Pour toute exploitation agricole, l'augmentation de l'efficacité de la fertilité des sols est d'une grande importance. Les sols contiennent une quantité énorme de nutriments — concentrés dans le compost (humus), les résidus organiques d'origine végétale et les composés minéraux. Les réserves approximatives d'humus, d'azote et d'acide phosphorique pour différents sols sont les suivantes (tableau 1).
| Sols | Couche 0-20 cm | Couche 0-100 cm | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Humus | N | P₂O₅ | Humus | N | P₂O₅ | |
| Chernozems puissants | 160 | 11,0 | 2,7 | 700 | 36,0 | 11,9 |
| Chernozems ordinaires | 140 | 7,0 | 2,4 | 500 | 25,0 | 8,5 |
| Podzols | 50 | 3,2 | 0,8 | 100 | 6,6 | 1,7 |
| Serazems | 40 | 3,7 | 0,7 | 80 | 7,5 | 1,4 |
L'azote dans le sol est principalement concentré dans le compost, représentant en moyenne 5-6 % ; une petite partie est présente sous forme de composés minéraux. Une quantité significative de phosphore est également contenue dans des composés organiques. Par exemple, dans les podzols, le phosphore organique représente 20-25 % de la quantité totale, tandis que dans les chernozems, il est d'environ 50 %. Le potassium dans les sols est principalement sous forme minérale. La teneur totale en potassium, calculée en tant que K₂O, atteint 60-80 tonnes par hectare.
Si l'on considère que pour un rendement de blé de 40 centners par hectare, 80-120 kg d'azote, 40-50 kg de phosphore et 56-60 kg de potassium sont utilisés, alors les réserves dans la couche de 20 centimètres des chernozems peuvent garantir un tel rendement pendant 80-120 ans, tandis que les réserves des podzols et des serazems peuvent durer 30-50 ans. Une couche d'un mètre des podzols et des serazems peut fournir de l'azote pour des rendements agricoles élevés pendant 130-150 ans, la même couche de chernozems pendant 500-700 ans, et les terres drainées jusqu'à 2500-2800 ans. Il existe encore plus d'années de réserves de phosphore et de potassium dans les sols minéraux.
Une certaine quantité d'azote, de phosphore, de potassium et d'autres éléments nutritifs dans le sol est contenue dans les résidus végétaux (racines, résidus post-récolte). La plus grande quantité de ces résidus (jusqu'à 250 tonnes par hectare) est trouvée dans les sols vierges. Bien que la quantité de nutriments dans les résidus végétaux soit relativement faible, il est précieux que ces substances se transforment rapidement en des composés facilement assimilables par les plantes.
L'activation de la transformation du compost et des résidus végétaux par une culture du sol appropriée et des techniques agricoles est un facteur crucial pour augmenter les rendements dans le pays. Cependant, le principal moyen d'augmenter les récoltes totales de produits agricoles, en particulier dans les zones à sols podzoliques et lessivés, sont les engrais organiques - le fumier, la tourbe et divers composts. Leur utilisation augmente souvent et même triple le rendement des cultures agricoles.
Contenu et composition de la matière organique dans le sol
Il est connu que les sources de matière organique dans les sols sont les résidus végétaux et les micro-organismes, ainsi que le fumier et les composts. Ces matériaux, qui forment ensuite le compost du sol, sont chimiquement composés de glucides et de substances apparentées (monosaccharides, di- et trisaccharides, polysaccharides), du lignine, de composés azotés (matières protéiques, acides aminés, amidés, alcaloïdes, chlorophylle, glucosides), des lipides et de substances apparentées (acides palmitique, stéarique, oléique, linoléique et linolénique, lécithines, phytostérols, cire), des résines et des terpènes, du subérine, de la cutine, des sporopollenines, ainsi que des substances minérales des plantes.
Les résidus végétaux dans le sol, soumis à divers processus de transformation, se décomposent pour former des composés simples (H₂O, CO₂, NH₃, HNO₃, etc.) ou se transforment en formes plus inertes de matière organique.
Le début d'une étude plus approfondie de la composition et de la nature du compost a été posé par Sprengel en 1826, qui a obtenu de grands succès dans ses recherches sur le compost. L'étude ultérieure de la composition et de la nature du compost du sol est associée aux noms de Berzelius, Mulder, Herman, Schreiner, Shori, Trusov, Sven-Oden, Shmuk, Williams, Waksman, Tyurin, Kononova et de nombreux autres.
Les substances compostées du sol appartiennent à un type particulier de composés organiques à grande molécule avec une composition chimique très compliquée qui n'a pas encore été déchiffrée avec précision ; ils sont formés par les bactéries et les champignons du sol.
En fonction du type biologique de synthèse et de décomposition de la matière organique dans le sol, V.R. Williams distingue trois groupes d'acides compostés organiques :
- Humiques (le groupe des acides compostés noirs) — produits par des bactéries aérobies.
