La biodiversité du sol

De nombreux processus se déroulant dans le sol sont régulés par les organismes du sol. Des indices de plus en plus nombreux permettent de conclure qu’on peut promouvoir et utiliser les organismes pédologiques de façon ciblée pour réduire les effets environnementaux négatifs tels que l’érosion du sol, le lessivage de nutriments, les pertes d’humus, les nitrates dans l’eau de boisson, etc., avec une incidence minime sur le rendement (voir figure suivante). L’agriculture écologiquement intensive (AEI), consistant à utiliser les processus écologiques en les intensifiant pour obtenir de bons rendements, suscite actuellement un grand intérêt. Parmi les principales possibilités, l’optimisation ciblée de la fertilité et de la santé du sol à l’aide de ses microorganismes n’a pas encore été suffisamment explorée.

Schéma d’un sol écologiquement intensif. Les flèches jaunes montrent la relation entre les flux entrants, les pertes et les processus de régulation interne qui sont menés par les microorganismes du sol dans des systèmes de différentes intensités. Dans le système extensif, la vie du sol est riche, il y a peu de flux entrants et de pertes de ressources et la productivité est faible. Dans le système intensif, la productivité est élevée, le sol est fortement fertilisé et se caractérise par des pertes importantes et un faible recyclage de nutriments. Dans le système durable (au centre), la biodiversité du sol est élevée, la productivité est bonne, la fertilisation est moyenne, les pertes de nutriments sont relativement faibles et le degré de recyclage est élevé. D’après Bender et al. 2016, avec permission, Elsevier.  

Le sol est l’un des habitats les plus diversifiés de la planète. Les sols des champs et des prairies suisses fourmillent de vie. Un gramme de sol contient à peu près un milliard de microorganismes, soit des milliers d’espèces de bactéries, de champignons et de nématodes et jusqu’à 200 m d’hyphes (voir tableau suivant). Le poids de tous les organismes du sol vivant dans un hectare de terrain peut atteindre jusqu’à 15 tonnes, soit un poids équivalant à environ 20 vaches ou 200 moutons. À titre de comparaison, l’herbe d’un hectare de prairie du Plateau suisse suffit tout juste à nourrir deux vaches. Les fonctions de cet écosystème souterrain et son utilité pour l’agriculture et l’environnement sont en partie encore peu connues et peu étudiées.

* L’abondance et la diversité des espèces varient fortement et dépendent des facteurs suivants : système de culture, type de sol, type de fertilisation, travail du sol et rotation des cultures. Les sols exploités en agriculture biologique ont généralement une plus grande quantité de champignons mycorhiziens, de biomasse microbienne et de vers de terre.

L’évolution des méthodes moléculaires de ces dernières années a permis de déterminer rapidement l’identité des innombrables microorganismes du sol. Dès lors, il est aujourd’hui possible d’étudier les effets des systèmes de culture, du travail du sol, de l’utilisation de pesticides et de la fertilisation sur les organismes du sol et de définir les mesures à prendre pour protéger les organismes utiles et les principales fonctions du sol. Selon plusieurs études européennes, les surfaces herbagères, les prairies artificielles et les rotations des cultures ont un effet positif sur la vie et la biodiversité du sol, contrairement aux monocultures effectuées durant de longues années (voir figure suivante). L’impact positif sur la biodiversité induit aussi des taux d’érosion du sol moindres, des capacités de séquestration de carbone supérieures et une utilisation plus efficiente des nutriments.

L’agriculture intensive réduit la biodiversité du sol. Nombre de groupes fonctionnels d’organismes du sol dans divers systèmes d’exploitation dans quatre pays.

Le sol contient d’innombrables organismes utiles. Selon les résultats de recherche par modélisation, les organismes utiles et la biodiversité du sol exercent généralement une influence positive sur la multifonctionnalité des systèmes herbagers et de grandes cultures (Bender et al. 2016). Dans les systèmes marqués par une vie du sol riche et une biodiversité élevée, le lessivage des nutriments et les émissions de protoxyde d’azote (un gaz nuisant au climat) sont réduits. Parallèlement, les plantes utilisent les nutriments du sol de manière plus efficace (Bender et al. 2016). Les diverses fonctions du sol sont souvent soutenues par différents organismes du sol. Les exemples les plus marquants et les plus connus sont les vers de terre, les bactéries fixant l’azote, les champignons mycorhiziens ainsi que les microorganismes réprimant l’activité des agents pathogènes.

