen et al., 2006 ; Van Groenigen et al., 2017).
Une des raisons possibles de l’augmentation globale de la MOS est simplement que davantage de nutriments (c’est-à-dire d’engrais) entraînent une croissance plus importante des plantes et donc un apport plus important de résidus. Cependant, il est important de faire la distinction entre simplement augmenter le carbone à cycle rapide et conserver le carbone à cycle lent (ou idéalement, les deux !). Une méta-analyse récente a examiné cette question à l’aide d’isotopes, qui nous aident à déterminer à la fois l’âge et la source du carbone du sol. Ils ont découvert que la fertilisation azotée peut faire les deux : elle augmente la quantité de « nouveau » carbone entrant dans les résidus tout en ralentissant également la perte du « vieux » carbone (au moins à des taux d’azote plus élevés) (Huang et al., 2020) (Figure 2).
Figure 2. Graphique montrant l’effet des engrais azotés sur les nouveaux et anciens réservoirs de carbone du sol (tel que déterminé par les isotopes). D’après Huang et al. (2020) avec la permission de Springer/Nature.
En résumé, nous disposons de plusieurs synthèses d’expériences sur le terrain montrant que le N synthétique :
Augmente la biomasse microbienne,
Augmente à la fois les réservoirs de carbone du sol facilement décomposables et moins facilement décomposables (ces derniers se formant à partir des microbes morts), et
Augmente les « nouveaux » apports de carbone tout en ralentissant la perte du « vieux » carbone du sol.
Dans l’ensemble, cela constitue une preuve assez solide que l’azote synthétique ne provoque pas la « combustion » de la matière organique.
Mais pourquoi cela se produit-il ? Comprendre le mécanisme contribuera grandement à expliquer les résultats que nous avons observés sur le terrain.
Pourquoi l’azote synthétique contribuerait-il à ralentir les pertes de matière organique dans le sol ?
Pour comprendre pourquoi l’azote synthétique peut ralentir (voire inverser) la perte de carbone dans le sol, nous devons examiner de plus près les expériences en laboratoire. Les expériences en laboratoire sont souvent de plus courte durée que les expériences sur le terrain, mais elles nous permettent d’examiner de près les causes profondes spécifiques des études sur le terrain. L’un des moyens les plus simples de se rapprocher des processus sur le terrain consiste à examiner l’activité enzymatique avec l’ajout d’engrais azoté.
Les microbes produisent des enzymes qui ciblent des liaisons spécifiques dans les résidus afin d’accéder à leur énergie. Les enzymes produites peuvent nous donner un aperçu des molécules qui sont ou non ciblées par les microbes du sol. Une méta-analyse récente a montré que la fertilisation azotée augmentait les enzymes que nous considérons généralement comme dégradant les résidus nouvellement ajoutés (activité hydrolytique) et diminuait celles que nous considérons comme dégradant la matière organique « native » ou plus ancienne du sol (activité oxydase) (Jian et al., 2016). Cela concorde avec les résultats de nombreuses expériences sur le terrain dont nous avons discuté précédemment : les ajouts de N entraînent un apport plus important de résidus tout en ralentissant toute dégradation du C ancien du sol. Cependant, ces classifications des classes d’enzymes sont très larges – pouvons-nous être plus précis sur le pourquoi de L’azote synthétique et l’histoire du carbone dans le sol ?
C’est exactement ce qu’a cherché à faire une autre étude en intégrant à la fois des mesures enzymatiques en laboratoire et des mesures sur le terrain du carbone du sol provenant de 40 études menées à travers le monde (Chen et al., 2018). Ils ont constaté que les ajouts de N diminuent l’activité des enzymes dégradant la lignine et augmentent l’activité des enzymes dégradant la cellulose. Il est important de noter qu’ils ont établi un lien entre le laboratoire et le terrain en montrant que les augmentations du stockage de carbone dans le sol dues aux ajouts d’azote étaient liées aux différences d’activité enzymatique dégradant la lignine. Ils ont également (une fois de plus) montré que les ajouts de N augmentaient les réserves de carbone des sols plus anciens. Vous sentez une tendance ici ?
