Le sol agricole a toujours été au coeur de l’agriculture. Toute l’activité tourne autour : on le travaille, on le nourrit, on l’hydrate … C’est par son intermédiaire qu’on soigne réellement la plante. La fertilité des sols a toujours été un enjeu crucial: elle a déterminé la richesse de nombreuses nations. C’est notamment grâce à son sol fertile que la France a été aussi prépondérante en Europe au Moyen Âge : nous étions le pays le plus peuplé.
Mais qu’est-ce qu’un sol fertile ?
C’est un sol permettant aux cultures souhaitées y étant plantées d’y pousser. Cela va dépendre de deux principaux éléments: sa composition chimique (quels éléments y sont présents ?) et ses propriétés physiques (texture, capacité à absorber l’eau, etc.). Cela peut sembler simple, mais c’est d’une complexité redoutable. (1) Les composants ne sont souvent pas suffisant pour faire pousser de manière optimale les cultures, il faut alors fertiliser, souvent en azote, phosphore ou potasse. (2) Nous aborderons ensuite le sujet de la dégradation des sols, ainsi que celui de leur régénération. (3) Enfin, nous aborderons un dernier sujet: celui de l’agriculture sans sol, l’hydroponie. (4)
Partie 1. La complexité des sols et de la nutrition des plantes
Si on me montre un sol, je vous l’avoue, j’aurais tendance à dire « bah, c’est de la terre ! », mais, comme souvent, en agriculture, c’est plus compliqué. Il y a littéralement des centaines ou des milliers de « types » de sols..
La complexité de la composition des sols va bien au delà de la proportion de sable, d’humus et d’argile: vous avez des dizaines d’éléments qui peuvent avoir une importance. La structure du sol est aussi un point primordial. Et ces deux éléments sont étroitement connecté à la vie du sol: vers de terre, insectes, bactéries, nématodes … Mais partons du début: de quoi est-il composé ?
Que sont les sols ?
Le sol a trois grandes caractéristiques:
- Une composition chimique
- Une texture
- Une profondeur
- Une biodiversité
Pour rendre compte de toute cette complexité et facilté leur étude, les sols sont l’objet de plusieurs taxonomies nationales.
La composition chimique
Le sol est composé de quatre fractions:
- Une fraction minérale
- Une fraction organique
- Une fraction liquide
- Une fraction gazeuse
Nous parlerons peu ou pas de la fraction gazeuse. Les composants du sols forment la « solution sol », dans laquelle les plantes va pouvoir aller chercher ses nutriments. Cela peut aussi être un danger de toxicité pour la plante. Par exemple, l’excès de sel ou de cuivre est herbicide.
Cette solution va avoir un pH, dont l’importance va être cruciale:
- il va déterminer si un sol est plus ou moins fertile et ce qui peut pousser dessus
- il va aussi déterminer la disponibilité des nutriments présents. L’effet peut être très inconstant. Ainsi le manganèse est très disponible dans un sol acide, jusque pH6.2, beaucoup moins ensuite, puis de nouveau très disponible après pH8.2. Le souffre est peu disponible en deça de pH5 et beaucoup au-delà, même à pH8.4. Le zinc préfère l’acidité et sa disponibilité décroit au-delà de pH6.3.
Elle aura enfin d’autres aspects chimiques, comme la capacité d’échange de cation (cation exchange capacity, CEC) ou d’anion.
La texture des sols
La première caractéristique d’un sol est sans doute sa texture: sa composition en argile, sable et limon. Ces trois termes sont des catégories de particules. Les argiles sont extrêmement fines, moins de 2µm. Le limon lui fait entre 2 et 50µm et, enfin, le sable, le seul dont les particules soient visibles, fait plus de 50µm.
Ces seules trois variables ont une importance énorme, définissant à elles seules 13 catégories.
Par exemple, un sol sableux peut facilement se délaver s’il est soumis à de fortes pluies et perdre de l’azote,. Si en plus il est acide, il lui faudra sans doute un supplément en calcium, potassium, manganèse, souffre et magnésium. (Benton, p.9-10)
Cette texture sera influencé par des événements. Par exemple, l’eau peut faire se former une croute sur la surface, c’est la battance. Il arrive aussi que le passage des tracteurs tasse la terre et rende nécessaire de la décompacter.
