Que sont les engrais ? Sont-ils vraiment nécessaires ? Micro & Macro font le point !

1 – Micro-bio : Les engrais, c’est quoi ?

2 – Au Microscope : À quoi servent les engrais ? Quelles formes d’engrais existe-t-il ?

3 – Macrorama : Précautions & limites

4 – Envie d’agir ? Choisir et utiliser un engrais

5 – Bibliographie

6 – Pour citer ce document

 

 

Les engrais, c’est quoi ?

Le mot “engrais” provient du verbe “engraisser” et désigne à l’origine les pâtures que l’on consacrait aux animaux d’élevage afin de les engraisser avant l’abattage.

Un engrais est une substance organique et/ou minérale, destinée à apporter aux végétaux des éléments nutritifs : son but est de nourrir la plante. Il se différencie ainsi des amendements, dont le but premier est l’amélioration des propriétés du sol (même si certains de leur composants contribuent aussi à la nutrition des plantes).

De façon globale, l’action d’apporter un engrais ou un amendement à une culture s’appelle la fertilisation. Elle a pour but d’améliorer la croissance des plantes et d’augmenter le rendement ainsi que la qualité des récoltes.

 

Histoire des engrais

L’utilisation d’engrais accompagne le développement de l’agriculture. Avant leur apparition, l’agriculture reposait principalement sur des systèmes de culture sur abattis-brûlis, qui font partie des plus anciens systèmes agraires : ils n’utilisent pas de fertilisants mais reposent sur de longue périodes de friches qui permettent le renouvellement de la fertilité des sols. Cependant, ces systèmes ne peuvent nourrir plus de 30 habitants au km² et contraignent une partie de la population à migrer dès que la densité augmente au dessus de ce que peut supporter le système. On comprend donc que les engrais vont de pair avec l’apparition de groupes sociaux plus importants.

Dans les système agricoles européens, depuis l’Antiquité jusqu’à la révolution agricole du 18e siècle, les engrais animaux (fumiers, guanos), minéraux (os calcinés, cendres) et végétaux (engrais verts, transferts de litière forestière) sont connus et utilisés de façon empirique (on a observé leur intérêt « sur le terrain » et leur usage s’est donc répandu).

Dans la seconde moitié du 19e siècle apparaissent les premières pratiques de fertilisations minérales suite aux travaux sur la nutrition des plantes du chimiste allemand Justus von Liebig. Pour apporter des phosphates aux plantes, on utilise d’abord de simples broyats de roches avant d’arriver aux « superphosphates » (issus du traitement des roches par de l’acide sulfurique ou phosphorique). Pour apporter de l’azote et de la potasse aux plantes, des engrais azotés et potassiques sont fabriqués à Valenciennes dès 1838. Ils sont alors issus de gisements miniers. Suite à la première guerre mondiale, l’Allemagne, isolée de ses fournisseurs, trouve un procédé permettant de fabriquer de l’ammoniaque à partir de l’azote présent dans l’air et donne une portée industrielle aux engrais azotés.

L’utilisation des engrais minéraux va surtout exploser après la seconde guerre mondiale : entre 1945 et 1960, l’utilisation d’engrais minéraux azotés est multipliée par 4 aux États-Unis. Le sol est alors considéré par l’agronomie comme un simple support de culture, sans considération des activités biologiques ni de la matière organique. Cette augmentation de l’utilisation entraîne au départ de nombreuses pertes notamment par lessivage (transports des éléments par les eaux de pluie vers la nappe phréatique), conduisant ainsi une pollution importante des eaux.

Pour limiter cet impact écologique, on assiste dès les années 90 au développement de l’agriculture raisonnée, puis de l’agriculture de précision, dont l’objectif est d’appliquer, si nécessaire, la juste dose d’engrais au bon moment.

 

 

À quoi servent les engrais ?

Les besoins des plantes

Pour bien se développer, une plante a besoin d’eau, de lumière, de carbone et d’éléments minéraux. Ainsi, la lumière fournie par le soleil permet à la plante de fixer le carbone contenu dans l’air (sous forme de dioxyde de carbone CO2) grâce à la photosynthèse. En revanche, l’eau et les minéraux sont prélevés par les racines dans le sol. 

