Le cycle de l'azote (N)

Le cycle de l’azote (N)

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Les plantes s'alimentent dans le sol à partir d'azote minéral et le transforment en protéines, composants essentiels de la vie pour l'homme et les animaux.
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L'azote est présent dans la nature sous deux états :

  • à l'état libre, sous forme de N2, où il constitue 78 % de l'air que nous respirons,
  • à l'état combiné, sous forme minérale – ammoniaque, nitrite, nitrate – ou sous forme organique.

 

Cycle de l'azote en agriculture

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  1. Le recyclage d'éléments nutritifs contenus dans les matières organiques de toute nature : effluents d'élevage, résidus de culture et autres sous-produits organiques issus des activités humaines, constitue une ressource importante pour la fertilisation.
  2. Seuls des organismes appartenant au groupe des procaryotes peuvent réduire l'azote en une forme recombinée assimilable. Les rhizobia appartiennent à ce groupe. Les systèmes fixateurs les plus efficaces sont des symbioses, qui réalisent un couplage entre la fixation de l'azote et la photosynthèsephotosynthèseDéfinition: La photosynthèse végétale consiste à réduire le dioxyde de carbone de l'atmosphère par l'eau absorbée par les racines à l'aide de l'énergie solaire captée par les feuilles, en présence de sels minéraux, avec libération d'oxygène, afin de produire des glucides....
    . La symbiose rhizobium-légumineuselégumineuseDéfinition: Famille de plantes dicotylédones dont le fruit est une gousse ( pois, haricots, luzerne, trèfle, soja…)....
    est la plus importante. La quantité d'azote fixé par cette symbiose est très significative. Au niveau mondial, la culture du soja et de l'ensemble des légumineuselégumineuseDéfinition: Famille de plantes dicotylédones dont le fruit est une gousse ( pois, haricots, luzerne, trèfle, soja…)....
    s entraine la fixation d'une quantité d'azote équivalente à 25% de l'azote des engrais.
  3. La synthèse de l'ammoniac utilise le gaz naturel et l'eau pour produire du dihydrogène (H2) et le combiner au diazote (N2) présent dans l'atmosphère pour former l'ammoniac (NH3), matière première des grands engrais azotés. L'engrais azoté peut contenir de l'azote sous forme uréique, ammoniacale, nitrique ou un mélange de ces formes. Il est proposé sous forme liquide (solution azotée) ou granulée (urée, ammonitratesammonitratesDéfinition: Texte à venir......
    ).
  4. L'organisation microbienne transforme l'azote minéral en matière organique. L'activité des bactéries du sol est principalement stimulée par l'ammonium. L'azote organique n'est pas directement assimilable par les plantes ; il doit d'abord être minéralisé. La minéralisationminéralisationDéfinition: Transformation de la matière organique qui conduit à la formation de sels minéraux où les éléments fertilisants deviennent solubles et accessibles aux plantes....
    de la matière organique du sol (et des effluents) produit de l'ammonium.
  5. La nitrification par les bactéries du sol transforme l'ammonium en nitrate dans un délai pouvant aller de quelques jours à quelques semaines. Des pertes sous formes de protoxyde d'azote ou d'oxyde d'azote peuvent survenir durant ce processus.
  6. La lixiviationlixiviationDéfinition: Processus au cours duquel l'eau de ruissellement passe au travers des pores du sol (percolation) en entraînant par dissolution certains sels, ions ou substances solubles....
    du nitrate (le terme de lessivage est impropre) est un entraînement en profondeur par l'eau du sol. Cela se produit principalement en hiver lorsque l'excès d'eau fait migrer le nitrate hors de portée des racines. Une fertilisation ajustée contribue à prévenir le risque de lixiviationlixiviationDéfinition: Processus au cours duquel l'eau de ruissellement passe au travers des pores du sol (percolation) en entraînant par dissolution certains sels, ions ou substances solubles....
    pendant la période d'interculture.
  7. La dénitrification a lieu lorsque les micro-organismes manquent d'oxygène (stagnation de l'eau et compactage du sol). Lors de ce processus, les bactéries du sol transforment le nitrate (et les nitrites) en diazote gazeux (N2) et plus marginalement en protoxyde d'azote (N2O) et oxydes d'azote (NOX) qui rejoignent l'atmosphère.
  8. L'hydrolyse de l'urée par les enzymes du sol convertit l'urée en ammonium et en CO2. En fonction de la température, l'hydrolyse est plus ou moins rapide (d'une journée à une semaine). Le pHpHDéfinition: Notation qui rend compte de la concentration en ions H+ du milieu et désigne ainsi le caractère très acide (pH 4 à 5,5), acide (5,5 à 6,8), neutre (6,8 à 7,2) ou alcalin (supérieur à 7,2) d’un sol....
    du sol autour des granulés d'urée augmente de manière significative durant le processus, favorisant ainsi la volatilisationvolatilisationDéfinition: Perte d’azote, à partir du sol ou d’une matière fertilisante, par dégagement direct dans l’atmosphère de N2, d’oxyde d’azote ou d’ammoniac....
    de l'ammoniac produit au cours de la réaction. Un niveau de pHpHDéfinition: Notation qui rend compte de la concentration en ions H+ du milieu et désigne ainsi le caractère très acide (pH 4 à 5,5), acide (5,5 à 6,8), neutre (6,8 à 7,2) ou alcalin (supérieur à 7,2) d’un sol....
    du sol élevé favorise cette transformation. Si cela se produit à la surface du sol, les pertes sont plus importantes. Ces deux conditions sont remplies lorsque l'urée est épandue en plein mais n'est pas immédiatement incorporée au sol.
  9. L'assimilation de l'ammonium par les racines est plus lente que celle du nitrate. L'ammonium de charge positive (NH4+) est adsorbé sur la capacité d'échange cationique (CEC) du sol, et les racines doivent l'atteindre. La majeure partie de l'ammonium est transformée en nitrate avant absorption par les plantes.
  10. L'assimilation du nitrate est rapide en raison de sa forte mobilité en solution dans l'eau du sol. La majorité des cultures annuelles utilisent préférentiellement le nitrate à l'ammonium.
  11. La récolte est transformée en nourriture (humaine ou animale), ce qui est l'objectif fondamental de l'agriculture.