En s’enfouissant dans le sol, les vers de terre remuent la terre (Jossi et al. 2012). Ils génèrent ainsi une structure du sol stable et dotée de pores pour une aération et un drainage optimaux de l’eau, ce qui permet de préserver la vitalité et le rendement du sol. Dans un sol caractérisé par l’activité de vers de terre, ceux-ci peuvent décomposer jusqu’à environ 6 t/ha de paille de céréale hâchée entre le moment du battage et le semis du printemps suivant. Les profonds tunnels creusés par les vers de terre relient l’horizon supérieur avec l’horizon inférieur du sol et améliorent ainsi la circulation de l’air et de l’eau. De grandes quantités d’eau de pluie percolent à travers les couloirs verticaux, ce qui a pour effet de réduire l’érosion en cas de fortes précipitations.

Les bactéries les plus importantes pour la production agricole sont celles qui fixent l’azote et qui forment une symbiose avec les légumineuses. Ces bactéries vivent dans les tubercules des trèfles et autres légumineuses. Elles transforment l’azote atmosphérique en ammonium pouvant ensuite être absorbé par les végétaux. Étant donné que les plantes ne peuvent pas assimiler l’azote atmosphérique directement elles-mêmes et que le manque d’azote a souvent pour effet de limiter la croissance, les bactéries fixatrices d’azote jouent un rôle capital pour la production agricole. Dans une prairie artificielle de deux ans comptant une grande proportion de légumineuses, ces bactéries peuvent fixer jusqu’à 400 kg d’azote par hectare (Nyfeler et al.2011). À titre de comparaison, pour produire 400 kg d’azote synthétique au moyen du procédé Haber-Bosch, l’énergie nécessaire équivaut à environ 800 litres d’essence, soit la quantité consommée par une voiture effectuant le trajet Suisse – New Delhi. L’agriculture biologique, qui n’utilise pas d’engrais minéraux synthétiques, est particulièrement dépendante de la symbiose entre les végétaux et les bactéries fixatrices d’azote. C’est pour cette raison que les prairies artificielles sont si répandues dans ce type d’agriculture.

Un autre groupe d’organismes utiles est constitué par les champignons mycorhiziens (Köhl and van der Heijden 2016), qui forment une communauté de vie avec les végétaux généralement avantageuse pour les deux partenaires (symbiose). Dans le sol, les champignons mycorhiziens tissent un réseau très ramifié de fins hyphes, qui permettent d’élargir l’espace occupé par les racines végétales et d’améliorer l’approvisionnement des plantes en nutriments. Sur une parcelle de maïs à Tänikon (Thurgovie, CH), on a estimé qu’environ 25 % du phosphate dans le maïs a été assimilé par des champignons mycorhiziens présents naturellement puis retransmis aux plantes. Dans les sols pauvres en éléments nutrifis, cette proportion peut être encore plus élevée et atteindre jusqu’à 90 % (van der Heijden et al. 2008).

Un autre groupe important regroupe des microorganismes comme les bactéries Pseudomonas, qui, avec des organismes utiles encore peu étudiés, ont pour effet de réprimer les maladies dans le sol. Cette fonction est importante car le sol n’abrite pas seulement des organismes utiles, mais aussi des agents pathogènes pédologiques qui peuvent causer des pertes de récolte importantes. Il est toutefois incertain que la lutte biologique contre les maladies puisse s’avérer aussi efficace dans les grandes cultures et le maraîchage en plein air qu’elle l’est dans les serres, où les tomates, les poivrons, etc. peuvent être tenus sous contrôle pratiquement sans pesticides et à l’aide d’ennemis naturels. La jungle sous nos pieds est loin d’avoir révélé tous ses secrets, on a donc encore beaucoup à attendre de la recherche dans ce domaine.