Les principaux éléments minéraux utilisés par les plantes sont :

• les macronutriments (dont la plante à besoin en grande quantité) : azote, phosphore et potassium (N, P, K)
• les nutriments secondaires (dont la plante à besoin en moindre quantité) : calcium, soufre et magnésium (Ca, S, Mg)
• les oligo-éléments (dont la plantes à besoin en très petite quantité) : fer, manganèse, zinc, cuivre, bore et le molybdène (Fe, Mn, Zn, Cu, B, Mo)

Les besoins des plantes varient au cours de leur croissance et tous ces éléments doivent être disponibles au bon moment sous leur forme assimilable (soluble dans l’eau).

 

Pourquoi aurait-on besoin d’engrais pour l’agriculture ?

Dans le cas d’un espace non cultivé, les plantes qui y poussent prélèvent dans le sol les éléments minéraux nécessaires à leur croissance. À leur mort, ces éléments sont restitués au sol : il n’y a donc pas ou très peu de pertes.

Lorsqu’on cultive un espace à des fins de récolte, une partie ou l’entièreté des plantes sont exportées et ne seront pas restituées au sol. Il y a donc une perte minérale relative aux productions que nous consommons. Si on veut maintenir la productivité de cet espace, on est donc amené à compenser cette exportation par l’ajout d’engrais et/ou d’amendements.

 

Les macro nutriments : N, P, K

L’azote N 

Cet élément est déterminant pour le rendement des cultures. Il participe principalement au développement du feuillage et des autres parties aériennes des plantes.

Les formes minérales de l’azote assimilables par les plantes sont principalement :

• les nitrates (ions NO3-) qui sont très facilement assimilables par les végétaux car très mobiles dans l’eau,
• les ammoniums (ions NH4) moins facilement assimilables car se fixant volontiers sur les autres minéraux du sol.

L’azote peut provenir :

• de l’air, par fixation biologique : par exemple, par l’intermédiaire de bactéries libres (ex: Azotobacter) ou de bactéries symbiotiques (ex: Rhizobium, comme pour le cas des Fabacées).
• de la déposition atmosphérique : la pluie et la neige contiennent des traces d’ammoniac pouvant varier entre 0,1 et 2,0 mg/l.
• de la minéralisation de l’azote organique (apporté par les fertilisants et les résidus de cultures ou issu de l’humus) par les micro-organismes du sol : la dégradation de molécules organiques complexes fournit de petites molécules (acides aminés) qui seront elles-mêmes dégradées en ions ammoniums. La plupart du temps, l’ion ammonium est converti en nitrate par certaines bactéries avant d’être absorbé par les plantes.

En agrochimie, on utilise le procédé Haber-Bosch pour synthétiser de l’ammoniac NH3 (gaz soluble dans l’eau et qui fournit l’ion ammonium) à partir de l’azote de l’air combiné avec du dihydrogène, issu du gaz naturel.

 

Le phosphore P 

Cet élément est important pour la croissance racinaire, la floraison et la fructification. Indispensable à la photosynthèse, il est au cœur du métabolisme énergétique (ensemble des réactions chimiques au niveau cellulaire) de la plante.

Ses deux formes minérales assimilables (les ions phosphates HPO42- et H2PO4-) sont pourtant difficilement disponibles pour les plantes. D’abord, elles n’existent qu’à un pH compris entre 6.4 et 7. Ensuite, les phosphates ont tendance à se lier facilement aux autres éléments minéraux du sol, comme le calcium, le fer ou l’aluminium : on estime ainsi que seulement 10% du phosphore présent dans le sol l’est sous forme d’ions assimilables ! Enfin, il n’existe pas de stock atmosphérique de phosphore.

Le phosphore peut provenir :

• de l’érosion de la  roche mère (roches riches en phosphates de calcium comme l’apatite)
• de la minéralisation du phosphore organique (apporté par les fertilisants et les résidus de culture ou issus de l’humus) par les micro-organismes du sol.
• de la symbiose de plantes avec des champignons mycorhiziens capables de rendre accessible aux végétaux le phosphore non disponible du sol.
• de la capacité de certaines plantes à émettre des exsudats racinaires rendant le le phosphore du sol assimilable (au niveau de la rhizosphère)

En agrochimie, on synthétise les superphosphates à partir de roches phosphatées traitées par de l’acide sulfurique. Les phosphates deviennent alors solubles dans l’eau sous leur forme la plus disponible pour les végétaux.