L’assembler (alias le tl;dr)
Donc, revenons à notre question : les engrais azotés synthétiques brûlent-ils la matière organique du sol ? En bref : les preuves disponibles suggèrent que non, ce n’est pas le cas. Au lieu de cela, nous assistons à de nombreuses expériences sur le terrain, à la fois dans des systèmes agricoles et dans des systèmes gérés moins intensivement (par exemple, prairies et forêts), où l’azote augmente le carbone du sol. Ces augmentations sont dues à la fois à une augmentation des apports de résidus dans le sol et à une meilleure rétention du carbone plus ancien du sol. Cela semble se produire en raison des effets uniques sur des enzymes spécifiques du sol.
Cela vaut la peine de s’arrêter et de souligner à quel point cela est rare : nous voyons des preuves provenant de systèmes agricoles et non agricoles, couvrant à la fois des expériences sur le terrain et en laboratoire, convergeant vers la même conclusion. Il ne s’agit pas d’études isolées, mais de méta-analyses (une étude quantitative d’études) incluant des travaux du monde entier. Ces preuves sont assez solides et ont résisté à un examen approfondi de la part des chercheurs du monde entier.
Les engrais azotés synthétiques ont une histoire compliquée. D’une part, les engrais azotés synthétiques ont permis à la population mondiale de doubler (Ritchie et al., 2022), tandis que d’autre part, une myriade de risques pour l’environnement et la santé publique découlent d’applications excessives d’azote (Keeler et al. , 2016 ; Houlton et coll., 2019). Ces conséquences peuvent être assez graves et méritent toute l’attention qu’elles reçoivent de la part des acteurs agricoles. Il ne fait aucun doute qu’il existe un besoin urgent d’une meilleure gestion des engrais synthétiques azotés. Cependant, il s’agit d’un outil puissant parmi les outils permettant de maintenir (ou même de construire !) le carbone de notre sol. Nous espérons donc pouvoir lui accorder toute l’attention et la considération nécessaires. mérite.
Jordon Wade est responsable de l’évaluation de la santé des sols pour Syngenta Group, une entreprise mondiale de technologie agricole. Les opinions présentées ici reflètent une approche de la santé des sols basée sur les données, étayée par les résultats de ses recherches évaluées par des pairs antérieures à son rôle chez Syngenta.
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Van Groenigen, JW, C. Van Kessel, BA Hungate, O. Oenema, DS Powlson et al. 2017. Séquestration du carbone organique du sol : un dilemme lié à l’azote. Publications de l’AEC.
Le sol est certainement le réservoir le plus efficace que le système « Nature » a su mettre en place …..Nourrir et élever le sol , lui confiez nos déchets et le faire vivre avec un maximum de végétation et de photosynthèse pour les générations qui vont nous succéder …!
Définition et bref historique du semis direct : du geste ancestral à son essor dans l’agriculture moderne, d’abord aux États Unis, puis au Brésil. Le semis direct est un système de semis, dans lequel la semence est placée directement dans le sol qui n’est jamais travaillé. Seul un petit sillon ou un trou est ouvert, de profondeur et largeur suffisantes, avec des outils spécialement conçus à cet effet, pour garantir une bonne couverture et un bon contact de la semence avec le sol. Aucune autre préparation du sol n’est effectuée1 . L’élimination des mauvaises herbes, avant et après le semis pendant la culture, est faite avec des herbicides, les moins polluants possibles pour le sol. Le principe du semis direct n’est pas nouveau en soi, il est utilisé depuis les temps anciens par les cultures indigènes : les agriculteurs de l’Égypte ancienne, et les Incas dans les Andes d’Amérique du Sud, utilisaient un bâton pour faire un simple trou dans le sol, dans lequel la graine était placée à la main et recouverte au pied. Aujourd’hui encore, des centaines de milliers d’hectares sont plantés traditionnellement, en semis direct, par les petites agriculteurs indigènes2 de la zone tropicale humide qui pratiquent l’agriculture itinérante de subsistance sur brûlis, dans les forêts d’Amérique Latine, d’Afrique et d’Asie. Dans l’agriculture moderne motorisée des pays du Nord, c’est aux États Unis que les premières tentatives de semis direct sans aucune préparation du sol ont vu le jour, dès la fin des années 19403 , en réaction à une période catastrophique pour l’environnement, où les grandes plaines américaines subissaient une érosion éolienne catastrophique : le fameux « Dust Bowl ». Mais c’est surtout à partir du début des