Pourquoi les légumes dépérissent-ils quand on les cultive toujours au même endroit ?
― Chaque année, le sol perd discrètement quelque chose
Même jardinière, même terre, mêmes soins que l'an dernier. Pourtant, cette année, les tomates restent petites et les fruits aussi. Depuis toujours, les paysans le disent : « ne cultivez pas deux fois la même plante de suite », et ils intercalent des légumineuses. La raison n'a été comprise qu'il y a environ 130 ans.
Sur votre balcon, une jardinière a donné de belles tomates cerises l'an dernier. Par économie, vous gardez la même terre et replantez cette année.
Mais les feuilles pâlissent et jaunissent en commençant par le bas. Les fruits se forment, mais s'arrêtent à la moitié de leur taille de l'an dernier.
L'eau et le soleil sont identiques. La seule différence : la terre a « servi » une année de plus.
Il y a deux grandes raisons
Emporter des fruits et des feuilles, c'est emporter hors du champ les substances qu'ils contiennent. Le plus vite épuisé est l'azote, matière première des protéines des feuilles et des fruits.
Autour des racines se rassemblent bactéries, champignons et minuscules vers (nématodes) qui aiment cette plante. Si la même culture revient, leur repas est servi chaque année, et ils se multiplient.
Ces deux causes réunies expliquent le mauvais développement : on l'appelle la fatigue des sols (ou « lassitude de culture continue »). Fait remarquable, il a fallu très longtemps à l'humanité pour comprendre la cause n° 1.
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 vient sans limite du dioxyde de carbone de l'air. L'azote, lui, ne peut être pris que par les racines.
Nous le calculerons dans le volet pliable : quand on récolte des tomates sur 1 mètre carré, environ 20 grammes d'azote sortent du champ avec la plante entière. Et cela se répète chaque année.
Or, voici le paradoxe. L'air contient 78 % d'azote. Au-dessus d'un mètre carré de potager, il y a environ 8 tonnes d'azote. Pourtant, juste en dessous, les plantes en manquent.
L'azote de l'air forme des molécules de deux atomes très solidement liés. Ce lien est si fort que la plupart des plantes ne peuvent pas le défaire. Une montagne au-dessus de nos têtes, hors de portée : voilà la difficulté de cet élément.
2 : Comment a-t-on découvert que le coupable n'est pas la plante, mais des bactéries installées sur ses racines ?
Après des légumineuses, les cultures suivantes poussent mieux. Les traités d'agriculture de la Rome antique le disaient déjà. L'effet est donc connu depuis 2000 ans.
Pourtant, jusqu'au milieu du XIXe siècle, beaucoup de savants pensaient que « les plantes se nourrissent directement de la matière organique en décomposition du sol ». Nul ne savait expliquer pourquoi les légumineuses faisaient exception.
Le tournant date de 1838. Le Français Boussingault pesa méthodiquement récoltes et sol dans sa ferme. Il aurait constaté que, sur les seules parcelles de légumineuses, l'azote total du champ augmentait. L'azote venait donc de quelque part.
Mais d'où, et grâce à qui ? On l'ignorait. La réponse vint en 1886, avec l'expérience des Allemands Hellriegel et Wilfarth.
Ils cultivèrent des légumineuses dans du sable sans nutriments ni microbes. Elles ne poussèrent pas. Mais dans les pots arrosés d'un peu d'eau où l'on avait délayé de la terre de champ, de petites boules apparurent sur les racines, et les plantes prospérèrent.
Ce n'est donc pas la légumineuse elle-même qui utilise l'azote de l'air, mais les bactéries installées dans ses nodosités. La plante fournit le logis et des sucres ; la bactérie défait l'azote de l'air et le lui remet. Cet échange était le secret de la règle empirique vieille de 2000 ans.
Une grande part de l'azote capté par les nodosités passe dans les graines et les feuilles. Si l'on emporte toutes les gousses de soja, l'azote restant au champ n'augmente presque pas. Pour enrichir le sol, mieux vaut faucher la plante avant la formation des graines et l'enfouir : c'est ce qu'on appelle un « engrais vert ».
Les ennemis de la cause 2 sont à peu près les mêmes pour toute une famille de plantes. Après des tomates, aubergines et poivrons sont aussi des solanacées : les ennemis du sol restent les mêmes. Pour laisser reposer la terre, il faut changer de famille.
