Rétention de l'eau dans le sol Chapitre 10.PDF

Rétention de l\'eau dans le sol Point de saturation : ΨHsol ≈ 0 MPa (si ΨS négligeable) Capacité au champs : ΨHsol= -0,05 MPa Point de flétrissement permanent : ΨHsol= -1,6 Mpa, eau fortement retenue par les microporosité. I -- Relation entre la teneur de l\'eau, l\'état de l\'eau et la texture...

Rétention de l\'eau dans le sol Point de saturation : ΨHsol ≈ 0 MPa (si ΨS négligeable) Capacité au champs : ΨHsol= -0,05 MPa Point de flétrissement permanent : ΨHsol= -1,6 Mpa, eau fortement retenue par les microporosité. I -- Relation entre la teneur de l\'eau, l\'état de l\'eau et la texture du sol 1. Teneur en eau pour deux états (P.F.P. et C.C.) et deux textures 1. 1. sable argileux (63% S; 20% L; 17% A) Teneur en eau : Capacité au champs  : 10 % Point de flétrissement permanent  : 5 % 2. 2. argile lourde (6% S; 47% L; 47% A) Capacité au champs : 40% Point de flétrissement permanent : 28% Plus la valeur est négative plus la succion est forte. Macroporosité : porosité où l\'eau de gravité s\'écoule Microporosité : volume non utilisable par les plantes car fortement retenue II- Les besoins de la plante Composition des végétaux : Matière fraîche : \~70 à \>90% d'eau par poids Matière sèche: composition élémentaire - 42% Carbone - 44% Oxygène - 7% Hydrogène - 7% Autre → ces éléments sont obtenus principalement du sol, on les appelle : nutriments minéraux. 93% du poids sec des plantes est composé de C, O et H Nutriments minéraux : - Azote - Potassium - Phosphore - Calcium - Magnésium - Soufre - Silicium - Chlore 1. L\'eau 1. 1. Rôles de l\'eau Différents rôles de l\'eau : - transport des éléments minéraux et organiques entre organes - croissance cellulaire (pression de turgescence) - maintien de la forme des parties non ligneuses de la plante (pression de turgescence) - mouvement d'organe et de cellules (variation de pression de turgescence) - Tolérance à la chaleur par vaporisation de l'eau 1. 2. Besoin d\'eau → Teneur en eau 70-90% du P.F. (50% dans le bois). → Alimentation en eau pour couvrir les pertes : - Perte par transpiration : lors de l'ouverture des stomates pour l'absorption de CO2 - Photosynthèse de 1g de M.O. entraîne la perte d'environ 500g H2O transpirée - 300 à 800 L d'eau par kg de M.S. Élaborée - Risque de dessiccation : adaptation par la régulation de l'émission et de l'absorption d'eau - Facteur important pour la productivité des cultures et la distribution géographique des espèces Adaptation des végétaux en fonction des besoins en eau : - les hydrophytes ou plantes hydrophiles vivent dans l\'eau : plantes aquatiques ou subaquatiques. (besoin élevé et constant) - les mésophytes ont des besoins réguliers en eau - les tropophytes sont adaptées à des alternances de saisons humides et sèches, elles ont une courte durée de vie et survivent sous forme de graines. - les xérophytes supportent une sécheresse plus ou moins prononcée (besoin faible) - les halophytes sont capables de supporter un excès de chlorure de sodium dans l'eau, la plupart des végétaux se développent très mal dans l\'eau salé, hors certaines espèce qui se sont adaptées. Cultures économes et plants exigeantes : Perte d'eau par transpiration d'une plante au cours de sa saison de croissance varie énormément en fonction des plantes. Le maïs par exemple consomme 206 L d\'eau alors que le Niébé consomme moins de 50L. Quantité d'eau nécessaire pour la production d'aliments végétaux et animaux: Les aliments d\'origines animaux sont beaucoup plus exigeants en terme de consommation d\'eau parce qu\'ils consomment des végétaux nécessitant eux même une grande quantité d\'eau. L'agriculture exige une part importante des ressources en eau : Dans beaucoup de régions du monde on utilise l\'irrigation qui représente une part importante de la quantité d\'eau utilisée.  