années 1960, avec la diffusion de l’herbicide total Paraquat4 , que le semis direct a réellement pris son essor, grâce en particulier, aux travaux de Harry et Lawrence Young sur leur ferme à Hemdon1 , dans le Kentucky, qui ont rapidement fait des milliers d’émules sur le territoire américain. Simultanément à ces premières démonstrations convaincantes, le fabricant de machines agricoles, Allis Chalmers, créait en 1966, le premier semoir de semis direct. Comme le semis direct est possible immédiatement après la récolte, le soja de semis direct se développait sur les résidus de la culture de blé1 . Dans le même temps, Shirley Phillips5 , pionnier de la recherche sur le semis direct à Lexington, Université du Kentucky, se consacrait corps et âme à la diffusion de ces nouvelles techniques, non seulement aux USA, mais aussi en Amérique Latine. La surface en semis direct aux USA, qui occupait 2,2 millions d’hectares en 1973/74, dépasse aujourd’hui les 20 millions d’ha, soit environ 16% de la surface totale cultivée aux États Unis. Au Brésil, les premières tentatives sur le semis direct ont commencé en 1969 dans l’État du Rio Grande do Sul6 . Mais c’est surtout à l’État du Paranà7 que revient le mérite d’avoir développé très vite, ces techniques à grande échelle, grâce
1 Phillips and Young, 1973. 2 Le système de culture du haricot « Tapadd », en Amérique Centrale et Mexique est également une technique de semis direct, depuis des siècles. 3 En Caroline du Nord, avec l’avènement de la molécule 2-4 D, dans la fin des années 1940. 4 Développé par ICI, au Royaume Uni, en 1955. 5 Shirley Phillips est unanimement considéré comme le « père » du semis direct. 6 Faculté d’agronomie de Néo Me Toque. 7 Initiative de l’IPEAME (Institut de Recherches Agropastorales du Sud, basé à Londrina), en coopération avec GTZ (Recherche agronomique allemande). Document obtenu sur le site Cirad du réseau http://agroecologie.cirad.fr Document obtenu sur le site Cirad du réseau http://agroecologie.cirad.fr d’abord à l’initiative pugnace de Herbert Bartz, agriculteur d’origine allemande, qui, après un voyage d’informations sur le semis direct en Angleterre et aux États Unis, importait le premier semoir d’Allis Chalmers et plantait sa première culture de soja de semis direct en 1972 à Rolândia. Ensuite, les recherches intensives conduites par l’IAPAR8 , entre 1973 et 1981, avec la coopération d’ICI et de la GTZ9 ont permis de mettre au point, les rotations les plus appropriées au semis direct, aux plans agronomique et économique, dans les conditions subtropicales de l’État du Paranà. Dans le même temps, les travaux pionniers à grande échelle de Frank Dijkstra et Manoel Henrique Pereira10, agriculteurs dans la région des « campos garais » de Ponta Grossa, ont entraînés une très large et très rapide diffusion du semis direct dans le Paranà, qui occupait environ 200 000 hectares en 1986, les états du Sud du Brésil11 et en Amérique Latine. Plus récemment, à partir du début des années 1990, la nouvelle et la plus importante expansion du semis direct s’est faite dans la région des cerrados (savanes) du centre et de l’Ouest du Brésil, grâce, à la fois, aux travaux de recherches de L. Séguy et S. Bouzinac du CIRAD sur les fronts pionniers du sud de l’Amazonie, à ceux de John Landers12 avec les agriculteurs partenaires dans le sud ouest de l’État de Goiàs et au remarquable travail de diffusion de l’APDC (Association du Semis Direct des Cerrados). Plus de 3 millions d’hectares sont passés en semis direct, en moins de 10 ans dans cette région. Les cultures les plus importantes conduites en semis direct au Brésil sont maintenant le soja, le maïs, le blé, l’orge, le sorgho, le tournesol, le riz irrigué, et plus récemment le coton, le riz pluvial à haut potentiel13, et les pâturages temporaires. Entre 1970 et 1998, plus de 10 millions d’hectares ont été conquis par les techniques de semis direct au Brésil. En Amérique Latine, on estime que les surfaces occupées par ces techniques conservatrices, en moins de 20 ans, dépassent les 16 millions d’hectares. L’ampleur et la vitesse de conquête du semis direct dans cette région du monde tropical et subtropical constitue certainement, la révolution agricole la plus importante des 50 dernières années. C’est a cette conquête la plus récente et la plus spectaculaire, que l’essentiel de cet article sera consacré, sur les frontières agricoles des savanes (cerrados) humides du sud du bassin amazonien, dans des conditions climatiques extrêmes où sont rapidement extériorisées les intérêts et les limites des techniques.