En résumé
Si la croissance décline en culture continue, ce n'est pas parce que le sol « vieillit ». Chaque récolte emporte de l'azote et d'autres éléments, et les ennemis de la plante s'accumulent dans la terre. La rotation des cultures est un savoir ancien qui décale ces deux problèmes à la fois.
Il y a 8 tonnes d'azote au-dessus du champ.
Le problème n'est pas la quantité, mais la forme utilisable.
Il existe une autre voie naturelle pour que l'azote de l'air entre dans le sol, en plus des bactéries des nodosités. Les années d'orages donnent-elles vraiment de meilleures récoltes de riz ? présente la chimie par laquelle les décharges du ciel transforment l'air en engrais. Sur le rôle des microbes du sol, lisez aussi Quelle différence entre fermentation et putréfaction ?
- Du printemps à l'été, semez des edamame (soja vert) ou des haricots dans une jardinière. Mettez peu d'engrais.
- À la floraison, arrachez un seul pied et lavez délicatement les racines à l'eau.
- Si vous voyez de petites boules rondes de 2 à 4 mm de diamètre sur les racines, ce sont des nodosités. Coupez-en une en deux avec l'ongle.
Un intérieur rose pâle ou brun rougeâtre indiquerait une fixation d'azote active. Des boules restées blanches ou vertes ne travaillent pas encore, ou ont fini de le faire. Il peut être amusant de compter les nodosités entre une année où l'on a réutilisé la terre de la jardinière et une année de terre neuve.
Pour aller plus loin ― vocabulaire, formules, lien avec les manuelsDu collège à l'université : le niveau de chaque passage est indiqué
- CollègeProgramme de sciences au collège
- LycéeProgramme du lycée (bases de biologie et de chimie)
- Lycée+Approfondissement du lycée, ou encadré de manuel
- Univ.Non traité au lycée : cours d'université (science du sol, nutrition des plantes)
- RechercheMême à l'université, non enseigné comme acquis : sujets que les chercheurs étudient en ce moment
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Fatigue des sols : mauvais développement quand on cultive des plantes d'une même famille au même endroit. Elle résulte d'un manque d'éléments nutritifs et de la multiplication des agents pathogènes et nématodes du sol.
- Fixation de l'azote : transformation de l'azote moléculaire de l'air en une forme utilisable par les plantes (ammoniac, etc.). Elle peut être faite par des êtres vivants, par des décharges électriques ou par des procédés industriels.
- Rhizobiums : bactéries qui pénètrent les racines des légumineuses, y forment des nodosités et transmettent à la plante l'azote de l'air. En échange, elles reçoivent des sucres.
CollègeLycéeVérifier par le calcul : combien d'azote quitte le champ à chaque récolte ?
L'azote emporté ne se mesure pas directement. On le déduit de la quantité de protéines de la récolte, car les protéines sont le seul grand nutriment contenant de l'azote.
| En symboles | N ＝ M × p × k |
| En mots | masse d'azote emportée ＝ masse récoltée × proportion de protéines × proportion d'azote dans les protéines |
| D'où vient cette formule ? | De la conservation de la masse : les éléments ne disparaissent pas en chemin. La proportion d'azote dans les protéines est d'environ 16 % en moyenne, valeur utilisée aussi dans les tables de composition des aliments. |
| Tomates récoltées sur 1 m² (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 la plante entière, feuilles et tiges comprises | environ 3 fois celui des fruits |
| Récolte exprimée en « paquets de 100 g » | 6000 ÷ 100 ＝ 60 |
| Protéines contenues dans les fruits | 60 × 0.7 ＝ 42 |
| Azote correspondant (g) | 42 × 0.16 ＝ 6.72 |
| Plante entière, feuilles et tiges comprises (g) | 6.72 × 3 ＝ 20.16 |
Par mètre carré, environ 20 grammes d'azote quittent donc le champ chaque année. En 5 ans, cela fait 100 grammes. Si l'on n'en rajoute pas, le stock baisse sûrement.
| Masse d'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 font 0,02 kg, donc | 7754 ÷ 0.02 ≒ 387700 |
L'azote juste au-dessus représente environ 390 000 fois ce qui sort en un an. C'est comme mourir de faim à côté d'un entrepôt : ce qui manque n'est pas la quantité, mais le moyen de le transformer en une forme utilisable.
LycéeLycée+Pourquoi l'azote de l'air n'est-il pas utilisable tel quel ?
