Le cycle des cations (K, Ca, Mg)

Les cycles des cations (K, Ca, Mg)

Le potassium (K)
Le cycle du calcium (Ca)
Le cycle du magnésium (Mg)

  

Le potassium (K)

Le potassium dans le sol

Le potassium est présent exclusivement sous forme minérale. On le trouve dans le sol sous quatre formes :

  • Entrant dans la constitution des minéraux de la roche mère.
  • Inclus entre les feuillets des argiles, et donc peu échangeable.
  • Adsorbé à la surface des particules d'argile et d'humus : il sert à compenser les prélèvements effectués par les racines dans la solution du sol.
  • En solution dans l'eau du sol

Dans le sol, le potassium est libéré durant la phase de croissance du végétal à partir de la phase solide du sol. Comme pour le phosphore, le cycle du potassium est dépendant des caractéristiques physiques et chimiques du sol. Il s'agit d'un élément assez mobile mais qui peut être adsorbé sur la capacité d'échange cationique CEC des sols. Le potassium de la solution du sol est retenu par l'humus ou l'argile ; celui contenu dans les minéraux ne sera libéré que très lentement.
Les principales voies de perte de ce nutriment sont les exportations agricoles, le lessivage (plus important en sols sableux, pauvres en matière organique et de faible capacité d'échange cationique CEC) et enfin le ruissellement et l'érosion. Les voies d'entrée sont principalement les engrais minéraux et les apports organiques.

 

Cycle du potassium 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 (pailles, fanes, verts…) et autres sous-produits organiques issus des activités humaines, constitue une ressource importante pour la fertilisation.
  2. Le potassium est extrait des mines sous forme principalement de mélange de sels de sodium, de potassium et parfois de magnésium. Il subit une purification pour être transformé en engrais utilisable en agriculture.
  3. Le potassium évolue dans le sol sous sa forme minérale de cation K+. Il est peut être fixé aux argiles, adsorbé sur la capacité d'échange cationique (CEC) et soluble dans l'eau du sol.
  4. 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 potassium soluble présent dans l'eau du sol (entraînement en profondeur par l'excès d'eau du sol) est un phénomène plus important dans les sols sableux à faible CEC.
  5. L'entraînement du potassium hors de la parcelle se fait aussi par ruissellement (terrains en pente) et érosion (potassium lié aux particules solides).
  6. L'absorption racinaire des végétaux se fait exclusivement à partir du potassium K+ dissous dans la solution du sol.
  7. La récolte est transformée en nourriture (humaine ou animale), ce qui est l'objectif fondamental de l'agriculture.

 

Le potassium et la plante

Le potassium est un élément nutritif prélevé en très grande quantité par la plante. Son rôle à l'intérieur de la plante est de maintenir la turgescence et le port de la plante et de favoriser la synthèse, le transfert et l'accumulation des assimilats dans les organes de réserve. Il intervient dans la fermeture et l'ouverture des stomatesstomatesDéfinition: Organes des feuilles munis d'un petit orifice qui permet les échanges gazeux et régule la transpiration de l'eau....
des plantes par pression osmotique, mécanisme qui régule les échanges gazeux et l'intensité de 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....
. De plus le potassium active diverses enzymes.

Le potassium est absorbé par les plantes à partir d'un flux de masse et de la diffusion sous la forme de l'ion K+. La mobilité des ions K+ dans le sol, bien que supérieure à celle des ions PO43-, n'est pas très élevée (de l'ordre du centimètre). Selon la nature et les aptitudes de son système racinaire, la plante a une capacité plus ou moins grande à extraire du sol le potassium nécessaire à ses besoins. On distingue ainsi des plantes d'exigences différentes.

Toutes les cultures n'ont pas les mêmes besoins en potassium : les pommes de terre, les légumes en général et les betteraves sont plus exigeants que les céréales par exemple. Généralement l'apport en potassium est réalisé avant la plantation.

Tableau des exigences     ▶ À lire aussi

 

Solde du bilan du potassium

Le bilan Apports – Exportations ne tient pas compte des pertes par 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....
, érosion et ruissellement qui peuvent être assez importantes pour le potassium dans certaines situations. Le solde du bilan doit être positif (> 10 Kg/ha) pour couvrir les pertes annuelles et maintenir en moyenne l'état de fertilité des sols en potassium.

 

Solde du bilan K2O en France

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Le solde est en forte baisse et pour la première fois le solde national du bilan est négatif en 2008/09
et en 2009/10, cela en raison de la forte chute des apports par la fertilisation minérale.

  

Le cycle du calcium (Ca)

Dans le sol, le calcium est présent sous 3 états

  1. Minéraux essentiellement carbonatés (calcite et dolomite) et sulfatés (gypse).
  2. Adsorbé sur les particules argileuses et organiques (Capacité d'Echange Cationique).
    Même en sol acide, l'ion calcium représente la fraction la plus importante des cations échangeables.
  3. En solution dans le sol

La solubilisation de la roche calcaire dissocie le carbonate de calcium en cation Ca2+ dont il est question dans ce chapitre et en anion carbonate CO3-- dont l'effet basique est traité dans la partie « Raisonner la fertilisation » .