Nous approfondirons dans un article dédié aux structures de sols.
Une profondeur
Un sol est aussi (et avant tout) une profondeur qui n’est pas homogène. Vous allez avoir plusieurs couches sédimentaires qui vont se superposer. Pour décrire les différentes couches du sol, on parle « d’horizons ». Il y a une typologie en fonction de la profondeur:
- Le plus superficiel, entre 0 et 5cm est l’horizon organique, noté O.
- Ensuite, de 5 à 25cm, c’est l’horizon mixte, noté A. C’est là où la matière organique et minérale se mélangent.
- Plus loin, entre 25 et 75cm, c’est l’horizon d’accumulation, noté B.
- Enfin, au delà, c’est la zone d’altération de la roche-mère, noté C.
C’est une typologie simplifiée. (Rq: ces profondeurs sont des ordres de grandeur je suppose, vui qu’il y a des sols plus ou moins profonds, plus ou moins rapidement minéraux) En réalité, le premier horizon peut se décliner en 3 versions : OL (litière), OF (horizon de fragmentation) et OH (horizon humifié). L’horizon B, peut être BT (horizon d’accumulation des argiles) ou BP (horizon d’accumulation de matière organique et d’aluminium). Vous avez aussi E (l’horizon lessivé), S (l’horizon structural), C la roche-mère peu altérée et R, la roche-mère non-altérée … Il y a aussi Sh, St, BTh, Ck, Ach, Ck, K, Yp … Bref, beaucoup.
Le profondeur du sol est très importante en agronomie pour définir vos pratiques culturales et les propriétés du terrain.
Nous approfondirons dans un article dédié à la profondeur du sol et à la formation de ce dernier.
La biodiversité du sol
Enfin, et j’ai été un peu surpris de le découvrir, les sols peuvent aussi se définir par leur biodiversité. Par exemple, les chernosols (la fameuse terre noire d’Europe de l’Est qui a endigué l’avance des chars russes au printemps 2022) se caractérise par une activité des micro-organismes et de la mésofaune intense au printemps et à l’automne en surface et, sinon, se concentrant en profondeur, en raison « du gel ou de la sécheresse de la partie supérieure du solum ». (Baize et Girard 2008, p.125)
Vous savez sans doute tous que les vers de terre sont particulièrement importants: ils poussent la matière organique en profondeur, permettent au sol de « respirer » (améliorent la circulation de l’air et de l’eau), le décompactent, etc. Certains champignons ont aussi un rôle important: les micorrhizes vont par exemple s’associer aux racines et étendre la capacité de ces dernières à capter divers éléments. D’autres micro-organismes aident les racines des plantes. On parle de rhizosphère.
La biodiversité des sols emporte également des risques: il y a énormément de microorganismes nuisibles, comme certains nématodes, bactéries et champignons. D’ailleurs, d’autres organismes permettent de lutter contre eux. Les araignées sont par exemple très pratiques contre de nombreux insectes. Certains nématodes se nourrissent d’autres nématodes, eux nuisibles aux cultures. D’autres encore absordent des substances polluantes.
Globalement, on divise toute cette faune en fonction de leur échelle: la mégafaune (taupes, serpents …), la macrofaune (visible à l’oeil nu), la mésofaune (visible à la loupe) et les micro-organismes (visibles au microscope).
Nous approfondirons dans un article dédié à la biodiversité des sols.
Les taxonomies des sols
Ainsi, il y a une variété infinie des sols. Néanmoins, pour les étudier, on a besoin de référentiels communs. Pour cela ont été développées de nombreuses taxonomies des sols, permettant d’uniformiser l’étude des sols d’un pays. Par exemple, la France a le « Référentiel pédologique français« . Pour les Etats-Unis, il y a l’ USDA Soil Taxonomy (taxonomie des sols du ministère de l’agricuure américain). Voici quelques exemples de sols français (tiré de Baize et Girard 2008):
- Les anthroposols sont « des sols fortement modifiés ou fabriqués par l’homme ». Ils peuvent être « transformés » (= agriculture notamment), « artificiels » (= ville), « reconstitués » (parcs, espace verts …), « construits » (végétalisation d’espace dégradés) et « archéologiques ». Ils peuvent aussi avoir une dizaine de qualificatifs différents (hortiue, défoncé, plaggique, décapé, compacté …).