La croissance des végétaux est souvent limitée par le manque d\'eau. A certaines période de l\'année les précipitations dépasse l\'évapotranspiration potentielle de la plante. Dans ce cas la plante ne manque pas d\'eau, mais à d\'autres périodes l\'évapotranspiration potentielle dépasse les précipitation, la plante va donc manquer d\'eau, ce manque va limiter sa croissance. Cette évapotranspiration fluctue en fonction des saisons et des températures. Pertes d\'eau par ruissellement : un facteur contribuant à l\'érosion des sols → influence de la nature de la couverture végétale sur le ruissellement. L\'agriculture à un impact important sur la perte de sol par érosion.  2. Les nutriments minéraux 2. 1. Teneur en nutriments minéraux dans les végétaux : - Macronutriments ou macroéléments - Teneur \> 0,1 % de la masse sèche (M.S.) - Micronutriments ou microéléments - Teneur \< 0,1 % de la masse sèche (M.S.) 2. 2. Éléments essentiels aux végétaux Le souffre est présent autour de 0,1% de la matière sèche des végétaux lors que l\'azote est présent à environ 1,5% c\'est donc l\'un des éléments les plus importants de la matière sèche des végétaux. Le chlore est encore moins présents il est à hauteur de 0,01%... Macronutriments : - Hydrogène - Potassium - Magnésium - Calcium - Carbone - Azote - Oxygène - Phosphore - Soufre Micronutriments : - Molybdène - Magnésium - Fer - Nickel - Cuivre - Zinc - Bore - Chlore 2. 3. Rôles des minéraux - Groupe 1 : forment des composés organiques - N , S , P, Mg - Groupe 2 : existent sous formes d'ions - K, Mg, Ca, P, Mn, Cl - Groupe 3 : Interviennent comme constituant d'enzymes dans les transferts d'électrons - Fe, Cu, Zn, Mo, Ni - Groupe 4 : interviennent dans la structure - B, (Si) Le silicium n\'est pas un éléments minéral pour toutes les espèces végétales. 2. 3. 1. L\'azote l\'élément minérale le plus abondant dans une plante - L'élément le plus abondant dans l'atmosphère terrestre - Le 4ème élément le plus abondant dans une plante (après C, H et O) - Souvent l'élément nutritif limitant la croissance des plantes En agriculture on utilise souvent des fertilisants qui contiennent cet élément minéral. L'azote se trouve dans les acides aminés (protéines), les acides nucléiques (ADN, ARN), la chlorophylle et d'innombrables petites molécules. 2. 3. 2. Le Phosphore est un nutriment essentiel présent dans de nombreuses biomolécules - Le 11e élément le plus abondant dans la croûte terrestre - Le 7ème élément le plus abondant dans une plante - Le 1er ou le 2ème nutriment le plus souvent limitant la croissance des plantes Le phosphore joue un rôle dans la structure cellulaire (phospholipides), le stockage de l'énergie (ATP) et de l'information (ADN/ARN). Le phosphore est l'un des trois principaux macronutriments présents dans la plupart des engrais. Le phosphore n\'est pas le premier nutriments essentiels, il se trouve plutôt au niveau de la 7 ème place mais c\'est un élément limitant il est donc très essentiel à la croissance des plantes. 2. 3. 3. Le potassium est un nutriment essentiel pour les plantes - K+ est un contre-ion pour les molécules chargées négativement, y compris l'ADN et les protéines - K+ se déplace dans et hors de la vacuole à l'aide de transporteurs spécifiques - En tant que cation majeur de la vacuole, le K+ contribue à l'expansion et au mouvement cellulaires, y compris ceux des cellules de garde - K+ est un cofacteur de certaines enzymes - L'absorption de K+ implique des transporteurs de haute et de basse affinité C\'est l\'accumulation de soluté dans la vacuole qui va entraîner l\'entrée d\'eau dans la cellule, et maintenir la pression de turgescence. 2. 3. 4. Le soufre est un macronutriment essentiel dans les acides aminés et autres composés Le soufre est impliqué dans plusieurs fonctions : - Acides aminés - Saveur ou odeur - Oxydation/réduction, transport et détoxification des métaux - Défense 2. 3. 5. Le magnésium est un cofacteur de nombreuses enzymes et joue un rôle central dans la chlorophylle - Mg+2 est un activateur essentiel pour de nombreuses enzymes, y compris la Rubisco - Mg+2 est un contre-ion pour les charges négatives de l'ATP - Mg+2 stabilise la structure 3D du ribosome - Le Mg+2 est au cœur de la chlorophylle 2. 3. 