Biologie, structure et chimie du sol

par HZK Sam 7 Jan 2012 - 16:44

Life in the Soil
A Guide for Naturalists and Gardeners
James B. Nardi

Life in the soil est un bouquin de 2007 publié par l'Université de Chicago. En moins de 300 pages, il fournit un panorama assez large de l'activité du vivant dans la terre et à sa surface immédiate. Le plus gros du livre concerne la présentation d'espèces par taille croissante, des bactéries aux taupes. Au préalable, l'auteur fait le point sur la classification des espèces et sur les aspects physiques et chimiques du sol.

La terre est composée de particules minérales et organiques, issues de l'action du climat sur les roches et de la décomposition de la matière organique. La texture du sol dépend notamment de la taille des particules minérales, allant du sable à l'argile (environ 100 fois plus fin). Les particules organiques viennent s'y agréger, ce qui permet à l'air et à l'eau de circuler. Ainsi, un sol pauvre en particules organiques rend difficiles l'absorption d'eau par les racines des plantes et la respiration des formes de vie dépendantes de l'oxygène.

Dans une approche simplifiée, on distingue dans les profondeurs du sol 6 "horizons" qui se partagent les 50 à 150 cm habituels. Ces "horizons" se caractérisent par leur faculté à retenir nutriments et argile (que la pluie emporte vers le bas), les racines des plantes aidant grandement dans cette tâche. En-dessous des racines, la terre devient pauvre, et il faut creuser plus profondément pour retrouver des nutriments, de la matière organique, de l'argile (ou des substances toxiques). Encore plus bas, juste avant la roche, s'accumulent les cailloux et le sable, et la vie se fait rare.

L'acidité du sol, qui correspond à sa capacité à se défaire de protons, détermine la solubilité des minéraux, et donc leur absorption par les racines des plantes. Le fer, le zinc, l'azote et le manganèse sont solubles dans un sol acide, tandis que le phosphore, le potassium, le calcium, le souffre et le magnésium sont solubles dans un sol basique. Une concentration de cations hydrogène (=protons) comprise entre 0,01 et 1 ppm est adéquate.

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La toile alimentaire est le réseau d'échange de nutriments et d'énergie entre les êtres vivants. Au niveau du sol, on peut distinguer plusieurs rôles : les mangeurs d'algues, de plantes, de champignons, les parasites, les prédateurs, les décomposeurs, les coprophages etc. Pour chaque famille d'espèces abordée, le livre donne sa place dans la toile alimentaire, ainsi que son impact sur les jardins (positif / négatif / absent).

La quantité de bestioles que l'on peut trouver dans un mètre carré de terre peut affoler : une centaine d'escargots / limaces ; 3000 vers de terre et apparentés ; 5000 insectes, millipèdes, araignées, diploures ; 10 000 rotifères et oursons d'eau ; 50 000 collemboles ; 100 000 acariens ; 5 millions de nématodes ; 10 milliards de protozoaires (les prédateurs du monde microbien) ; 10 000 milliards de bactéries et d'actinomycètes ; ..et 1 vertébré.

On trouve 1 milliard de bactéries dans 1 gramme de sol fertile sec. Le nombre d'espèces distinctes que l'on peut s'attendre d'y trouver est de l'ordre du million. On peut regrouper ces espèces en 4000 à 5000 groupes dont le code génétique est différent à plus de 30% (par comparaison, il y a 2 à 3 % d'écart entre l'humain et le chimpanzee). Cette formidable diversité peut nous être très utile : certaines bactéries sont ainsi à même de décomposer des produits synthétisés par l'Homme, comme les pesticides. Certaines produisent des vitamines. D'autres consomment du dioxyde de carbone. Les bactéries du sol abondent autour des racines des plantes, avec lesquelles elles ont une relation symbiotique : les bactéries génèrent leur énergie à partir des substances organiques que fournissent les plantes (comme les cellules mortes), et les plantes bénéficient en retour des nutriments issus de la décomposition effectuée par les bactéries.