LycéeDans la molécule d'azote, deux atomes sont unis par une triple liaison. L'énergie nécessaire pour la rompre est environ le double de celle de la molécule d'oxygène, l'une des plus élevées parmi les molécules courantes. C'est pourquoi l'azote de l'air ne brûle ni ne rouille : il reste simplement là.
Lycée+La méthode des êtres vivants pour rompre cette liaison est la fixation biologique de l'azote, assurée par une enzyme, la nitrogénase. Elle perd son activité au contact de l'oxygène ; à l'intérieur des nodosités, un pigment, la leghémoglobine, capte l'oxygène et maintient une faible concentration. C'est la couleur de ce pigment qui rend rose l'intérieur d'une nodosité coupée.
Univ.Cycle de l'azote et mise en place de la symbiose
En science du sol et en nutrition des plantes, on traite cet ensemble comme le cycle de l'azote : fixation, absorption par les plantes, ammonification par décomposition de la matière organique, nitrification en nitrates, puis dénitrification qui renvoie l'azote sous forme de gaz. La relation entre légumineuses et rhizobiums s'appelle la fixation symbiotique de l'azote : la plante émet des signaux (flavonoïdes), la bactérie répond (facteurs Nod), ils se reconnaissent, et la bactérie entre dans les cellules racinaires par un cordon d'infection.
📖 Dérivation des formules et approfondissements : Fixation de l'azote (Wikipédia en japonais) ／ Rhizobiums (Wikipédia en japonais)
RechercheCe qu'on ne sait pas encore bien
- Peut-on doter le riz ou le blé de nodosités ? Des recherches visent à transférer la symbiose fixatrice d'azote à des plantes non légumineuses, mais elle exige des combinaisons de gènes complexes et n'est pas encore utilisable en pratique.
- Quel est le principal responsable de la fatigue des sols ? Tantôt un agent pathogène précis, tantôt un déséquilibre de l'ensemble des microbes du sol : la situation semble différer selon les cultures.
- Que se passe-t-il quand on épand trop d'azote ? Une partie de l'azote apporté devient, pendant la dénitrification, du protoxyde d'azote, un gaz à fort effet de serre. Dans quelles conditions et en quelle quantité : les estimations restent très incertaines.
Cet article n'est donc lui aussi qu'une explication « en l'état des connaissances ». L'intérieur du sol reste l'un des mondes difficiles à observer.
Lien avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière et chapitre | Où dans cet article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences (relations entre êtres vivants, rôle des décomposeurs) | Microbes du sol et échanges de nutriments |
| Lycée | Bases de biologie et de chimie (assimilation de l'azote, liaisons chimiques) | Triple liaison de l'azote et calcul de l'azote à partir des protéines |
| Lycée+ | Biologie (fixation de l'azote, symbiose) | Nitrogénase et leghémoglobine |
| Univ. | Science du sol, nutrition des plantes | Cycle de l'azote, nitrification et dénitrification, mécanisme de reconnaissance symbiotique |
| Recherche | Biologie moléculaire végétale, ingénierie agro-environnementale | Transfert de la symbiose à des non-légumineuses, émissions de protoxyde d'azote |
| ― | Lien avec la vie courante | Réutiliser la terre d'une jardinière, alterner les familles, engrais verts |
- Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology (文部科学省), « Tables standard de composition des aliments du Japon, édition 2020 (8e révision) » (teneur en protéines et coefficient de conversion de l'azote en protéines)
- Japanese Society of Soil Science and Plant Nutrition (日本土壌肥料学会), éd., 『土壌サイエンス入門』 (Introduction à la science du sol) (bases du cycle de l'azote et de la fertilité des sols)
- Récits d'histoire des sciences sur les expériences de terrain de J. B. Boussingault concernant le bilan de l'azote des légumineuses (1838)
- H. Hellriegel et H. Wilfarth, « Recherches sur la nutrition azotée des légumineuses » (1888, rapport d'expérience montrant le rôle des rhizobiums)
- Ministry of Agriculture, Forestry and Fisheries (農林水産省), « Documents sur l'amélioration des sols et l'usage de matière organique » (fatigue des sols et rotation des cultures)
※ Cet article est une vulgarisation scientifique. Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur et des estimations pour comprendre le mécanisme. Les rendements réels et les quantités d'engrais nécessaires varient beaucoup selon la variété, le type de sol et la région. Pour vos décisions de culture, suivez les documents de votre chambre d'agriculture ou de votre collectivité locale.