 

L'azote dans le sol

Les réserves azotées du sol se trouvent à l'état organique sous forme d'humus ou MOS (matières organiques des sols) qui contiennent environ 5% d'azote. Chaque année, sous climat tempéré, 1 à 2% des réserves d'azote organique passent à l'état nitrique disponible pour la plante : c'est la minéralisationminéralisationDéfinition: Transformation de la matière organique qui conduit à la formation de sels minéraux où les éléments fertilisants deviennent solubles et accessibles aux plantes....
, qui intervient quand la température du sol est suffisamment élevée à partir du mois de mars. La dénitrification peut être causée par certains micro-organismes qui réduisent les nitratesnitratesDéfinition: Sel de l’acide nitrique apportant l’azote sous forme nitrique NO3- ....
en différents oxydes d'azote, puis en azote gazeux qui retourne dans l'atmosphère.

La volatilisationvolatilisationDéfinition: Perte d’azote, à partir du sol ou d’une matière fertilisante, par dégagement direct dans l’atmosphère de N2, d’oxyde d’azote ou d’ammoniac....
d'ammoniac gazeux (voir ci-dessus) peut être abondante, surtout dans les sols à pHpHDéfinition: Notation qui rend compte de la concentration en ions H+ du milieu et désigne ainsi le caractère très acide (pH 4 à 5,5), acide (5,5 à 6,8), neutre (6,8 à 7,2) ou alcalin (supérieur à 7,2) d’un sol....
élevé et en sol sec. Elle est beaucoup plus importante avec les effluents d'élevage : 10 à 90 % de l'azote ammoniacal contenu dans les fumiers et les lisiers peuvent se volatiliser dans l'atmosphère et participer à sa pollution. On peut réduire ces pertes par enfouissement des déjections dans le sol. L'azote subit des transformations dans le sol dépendant aussi de la forme d'engrais apportée. Alors que le nitrate est absorbé directement par la plante, ammonium et urée doivent au préalable évoluer vers la forme nitrate. Les pertes au cours de ces transformations sont minimales avec les nitratesnitratesDéfinition: Sel de l’acide nitrique apportant l’azote sous forme nitrique NO3- ....
et plus élevées avec l'urée.

 

L'azote et la plante

L'azote nitrique

Le nitrate (NO3-) est facilement absorbé par les plantes et est directement disponible. Il est mobile dans le sol et atteint rapidement la racine des plantes. L'apport d'azote sous forme d'ammonitrate constitue ainsi une source d'azote directement assimilable (50% de l'azote apporté est sous forme nitrique).

