Pourquoi le même légume finit par mal pousser au même endroit ?
― Chaque année, le sol perd quelque chose sans bruit
Même jardinière que l'an dernier, même terre, même façon de faire. Et pourtant, cette année, les tomates ne grandissent pas et les fruits restent petits. Depuis toujours, les agriculteurs disent qu'il ne faut pas cultiver la même chose sans interruption, et qu'il vaut mieux intercaler des légumineuses. Mais on n'a compris pourquoi que depuis environ 130 ans.
Sur le balcon, dans une jardinière, des tomates cerises avaient bien donné l'an dernier. Pour ne pas gâcher la terre, vous l'avez réutilisée cette année.
Mais les feuilles sont pâles et jaunissent en partant du bas. Des fruits se forment, mais ils restent deux fois plus petits que l'an dernier.
L'eau et l'ensoleillement sont pourtant identiques à l'année précédente. Ce qui a changé, c'est que la terre a « servi » une année de plus.
Il y a deux grandes raisons à cela
Rapporter des fruits ou des feuilles chez soi, c'est aussi emporter hors du jardin les éléments qui les composaient. L'azote est particulièrement sujet au manque : c'est la matière première des protéines des feuilles et des fruits.
Autour des racines d'une culture se rassemblent les bactéries, champignons et petits nématodes qui l'apprécient particulièrement. Si la même culture revient sans interruption, c'est comme si un repas leur était livré chaque année : leur nombre augmente.
Le mauvais développement causé par la conjonction de ces deux facteurs est appelé fatigue des sols (maladie de la monoculture continue). Ce qui est fascinant, c'est le temps qu'il a fallu à l'humanité pour percer le mystère du premier facteur.
1 : quelle quantité d'azote quitte le sol ?
Les feuilles et les fruits sont faits d'eau, de carbone et d'un peu d'azote. Le carbone provient sans limite du dioxyde de carbone de l'air. Mais l'azote, lui, ne peut être absorbé que par les racines.
Nous ferons le calcul dans le volet dépliable plus bas, mais récolter des tomates sur un mètre carré de jardin fait sortir du champ environ 20 grammes d'azote, pour l'ensemble du pied. Et cela se répète chaque année.
Voici une chose étrange : l'air est composé à 78 % d'azote. Au-dessus d'un mètre carré de jardin, l'air contient environ 8 tonnes d'azote. Et pourtant, juste en dessous, les plantes en manquent.
L'azote de l'air se présente sous forme de deux atomes solidement liés entre eux. Cette liaison est si forte qu'une plante ordinaire ne peut pas la rompre. Une montagne d'azote au-dessus de la tête, et pourtant hors de portée : voilà ce qui rend cet élément si difficile à exploiter.
2 : comment on a découvert que le coupable était « une bactérie logée dans la racine », et non la plante elle-même
Cultiver des légumineuses fait mieux pousser les récoltes de l'année suivante. Cette observation figurait déjà dans les traités agricoles de la Rome antique. L'effet lui-même était donc connu depuis 2000 ans.
Pourtant, jusqu'au milieu du XIXe siècle, la plupart des savants pensaient que « la plante se nourrit directement de la matière organique en décomposition dans le sol ». Personne ne pouvait expliquer pourquoi les légumineuses faisaient exception.
Le tournant survient en 1838. Le Français Boussingault pèse méticuleusement, dans sa propre exploitation, les récoltes et le sol pendant des années. Il constate alors que seules les parcelles où poussaient des légumineuses voyaient l'azote total du champ augmenter. L'azote semblait surgir de nulle part.
Mais on ignorait s'il provenait de l'air, et qui en était responsable. La réponse arrive en 1886, avec l'expérience des Allemands Hellriegel et Wilfarth.
Ils firent pousser des légumineuses dans du sable dépourvu de nutriments et de micro-organismes. Rien ne poussait. Mais dans les pots arrosés d'une eau où avait trempé un peu de terre de jardin, de petites nodosités apparurent sur les racines, et les plants poussèrent vigoureusement.
Autrement dit, ce n'était pas la légumineuse elle-même qui utilisait l'azote de l'air, mais des bactéries logées dans les nodosités des racines. La plante fournit un logement et du sucre ; la bactérie rompt la liaison de l'azote de l'air et le lui transmet. Cet échange était le secret des 2000 ans d'observation empirique.
Une grande partie de l'azote capté par les nodosités migre vers les fruits et les feuilles. Si l'on récolte et emporte tous les grains de soja, l'azote laissé dans le champ n'augmente presque pas. Pour enrichir le sol, mieux vaut faucher la plante avant la formation des fruits et l'enfouir dans la terre : c'est ce qu'on appelle l'« engrais vert ».
Les organismes qui prolifèrent pour la raison 2 sont à peu près communs à chaque « famille » botanique. Planter des aubergines ou des poivrons après des tomates ne change rien, car ce sont toutes des solanacées : les ennemis présents dans le sol restent les mêmes. Pour vraiment laisser reposer la terre, il faut changer de famille.