- Le Chernosol (haplique, mélanoluvique ou typique) ou Tchernoziom, terre noire en russe, se caractérise par un horizon A d’au moins 40cm avec une grande quantité de matière organique. Il peut être qualifié de méridional, épicarbonaté, agricompacté, sodisé, néoluvique …
- Les nitosols sont observés « dont tous les horizons sont marqués par une grande abondance de matières organiques et qui sont en situation bien drainée » et se forment « à partir de roches volcaniques ou de roches métamorphiques basiques d’âge plio-pléistocène ». Ils sont « caractérisés par des horizons de subsurface très argileux » ainsi que « par des faces luisantes sur les faces d’agrégats des horizons de subsurface (leur nom vient du latin nitidus : luisant, brillant). » (p.233)
Si vous n’avez rien compris, c’est que vous avez compris : c’est compliqué. (et rassurez-vous, moi non plus …)
Mais on fera tout de même une page dédié à la taxonomie des sols (pour y voir un peu plus clair, notamment poser les variables déterminantes).
L’effet des sols
Si cette complexité est aussi importante, c’est que les sols ont un rôle crucial dans l’agriculture. C’est grâce à leurs propriétés que les plantes parviennent à se nourrir. Bien sûr, il y a une exception: l’hydroponie, une agriculture qui se fait hors sols, que nous devrons présenter.
La nutrition des plantes
On a découvert, petit à petit au cours du XIXe siècle, la chimie des plantes et de quels éléments elles avaient précisément besoin. L’importance de l’azote, même si elle est de facto « connue » depuis l’antiquité, n’a été réellement identifiée qu’en 1802 par de Saussure et entre 1851 et 1855 par Boussingault (forcément: on ne peut pas parler d’azote si on n’a pas déjà identifié ledit atome).
Les besoins varient beaucoup selon les atomes. On les compte en ppm de matière sèche. Les principaux éléments, appelés « macronutriments », sont l’azote (N, 14 000), le phosphore (P, 2000), le potassium (K, 10 000), le calcium (Ca, 5000), le magnesium (Mg, 2000) et le souffre (S, 1000). D’autres éléments, nécessaires en très petites quantités dans la plante, sont appelés « micronutriments »: le Bore (B, 20), le cuivre (Cu, 6), le fer (Fe, 100), le manganèse (Mn, 50), le molybdène (Mo, 0.1), le chlore (Cl, 100) et le zinc (Zn, 20). (Benton, p.21)
Toutefois, les choses ne sont pas si « simples »: l’excès ou l’absence d’un élément peut influer sur la métabolisation d’autres. Par exemple, la présence de beaucoup de zinc peut causer un manque de fer ; le besoin en molybdène, utile pour des enzymes convertissant le nitrate en ammoniaque, est moindre si l’apport d’azote se fait sous la forme d’ammoniaque; le cuivre en excès est toxique pour la plante. En outre, les plantes n’ont pas toutes les mêmes besoins et ne sont pas toutes également sensibles aux déficiences. Ainsi, les betteraves sont sensibles au manque de bore et les céréales plutôt sensibles à son excès. (Benton, p.85)
La plante capte les ions présents dans la « solution sol » de 3 manières possibles:
- Par écoulement de l’eau, par exemple s’il pleut beaucoup.
- Par diffusion des zones à faibles concentration vers celle à haute concentration, sur quelques milimètres.
- Par l’expansion des racines (Benton, p.12) et le « chevelu racinaire » (des sortes de poils) qui les prolonge. (p.34)
Ces trois mouvements sont largement indispensables les uns aux autres: le fait que les nutriments puissent se déplacer est peu intéressant si la plante n’est pas capable, avec ses racines, de les capter. A l’inverse, en l’absence de ces mouvements de grande ampleur, les racines ne capteront que très peu de nutriments. En outre, les différents éléments ont différents degrés de mobilité: les très mobiles sont le magnesium, azote, phosphore et potassium; mobiles le souffre, immobiles le cuivre, le fer, le mobdylène et le zinc et très immobile le bore et le calcium. (Benton, p.25)
Nous approfondirons dans un article dédié à la nutrition des plantes.