 

Le potassium K

Le potassium a d’abord un rôle important dans la circulation de la sève et permet la turgescence (rigidité due à l’afflux d’eau) de la plante. Il joue également un rôle dans les échanges gazeux, en contrôlant l’ouverture des stomates (orifices de petite taille présents sur les organes aériens des végétaux et permettant les échanges gazeux). Enfin, il active de nombreux enzymes impliqués dans la résistance aux agressions externes (gel, ravageurs, maladies…), mais aussi dans la qualité gustative des fruits et la conservation des légumes racines.

Le potassium est présent en grande quantité dans la plupart des sols, majoritairement sous forme minérale (99%). Cependant, seule une petite partie se trouve disponible pour les plantes sous forme d’ions K+, dans l’eau du sol ou fixée sur les complexes argilo-humiques. Le reste est immobilisé dans les feuillets de certaines argiles ou fait partie des roches silicatées du sol. Tout comme le phosphore, il n’a pas de forme gazeuse et donc pas de stock atmosphérique.

Le potassium peut provenir :

• de l’érosion de la roche mère (roches riches en silicates comme le mica ou le feldspath)
• de la modification structurelle des argiles par gonflement/rétraction
• de la réserve de complexes argilo-humiques (les ions positifs provisoirement fixés à la surface des argiles)
• de la minéralisation du potassium organique (apporté par les fertilisants et les résidus de culture ou issus de l’humus) par les micro-organismes du sol.

En agrochimie, on exploite des gisements de roches potassiques (carnallite, sylvinite, kaïnite) que l’on traite à l’acide sulfurique pour obtenir du chlorure ou du sulfate de potassium, facilement soluble dans l’eau.

 

Les nutriments secondaires : Ca,S,Mg

 

Le calcium Ca

Le calcium est un composant des parois cellulaires végétales, auxquelles il donne de la résistance. Il permet un développement normal des jeunes racines et améliore la maturation des fruits et des graines.

Il est souvent naturellement présent dans le sol et y est plutôt apporté comme amendement que comme engrais pour modifier sa structure ou encore son acidité (pouvoir tampon du calcium). Il est absorbé par les plantes sous sa forme ionique soluble Ca2+.

Le calcium peut provenir :

• de l’érosion de la roche mère (roches carbonatées comme la calcite, la dolomite ou le gypse)
• de la réserve de complexes argilo-humiques (les ions positifs provisoirement fixés à la surface des argiles)
• de la minéralisation du calcium organique (apporté par les fertilisants et les résidus de culture ou issus de l’humus) par les micro-organismes du sol.

En agriculture, les différents amendements à base de calcium sont : le calcaire, la dolomite, la craie, les marnes (mélange de calcaire et d’argile), le gypse, les maerls (algues fossiles calcifères), la chaux agricole et la chaux magnésienne éteinte.

 

Le soufre S

Le soufre entre dans la composition de nombreuses protéines, molécules organiques volatiles et aromatiques. Il est impliqué dans la synthèse des vitamines et intervient dans la fixation symbiotique de l’azote par les Fabacées.

La forme de soufre assimilable par les plantes est l’ion sulfate SO42-. Dans les sols, il est surtout présent sous forme organique.

Le soufre peut provenir :

• de l’érosion de la roche mère (roches volcaniques)
• de la déposition atmosphérique (anhydride sulfureux provenant de la combustion pétrolière ou d’éruptions volcaniques, pluie et particules se déposant au sol)
• de la minéralisation du soufre organique (apporté par les fertilisants et les résidus de culture ou issus de l’humus) par les micro-organismes du sol.

On estime que 90% des apports en soufre sont assurés par les eaux de pluie, le reste est apporté par la minéralisation du soufre organique ainsi que par les engrais, les amendements et certains produits phytosanitaires (par exemple le sulfate de cuivre de la bouillie bordelaise).

 

Le magnésium Mg

Le magnésium est un constituant de la chlorophylle et joue ainsi un rôle essentiel dans la photosynthèse. Il favorise la formation des fruits et des graines, augmente la teneur en vitamine A et C et favorise la turgescence de la plante. Il est souvent naturellement présent dans le sol et est plutôt apporté en tant qu’amendement, dans le but d’en modifier l’acidité. Son apport s’effectue d’ailleurs souvent conjointement au calcium (la dolomie contenant du carbonate de magnésium ou chaux magnésienne).

La forme de magnésium assimilable par les plantes est l’ion magnésium Mg2+.