Chargé négativement, l'ion nitrate est souvent accompagné d'autres nutriments tels que le calcium (Ca2+), le magnésium (Mg2+) ou le potassium (K+)

Il est important de noter que la quasi-totalité de l'azote dans le sol, qu'il soit appliqué sous forme organique, d'urée ou d'ammonium, est transformé en nitrate avant que les plantes ne l'assimilent. Appliquer le nitrate directement permet d'éviter les pertes causées par la transformation de l'urée en ammonium et de l'ammonium en nitrate.

 

L'azote ammoniacal

L'ammonium (NH4+) n'est absorbé directement par la culture qu'en faible quantité (sauf le riz qui peut absorber la totalité de ses besoins sous forme ammoniacale). Chargé positivement, le cation ammonium se fixe sur les minéraux du sol et est moins mobile que l'ion nitrate (NO3-). Les racines doivent donc être proches de l'ammonium pour l'absorber. La majeure partie de l'ammonium est transformée en nitrate par les bactéries du sol. Ce processus de nitrification dépende de la température et peut prendre une à plusieurs semaines.

Une autre partie de l'ammonium est immobilisée par la microflore du sol sous forme de biomasse microbienne et de matière organique et sera reminéralisée à plus ou moins longue échéance.

 

L'azote uréique

Il n'est pas assimilé directement par la racine des plantes en quantité importante. Il doit avant tout être hydrolysé en ammonium par les enzymes du sol. Cela peut prendre entre une journée et une semaine selon la température et l'humidité du sol
Le devenir de l'ammonium provenant de l'hydrolyse de l'urée est différent de celui de l'ammonium issu d'un apport direct d'ammonitrate. En effet, l'hydrolyse de l'urée induit temporairement une très forte augmentation de pHpHDéfinition: Notation qui rend compte de la concentration en ions H+ du milieu et désigne ainsi le caractère très acide (pH 4 à 5,5), acide (5,5 à 6,8), neutre (6,8 à 7,2) ou alcalin (supérieur à 7,2) d’un sol....
dans le voisinage immédiat du granulé d'urée. L'équilibre physico-chimique entre l'ammonium (NH4+) en solution dans le sol et l'ammoniac (NH3) gazeux est déplacé au profit de ce dernier et aboutit alors à des pertes d'azote par volatilisationvolatilisationDéfinition: Perte d’azote, à partir du sol ou d’une matière fertilisante, par dégagement direct dans l’atmosphère de N2, d’oxyde d’azote ou d’ammoniac....
d'ammoniac. Cette volatilisationvolatilisationDéfinition: Perte d’azote, à partir du sol ou d’une matière fertilisante, par dégagement direct dans l’atmosphère de N2, d’oxyde d’azote ou d’ammoniac....
peut être atténuée par l'utilisation d'un inhibiteur d'uréaseuréaseDéfinition: Enzyme qui catalyse la transformation de l'urée en dioxyde de carbone et ammoniac. Elle est présente chez de nombreuses bactéries, levures et chez certaines plantes.On la trouve en abondance dans les sols avec une plus forte activité dans la rhizosphère....
.

Ces pertes sont la raison principale de la plus faible efficacité de l'azote uréique souvent observée. C'est également la raison pour laquelle il est recommandé, dans la mesure du possible, d'incorporer l'urée dans le sol au moment de l'épandage.

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Solde du bilan de l'azote

Depuis les années 80, la baisse de l'émission est de 5% sous forme de NH3 et de 41% sous forme de NOx. Cette baisse a été corrélée aussi avec les données de déposition de l'azote en France (source EMEP/EEA). Sous l'hypothèse d'une répartition uniforme sur tout le territoire national, l'ordre de grandeur de la déposition d'azote en 2008 serait de 11 Kg de N/ha/an.

La diminution de l'utilisation des engrais azotés depuis une vingtaine d'années a contribué à la diminution de 12% du total des apports en élément N par rapport à la première campagne analysée. Les engrais minéraux ont diminué de 18% et les excrétions des animaux de 8%.
Il en résulte une baisse du bilan apport – export puisque les rendements n'ont pas décru (sauf en 2003)

 

Répartition des apports d'azote sur la moyenne
des 3 dernières campagnes 2008 - 2010

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Évolution du solde du bilan d'azote des sols agricoles

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