Autres propriétés
Les sols ont encore d’autres propriétés plus spécifiques.
L’une des plus importantes va, par exemple, être la capacité de rétention d’eau et de drainage: est-ce que le sol va facilement laisser couler l’eau ? Est-ce qu’elle va saturer les horizons superficiels ou bien pouvoir, ensuite, se déplacer plus en profondeur ou ruisseler ailleurs ? C’est l’un des intérêts du drainage: on prévoit un tunnel qui va permettre à l’eau ayant pénétré le sol d’être évacuée rapidement vers le chemin souhaité, ce qui limite le risque que l’eau fasse des flaques et, au lieu de s’enfoncer, reste à la surface (ce qui génère de l’érosion et pose davantage de problèmes en terme de gestion des flux).
Il y a aussi la question du stockage de carbone. Les plantes captent le carbone de l’air et l’utilisent en partie pour construire leur tissu racinaire(et les parties qui seront laissées sur place lors de la récolte. Ledit carbone est ainsi fixé dans le sol. Ensuite, il va être enfoui par le travail du sol et des vers de terre. Cette capacité du stockage de carbone est très intéressante et est l’objet de l’initiative 4 pour 1000.
Nous approfondirons dans un article dédié au stockage du carbone dans les sols et un autre dédié à l’eau dans les sols.
L’hydroponie: les propriétés du sol sans le sol
L’hydroponie est une technique de cultivation des plantes hors sol, ce dernier étant remplacé par une solution aqueuse. Son nom combine la racine grecque hydro (eau) et ponos (travail). Sa forme moderne date du milieu du XIXe siècle, mais il semble qu’il y ait eu des versions plus anciennes, comme les fermes placées sur l’eau autour de Technoctitlan (à confirmer).
Différentes méthodes ont été développées, 6 sont principalement utilisées, divisés en deux catégories, selon qu’elles utilisent un support d’enracinement (« rooting medium », il s’agit en principe de matière neutre) ou non. (Benton, p.191-196)
- Sans support d’enracinement
- Solution nutritive aérée permanente ou aérée en circulation. Les racines sont suspendues dans une solution nutritive continuellement aérée.
- Technique du film nutritif (Nutrient Film Technique, NFT). Inventée par Allen Cooper à la fin des années 60, cette technique consiste à mettre la plante dans une sorte de petit godet avec un peu de sol, mais de sorte à laisser passer les racines, qui vont aller puiser dans la solution nutritive coulant en dessous ses nutriments. C’est notamment utilisé pour les laitues.
- Aéroponique. Les plantes sont suspendues en l’air et régulièrement aspergées par un spray ou une brume de solution nutritive.
- Avec support d’enracinement
- Flux et reflux (1974). La plante est posée dans un support, dont la base baigne dans la solution nutritive. Cette dernière est remplie et vidée régulièrement, pour avoir un certain effet sur la plante (illustration en anglais ici : https://www.youtube.com/watch?v=60uokf3WmTo).
- Irrigation au goutte à goutte. C’est un peu l’image de la serre de tomates: le pied est dans un godet de sol et nourri grace à une solution nutritive distribuée au goutte à goutte.
- Sous-irrigation. C’est une technique similaire au flux et reflux, décrite pour la première fois en 1895, sauf qu’il n’y a pas de reflux: le médium d’enracinement baigne dans la solution, qui va remonter par capillarité.
Les difficultés peuvent être multiples: risque de maladie des racines, contrôle de la température, besoin de surveillance …
Nous approfondirons dans un article dédié à l’hydroponie.