- Ulminiques (acides compostés bruns) — produits par des bactéries anaérobies.
- Humiques, ou acides fulviques (le groupe des acides compostés incolores) — synthétisés par des champignons caractéristiques des plantations forestières, et sous certaines conditions, ces acides peuvent se transformer en acides apocreniques.
Le processus de formation du compost du sol comprend la décomposition des résidus végétaux et d'autres formes de matière organique morte en des composés plus simples oxydés ou réduits ; d'autre part, il se déroule comme la synthèse d'acides compostés de nature très complexe. Les processus de formation du compost — décomposition et synthèse — sont le résultat de l'activité enzymatique des micro-organismes du sol.
Les spécialistes de ce domaine affirment que le compost du sol est un complexe très complexe et dynamique de nombreuses substances très diverses en termes de leur nature chimique. Ce complexe comprend quatre groupes de substances : des substances organiques de résidus non décomposés de plantes et d'animaux, des substances organiques de micro-organismes vivants et de morts non décomposés, des produits intermédiaires de décomposition de complexes composés organiques, des substances humiques et des asphaltes comme produits de processus de synthèse physico-chimique et enzymatique extracellulaire uniques.
La composition chimique du compost est caractérisée par les groupes suivants de composés :
Substances humiques
Ce groupe comprend les substances caractéristiques du compost du sol, soluble et insoluble dans les alcalis, de couleur foncée, représentant des acides oxycarboxyliques à grande molécule avec des propriétés colloïdales prononcées. Une propriété commune de ces substances est leur grande stabilité contre l'hydrolyse acide et leur insolubilité dans l'acétyl-bromure, ce qui distingue nettement ces substances de la plupart des substances d'origine végétale, y compris le lignine, avec lequel les substances humiques partagent la propriété de stabilité contre l'hydrolyse acide.
Le contenu le plus faible en substances humiques (environ 45-50 % du contenu total du compost) correspond aux sols podzoliques acides, tandis que le contenu le plus élevé (70-90 %) correspond aux chernozems et aux sols de prairie-marécage ; les sols compost-carbonatés et les sols bruns forestiers occupent une position intermédiaire.
Les substances humiques sont encore divisées en trois groupes :
- Substances humiques insolubles dans les alcalis.
- Acides humiques solubles dans les alcalis et insolubles dans l'éthanol.
- Acide hématomélanique soluble dans l'éthanol.
En ce qui concerne le contenu total du compost dans les sols d'Ukraine, les acides humiques représentent de 10,1 % (sols forestiers lessivés) à 40 % (chernozems lessivés).
L'acide humique des sols et des tourbières contient du carbone, de l'oxygène, du hydrogène, de l'azote et de la cendre. Le contenu en azote est de 3,5 à 4 %. Dans les produits d'hydrolyse de l'acide humique, Suzuki et Shmuk ont trouvé des acides aminés (alanine, acide aminovalérique, proline, leucine, acide aspartique, acide glutamique, tyrosine, histidine), des amidés et de l'azote du résidu non hydrolysable. Cependant, seulement la moitié de l'azote total de l'acide humique est capable de cleavage hydrolytique.
On pense que, en termes de matière sans cendre et sans azote, l'acide humique du sol contient 58,8 % de carbone, 36,1 % d'oxygène, 5,1 % d'hydrogène, tandis que l'acide hématomélanique contient 59 % de carbone, 36 % d'oxygène et 5 % d'hydrogène.
Substances non humiques
(lignine, cellulose, hemicellulose, protéines, produits de décomposition de faible poids moléculaire). En ce qui concerne le contenu total du compost, la teneur en lignine dans les sols minéraux est de 5 à 10 pour cent.
Comparativement aux hemicelluloses, la cellulose est présente en quantité beaucoup plus faible dans les sols, ce qui s'explique par la propriété des résidus végétaux de cellulose à se décomposer. Dans les horizons supérieurs des sols, la teneur en cellulose dans le compost représente de 1 à 6-7 pour cent.
La teneur totale en azote dans le compost est en moyenne d'environ 5 %. Seule une petite partie de l'azote organique se dissout dans l'eau. Bien que, après hydrolyse, une partie significative de l'azote (sous forme d'acides aminés et d'amides) passe dans une solution acide, on pense néanmoins que une partie de l'azote est liée dans des composés autres que les protéines d'origine végétale et animale.
Asphaltes
(graisses, résines, cires, acides gras, etc.). La teneur de ces substances dans les sols en ce qui concerne le contenu total du compost varie de 5 % (dans les sols aérés) à 15-20 % (dans les sols où la décomposition se produit dans des conditions anaérobies).
