Physiologie animale
Composition chimique et minéralogique des sols
Parmi les éléments chimiques nécessaires à la physiologie végétale et animale, seuls le carbone, l’oxygène, l’hydrogène, l’azote et, dans une certaine mesure, le soufre proviennent de l’air et de l’eau. Les autres éléments essentiels sont obtenus à partir des minéraux du sol. Les propriétés minéralogiques des sols sont dérivées du matériau géologique dans lequel le sol est formé. Un apport insuffisant d’un élément essentiel limite la croissance des plantes. Les limitations les plus fréquentes résultent d’une insuffisance d’azote, de phosphore, de potassium, de calcium ou de magnésium disponibles pour les plantes.
Pratiquement aucun azote n’est présent dans les minéraux du sol. L’azote pénètre dans le sol sous forme d’ammonium et de nitrate dissous dans l’eau de pluie ou par fixation à partir de l’air par des microbes fixateurs d’azote. Certains microbes fixateurs d’azote présents dans le sol sont symbiotiques et l’azote qu’ils extraient de l’air est incorporé à leur hôte, une légumineuse. D’autres microbes fixateurs d’azote ne sont pas symbiotiques et l’azote qu’ils extraient de l’air est incorporé dans leurs cellules. L’azote est concentré dans les résidus organiques des couches superficielles du sol. Au fur et à mesure que les résidus organiques se décomposent, des formes inorganiques d’azote sont libérées dans la solution du sol et deviennent disponibles pour les plantes en croissance, s’infiltrent dans les eaux souterraines pendant les périodes de précipitations excessives ou retournent dans l’air sous forme d’azote gazeux pendant les périodes où le sol est saturé d’eau. Les teneurs en azote disponible pour les plantes dans le sol sont transitoires et étroitement liées aux fournitures de résidus organiques.
Le phosphore n’est présent que dans quelques minéraux. Les phosphates de fer et d’aluminium sont extrêmement insolubles et ne libèrent pas le phosphore assez rapidement pour permettre une croissance rapide des plantes. Le taux de libération est si lent que les sols à forte teneur en fer et en aluminium ont tendance à absorber le phosphate appliqué comme engrais et à diminuer sa disponibilité pour les plantes. L’apatite, un minéral phosphate de calcium plus soluble capable de fournir du phosphore disponible pour les plantes, est une source commune de phosphore et souvent présente dans le calcaire.
Le potassium est présent dans les minéraux mica et feldspath. Ces minéraux se décomposent assez facilement dans l’environnement du sol et sont par conséquent rarement présents dans les matériaux qui ont été transportés et déposés à plusieurs reprises sur la surface terrestre.
Le calcium et le magnésium sont les plus abondants dans les minéraux carbonatés associés au calcaire et à certains grès. Les minéraux carbonatés sont également relativement instables lorsqu’ils sont soumis aux intempéries et ne sont donc présents que dans les sédiments géologiques récents, le calcaire et certains grès.
Le pH du sol est une mesure de l’acidité ou de l’alcalinité de l’eau dans le sol et a un effet direct sur la rapidité avec laquelle de nombreux éléments essentiels sont disponibles pour les plantes en croissance. En l’absence de minéraux carbonatés, les sols des tropiques humides ont une réaction acide et seules des quantités limitées d’éléments essentiels présents dans le sol sont disponibles pour la croissance des plantes. Les sols acides, dont le pH est inférieur à 5,2 environ, présentent également une concentration d’ions aluminium qui est toxique pour certaines plantes cultivées, mais pas toutes. Des ajouts de chaux (carbonates de calcium et de calcium:magnésium finement moulus) sont souhaitables et souvent nécessaires pour réduire ou éliminer la toxicité de l’aluminium et augmenter la disponibilité des éléments essentiels pour la plupart des plantes cultivées qui poussent dans des sols acides.