6. Calcium : Faibles niveaux de cytosolique libre et fonctions dans l'apoplaste et vacuole - Le calcium stabilise la pectine dans la lamelle moyenne des parois cellulaires - Les oscillations cytosoliques du Ca+2 sont les seconds messagers dans diverses réponses Les anions jouent aussi un rôle dans la pression osmotique. Les nutriments métalliques sont souvent des cofacteurs d\'enzymes. Les plantes nécessitent plusieurs enzymes pour former du Manganèse. 2. 4. Nutrition minérale Les minéraux sont prélevés principalement sous forme ionique par les racines Ne sont pas absorbés : - forme élémentaire (ex. Fe) - particule minérale 2. 4. 1. Assimilation des nutriments minéraux principalement sous forme de cations et anions *Macronutriments* : *Micronutriments* : - Potassium - Fer - Chlore - Azote - Nickel - Zinc - Phosphore - Manganèse - Soufre - Copper - Magnésium - Molybdène - Calcium - Bore Les ions chargés nécessitent des protéines de transport pour traverser les membranes. 2. 4. 2. Cependant, des nutriments organiques plus complexes peuvent également être absorbés Les plantes carnivores peuvent obtenir des nutriments en digérant les animaux piégés. D'autres plantes non carnivores peuvent obtenir des nutriments à partir de protéines, acides aminés et même de microorganisme, bien que ces processus soient peu efficaces. 2. 4. 3. Solubilité La solubilité des minéraux et leur disponibilité sous forme assimilable (ion) dépendent largement du pH du sol : - pH optimal entre 6 et 7 pour la plupart des minéraux - Solution : amendement correcteur du pH En Europe beaucoup de sols qui sont dans des gammes plutôt acides. Dans le sud de l\'Europe les PH sont plutôt alcalins. 2. 4. 4. Concentration La croissance des végétaux dépend de la concentration en nutriments minéraux. Pour une courbe concernant les macronutriments : Sous la concentration optimale on observe une zone de déficit en éléments minéraux. Très large gamme où même si on augmente la croissance en minéraux on aura pas d\'impact sur la croissance des végétaux parce que ce seront d\'autres facteurs qui seront limitant. On parlera de gamme supraoptimale. Pour une courbe concernant les micronutriments : On arrive rapidement à une zone de toxicité. Donc si on les utilises en engrais il faut être très vigilants.  2. 4. 5. Déficience en minéraux : carence modérée - Croissance lente, nanisme - Feuilles très vertes - Éléments mobiles : symptôme primaire dans les feuilles âgées et matures (remobilisation) Certains éléments minéraux peuvent être transportés d\'un organe à l\'autre. - Éléments peu mobiles : symptômes primaires dans les feuilles jeunes - Éléments modérément mobiles : symptôme dans tous les feuilles Comme énoncé précédemment La croissance des végétaux dépend de la concentration de plusieurs minéraux : Interactions pour l'absorption entre les minéraux/ - Positive ( cation et anion) - (NH4+ + K+ + Ca+2 + Mg+2) / (NO3- + Cl- + SO4-2 + PO4-3) = t aux presque constant (un peu supérieur à 1) - Négative (compétition) - Ex Ca vs Mg et K - Excès Mg → carence K - Excès métaux lourds (Cu, Zn, Cr et Ni) → carence Fe 2. 5. Fertilisation minérale Pourquoi fertiliser les cultures ? - Écosystème naturel : peu de perte des éléments minéraux (cycles biologiques) - Agrosystème : prélèvements importants d'éléments minéraux dans la biomasse récoltée. Les quantités sont non négligeable. Fertilisation en nutriments : - majeurs : « N, P, K » ; Ca, S, Mg → apportés en quantité plus importante. - mineurs : B, Mn, Fe, Zn, Cu, Mo Deux formes de fertilisants : - fertilisants minéraux - fertilisants organiques 2. 5. 1. Fertilisants minéraux - Ex : KNO3; NH4NO3, K2SO4 ; CaHPO4 ; NH4H2PO4 - Produits industriels - Rapidement disponible si pH favorable - Risque de perte par lessivage → fractionnement des amendements La plupart des sels sont très solubles dans l\'eau donc rapidement disponible pour les plantes. Lors des pluies l\'eau passe à travers le sol et peut entraîner des pertes de fertilisants, On parle de perte par lessivage. Pour limiter les pertes on fractionne souvent les besoins. 2. 5. 