Shori et Martin, Waksman, Norman, Bartolomew ont conclu que de 10 à 30 % du carbone des substances organiques est présent dans le sol sous forme de polyuronides. Kodjima a montré que près de 25 % de l'azote des substances organiques du sol est sous forme de composés qui ne se dissolvent pas lors de l'hydrolyse, environ 30 % est sous forme d'acides aminés, 10 % de l'azote est sous forme d'ammoniac, et les 20 % restants sont sous d'autres formes en solution.
Le contenu de la leucine, de l'isoleucine et de la valine par rapport au contenu total en azote des acides aminés est de 33 %, les acides aminés oxycarboxyliques sont environ 20 % et les acides aminés dicarboxyliques sont environ 25 %. Les acides aspartique, glutamique et, éventuellement, les acides oxiglutamiques représentent environ 50 % des acides aminés dicarboxyliques.
E. Russell a noté que parmi les composés organiques du phosphore dans le sol, on trouve l'acide phytique, les composés d'acide nucléique et les nucléotides. Dans les sols de l'Iowa, environ 40-50 % des composés organiques de phosphore ont été hydrolysés en phosphates, dont environ 66 % était de l'acide phytique. On pense que le soufre dans le sol est présent sous forme de cystéine et de cystine, qui sont des composants des protéines des résidus végétaux.
Depuis Liebig, les scientifiques affirment que le compost du sol sert de source directe de nutriments minéraux. Parmi ces substances, en plus du CO₂, une grande importance est accordée à l'NH₃ et aux nitrates, aux phosphates, aux sulfates et autres composés minéraux nécessaires à l'alimentation des plantes.
Dans les chernozems, la quantité de CO₂ libérée varie de 15 à 77 kg/ha par jour, tandis que lors de la décomposition de la couche de gazon des sols de prairie, elle est de 20,0 à 240 kg/ha. Récemment, il a été démontré que le dioxyde de carbone du sol est assimilé par les systèmes racinaires des plantes.
Les recherches de nombreux scientifiques ont montré que la décomposition du compost sur les champs en jachère dans les sols podzoliques entraîne l'accumulation de nitrates en quantité de 0,5 à 1 tonne, alors que dans les chernozems, elle peut atteindre jusqu'à 2,5 tonnes de salpêtre par hectare.
Différents composés organiques, une partie significative desquels peut être formée dans le sol sous forme de produits de décomposition intermédiaires, tels que la créatinine, l'arginine, l'histidine, la guanine, la xanthine, l'hypoxanthine et l'acide nucléique, peuvent être assimilés par les plantes au lieu des nitrates et de l'ammoniac, les sucres — en tant que source de carbone, la lécithine et la cystine — en tant que sources de phosphore et de soufre.
Le contenu de matière organique dans le sol augmente proportionnellement à l'apport de résidus végétaux, mais dépend de la nature de l'apport. La source la plus importante de matière organique dans les sols bien cultivés est le fumier et les composts.
La vitesse de décomposition de la matière organique dans le sol dépend de la composition des résidus végétaux ou des engrais organiques, de l'aération, de l'humidité, de la température, et des propriétés chimiques et physiques du sol.
Différents sols contiennent des quantités inégales de matière organique, comme le montrent les données du tableau 2.
| Sols | Contenu en compost dans la couche supérieure, % | Quantité totale de compost par 1 m², kg | Quantité totale de compost par 1 ha, t |
|---|---|---|---|
| Serazems | 1-2 | 5 | 50 |
| Sols brun-rouge (bruns semi-désertiques) | 1,5-2 | 10 | 100 |
| Sols brun foncé (et chernozems méridionaux) | 3-4 | 20-25 | 200-250 |
| Chernozems ordinaires | 7,8-8 | 40-50 | 400-500 |
| Chernozems puissants | 10 | 80 | 800 |
| Chernozems lessivés | 8-7 | 60-50 | 600-500 |
| Sols forestiers-steppe lessivés | 4-6 | 15-30 | 150-300 |
| Sols podzoliques de la zone forestière nordique | 3-4 | 8-12 | 80-120 |
| Sols rouges, bruns et lessivés | 4-6 | 15-30 | 150-300 |
| Sols compost-carbonatés des régions forestières | 4,8-8 | 20-40 | 200-400 |
| Sols de prairie de montagne | 25 | 30 | 300 |
La tâche fondamentale de l'agriculture consiste à utiliser et à réguler rationnellement le contenu de compost dans le sol par le travail du sol, la rotation des cultures, l'apport de fumier et de composts, l'engrais vert, la tourbe, la drainage et l'irrigation, et l'utilisation d'engrais organiques et organo-minéraux artificiels.
Le travail du sol intensifie la décomposition du compost, ce qui est particulièrement notable dans la culture des cultures en rangées. Différentes plantes augmentent le contenu de matière organique dans le sol. L'apport systématique de fumier ou de composts augmente significativement le contenu de compost dans le sol.