Le taux auquel les éléments essentiels du sol sont disponibles pour les plantes est essentiel pour comprendre la fertilité du sol. Les plantes extraient les éléments dont elles ont besoin du sol sous forme d’ions inorganiques dans la solution du sol. La quantité de chaque élément essentiel dans le sol qui est disponible pour les plantes change rapidement en fonction de la teneur en humidité du sol et dépend également de la vitesse à laquelle les composés organiques se décomposent pour libérer les éléments liés organiquement sous forme d’ions inorganiques disponibles. Moins de 1 % environ de la quantité totale de la plupart des éléments essentiels du sol est présent sous une forme disponible. Les espèces végétales diffèrent grandement quant à la vitesse à laquelle elles doivent acquérir les éléments essentiels pour une croissance adéquate. La vitesse à laquelle les éléments nutritifs deviennent disponibles influence les communautés végétales naturelles et est directement liée à la production alimentaire humaine. La plupart des cultures destinées à l’alimentation humaine ont besoin de 90 à 120 jours pour arriver à maturité. Les cultures alimentaires doivent avoir un taux de disponibilité des nutriments plusieurs fois supérieur à celui requis par les écosystèmes indigènes. Une culture céréalière à haut rendement de riz, de blé ou de maïs doit acquérir environ autant de phosphore en 90 jours que les arbres en acquièrent sur la même surface en plus de 20 ans. En outre, les racines des arbres pénètrent généralement plus profondément et exploitent un plus grand volume de sol que les cultures vivrières. Par conséquent, la concentration des éléments nutritifs disponibles près de la surface du sol doit être considérablement plus élevée pour répondre adéquatement aux besoins d’une culture alimentaire que pour soutenir la croissance des arbres.
Les humains récoltent et transportent leurs cultures alimentaires jusqu’à un domicile situé à une certaine distance du site où la culture a été effectuée. Souvent, la partie graine de la plante est consommée et seules les tiges, les feuilles et les racines de la plante cultivée, moins riches en nutriments, sont retournées au sol sous forme de résidus organiques. Des quantités considérables de résidus organiques sont nécessaires pour fertiliser une plante cultivée, car ces résidus se décomposent lentement pour libérer les ions inorganiques nécessaires à la croissance des cultures. La pratique courante de brûler les résidus facilite la croissance rapide des cultures en libérant les nutriments liés aux matières organiques.
Historiquement, les humains ont peuplé des zones de sol avec des niveaux élevés de fertilité minérale. Il s’agit généralement de matériaux ignés ou volcaniques de composition minérale de base, de roches sédimentaires telles que le calcaire riche en calcium, magnésium et phosphore, et de plaines d’inondation récentes fréquemment renouvelées par des dépôts de matériaux dérivés de matériaux géologiques fertiles et de sols de surface érodés. Lorsque la composition minérale des sols ne contient que de faibles quantités d’éléments essentiels et qu’une grande quantité de biomasse naturelle à croissance lente est présente, un système de production alimentaire connu sous le nom de culture sur brûlis est pratiqué. Bien que certains éléments essentiels soient volatilisés et perdus, le feu est la principale méthode pour décomposer rapidement la matière organique et créer une courte période pendant laquelle les nutriments contenus sont rapidement disponibles sous forme d’ions inorganiques. Si la biomasse est suffisante, au moins une culture peut être réalisée avec succès dans les 90 jours suivant le brûlage. S’il est correctement effectué, le brûlage permet également d’obtenir une température de surface du sol suffisamment élevée pour réduire la concurrence des mauvaises herbes en tuant la plupart des graines de ces dernières près de la surface du sol. Une deuxième et une troisième culture sont souvent possibles avant que l’approvisionnement disponible en éléments essentiels ne soit exporté du champ sous forme de nourriture humaine et que le taux de disponibilité des nutriments ne soit réduit à un point où les rendements des cultures sont faibles et⧸ou les mauvaises herbes deviennent un problème majeur. Après que l’agriculteur a abandonné ces terres, une succession de communautés indigènes capables de se développer avec des taux plus faibles de flux de nutriments provenant du sol envahit le site. Après quelques années, la végétation indigène à croissance lente acquiert suffisamment de nutriments dans sa biomasse pour pouvoir être à nouveau coupée, séchée et brûlée afin d’obtenir un site pour une autre brève séquence de plantes cultivées. Cette méthode de gestion de la disponibilité des nutriments présente de nombreuses variantes parmi les différentes cultures indigènes. Seules de faibles densités de population humaine peuvent être maintenues par l’agriculture sur brûlis en raison des longues périodes de temps (généralement entre 10 et 30 ans et inversement proportionnelles à la fertilité minérale du sol) qu’il faut laisser à la végétation naturelle pour accumuler des quantités suffisantes d’éléments essentiels nécessaires à la fertilisation d’une culture vivrière après le brûlage. Lorsque les animaux domestiques sont autorisés à brouter de grandes surfaces de végétation indigène, les éléments essentiels concentrés dans leurs excréments sont souvent collectés et utilisés pour fertiliser de petites surfaces de cultures vivrières. Dans les régions où les infrastructures permettent d’exporter les cultures et d’importer les éléments essentiels sous forme d’engrais concentrés, la production continue de cultures vivrières est pratiquée même sur les sols les plus chimiquement infertiles. De nombreuses combinaisons et variations de ces stratégies existent actuellement dans les régions tropicales humides.