Le magnésium peut provenir :

• de l’érosion de la roche mère (roches silicatées, argileuses ou carbonatées)
• de la réserve de complexes argilo-humiques
• de la minéralisation du magnésium organique (apporté par les fertilisants et les résidus de culture ou issus de l’humus) par les micro-organismes du sol.

Les amendements basiques comme le calcium et le magnésium sont issus d’extractions minières ou marines (gisements de craie, lithothamne). Ils peuvent être aussi des co-produits de l’industrie (sucrerie, papeterie).

 

Les oligoéléments 

Les oligoéléments sont indispensables au bon fonctionnement du métabolisme de la plante, mais dans des proportions beaucoup plus faibles. On peut ainsi citer : le fer, le manganèse, le cuivre, le zinc, le bore et le molybdène. Ils ont en commun la propriété de se lier facilement à la matière organique ainsi que de se lier différemment aux substances environnantes suivant le contexte physico-chimique (on dit qu’ils « changent de valence »).

Ils sont présents en quantité suffisante dans la plupart des sols. En effet, les carences sont plutôt issues d’un défaut d’absorption dû à l’environnement et rendant les oligoéléments non-disponibles pour les plantes (ex: carences en fer dues à un pH trop élevé qui le rend insoluble dans l’eau et donc inaccessibles aux racines).

 

Les différentes formes d’engrais

Les engrais organiques

Les engrais organiques sont majoritairement d’origine animale (déchets d’abattoirs : sang desséché, corne torréfiée, déchets de poissons) ou végétale (résidus verts éventuellement compostés, algues). Cependant, ils peuvent aussi être synthétisés comme l’urée (que l’on retrouve aussi dans l’urine).

On peut également y retrouver des déchets industriels comme les boues d’épuration des eaux et des sous-produits de l’élevage comme les fumiers, lisiers et fientes (mélanges de résidus végétaux et d’excréments).

Tous les minéraux, sous leur formes organiques, ne sont pas assimilables par les plantes. Ils doivent d’abord être minéralisés par les micro-organismes du sol. Cette minéralisation est plus ou moins rapide et dépend de nombreux paramètres : nature de la matière organique, pH, température, humidité, fonctionnement du sol, nature et densité des micro-organismes etc…

 

Les engrais minéraux

Les engrais minéraux sont des substances d’origine minérale, produites par l’industrie ou par l’exploitation de gisements naturels. Ils peuvent avoir une forme solide ou liquide. Il existe des engrais simples, ne contenant qu’un seul élément nutritif, et des engrais composés qui peuvent en contenir deux ou trois.

L’appellation des engrais minéraux est normalisée et fait référence à leur trois composants principaux : N/P/K. Un exemple : un engrais 10/15/20 contient 10 % d’azote, 15 % de phosphore et 20 % de potassium.

Les minéraux de ces engrais peuvent être directement assimilable par les plantes (solution de nitrates) ou peuvent nécessiter une minéralisation (ammoniac).

 

Les engrais organo-minéraux

Comme leur nom l’indique, ils résultent du mélange d’engrais minéraux et organiques. Dans un tel mélange, les matières organiques représentent généralement 25 à 50 % du produit fini. Les autres constituants du fertilisant (sels simples et minéraux), apportent N/P/K sous des formes appropriées.

Ils sont généralement prévus pour une action immédiate (apports minéraux) se prolongeant dans le temps (apports organiques).

 

 

Problèmes liés à l’utilisation d’engrais

S’il apparaît évident que la fabrication d’engrais minéraux a un coût écologique (exploitation de ressources minières et gazeuses non-renouvelables, production de déchets potentiellement toxiques, coût énergétique), la transformation et l’usage de matières organiques n’est pas non plus sans conséquences sur l’environnement.

Ainsi le compost, qui peut apparaître très écologique de prime abord, produit au cours de sa maturation une grande quantité de gaz à effets de serre comme le méthane ou l’oxyde nitreux (phénomène très marqué pendant la phase chaude du processus).

Quelle que soit leur origine, il faut aussi considérer l’énergie nécessaire pour le transport et l’épandage des engrais.  Ainsi, transporter et épandre 1 tonne de fumier (qui contient en moyenne 5 kg d’azote) sur de longues distances peut être plus coûteux en carbone que d’utiliser son équivalent issu de la synthèse (les ammonitrates contenant jusqu’à 60 fois plus d’azote).