8 Institut de recherche de l’État du Parané. 9 R. Derpsh, et al., 1991. 10Président de la Fédération du Semis Direct au Brésil – FEBRAPDP , entre 1992 et 1998. 11 Travaux de la Fondation ABC (Hans Peeten, Josué Nelson Pave). 12 Secrétaire éxécutif de l’APDC (Association du serras direct des cerrados). 13 Travaux du CIRAD (L. Séguy, S. Bouzinac) et ses partenaires (Groupe MAEDA et AGRONORTE). Document obtenu sur le site Cirad du réseau http://agroecologie.cirad.fr Document obtenu sur le site Cirad du réseau http://agroecologie.cirad.fr Un vaste réservoir de terres mécanisables pour aider à nourrir l’humanité du 21ème siècle : les cerrados d’Amérique Latine, dernier rempart de terres vierges exploitables, avant la forêt. En Amérique Latine, les cerrados de sols acides occupent près de la moitié des terres cultivables, soit environ 243 millions d’hectares, concentrés pour la plupart au Brésil, puis en Colombie et au Venezuela, soit le double de la surface des terres cultivées aux États Unis. Environ 23 % du territoire brésilien est occupé par l’écosystème du « cerrado » avec 200 millions d’hectares, dont au moins 50 millions sont potentiellement utilisables pour une agriculture mécanisée intensive ; une bonne part de ce vaste réservoir de terres arables se situe dans la zone tropicale humide, à l’Ouest et au Nord. Tous les spécialistes du développement agricole brésilien sont d’accord pour affirmer qu’une mise en valeur pleine, rationnelle et intensive de ce réservoir de terres, pourrait fournir sans irrigation complémentaire, plus de 150 millions de tonnes de grains, 9 millions de tonnes de viande et plus de 300 millions de m3 de bois, tout en conservant 20 % de cette surface pour la préservation de l’environnement14. En considérant la possibilité d’utiliser l’irrigation sur 10 millions d’ha, la production finale pourrait atteindre 190 millions de tonnes14, soit plus de 40 % de la production de grains des États Unis. Les savanes (cerrados) représentent donc, un vaste réservoir encore peu exploité, disponible pour alimenter l’humanité du 21ème siècle, et en particulier, les savanes humides caractérisées par un fort potentiel climatique qui peut être mis en valeur aussi bien pour les cultures pérennes, alimentaires et industrielles annuelles que pour l’élevage, si l’homme sait exploiter ce milieu durablement, sans le dégrader (cf. carte en annexe) . Le transfert Nord-Sud des technologies de travail du sol : un constat d’échec lourd de conséquences pour la ressource sol et l’environnement en général. Au Brésil, la mise en culture des savanes de la zone tropicale humide (cerrados) a commencé vers la fin des années 1970, avec l’arrivée des agriculteurs des états du Sud, qui ont colonisé et conquis rapidement les états du Centre-Ouest, puis de l’Ouest plus humide ; l’agriculture qui s’y est développée, est mécanisée et a été construite, après ouverture des terres avec du riz pluvial et des pâturages extensifs (Brachiatias), sur la monoculture industrielle de soja pour gérer des excédents exportables. Ce mode d’exploitation pratiqué exclusivement aux engins à disques s’est révélé rapidement désastreux pour les sols sous une très forte pluviométrie de 2 000 à 3000 mm répartie sur 7 mois. Les sols, qui correspondent aux sols ferrallitiques fortement désaturés15 de la classification française, sont très acides, très pauvres en éléments nutritifs (carencés en Phosphore, Potasse, Calcium, Magnésium et Zinc), et très rapidement dépourvus de matière organique, lorsque la couverture végétale est enlevée. De plus, l’exploitation inadéquate et exclusive des terres mises en culture par des engins à disques (offset lourds et pulvériseurs légers) a très rapidement, sous ces conditions climatiques excessives, détruit l’état structural des sols par pulvérisation excessive, entraîné une
