Rencontres 2015 - Charles Buchman
Cycle de l'azote et du carbone - Auto-fertilité
Présentation
Charles Buchmann se présente comme apprenti agronome à l’Association française d’agroforesterie depuis trois ans. Il explique travailler en particulier avec Conrad Gerber, son maître d’apprentissage, ainsi qu’avec François Mulet.
L’objet de son intervention est le « couple carbone-azote ». Il insiste d’emblée sur le mot couple, car selon lui le carbone et l’azote sont à la fois complémentaires, indissociables, et parfois en tension dans le fonctionnement des sols.
La fertilité est d’abord une affaire de carbone
Charles Buchmann commence par deux questions simples :
- De quelle couleur est le paysage fertile ?
- De quelle couleur est la terre fertile ?
Il répond lui-même :
- le paysage fertile est vert ;
- la terre fertile est noire.
Le vert renvoie à la chlorophylle, donc au carbone. Le noir renvoie à l’humus, donc là encore au carbone. Son idée centrale est alors formulée clairement : la fertilité est d’abord liée au carbone.
Selon lui, dans les écosystèmes, la fertilité repose sur une dynamique vertueuse dans laquelle la matière organique et l’activité biologique du sol jouent un rôle essentiel.
L’exemple des terrils
Pour illustrer cette dynamique, il prend l’exemple des terrils du Nord. Étymologiquement, explique-t-il, les terrils renvoient à l’idée de stérilité : ce sont des amas de sous-sols remontés en surface, initialement très difficiles à revégétaliser.
Mais lorsque la végétation s’installe, elle finit par s’installer durablement. La nature reprend alors progressivement ses droits, et plus elle les reprend, plus le processus s’amplifie. Ces espaces initialement stériles deviennent ainsi fertiles. Il souligne même qu’aujourd’hui, sur certains de ces terrains, on cultive de la .
Le rôle de l’activité biologique du sol
La fertilité ne dépend pas seulement de la présence de matière organique, mais du travail de l’activité biologique du sol. Cette activité recycle les matières organiques, les fait entrer dans le cycle des éléments, et participe à la construction de la fertilité.
Lorsqu’il parle d’activité biologique, Charles Buchmann désigne un ensemble d’organismes vivants du sol :
- bactéries ;
- champignons ;
- vers de terre ;
- et plus largement tout un cortège biologique.
Tous ces organismes sont à la fois :
- nourris par du carbone ;
- constitués de carbone ;
- diffuseurs de carbone.
Il réaffirme ainsi l’importance centrale du carbone dans les écosystèmes.
L’azote, macro-élément limitant
Après avoir insisté sur le carbone, il aborde l’azote. L’azote est présenté comme le principal macro-élément limitant pour les plantes : c’est l’élément nutritif dont elles ont besoin en plus grande quantité.
Il rappelle que l’azote est fondamental pour la synthèse :
- des protéines ;
- de l’ADN ;
- de l’ARN ;
- du patrimoine génétique des végétaux comme des animaux.
Cependant, il interroge la notion même d’élément limitant : si l’air contient 78 % de diazote, peut-on vraiment considérer que l’azote manque ?
S’inspirer du fonctionnement de la nature
Pour répondre à cette question, il propose de partir du fonctionnement des écosystèmes naturels. Selon lui, la nature est un modèle fiable : elle a déjà fait toutes les erreurs possibles et conservé les réussites.
Il pose alors deux questions :
- Dans une prairie de graminées sans légumineuses, d’où vient l’azote ?
- Dans une forêt de chênes, d’où vient l’azote ?
Sa réponse est que, dans les écosystèmes naturels :
- 10 % des apports d’azote proviennent des précipitations ;
- 60 % proviennent de la fixation biologique ;
- 30 % proviennent du recyclage de la matière organique.
Autrement dit, 90 % du cycle naturel de l’azote est corrélé à l’élément carbone. Cela l’amène à formuler une hypothèse forte : le véritable élément limitant n’est peut-être pas tant l’azote que le carbone.