Raisonner la fertilisation / Le besoin en bases     ▶ À lire aussi

 

Cycle du calcium 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. Le calcium est extrait des carrières sous la forme de carbonate de calcium (roche calcaire). Broyé ou pulvérisé, il constitue un amendement minéral basique pour l'agriculture. La roche peut aussi être calcinée dans un four à chaux pour produire de la chaux vive également utilisable en agriculture.
  3. Le calcium évolue dans le sol entre les formes fixées, adsorbées et solubles.
  4. 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 calcium soluble (entraînement en profondeur par l'excès d'eau du sol) est un phénomène important dont il faut tenir compte dans l'établissement d'un bilan de fertilisation.
  5. L'entraînement du calcium hors de la parcelle se fait aussi par ruissellement (terrains en pente) et érosion (calcium lié aux particules solides).
  6. L'absorption racinaire des végétaux se fait exclusivement à partir du calcium Ca2+ dissous dans la solution du sol.
  7. La récolte est transformée en nourriture (humaine ou animale), ce qui est l'objectif fondamental de l'agriculture.

 

Rôles du calcium dans le sol

Le calcium, à l'état ionique ou au sein de composés calciques, joue dans le sol de multiples rôles dont certains sont bénéfiques sur le plan agronomique alors que d'autres peuvent avoir des effets défavorables. Parmi les effets favorables, il faut retenir :

  • action floculante sur l'argile des ions calcium, nécessaire à l'établissement d'un état structural satisfaisant et stable,
  • rôle d'échange au niveau des interfaces des colloïdes minéraux, permettant de créer des réserves en éléments nutritifs.

Parmi les effets défavorables d'un excès de calcium, on note l'insolubilisationinsolubilisationDéfinition: Action de rendre insoluble. En agronomie, on l'utilise en particulier pour désigner le passage de phosphates de l'état dissous ou assimilable à l'état insoluble (forme tricalcique apatitique)....
des composés phosphatés apportés au sol et le blocage éventuel d'oligo-éléments (en particulier le fer).

Le « calcaire actif » est la fraction du calcaire total la plus susceptible d'induire une « chlorose » chez certaines espèces cultivées (vigne, arbres fruitiers) sensibles à une solubilisation rapide du Ca2+ et une insolubilisationinsolubilisationDéfinition: Action de rendre insoluble. En agronomie, on l'utilise en particulier pour désigner le passage de phosphates de l'état dissous ou assimilable à l'état insoluble (forme tricalcique apatitique)....
du fer.

 

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 calcium

Elle provoque la désorption du calcium de la CEC et potentiellement la désaturation de la CEC par la fixation d'ion H+ à la place de Ca2+.
Les pertes en calcium par 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....
dépendent de l'intensité du drainagedrainageDéfinition: Evacuation des eaux excédentaires dans le sol par gravité (drainage naturel) ou au moyen de drains ou de fossés....
(D), d'autant plus importante que la pluviométrie (P) est forte et l'évapotranspiration (ETP) réduite.
Traditionnellement, les pertes en calcium servent à mesurer les pertes en bases liées à l'acidification des sols.
A titre d'exemple, dans un sol non calcaire ne contenant que du calcium échangeable, pour une lame d'eau draînante de 150 mm et une teneur en calcium de la solution du sol de l'ordre de 150 mg/l, la perte annuelle est de 225 kg/ha.

 

Le calcium et la plante

Le calcium est un élément nutritif indispensable aux végétaux, il est prélevé sous forme du cation Ca2+ par les racines. Ses fonctions principales sont de :

  • participer à la constitution des parois cellulaires des plantes en les rigidifiant
  • activer différentes enzymes dont la nitrate réductase assurant la réduction du nitrate en ammonium dans les feuilles
  • favoriser la croissance des jeunes racines en synergie avec les autres éléments

Contrairement au potassium, le calcium est moins mobile dans la plante. Son transfert vers des organes de réserve ou des zones de croissance peut être trop lent et induire des symptômes de carencecarenceDéfinition: Absence, présence insuffisante ou défaut d’assimilabilité d’un élément indispensable à la vie végétale. On distingue habituellement : carence vraie et carence conditionnée ou induite....
localisés. Pour pallier ce défaut nutritionnel, une fertilisation foliaire à base de calcium soluble est parfois nécessaire.

Les exportations par les récoltes varient beaucoup avec les espèces cultivées et les rendements. Elles sont généralement plus faibles que les pertes par 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....
(sauf pour certaines cultures comme la luzerne), voire très réduites s'il y a enfouissement des résidus de récolte.

  

Le cycle du magnésium (Mg)

Le magnésium dans le sol

Dans le sol, le magnésium se rencontre sous 3 états :

  1. Minéraux silicatés, argileux et carbonatés
  2. Adsorbé sur les particules argileuses et organiques (Capacité d'Echange Cationique)
  3. En solution dans le sol

Ces états sont très inégalement représentés puisque leur ratio s'établit à 1000 / 20 /1

La teneur totale des sols en magnésium est habituellement de l'ordre de 0,2 à 0,8 %, soit 10 à 40 tonnes par hectare dans la couche labourée. Les 2/3 environs se trouvent dans la fraction argileuse.