14 Godebert et al., 1980 ; Godebert, 1989. 15 Oxysols de la soil taxonomy américaine. Document obtenu sur le site Cirad du réseau http://agroecologie.cirad.fr Document obtenu sur le site Cirad du réseau http://agroecologie.cirad.fr forte compaction en surface, qui réduit la porosité, diminue la capacité d’infiltration de l’eau et concentre les semences des mauvaises herbes dans les 10-15 premiers centimètres, les plaçant ainsi en conditions idéales de germination et de compétition précoce pour les cultures. Au total, ce mode destructeur de travail du sol venu des pays du Nord et allié à la pratique continue de la monoculture de soja a provoqué des dégâts considérables sur les sols : érosion catastrophique des unités de paysage, qui a entraîné une baisse insidieuse d’abord, puis rapide et continue ensuite de la productivité du sol malgré l’emploi accrû d’intrants chimiques (engrais minéraux, pesticides). En quelques années, des faillites régionales spectaculaires ont eu lieu, laissant des paysages vides et désolés. Ces faillites, pour l’agriculture et l’environnement ont été d’autant plus sévères que ces fronts pionniers de l’Ouest brésilien sont très isolés économiquement. Ils sont très éloignés des ports d’exportation et des grands centres de transformation et de consommation, ce qui pénalise fortement les exploitations agricoles, car elles dépendent du réseau routier, précaire et mal entretenu qui élève le coût du transport, donc les coûts de production et réduit d’autant les prix payés aux producteurs. Ces prix payés peuvent être ainsi, inférieurs de 20 à 50 % à ceux pratiqués dans les états du Paranâ et de Sâo Paulo (Sud Brésil). L’intervention de la recherche agronomique : une stratégie au service des agriculteurs, chez eux, dans leurs milieux. Le CIRAD16 est intervenu sur les fronts pionniers du centre nord du Mato Grosso, où plus d’un million d’hectares sont aujourd’hui cultivés, pour construire les bases de la fixation d’une agriculture durable d’abord en zone de savanes entre 1983 et 1994, puis ensuite en zone de forêt pour précéder et préparer l’arrivée éventuelle des fronts pionniers mécanisés dans cette écologie qu’il faut à tout prix protéger. Dans un contexte économique très sensible, chaotique, un milieu physique fragile soumis à des contraintes climatiques excessives, la gestion durable de la ressource sol, au moindre coût, a été prise en compte comme un objectif majeur pour la recherche, indissociable de celui de gestion du risque économique. Partant de la situation généralisée de monoculture de soja, désastreuse pour le milieu physique, cette gestion du risque économique s’est traduite par la mise au point progressive de systèmes de cultures diversifiés, agronomiquement justifiés et reproductibles, techniquement praticables et préservateurs du capital-sol, qui tirent le mieux parti du fort potentiel hydrique disponible (création de systèmes à deux cultures annuelles), et qui soient économiquement lucratifs et les plus stables possible. Parallèlement à la gestion durable du patrimoine sol, la recherche de la qualité des produits en rotations a été considérée également comme prioritaire pour leur donner un maximum de valeur ajoutée. La recherche œuvrant avec, pour et chez les agriculteurs, dans leurs milieux, a rapidement mis en évidence l’échec du transfert Nord-Sud des techniques de préparation mécanisée des terres dans ce type de milieu : malgré une amélioration très significative, mais de courte durée, des performances technico-agronomiques des
16 Équipe L. Séguy, S. Bouzinac et ses partenaires brésiliens de la recherche et du développement : en coopération avec les agriculteurs (dont le pionnier, Mr. Munefume Matsubara), le CNPAF, Centre de Recherche Fédéral sur le riz et le haricot de l’EMBRAPA et l’EMPAER-MT, Centre de Recherche de l’état du Mato Grosso, puis, en partenariat avec RHODIA (filiale BrésiI de Rhône Poulenc) et la coopérative COOPERLUCAS de Lucas do Rio Verde, de 1993 à 1995, et plus récemment, avec l’entreprise AGRONORTE, implantée à Sorriso et Sinop, entre 1995 et 1999. Document obtenu sur le site Cirad du réseau http://agroecologie.cirad.fr