Les réservoirs d’azote
Charles Buchmann présente ensuite les principaux réservoirs d’azote :
- l’azote atmosphérique, qui constitue le plus grand réservoir ;
- l’azote contenu dans la matière organique fraîche ;
- l’azote constitutif de la pédofaune et des organismes du sol ;
- l’azote soluble dans la solution du sol ;
- l’azote minéral assimilable par les plantes, notamment sous forme de nitrates (NO3-) et d’ammonium (NH4+) ;
- l’azote contenu dans l’humus et la matière organique du sol.
Tous ces réservoirs sont connectés les uns aux autres par différents flux.
Les transformations de la matière organique et de l’azote
Il distingue trois grands processus :
- la minéralisation primaire : transformation de la matière organique fraîche en éléments minéraux ;
- l’humification : transformation d’une partie de la matière organique fraîche en humus ;
- la minéralisation secondaire, parfois assimilée au « kit » de l’humus : transformation de l’humus en matière minérale.
Ces processus sont assurés par les organismes du sol.
Le rapport C/N et le fonctionnement des micro-organismes
Charles Buchmann insiste longuement sur le rapport carbone/azote, ou rapport C/N.
Les micro-organismes du sol consomment de la matière organique et respirent. Environ :
- deux tiers du carbone consommé sont respirés sous forme de CO2 ;
- un tiers du carbone consommé sert à constituer leur propre biomasse.
L’équilibre nutritionnel d’une bactérie correspond ainsi à un rapport C/N d’environ 24. Lorsqu’on apporte au sol une matière organique fraîche avec un rapport C/N élevé, comme de la paille, le régime alimentaire devient déséquilibré pour les bactéries : il y a beaucoup de carbone et pas assez d’azote.
Les bactéries doivent alors trouver de l’azote ailleurs pour équilibrer leur alimentation.
Le cas de la paille et les « faim d’azote »
La paille présente un rapport C/N élevé, de l’ordre de 50 à 150. Lorsqu’elle est dégradée par les bactéries, celles-ci ont besoin de trouver de l’azote supplémentaire.
Charles Buchmann explique que, pour une tonne de paille consommée, les bactéries peuvent avoir besoin de plus de 13 unités d’azote en provenance d’une autre source. Cet azote peut venir :
- des reliquats azotés du sol ;
- ou, si ces reliquats sont insuffisants, d’une autre source.
Cette situation de concurrence temporaire avec la culture est ce qu’il appelle la « faim d’azote ».
Le carbone comme variable d’ajustement
À travers ce raisonnement, il propose l’idée que le carbone agit comme une variable d’ajustement de la fertilité. Si le carbone est présent en quantité suffisante, il permet de stimuler des processus biologiques capables de mobiliser ou de fixer l’azote.
Il va même jusqu’à suggérer que le CO2 pourrait être le principal facteur limitant de la fertilité. Et puisque le CO2 est abondant dans l’atmosphère, l’enjeu devient sa capture.
Le rôle unique du végétal
Pour capter le CO2, Charles Buchmann rappelle qu’il n’existe qu’un seul moyen : le végétal. Seul le végétal est capable de transformer le CO2 atmosphérique en carbone organique.
Le végétal est donc au cœur de la construction de la fertilité, puisqu’il constitue la porte d’entrée du carbone dans le système sol-plante.
Les bactéries fixatrices libres
Il évoque ensuite les fixateurs libres de l’azote atmosphérique, c’est-à-dire des bactéries capables de capter le diazote de l’air et de le transformer en une forme assimilable, via l’enzyme nitrogénase.
Parmi ces micro-organismes, il cite différents genres, sans détailler davantage. Le point important est que la dynamique de ces populations dépend de leur nutrition en carbone.
Ainsi, la matière organique fraîche peut provoquer des faims d’azote, mais aussi, dans certaines conditions, stimuler la fixation biologique de l’azote.