A la différence du calcium, les composés carbonatés du magnésium ne se trouvent pas en concentration suffisante pour modifier le fonctionnement du sol.

La biodisponibilitébiodisponibilitéDéfinition: Caractéristique d’une espèce chimique présente dans le sol lui conférant la possibilité d’être absorbée par une culture....
du magnésium pour la plante s'établit à partir de l'interprétation des teneurs en cations échangeables :
- le rapport K2O éch. / MgO éch. (exprimés en oxydes),
  doit être compris entre 2 et 3
- le rapport MgO éch x 100 / CEC (exprimés en cmole/kg),
  ou taux de saturation en magnésium, doit être supérieur à 5.

Dans les sols très acides, en présence d'aluminium soluble, le magnésium peut être insolubilisé par précipitation avec des composés de l'aluminium. Il est libéré dès que 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....
eau remonte, suite à un chaulagechaulageDéfinition: Désigne l’apport d’amendements minéraux basiques, calciques ou calcomagnésiens au sol afin d’améliorer ses propriétés physico-chimiques (pH, structure, Ca et Mg)....
par exemple.

Les pertes du sol en magnésium sont principalement dues aux exportations des cultures, au lessivage, au ruissellement et à l'érosion. C'est un élément plus mobile que le potassium dans le sol.

Les pertes par 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....
sont très variables suivant la nature du sol et la quantité de magnésium biodisponible. Des mesures effectuées en lysimètres ont mis en évidence, dans les sols sableux des Landes et dans les argilo-calcaires du Massif Central, des pertes pouvant atteindre 75 à 100 kg MgO / ha / an mais par ailleurs inférieures à 4 kg MgO / ha / an dans les sols de craie de Champagne.

 

Cycle du magnésium 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. Le magnésium est présent sous forme de carbonate de magnésium dans la dolomiedolomieDéfinition: Roche essentiellement constituée de carbonate de magnésium et de calcium....
    , un calcaire dur exploité en carrières. On l'extrait également sous forme d'oxyde, d'hydroxyde ou encore de sulfate de magnésium (ou kieserite) dans des mines souterraines.
  3. Le magnésium Mg2+ évolue dans le sol entre les formes fixées, adsorbées et solubles.
  4. 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 magnésium soluble (entraînement en profondeur par l'excès d'eau du sol) est un phénomène dont il faut tenir compte dans l'établissement d'un bilan de fertilisation.
  5. L'entraînement du magnésium hors de la parcelle se fait aussi par ruissellement (terrains en pente) et érosion (magnésium lié aux particules solides).
  6. L'absorption racinaire des végétaux se fait exclusivement à partir du magnésium Mg2+ dissous dans la solution du sol.
  7. La récolte est transformée en nourriture (humaine ou animale), ce qui est l'objectif fondamental de l'agriculture.

 

Le magnésium et la plante

Le magnésium est un élément absorbé par les racines des plantes sous la forme de l'ion Mg2+

Le magnésium est un élément qui joue un important rôle lié à la production d'énergie dans les plantes.
C'est un composant avec l'azote de la chlorophyllechlorophylleDéfinition: La chlorophylle est le pigment photosynthétique le plus commun du règne végétal ; il est présent chez tous les végétaux aquatiques et terrestres. Ce pigment, situé dans les chloroplastes des cellules végétales, intervient dans la photosynthèse pour intercepter l'énergie lumineuse, première étape dans la conversion de cette énergie en énergie chimique....
, une protéine complexe composée d'un noyau tétra-pyrollique avec un atome de magnésium en son centre

Le magnésium est aussi un activateur des enzymes du métabolismemétabolismeDéfinition: Ensemble des réactions chimiques de transformation de matière et d'énergie, catalysées par des enzymes, qui s'accomplissent dans toutes les cellules d'un organisme vivant, animal ou végétal, et comprenant des réactions de synthèse (anabolisme) et des réactions de dégradation (catabolisme)....
des graisses et des glucides. Il intervient également dans la translocation et la synthèse de protéines.

La nutrition des plantes : le rôle du magnésium dans les plantes     ▶ À lire aussi

 

Solde du bilan

Le bilan Apports – Exportations ne tient pas compte des pertes par 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....
, érosion et ruissellement qui peuvent être importantes pour le magnésium comme nous l'avons vu. Le solde du bilan doit être positif pour couvrir les pertes annuelles et maintenir en moyenne l'état de fertilité des sols en magnésium.

 

Solde du bilan MgO en France

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Source UNIFA - Les cycles – Bilan régionaux de fertilisation en France 1988-2010

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Les soldes sont faibles au regard des pertes possibles de magnésium. Ils représentent des valeurs moyennes qui cachent des disparités très importantes au sein des grandes régions, entre exploitations et même entre parcelles.