En résumé
Si la culture continue fait mal pousser les plantes, ce n'est pas parce que le sol a « vieilli ». C'est parce que chaque récolte emporte de l'azote hors du champ, tandis que les ennemis spécifiques de cette culture s'y multiplient. La rotation des cultures est une sagesse ancienne qui permet de décaler ces deux phénomènes en même temps.
Il y a 8 tonnes d'azote au-dessus du jardin.
Le problème n'est pas la quantité, mais la forme sous laquelle il se trouve.
Il existe une autre voie naturelle par laquelle l'azote de l'air entre dans le sol, en plus des bactéries des nodosités. Dans Les années à beaucoup d'orages donnent-elles vraiment de meilleures récoltes de riz ?, nous expliquons comment la foudre transforme l'air en engrais. Sur le travail des micro-organismes du sol, voyez aussi Quelle est la différence entre fermentation et putréfaction ?
- Entre le printemps et l'été, semez des graines d'edamame ou de haricot dans une jardinière, avec peu d'engrais.
- Au moment de la floraison, arrachez un seul pied et lavez délicatement ses racines à l'eau.
- Si vous voyez sur les racines des petites boules rondes de 2 à 4 mm, ce sont des nodosités. Essayez d'en couper une en deux avec l'ongle.
Si l'intérieur est rose pâle ou brun-rouge, c'est le signe que la nodosité capte activement l'azote. Une nodosité restée blanche ou verte n'a pas encore commencé à fonctionner, ou a déjà terminé. Il est intéressant de comparer le nombre de nodosités entre une année où l'on réutilise la même terre de jardinière et une année avec de la terre neuve.
Pour aller plus loin ― vocabulaire, formules, liens avec les manuels scolairesDu collège jusqu'à l'université, le niveau de chaque partie est indiqué
- CollègeProgramme de sciences du collège
- LycéeProgramme de « biologie et chimie de base » du lycée
- Lycée+Contenu avancé du lycée, ou encadré de manuel
- UniversitéContenu non vu au lycée, propre à une discipline universitaire (science du sol, nutrition végétale)
- RechercheSujet encore à l'étude, pas encore enseigné comme un fait établi même à l'université
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Fatigue des sols (maladie de la monoculture continue) : mauvaise croissance qui survient quand on cultive sans interruption des plantes de la même famille au même endroit. Résulte à la fois d'un manque de nutriments et d'une hausse des agents pathogènes et nématodes du sol.
- Fixation de l'azote : transformation de l'azote gazeux de l'air en une forme utilisable par les plantes (comme l'ammoniac). Elle peut être réalisée par des êtres vivants, ou par la foudre, ou par des procédés industriels.
- Bactéries des nodosités (rhizobiums) : bactéries qui pénètrent dans les racines des légumineuses, y forment des nodosités, et transmettent à la plante l'azote de l'air. En échange, elles reçoivent du sucre de la plante.
CollègeLycéeVérification par le calcul : combien d'azote sort du champ à chaque récolte ?
L'azote emporté ne se mesure pas directement. On le calcule donc à rebours, à partir de la quantité de protéines contenues dans la récolte, car les protéines sont le seul nutriment majeur qui contient de l'azote.
| En symboles | N = M × p × k |
| En mots | Poids d'azote emporté = poids récolté × proportion de protéines × proportion d'azote dans les protéines |
| D'où vient cette formule | C'est l'idée de conservation de la masse : les éléments ne disparaissent pas en cours de route. La proportion d'azote dans les protéines est en moyenne d'environ 16 %, une valeur utilisée aussi dans les calculs des tables de composition des aliments. |
| Tomates récoltées sur 1 m² de jardin (ordre de grandeur) | environ 6000 g |
| Protéines pour 100 g de tomate | environ 0,7 g |
| Proportion d'azote dans les protéines | environ 0,16 (16 %) |
| Azote de tout le pied (fruits, feuilles et tiges compris) | environ 3 fois celui des fruits |
| Convertir la récolte en « nombre de portions de 100 g » | 6000 ÷ 100 = 60 |
| Protéines contenues dans les fruits | 60 × 0,7 = 42 |
| Azote correspondant (g) | 42 × 0,16 = 6,72 |
| Ensemble du pied, feuilles et tiges comprises (g) | 6,72 × 3 = 20,16 |
Cela donne environ 20 grammes d'azote qui sortent du champ chaque année, par mètre carré. Soit 100 grammes en 5 ans. Sans apport, la quantité ne peut que diminuer.
| Poids de l'air au-dessus de 1 m² (kg) | 101325 ÷ 9,8 ≒ 10339 |
| Dont azote (environ 75 % en masse) | 10339 × 0,75 ≒ 7754 |
| Les 20 g emportés = 0,02 kg, donc | 7754 ÷ 0,02 ≒ 387700 |
L'azote juste au-dessus représente environ 390 000 fois la quantité qui sort chaque année. C'est comme mourir de faim à côté d'un entrepôt plein : ce qui manque, ce n'est pas la quantité, mais le moyen de la rendre utilisable.