Pour conserver un sol fertile, il faut une égalité entre la quantité de nutriments ajoutés et retirés (pour la consommation). D'autre part, il faut que le sol soit à même d'exploiter au mieux la matière organique et les minéraux qu'on lui apporte, sinon ceux-ci vont être emportés par les pluies, avec parfois des conséquences désastreuses pour l'environnement (comme les algues vertes en Bretagne). Une forte activité du vivant dans le sol permet à la fois la décomposition de la matière organique, le maintien des nutriments dans le sol jusqu'à leur absorption par les plantes, la circulation des nutriments entre les différents horizons (et donc la récupération de nutriments en profondeur), et aussi la circulation de l'eau et de l'air.

Les fourmis déplacent une importante quantité de terre vers la surface. De plus les fourmilières présentent une concentration élevée de nutriments, et sont donc un lieu idéal pour la pousse des jeunes plants. Les vers de terre peuvent remonter 10 tonnes de terre à la surface sur 4000 m2 en 1 an. Le passage de la terre par les vers de terre la rend plus fine, plus riche et moins acide (ils sécrètent du carbonate de calcium). Cependant, l'introduction d'espèces de vers de terre non-natives peut avoir des conséquences dommageables pour la faune et la flore s'ils sont sans concurrence ou prédateurs. Les animaux creuseurs de tunnels, malgré leur mauvaise réputation, sont aussi d'excellents décompacteurs et déplaceurs de terre.

Une grande diversité de formes de vie dans un lieu favorise à la fois le maintien d'espèces utiles (qui trouveront nourriture et associations bénéfiques) et le contrôle d'espèces nuisibles en trop grand nombre. Il est judicieux de ne pas annihiler complètement une espèce néfaste si l'on veut conserver sur place son prédateur naturel.

Certaines formes de prédation peuvent surprendre. Fermiers et jardiniers utilisent par exemple certaines espèces de champignons pour lutter contre des asticots se nourrissant de graines en germination. Autre exemple de contrôle des nuisibles par des moyens naturels : l'emploi de nématodes pour tuer des larves d'insectes. Attention : une espèce en apparence nuisible peut être prédatrice d'une espèce qui l'est encore davantage, auquel cas l'élimination de la première favorise le développement de la seconde.

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Créer un sol fertile dans un désert ou sur de la roche nue ? C'est possible. Les espèces pionnières, telles que les lichens, les mousses, certaines bactéries, sont à même de subsister dans des conditions extrêmes de température et de sécheresse, tout en produisant minéraux et matière organique à partir de la roche, de l'énergie solaire et de l'air. Les vagues suivantes d'espèces pionnières se nourrissent des restes des premières, et ainsi de suite jusqu'à ce que les premières plantes puissent s'installer.

Les algues, que l'on peut trouver en grande quantité dans le sol (jusqu'à 100 millions d'individu par gramme de sol), font partie de ces espèces pionnières. Elles produisent de l'énergie (sucres) et de la matière organique grâce à la photosynthèse, générant simultanément de l'acide carbonique, corrosif, à même de dissoudre les cailloux à proximité. Dans un sol sec, elles passent dans un état dormant qui leur permet de survivre plus de 80 ans, supportant des températures de plus de 100°C et jusqu'à -195°C.

Une algue s'associant à un champignon forme un lichen, dont les capacités de résistance et de dissolution des roches sont encore supérieures. Le champignon bénéficie de la production de matière organique par l'algue, et fournit en contrepartie des minéraux et de l'eau qu'il peut capter par ses filaments. Un lichen peut survivre pendant des centaines voire des milliers d'années sur un simple rocher, qu'il dissout et infiltre progressivement grâce à l'acide qu'il sécrète, propre à son espèce. Le lichen s'étend en revanche très lentement, de moins d'un millimètre par an. La disparition de lichen en un lieu donné est un signe probable de pollution, car ils peuvent accumuler des éléments - y compris toxiques - pourtant présents dans l'environnement en très petite quantité.