Partie 2. La fertilité des sols: les principaux éléments
Rapport sur les volumes d’achat de fertilisants en France : https://notre-environnement.gouv.fr/rapport-sur-l-etat-de-l-environnement/themes-ree/pressions-exercees-par-les-modes-de-production-et-de-consommation/usages-de-matieres-potentiellement-polluantes/fertilisants/article/les-livraisons-d-engrais-en-france?lien-ressource=5192&ancreretour=lireplus
Rapport sur l’utilisation d’azote et de phosphore : https://www.notre-environnement.gouv.fr/rapport-sur-l-etat-de-l-environnement/themes-ree/pressions-exercees-par-les-modes-de-production-et-de-consommation/usages-de-matieres-potentiellement-polluantes/fertilisants/article/les-bilans-azote-et-phosphore-en-france?lien-ressource=5192&ancreretour=lireplus
L’azote (N): terribles engrais
L’azote a été la première limite au potentiel de rendement rencontrée. L’agriculture européenne (et probablement toutes les autres) s’est construite autour du manque d’azote et des moyens pour y répondre. C’était au coeur des pratiques de l’empire romain, avec la division des champs entre saltus (= paturage) et champ (=culture) et l’utilisation du bétail pour transférer, grace au fumier, l’azote du premier au second. Le coeur de la révolution agricole du moyen-âge, puis la révolution agricole industrielle n’ont été en substance que l’amélioration de cette logique.
La découverte de l’azote de synthèse a permis à l’agriculture de s’écarter de cette perspective et d’augmenter drastiquement les rendements en rompant le lien existentiel entre l’approvisionnement d’azote et les pratiques agricoles connexes (élevage, légumineuses). Aujourd’hui, on estime que la moitié de l’alimentation mondiale repose sur les engrais azotés. Ces derniers peuvent se présenter sous différentes formes : sulfate d’ammoniaque, d’urée ou d’ammonitrates. Ils sont obtenus à partir d’ammoniaque, produit par le procédé Haber-Bosch à partir d’hydrogène produit par vaporéformage du méthane.
Nous consacrerons un article à étudier l’azote, ses sources et ses enjeux.
Le phosphore (P)
Dès 1762, Duhamel du Monceau signalait que les débris d’os et d’ivoire amélioraient les sols. Le guano, dont le commerce s’est développé à partir de 1820, a aussi été une source de phosphore. Idem pour le « noir animal », un déchet d’un procédé utilisé dans les sucreries. C’est néanmoins Liebig qui démontra (et exagèra) l’importance du phosphore en 1840. En 1837, James Murray, un chimiste écossais, appelle « superphosphate » le résultat de la pulvérisation de phosphates par de l’acide sulfurique, procédé qu’il utilisait depuis une vingtaine d’années. C’est sous cette forme qu’est surtout utilisé cet engrais. Les premières usines utilisant le procédé apparaissent dans la seconde moitié du XIXe siècle. Néanmoins, il fallu plusieurs dizaines d’années, pendant lesquelles on chercha du phosphore jusque dans les cimetières, pour que se développe un approvisionnement à grande échelle exploitant des gisements de roches phosphatées.
Nous approfondirons dans un article dédié au phosphore.
Le potassium (K)
Le potassium est depuis longtemps utilisé comme fertilisant sous la forme de cendre de bois (on peut même se demander si ce n’était pas un aspect important des systèmes sur abattis-brûlis préhistoriques). Au 17e siècle, deux nouvelles sources sont apparues, mais sont restées minoritaires: les cendres de plantes halophytes (= soude) et celles d’algues (goémon ou vareche, kelp en anglais). A la fin du XIXe siècle, c’est le minerai qui devient la source principale de potassium. (Ciceri et Manning, 2014)
L’engrais est aujourd’hui utilisé sous forme de sulfate de potassium, K2SO4 ou de nitrate de potassium.
Nous approfondirons dans un article dédié à la potasse.
Les semis
Enfin, pour que vos cultures poussent, il faut évidemment les planter. C’est la question des semis. Il y a toute une technique sur le moment et la densité (c’est la question de la « modulation« ) des semis.
Nous approfondirons dans un article dédié aux semis.
Partie 3. La dégradation des sols et leur restauration
Aujourd’hui, 33 % des terres sont modérément à fortement dégradées en raison de l’érosion, de la salinisation, du compactage, de l’acidification et de la pollution chimique des sols.FAO 2016
Les sols sont cruciaux et, pourtant, ils sont menacés. Cela peut se faire dans le cadre de l’activité agricole, c’est le problème de l’érosion des sols agricoles. La pollution et l’artificialisation (on pense notamment aux mines) peut aussi causer une pression sur ces dernières. Enfin la fertilité des sols est menacée, à l’échelle mondiale, par la sallinité des sols. Néanmoins il y a des pistes pour remédier à ces dégradations. Mieux, il y a même des travaux conduits pour générer du sol, notamment pour verdir les déserts.