LycéeLycée+Pourquoi l'azote de l'air ne peut-il pas être utilisé tel quel ?
LycéeLa molécule d'azote est formée de deux atomes d'azote liés par une triple liaison. L'énergie nécessaire pour rompre cette liaison est environ deux fois celle de la molécule d'oxygène, ce qui en fait l'une des plus fortes parmi les molécules courantes. C'est pourquoi l'azote de l'air ne brûle ni ne rouille : il reste simplement là, inerte.
Lycée+La méthode par laquelle certains êtres vivants rompent cette liaison s'appelle la fixation biologique de l'azote, assurée par une enzyme appelée nitrogénase. Cette enzyme perd son activité au contact de l'oxygène ; c'est pourquoi, à l'intérieur des nodosités, un pigment appelé léghémoglobine capte l'oxygène et maintient une faible concentration d'oxygène. La couleur rose que l'on voit en coupant une nodosité vient de ce pigment.
UniversitéCycle de l'azote et établissement de la symbiose des nodosités
En science du sol et en nutrition végétale, cet ensemble de processus est appelé cycle de l'azote. Il forme une boucle : fixation de l'azote, absorption par la plante, ammonification par décomposition de la matière organique, nitrification en nitrate, puis dénitrification qui renvoie l'azote sous forme gazeuse. La relation entre légumineuses et rhizobiums est appelée fixation symbiotique de l'azote : on sait aujourd'hui que la plante émet des signaux (des flavonoïdes) et la bactérie y répond (par des facteurs Nod), permettant une reconnaissance mutuelle, puis une pénétration dans les cellules de la racine via un filament d'infection.
📖 Pour la démonstration des formules et pour aller plus loin : Fixation de l'azote (Wikipédia japonais) ／ Rhizobium (Wikipédia japonais)
RechercheCe qui n'est pas encore clairement établi
- Peut-on faire porter des nodosités au riz ou au blé ? Des recherches visent à transférer le mécanisme de fixation symbiotique de l'azote à des cultures non légumineuses, mais elles nécessitent des combinaisons génétiques complexes et ne sont pas encore applicables en pratique.
- Quel est le principal responsable de la fatigue des sols ? Selon les cas, un agent pathogène précis en est la cause, ou bien c'est un déséquilibre global de la communauté microbienne du sol ; les circonstances varient selon la culture.
- Que devient l'excès d'azote épandu ? Une partie de l'azote apporté au champ se transforme, au cours de la dénitrification, en protoxyde d'azote, un gaz à fort effet de serre. Les conditions et les quantités émises restent encore mal estimées.
Autrement dit, le contenu de cet article aussi n'est qu'une « explication dans l'état actuel des connaissances ». Le sol reste l'un des mondes les plus difficiles à observer.
Liens avec les manuels scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / unité | Passage correspondant de l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences (relations entre êtres vivants, rôle des décomposeurs) | Micro-organismes du sol et échanges de nutriments |
| Lycée | Biologie et chimie de base (assimilation de l'azote, liaisons chimiques) | Triple liaison de la molécule d'azote et calcul de l'azote à partir des protéines |
| Lycée+ | Biologie (fixation de l'azote, symbiose) | Nitrogénase et léghémoglobine |
| Université | Science du sol, nutrition végétale | Cycle de l'azote, nitrification et dénitrification, mécanismes de reconnaissance symbiotique |
| Recherche | Biologie moléculaire végétale, génie de l'environnement agricole | Transfert de la symbiose aux non-légumineuses, émissions de protoxyde d'azote |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Réutilisation de la terre en jardinière, rotation des familles de culture, engrais vert |
- Ministère de l'Éducation, de la Culture, des Sports, des Sciences et de la Technologie (MEXT), « Table japonaise standard de composition des aliments, édition 2020 (8e révision) » (teneur en protéines et coefficient de conversion azote-protéines)
- Société japonaise de science du sol et de fertilisation (日本土壌肥料学会), éd., « Introduction à la science du sol » (森林総合研究所) (bases du cycle de l'azote et de la fertilité du sol)
- Récit historique des expériences au champ de J. B. Boussingault sur le bilan azoté des cultures de légumineuses (1838)
- H. Hellriegel et H. Wilfarth, « Recherches sur la nutrition azotée des légumineuses » (1888, rapport expérimental établissant le rôle des bactéries des nodosités)
- Ministère de l'Agriculture, des Forêts et de la Pêche (農林水産省), « Documents sur l'amélioration du sol et l'utilisation de la matière organique » (principes de la fatigue des sols et de la rotation des cultures)
※Cet article est une vulgarisation scientifique à destination du grand public. Les chiffres indiqués sont des ordres de grandeur destinés à faciliter la compréhension des mécanismes. Les rendements réels et les quantités d'engrais nécessaires varient fortement selon la variété cultivée, la nature du sol et la région. Pour vos décisions de culture, suivez les indications des centres agricoles de votre région ou des documents officiels de votre collectivité.