Seulement 5% des espèces de champigons (fungi), dont on estime le nombre à 1,5 million, sont actuellement décrites.

Pour se développer, les plantes ont besoin de 18 éléments différents, dont le carbone, l'hydrogène et l'oxygène qu'elles récupèrent de l'eau et de l'air, et qui constituent 95% de la masse de la plante. Les 15 autres éléments sont présents dans le sol, à l'exception de l'azote, en grande quantité dans l'air mais que les plantes ne savent pas assimiler sous cette forme. Elles peuvent en revanche utiliser l'azote quand il est associé à l'oxygène (nitrates) ou à l'hydrogène (ammonium). Ces combinaisons sont réalisées grâce à l'action de certaines bactéries, actinomycètes et algues, qui vont former des associations avec les racines de certaines plantes : c'est ce que l'on appelle la fixation de l'azote dans le sol, qui est utile à toutes les plantes des alentours.

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Selon la quantité d'azote qu'elle contient, il faut 1 à 3 ans à une feuille d'arbre pour qu'elle soit décomposée en humus (plus il y a d'azote, plus c'est rapide). Le festin accueille successivement collemboles, cloportes, mille-pattes, filaments fongiques, bactéries, cousins, moucherons, escargots, oribates, dermaptères, grillons, diploures, encore des bactéries, des enchytrées, et enfin des vers de terre. Certaines de ces espèces ne s'attaquent qu'aux sucres simples, d'autres peuvent s'en prendre aux chaînes de sucres (cellulose et hémicellulose) et à la lignine qui les maintient ensemble. Face à la compétition, on peut par exemple voir des champignons dégager des antibiotiques pour décourager la croissance d'espèces concurrentes.

Les particules d'humus sont acides, et en perdant des protons elles accumulent des charges négatives qui attirent les éléments ou composés chargés positivement, comme le calcium et le potassium, ce qui les garde à la portée des racines des plantes. L'humus est un intermédiaire important entre la matière organique - son origine - et le CO2, l'eau et les minéraux, c'est-à-dire l'état auquel il retournera, souvent des années plus tard. Plus le sol est riche en argile et pauvre en sable, plus l'humus et la matière organique prennent de temps à se décomposer. Par ailleurs, au dessus de 25°C, la matière organique se décompose plus rapidement qu'elle ne se forme.

Quand plantes et animaux sont retirés de la ferme pour être vendus, ils emportent avec eux les éléments qui seraient sinon retournés au sol. L'appauvrissement des sols qui en découle génère une importante consommation d'engrais. Aux États-Unis, 3 fois plus d'engrais a été utilisé en 2005 qu'en 1975. En ajoutant trop d'azote au sol, l'humus est entrainé par les nitrates, chargés négativement, et part dérégler les écosystèmes des lacs, rivières, eaux souterraines. Dans un cercle vicieux, le manque d'humus défavorise la rétention des nutriments au niveau des racines. L'excès d'azote est par ailleurs utilisé par certaines bactéries pour produire des polluants atmosphériques (oxydes d'azote) comme le N2O, qui participe aux pluies acides. L'ajout d'engrais combinant azote, phosphore et potassium peut aussi rendre le sol trop acide pour que les plantes puissent assimiler des nutriments comme le calcium, le magnésium et le zinc.

Le bouquin est riche en descriptions saisissantes, des multiples tortures que s'infligent les animaux du sous-sol (mutilation-séquestration, digestion à vif, esclavage) aux cas d'entraides entre espèces parfois assez complexes. On constate une fois de plus que la nature est une source d'inspiration étonnante : des cloportes qui recyclent leur propre urine ; des salamandres qui respirent sans branchies ni poumons.

HZK