Document obtenu sur le site Cirad du réseau http://agroecologie.cirad.fr systèmes de culture par rapport à la situation initiale, toutes les techniques de travail mécanisé associées aux rotations de culture (labour, chisel, outils à disques), ont montré très vite leur limite pour la gestion durable et au moindre coût de la ressource sol, notamment par une maîtrise insuffisante de l’érosion et surtout par la perte de la moitié du stock de matière organique après seulement 5 ans d’utilisation continue de ces modes de gestion mécanisée, interdisant toute agriculture durable sans très forte augmentation d’intrants coûteux (fig. 1). II fallait donc se rendre à l’évidence : les sols tropicaux doivent être cultivés autrement. La recherche a alors imaginé de nouveaux concepts et pratiques agricoles qui soient réellement adaptés aux contraintes pédoclimatiques de la zone tropicale humide. Ces nouveaux concepts de gestion et leur mise en pratique sont basés sur le fonctionnement de la forêt ombrophile, adapté à l’activité agricole (fig. 2 et 3). Les caractéristiques de l’écosystème forestier, en particulier sa stabilité, révèlent un fonctionnement complexe et remarquablement efficace, capable d’assurer à la fois, une productivité primaire élevée et le recyclage du faible stock d’éléments minéraux nutritifs présents, sans perte ni exportation. La plus grande partie du prélèvement des éléments nutritifs par les racines des plantes, les mycorhizes et la biomasse microbienne se situe dans les 5 à 10 premiers centimètres du sol. Ce sont à ces mécanismes de fonctionnement qui confèrent à la forêt sa remarquable stabilité, que les recherches du CIRAD ont été consacrées pour les reproduire et les adapter à l’échelle des systèmes de culture qui devront être pratiqués sur un sol toujours recouvert d’une importante couverture végétale morte ou vivante et dans lequel les pertes en éléments nutritifs devront être réduites au minimum, nulles si possible. La recherche a construit 3 grands types de systèmes de culture à partir de ce concept de base, qui s’inspire du fonctionnement de l’écosystème forestier : 1 – Les systèmes de production continue de grains, bâtis sur des successions à 2 cultures annuelles pratiquées en semis direct : Une culture commerciale suivie d’une culture qui soit capable de produire une forte biomasse aussi bien au dessus du sol que dans le sol, et qui ne reçoit pas d’intrants ou un minimum. Si en conditions subtropicales et tempérées qui comportent une saison froide, le semis direct des cultures peut s’effectuer dans les seuls résidus de récolte qui se décomposent lentement à la surface du sol (graminées surtout) et assurent une bonne couverture du sol. il en va tout autrement dans les conditions tropicales chaudes et humides de basse altitude où le taux de minéralisation (décomposition) de la matière organique est beaucoup plus élevé (taux annuel de 5 % environ, contre 2 % en climat tempéré). Les seuls résidus de récolte sont insuffisants pour assurer une couverture permanente du sol, donc une protection totale contre l’érosion, et l’entraînement des éléments nutritifs en profondeur est très important sous plus de 2 000 – 3 000 mm de pluviométrie annuelle, en particulier les nitrates, le calcium, la potasse ; il fallait donc dans ces conditions, à la fois, renforcer la couverture du sol pour qu’elle soit permanente, par l’implantation d’une biomasse additionnelle et que cette biomasse ait grâce à ses racines, une grande capacité de recyclage pour les éléments nutritifs Document obtenu sur le site Cirad du réseau http://agroecologie.cirad.fr Document obtenu sur le site Cirad du réseau http://agroecologie.cirad.fr entraînés en profondeur, qu’elle exerce un fort pouvoir restructurant du sol pour pouvoir substituer un travail biologique du sol à celui du travail mécanique (fig. 2 et 3). Cette biomasse est produite par une culture de mil ou sorgho guinea capable de fort développement végétatif au dessus et au dessous de la