L’érosion des sols agricoles
La pluie et le vent peuvent retirer de la matière aux sols: on parle d’érosion. L’érosion hydrique se produit sous l’action de l’eau, qu’il s’agisse de l’impact des gouttes d’eau, du ruissellement ou encore de la perte de structure du sol pouvant amener des glissements de terrains. L’érosion éolienne se produit elle par l’action du vent, qui embarque avec lui des particules. Cela s’est produit à très grande échelle lors du Dust Bowl: un vent violent qui a ravagé des millions d’hectares aux Etats-Unis 4 années consécutives, entre 1934 et 1938. La FAO estime la perte moyenne globale des rendements à 0.3% par an, ce qui représenterait une perte de -10% d’ici 2050. (FAO 2016, p.10)
Pour aller plus loin, vous pouvez consulter notre article sur l’érosion des sols agricoles.
La pollution et l’artificialisation des sols
Il y a une autre source directe de dégradation des sols agricoles: l’humain. En effet, nous pouvons rendre infertiles des sols à travers la production de pollution (un gros problème en Chine notamment) et par l’artificialisation des sols. Difficile de faire pousser du maïs sur un parking de supermarché … La FAO estime que la perte de terres agricoles entre 1990 et 2006 correspond à une diminution de production de blé de 6 millions de tonnes. (p.12)
Nous approfondirons dans un article dédié à l’évolution des surfaces utilisées.
Le problème de la sallinité des sols
Delenda Carthago. Le mot de Caton l’ancien, encourageant la destruction de Carthage par Rome, a été mis en acte: la ville a été rasée et le sols recouvert de sel. En effet, rien ne pousse sur une terre salée. Outre ces pratiques barbares, la sallinité des sols est un problème mondial. En effet, la FAO estime que plus de 10% des terres agricoles sont salinisées, « ce qui représente un risque majeur pour la sécurité alimentaire mondiale. » (FAO)
Cela peut notamment être causé par l’utilisation d’eau d’irrigation contenant beaucoup de sel. (Benton, p.110) Notez que la surexploitation de nappes phréatiques proches de la mer (on peut notamment penser à l’Inde) favorise l’infiltration d’eau salée dans les nappes. Quand cette eau est ensuite pompée, elle va ramener le sel à la surfance.
Nous approfondirons dans un article dédié à la sallinisation des sols.
La (ré)génération des sols
C’est un thème absolument fascinant: comment est-ce qu’on transforme un sol dégradé en sol fertile ? Cette question de la remédiation ou de la réhabilitation est notamment cruciale quand il faut restaurer un sol pollué ou bien une ancienne mine. Toutefois, ce n’est pas tout : il est peut-être possible de faire des déserts des terres, à terme, cultivable (même si c’est un horizon lointain).
Nous approfondirons dans un article dédié à la régénération des sols.
- Benton, Jones Jr, Plant nutrition and soil fertility manual, éd. CRC Press, 2012, 296p.
- Epstein, E. and A.J. Bloom. 2005. Mineral Nutrition of Plants: Principles and Perspectives, 2nd. ed. Sinauer, Sunderland, MA.
- Glass, D.M. 1989. Plant Nutrition: An introduction to Current Concepts. Jones and Barlett, Publishers, Boston, MA.
- Marshner, H. 1995. Mineral Nutrition of Higher Plants, 2nd ed. Academic Press, London, England.
- Mengel, K. and E.A. Kirkby. 1987. Principles of Plant Nutrition, 4th. ed. International Potash Institute, Worblaufen-Bern, Switzerland.
- Denis Baize, Michel-Claude Girard, Référentiel pédologique 2008, Versailles, Quæ, 17 mars 2007, 404 p. (ISBN 978-2-7592-0185-3, lire en ligne [archive]
- Ciceri, Davide, David A.C. Manning, and Antoine Allanore. “Historical and Technical Developments of Potassium Resources.” Science of The Total Environment 502 (January 2015): 590–601.
- FAO 2016, « État des ressources en sols dans le monde. Résumé technique« , 92p. ISBN: 978-92-5-208960-5
Pour aller plus loin:
- Analyse de sol années 80 : https://twitter.com/Dominiqueluhern/status/1465383705514500124