Pourquoi placer la matière organique fraîche en surface
Charles Buchmann insiste sur l’intérêt de positionner la matière organique fraîche en surface, sous forme de mulch, plutôt que de l’enfouir.
Selon lui, lorsque la matière organique est placée en profondeur, les bactéries trouvent plus facilement les reliquats azotés du sol, ce qui favorise les faims d’azote au niveau de la culture.
À l’inverse, lorsque la matière organique est laissée en surface :
- les faims d’azote se produisent surtout en surface ;
- la fixation biologique de l’azote est favorisée ;
- l’azote minéralisé plus bas reste davantage disponible pour les plantes ;
- on limite les risques liés à la lixiviation des nitrates, puisque le sens naturel de déplacement de l’azote est vers le bas.
L’importance de l’humidité
Le mulch de surface a aussi un autre intérêt : il permet de maintenir l’humidité et la fraîcheur du sol.
Or la fixation de l’azote atmosphérique par les bactéries ne peut se faire qu’en présence d’eau. Le maintien d’un sol humide favorise donc :
- l’activité biologique ;
- la fixation de l’azote ;
- la circulation des éléments nutritifs dans la solution du sol ;
- la nutrition des plantes, qui absorbent les éléments sous forme dissoute.
La capacité d’adaptation du vivant
Pour illustrer la capacité du vivant à répondre à de nouvelles conditions, il cite Darwin :
- « Les espèces qui survivent ne sont pas les plus fortes ni les plus intelligentes, mais celles qui s’adaptent le mieux aux changements. »
Apporter une matière organique fraîche à rapport C/N élevé modifie les conditions du milieu. Pour lui, la vie du sol s’adapte à ce changement. Toute matière organique finit toujours par se dégrader ; la question n’est donc pas de savoir si elle se dégradera, mais dans quelles conditions et avec quelle dynamique biologique.
Il prend l’exemple :
- des marées noires, où le pétrole finit par être dégradé ;
- des plastiques, que certaines bactéries peuvent aussi dégrader.
Son idée est que la dégradation de la matière organique n’est pas un problème en soi, à condition qu’il y ait de l’énergie disponible pour permettre l’adaptation du vivant.
Sélectionner les micro-organismes par l’alimentation
Pour favoriser les bactéries fixatrices libres, il faut, selon lui, les sélectionner. Et pour sélectionner, il faut nourrir ce que l’on veut voir se développer.
Il emploie une image simple :
- un restaurant végétarien attire une clientèle végétarienne ;
- un grill attire une autre clientèle.
De la même façon, le maraîcher doit être vu comme un éleveur : il nourrit son cheptel biologique, composé de vers de terre, de bactéries et d’autres organismes du sol.
Le choix des apports organiques permet alors d’orienter la composition biologique du sol :
- BRF ;
- paille ;
- matières organiques fraîches ;
- matières plus sèches.
Avec des apports à rapport C/N élevé, comme la paille ou le BRF, on sélectionne plus facilement certains groupes microbiens, notamment les bactéries fixatrices libres.
L’importance du taux de matière organique
Le taux de matière organique du sol, en particulier l’humus, joue selon lui le rôle d’un « fonds azote ». Il permet d’alimenter en continu le système grâce à la minéralisation.
Il donne quelques ordres de grandeur :
- avec 2 % de matière organique, la minéralisation peut restituer environ 45 unités d’azote ;
- avec 5 % de matière organique, on peut atteindre environ 113 unités d’azote.
La différence est considérable. Plus le taux de matière organique est élevé, plus le sol dispose d’une capacité d’alimentation autonome en azote.
Il souligne aussi que lorsque le taux de matière organique baisse, la quantité d’azote disponible dans le sol diminue également.
Le complexe argilo-humique
Il mentionne également l’importance du complexe argilo-humique, qui joue un rôle d’intendant en redistribuant les éléments minéraux dans le sol. Ce complexe ne peut être pleinement fonctionnel que si le taux de matière organique est élevé.