surface du sol, en conditions climatiques marginales dû début et/ou de la fin de saison de pluies ; la biomasse produite est donc placée avant et/ou après la culture commerciale et son coût est inférieur à celui de la préparation mécanisée des terres (moins de 50 US$/ha). Véritable « pompe biologique », cette biomasse qui précède et/ou succède à la culture commerciale, a pour fonctions agronomiques essentielles et complémentaires de : protéger complètement le sol contre l’érosion, séquestrer le carbone dans le profil cultural, alimenter la culture commerciale par voie biologique en se décomposant (minéralisation), minimiser, voire supprimer les pertes en éléments nutritifs dans le système sol-plante, grâce à un puissant système racinaire recycleur, maintenir une biostructure stable dans le profil cultural, amortir les variations d’humidité et de température à la surface du sol, pour permettre à la faune de se développer et de se maintenir dans l’horizon de surface, assurer un meilleur contrôle au moindre coût des adventices (actions conjuguées de l’obscurité et des propriétés allélopathiques 17 des couvertures) et du complexe parasitaire des cultures, en général. Le sol n’est plus travaillé, les résidus de récolte et la phytomasse additionnée par les « pompe biologiques » assurent une couverture permanente du sol aussi bien en saison des pluies qu’en saison sèche. Un horizon nourricier à très forte activité biologique se crée dans les 5 premiers cm du sol, à l’image de celui que l’on trouve sous la forêt. La biomasse des pompes biologiques type mil, sorgho, Eleusine c., peut être renforcée. si nécessaire, en succession de la culture commerciale en fin de cycle des pluies, en implantant, en semis direct un mélange de mil ou de sorgho avec des espèces fourragères du genre Brachiaria qui peuvent se maintenir vertes durant toute la saison sèche et donc être pâturées (ferme de production de grains + élevage). L’activité racinaire du Brachiaria se poursuit en saison sèche, améliorant les propriétés physiques du sol, parachevant le travail de recyclage plus limité dans le temps du mil ou sorgho associés (fig. 8). La biomasse verte à aptitude fourragère constitue également une assurance contre les incendies accidentels de saison sèche. Au premières pluies de la saison suivante, le mélange mil ou sorgho plus Brachiaria repart et renforce encore la couverture au sol avant le semis direct de la culture commerciale. Juste avant le semis direct de cette dernière, un herbicide total du type glyphosate est appliqué sur la biomasse pour la dessécher ; une semaine à 10 jours après l’application de l’herbicide, le semis direct de la culture commerciale peut commencer. Les herbicides totaux de type Glyphosate18, ne sont pas polluants pour le sol dans ce système appliqués sur une très forte phytomasse verte, ils n’atteignent pas le sol ou en quantité dérisoire qui est immédiatement inactivée au contact du sol (fortement
17 En se décomposant, la couverture morte du sol libère des substances qui inhibent la germination des mauvaises herbes. 18 Le sulfosate, le glufosinate sont également des matières actives utilisées pour le même objectif. Document obtenu sur le site Cirad du réseau http://agroecologie.cirad.fr Document obtenu sur le site Cirad du réseau http://agroecologie.cirad.fr adsorbée parles colloïdes, donc non lixiviable). Sur la culture commerciale en développement, les herbicides utilisés sont sélectifs de la culture. Comme dans le cas de l’utilisation des herbicides totaux en pré-semis, les herbicides sélectifs dans la culture n’atteignent pas ou très peu le sol protégé sous la couverture. De plus, les nouvelles molécules utilisées sont de plus en plus performantes à très faible dose19 et sont de moins en moins polluantes surtout dans de tels systèmes de culture sur couverture permanente où le sol est totalement protégé et où l’activité biologique intense est une garantie supplémentaire de dégradation rapide des molécules