L’agriculture biologique exerce généralement une bonne influence sur la vitalité et la biodiversité du sol. Les champs exploités selon ses principes en Suisse contiennent en moyenne jusqu’à 50 % de champignons mycorhiziens et de vers de terre supplémentaires et environ 10 à 20 % de biomasse microbienne de plus que les champs exploités en agriculture conventionnelle (Honegger et al. 2014). Lors de comparaisons récentes avec des réseaux d’exploitations, nous avons découvert que les champs exploités en agriculture biologique séquestrent en moyenne environ 25 % de carbone de plus que les champs PER (la séquestration de carbone est importante pour réduire le gaz à effet de serre qu’est le CO₂). Les raisons de ce phénomène sont actuellement à l’étude. De même, la structure du sol est généralement meilleure dans les champs exploités en agriculture biologique, ce qui est probablement dû à l’activité biologique plus intense dans le sous-sol. Il semble que l’agriculture biologique dépende davantage du bon fonctionnement des sols et que les organismes du sol soient responsables d’un pourcentage plus élevé d’apport en nutriments dans les grandes cultures en (voir figure suivante), ce qui est aussi lié au fait que l’agriculture biologique ne recourt pas aux engrais minéraux synthétiques. Par conséquent, la production repose davantage sur les engrais organiques et le recyclage des nutriments dans le sol.

Modèle conceptuel de l’influence des flux entrants externes (engrais minéraux, pesticides) et des processus naturels sur le rendement. La promotion de l’écosystème du sol par son optimisation écologique permet de remplacer les flux entrants externes par des processus naturels (par exemple fixation biologique de l’azote). Les services que le système agricole rend à l’environnement augmentent et l’impact sur le niveau de rendement reste relativement faible. Dans l’exploitation selon les règles des prestations écologiques requises (PER), une partie du flux externe est remplacée par des processus naturels. En agriculture biologique, la proportion remplacée est encore plus grande.

Les agriculteurs ont deux possibilités pour promouvoir les organismes utiles dans le sol :

Un traitement préservant le sol (le recours à la charrue n’est pas toujours nécessaire, le labour sans charrue permet en plus d’économiser de l’énergie et du temps) ou un assolement diversifié avec des prairies artificielles pluriannuelles et de l’enherbement intermédiaire permet souvent de favoriser les vers de terre et les champignons mycorhiziens. La fertilisation minérale réduit la taille des populations de divers organismes pédologiques, notamment les champignons mycorhiziens (Köhl and van der Heijden 2016). En revanche, l’épandage de lisier, de fumier ou de compost a en général moins d’effet. Le semis de prairies artificielles ou la culture de légumineuses (pois, trèfles, haricots et soja) permet de promouvoir et d’utiliser directement la fixation biologique de l’azote et la disponibilité en N.

Il est aussi possible d’ajouter au sol des organismes utiles comme les champignons mycorhiziens et les bactéries. Ce faisant, une espèce ou un mélange de quelques espèces de microorganismes sont intégrés de manière ciblée sous la forme de poudre ou de granulés (Köhl and van der Heijden 2016). Plusieurs semenciers examinent actuellement si le traitement de semences par des organismes utiles présente un potentiel. La pratique a déjà cours avec succès par exemple pour le soja (où les symbiotes fixant l’azote ne sont pas indigènes en Suisse). Le marché des autres organismes utiles est encore relativement nouveau et certains produits et fournisseurs ne sont pas forcément fiables. Les conditions dans lesquelles les produits sont appliqués ne sont pas non plus toujours adéquates, si bien que les organismes utiles ne parviennent pas à s’adapter ou à s’établir. Grâce à de nouveaux travaux de recherche et à des contrôles indépendants plus resserrés, il est possible que des produits de qualité supérieure soient bientôt plus nombreux sur le marché.

La vitalité et la biodiversité pédologiques jouent un rôle clé pour le bon fonctionnement du sol et, par extension, pour la production agricole. Lorsque l’agriculture utilise la vie souterraine et la favorise par « l’optimisation écologique du sol », cela lui permet aussi de réduire les coûts et de protéger l’environnement.

Marcel van der Heijden & Franz Bender, domaine de recherche agroécologie et environnement, Agroscope
Jérôme Frei, OFAG, Secteur Systèmes agro-environnementaux et éléments fertilisants, jerome.frei@blw.admin.ch