 

Privilégier la juste dose plutôt que la nature des engrais

L’excès de nitrates et de phosphates dans le sol provoque l’eutrophisation des eaux douces et marines (déséquilibre caractérisé par une croissance excessive des plantes et des algues). Or, les nitrates et  les phosphates sont présents dans les engrais minéraux comme organiques. On comprend donc bien qu’il vaut mieux considérer la dose et la vitesse de libération des nutriments dans le sol plutôt que l’origine de l’engrais, si on veut éviter les dégâts environnementaux. L’utilisation de cultures intermédiaires pièges à nitrates (engrais verts) constitue ainsi une technique efficace pour limiter les fuites de nutriments.

 

 

Comment choisir et utiliser un engrais ?

Toute action de fertilisation a de multiples conséquences, à la fois sur l’équilibre physico-chimique du sol mais aussi sur l’environnement. Il ne faut donc fertiliser que si nécessaire et choisir l’engrais le plus adapté au contexte de façon à limiter au maximum les impacts environnementaux.

Les engrais organiques : avantages et inconvénients.

• Un fort levier de valorisation : les engrais organiques étant toujours issus de déchets, les sources sont renouvelables et souvent peu chères.
• Une source d’humus :  les matériaux organiques se dégradent en matériaux humiques plus ou moins stables et contribuent à l’augmentation de l’activité de nombreux micro-organismes.
• Une réserve de nutriments plus ou moins disponibles : sous leur forme organique, les nutriments ne sont pas accessibles aux plantes. Ils doivent d’abords être minéralisés. La vitesse de minéralisation dépend de la nature de l’engrais mais aussi de paramètres comme l’activité biologique du sol, la chaleur ou encore l’humidité. Les matières fraîches, pauvres en carbone (déchets de tonte par exemple) sont plus vite minéralisées que les matières dures, riches en cellulose et en lignine (feuilles d’arbres par exemple).
• Une composition difficilement contrôlable : la nature organique des engrais ainsi que les multiples paramètres qui affectent leur minéralisation fait qu’il est difficile d’effectuer un apport nutritionnel précis si nécessaire.
• Une source de pollution potentielle : certaines méthodes “artisanales” de traitement des déchets organiques peuvent s’avérer polluantes (par exemple le compostage à chaud qui émet des gaz à effet de serre). D’autres fertilisants présentent un risque à l’utilisation et nécessitent un suivi (par exemple l’emploi de l’urine qui peut causer des problèmes de salinisation des sols, particulièrement en climat aride).

 

Les engrais minéraux : avantages et inconvénients.

• Un format compact : les engrais minéraux sont beaucoup plus concentrés en éléments nutritifs que les engrais organiques. Ces éléments sont contenus dans des molécules “simples” (solubles la plupart du temps).
• Une composition précise et un mode d’action attendu : la composition des engrais minéraux est uniforme. Leur efficacité dépend plus du dosage et de la méthode d’utilisation que du type d’engrais et elle peut être élaborée sur mesure.
• Un coût écologique et économique à la production : les matières premières nécessaires à la fabrication d’engrais minéraux sont issues de gisements miniers ou gazeux. Elles peuvent nécessiter une transformation chimique consommatrice de pétrole et/ou éventuellement polluante pour l’environnement.
• Incapacité à créer de l’humus : les propriétés nutritives des engrais minéraux n’agissent que sur les cultures. Elles ne permettent pas d’intégrer de la matière organique au sol (création d’humus) et ont un faible effet sur son activité microbienne.

 

En conclusion : 

Dans le contexte mondial actuel, la fertilité naturelle des sols est insuffisante pour assurer des rendements corrects et nourrir la planète. On peut apporter les nutriments nécessaires en :

• Restituant au sol ce qui a été prélevé par la plante récoltée
• Faisant des apports fractionnés en fonction des besoins au cours du développement des cultures

Toute recommandation d’engrais inclut donc trois facteurs :

• les besoins de la culture (selon la richesse du sol)
• le maintien de la teneur en nutriments du sol
• un facteur de sécurité (limitation des fuites par évaporation et/ou entraînement par les eaux de pluies, maintien d’une réserve humique de nutriments, piégeage des excédents nitrés par des engrais verts)

 

 

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PRUVOST G., Les Dossiers de Micro & Macro – Les engrais [en ligne], Chez le Père Magraine, 26/10/2019 [consulté le XX/XX/XXXX], disponible sur : https://chezleperemagraine.com/blog/micro-macro-engrais/

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