Le cas des apports massifs de paille
En prenant l’exemple des pratiques observées chez François Mulet, avec des apports de 25 tonnes de paille par hectare, il explique que les calculs conduisent à des restitutions azotées importantes.
Si l’on considère qu’une grande partie de cette paille est minéralisée et qu’une autre partie est humifiée, on peut aboutir à une quantité d’azote minéralisé supérieure à l’azote initialement contenu dans la paille. Cela signifie que l’azote ne vient pas seulement de la paille elle-même, mais aussi d’autres processus du système, notamment de la fixation biologique et de la minéralisation de l’humus.
Sortir de la « trappe de pauvreté »
Charles Buchmann s’adresse ensuite plus directement aux maraîchers. Il explique qu’ils récupèrent souvent des terres pauvres, dégradées, avec de faibles taux de matière organique. Ces systèmes sont enfermés dans ce qu’il appelle une « trappe de pauvreté » :
- peu de matière organique ;
- donc peu de production ;
- donc peu de restitution organique ;
- donc maintien d’un faible niveau de fertilité.
Pour en sortir, il faut selon lui des apports massifs de matière organique afin de reconstruire le système. Tant que cette masse critique n’est pas atteinte, il est difficile de relancer une dynamique vertueuse.
Arrêter le travail du sol et gérer la transition
Lorsqu’on arrête le travail du sol, on perd une porosité mécanique artificiellement entretenue. La porosité biologique, elle, met du temps à se reconstruire.
Il décrit donc une phase transitoire :
- la porosité mécanique diminue ;
- la porosité biologique augmente progressivement, grâce notamment aux ;
- entre les deux, il existe un creux, un moment de flottement.
Pour passer cette période, il propose d’apporter des doses massives de matières organiques, éventuellement enfouies au début, afin de créer ce qu’il appelle une « porosité physique ». En mélangeant au sol de grosses quantités de BRF ou de paille, on crée artificiellement une structure aérée.
Ensuite, progressivement, le sol revient vers un fonctionnement plus autonome, et cette porosité physique peut être relayée par la porosité biologique créée par les organismes du sol.
Des observations de terrain
Il précise que les idées qu’il expose ne reposent pas seulement sur des calculs théoriques. Elles ont aussi été observées au champ, avec des reliquats azotés mesurés après des apports massifs de paille.
Ces reliquats dépassent parfois la quantité d’azote initialement contenue dans la paille. Cela confirme selon lui que l’azote provient d’ailleurs, notamment de l’air.
Il cite des mesures de reliquats azotés en sortie d’hiver et en début de printemps, de l’ordre de 77 à 81 unités.
Exemples de systèmes maraîchers
Il évoque ensuite plusieurs exemples de maraîchers montrant :
- des couverts végétaux hauts et abondants ;
- des couverts couchés à la bennette lorsqu’il n’y a pas de rouleau ;
- l’intégration de l’arbre fruitier dans les systèmes ;
- des apports importants de BRF ;
- la production de matière organique sur place, à terme.
Il cite notamment Christian Bodarski et d’autres exemples où arbres et cultures sont associés, dans une logique de production de biomasse et de fertilité in situ.
Conclusion
La conclusion de Charles Buchmann est claire :
- les sols agricoles manquent de matière organique ;
- l’atmosphère contient un excès de CO2 ;
- le végétal est le seul capable de transformer ce carbone atmosphérique en ressource utile.
Il insiste donc sur la nécessité de maximiser la photosynthèse. Avec de petits cycles de photosynthèse, on ne peut pas construire des systèmes riches. En revanche, en maximisant l’utilisation de l’énergie solaire, on produit davantage de matière organique, davantage de respiration, davantage de CO2 recyclé dans le système, et l’on épaissit les cycles biologiques.
Selon lui, c’est ainsi que l’on construit des sols fertiles et, plus largement, des systèmes agricoles riches : en maximisant l’énergie gratuite fournie par le soleil et en la transformant, grâce au végétal, en carbone organique au service de la vie du sol.