2. Le potassium Le Potassium est extrait de réserve souterraine minière de «potasse». Potasse correspond à plusieurs formes de potassium: - Kcl(akasylvite) - K2SO4 - K2CO3 - K2Ca2Mg(SO4)4·2H2O (polyhalite) - etc. Pour des raisons historiques, la potasse est mesurée en unité de K2O. La potasse fournit le K+ pour les fertilisants, en complément des sources naturelles. 90% des réserves mondiales de minerai de phosphate dans 5 pays : - USA 8% - Maroc 38% - Jordanie 6% - Afrique du Sud 10% - Chine 27% Augmentation dramatique de l'extraction de phosphate depuis 70 années. On approcherait du "pic de phosphore" selon certains analystes avec l'épuisement des dépôts. 2. 5. 3. Fertilisants organiques - Sources naturelles : purin, engrais vert (culture enfouie), algues, guano, tourbe - Sources industrielles : compost, sang séché, extraits d'algues - Moins concentrés - Formes de réserve à long terme - Éléments disponibles suite à la minéralisation - Fonction de l'activité de la microflore et du climat - Améliore la structure du sol Les nutriments prélevés du sol peuvent être restaurés par les fertilisants : Les fertilisants contiennent habituellement : (N), azote (P) phosphore (K), potassium. Certains apportent d'autres éléments. Quelle est la quantité optimale de fertilisant à appliquer au champ? - Espèce/variété : Besoins variables selon les plantes - Caractéristiques du sol : - Nutriments résiduels - taux de lessivage - pH - taille particules - présence de microorganisme influence les besoins - Pratiques culturales: apport des résidus de cultures, de rotation... - Facteurs abiotique et biotique: Température, pluie, stress, ravageurs et pathogènes altèrent les besoins - Facteurs économiques: coût des fertilisants versus le gain et la valeur de récolte - Interactions entre nutriments: besoins Facteurs économiques: coût des fertilisants versus le gain et la valeur de récolte interactions positive et négative entre les divers nutriments Au cours des dernières années on a utiliser 7 fois plus de fertilisants alors que l\'on a produit seulement 2 fois plus de céréales. Les fertilisants azotés sont coûteux et beaucoup de ressources à certaines endroits ce qui nécessite des échanges internationaux de fertilisants. La fertilisation peut mener à des problématiques environnementales et sanitaires : - La synthèse d\'azote minérale comporte de l\'énergie - Les déchets organiques peuvent transmettre des maladies - L\'oxyde nitreux volatilisé des sols fertilisés est un gaz à effet de serre majeur - Le lessivage des nutriments pollue les courants d\'eau et amène l'eutrophisation - L\'exploitation minière de phosphate et de potasse est destructeur. Les plantes exigent des nutriments mais la fertilisation n'est pas toujours optimales ou soutenables comment la biologie végétale peut contribuer à de meilleures pratiques ? La fertilisation raisonnée: améliorer l'efficacité d'utilisation des nutriments : - ajuster les apports d'engrais minéraux ou organiques aux besoins de la culture - pour un objectif de production donné - prise en compte des autres fournitures d'azote par le sol. - limitation des transferts d'azote dans l'environnement Plusieurs paramètre pour exercer la fertilisation raisonnée : - Efficacité d'utilisation de l'azote : - EUA : quantité d'azote récoltée / quantité d'azote apportée - Indicateur d'évaluation des progrès pour atteindre les objectifs de développement durable fixés par 193 pays (ONU, 2015) - Surplus d'azote (indicateur de pollution): - Apports azotés (fertilisant minéraux et organique, fixation biologique, déposition) moins Azote des récoltes (Intrants -- Exportation) - Unité de kg N par ha par année - Surplus = pollution environnementale (en majorité) et recyclage dans le sol (mineur) Il y a eu la mise en place d\'échelle d\'utilisation des nutriments et surplus pour chaque pays : La chine est le premier pays qui possède un surplus d\'azote extrêmement important. La France avait une mauvaise efficacité d\'utilisation de l\'azote mais grâce à la fertilisation raisonnée progression de l\'efficacité.