xénobiotiques. Dans ce système de semis direct construit sur 2 cultures annuelles en succession, les cultures commerciales peuvent être : le soja, le maïs, le riz pluvial à haut potentiel, le coton ; les cultures pompes biologiques qui précèdent la culture commerciale et qui se substituent au travail mécanique du sol sont : le mil, le sorgho, l’Eleusine coracana. Les pompes biologiques qui succéderont à la culture commerciale : du mil, du sorgho, associés ou non à des espèces fourragères, du tournesol. Les pompes biologiques de succession associant mil ou sorgho au Brachiaria produisent entre 7 et 13 tonnes/ha de matière sèche au dessus du sol à l’entrée de la saison sèche, et plus de 4 t/ha de racines dans les 50 premiers cm du profil cultural (fig. 4, 5 et 6). Ce sont ces systèmes qui se sont diffusés très rapidement entre 1992 et 1998 qui dominent aujourd’hui, sur les 3 millions d’hectares de semis direct que compte le centre ouest brésilien. 2 – Les systèmes de semis direct intégrant les systèmes précédents de production de grains, pratiqués en rotation avec des pâturages, tous les 2, 3, 4 ou 5 ans pour la production de viande ou de lait. A la différence des systèmes précédents, dans lesquels l’espèce fourragère (Brachiaria r.) n’est présente que pendant quelques mois en mélange avec le mil ou le sorgho pour renforcer la biomasse de surface, dans les systèmes mixtes « production de grains-élevage » les espèces fourragères sont implantées pour 2, 3, 4 à 5 ans, en rotation avec les systèmes de production de grains (fig. 8 ). L’implantation du pâturage se fait après récolte de la culture commerciale, (en général du soja semé aux premières pluies) en semis direct dans les résidus de récolte. Le pâturage à base de Brachiaria brizantha ou de Panicum maximum, implanté par cette technique sans engrais, dispose de réserves en eau suffisantes pour produire une très forte biomasse fourragère à l’entrée de la saison sèche. II peut supporter 1,7 à 2,2 têtes/ha de gros bétail dont le gain de poids sur les 100 à 120 jours de la saison sèche est d’environ 450g/jour/animal. Inversement, pour repasser du pâturage à la culture, on utilise les herbicides totaux18 à forte dose qui détruisent le pâturage (parties aériennes et racinaires), et le semis direct de la culture commerciale peut commencer entre 15 et 25 jours après le dessèchement à l’herbicide, le temps que la biomasse se réduise suffisamment en surface et permette ainsi un semis direct dans de bonnes conditions opérationnelles (rapidité d’exécution. placement précis de ta semence).
19 Les sulfonylurées par exemple s’utilisent à des doses de quelques grammes par hectare présentent une très faible toxicité pour les mammifères, les oiseaux et les poissons. Document obtenu sur le site Cirad du réseau http://agroecologie.cirad.fr Document obtenu sur le site Cirad du réseau http://agroecologie.cirad.fr Ces rotations production de grains-élévage, pratiquées en semis direct continu sont actuellement en voie de diffusion rapide. Enfin, une variante à ces systèmes, a été mise au point pour les éleveurs stricts qui ne souhaitent pas produire de grains pendant 2 ans ou plus. Dans ce cas, il faut rénover le pâturage qui se dégrade avec le temps : le pâturage dégradé est détruit à l’herbicide total (glyphosate) et du riz pluvial à cycle court est installé en semis direct sur le pâturage désséché et détruit, dès le début de saison des pluies. A la récolte du riz, le nouveau pâturage (genres Brachiaria, Panicum) est implanté en semis direct dans les pailles de riz. Dans ce système, aucun herbicide n’est utilisé dans la culture de riz et la fumure utilisée sur cette culture est supérieure de 30 % à ses besoins. Le reliquat d’engrais est utilisé par le nouveau pâturage semé directement en succession du riz. Avec un riz de belle qualité de grains (variétés CIRAD), les marges nettes couvrent le coût d’installation du nouveau pâturage, et offrent un reliquat monétaire avec l’élevage en saison sèche, comp
