Pertes de nutriments

Les cycles biogéochimiques des agroécosystèmes ne sont pas des circuits fermés : des nutriments y entrent, depuis l'atmosphère, ou par les apports d'engrais et d'amendements faits par les agriculteurs, et des nutriments en sortent : par exportation des récoltes, par lixiviation, par érosion mais aussi par pertes gazeuses.

La lixiviation correspond à l'entrainement sous forme dissoute des nutriments, par l'eau qui draine à travers le profil. L'eau se charge d'ions lors de son passage à travers le sol, et emmène ces ions jusqu'aux nappes phréatiques et eaux de surface. Lorsqu'un nutriment est présent sous forme dissoute dans la solution du sol, non retenu par le complexe d'échange ou par des liaisons plus fortes avec les minéraux, et que la pluviométrie excède les prélèvements d'eau par les plantes et les pertes d'eau par évaporation, il a de fortes chances d'être lixivié.

La lixiviation est donc particulièrement importante dans les zones à climat pluvieux, et surtout dans les cas où le sol est à nu pendant des périodes pluvieuses et où il n'y a pas de racines pour prélever les nutriments et les maintenir ainsi dans l'écosystème. Elle affecte particulièrement des ions comme le nitrate, les formes organiques solubles d'azote ou dans une moindre mesure le potassium, qui ne se fixent que peu aux minéraux du sol et au complexe d'échange et sont donc mobiles, faciles à entraîner. Elle n'affecte par contre que peu les phosphates qui sont trop peu mobiles. Mais les flux les plus importants de nutriments lixiviés concernent généralement les cations comme le calcium et le magnésium : c'est alors un symptôme de l'acidification des sols.

L'érosion du sol d'une parcelle correspond au détachement et au transport par l'eau ou le vent de particules de ce sol, qui sont redéposées ailleurs sous forme de sédiments. Or ces particules, qui peuvent être organiques ou minérales, peuvent emporter avec elles des nutriments, qui sont alors perdus pour la parcelle d'origine. C'est ainsi que le phosphore, très fixé aux particules, est surtout perdu par érosion.

Enfin, certains nutriments peuvent être perdus de la parcelle sous forme gazeuse. C'est notamment le cas pour l'azote.

Un premier gaz azoté qui peut être perdu est l'ammoniac, NH₃. Ce gaz se forme surtout lorsqu'il y a une concentration à la surface du sol de matières contenant beaucoup d'ammonium (excréments d'animaux ou urée par exemple), un pH élevé, et une température élevée.

D'autres gaz sont formés pendant les chaînes complexes de réactions de nitrification (oxydation de NH₄⁺ en nitrites NO₂^-, puis en nitrates NO₃^-) et de dénitrification (réduction des nitrates en nitrites, puis en gaz NO, puis éventuellement en N₂O et enfin N₂ si les conditions sont anoxiques). La dénitrification constitue une perte d'azote de la parcelle vers l'atmosphère. Lorsqu'elle est complète et qu'elle aboutit à la formation de N₂, cela n'a pas d'autres conséquences néfastes que la perte de N, mais lorsque la dénitrification est partielle, elle mène à la libération des gaz NO et N₂O, qui sont des gaz polluants à fort effet de serre.

Ces réactions en chaîne sont catalysées par toute une série d'enzymes, produites par de nombreux microorganismes aux métabolismes différents. Ces différents microorganismes et les réactions associées s'expriment donc plus ou moins selon les conditions d'oxygénation et la teneur en différents composés azotés et en substrats carbonés.

De manière générale, dans les sols bien aérés, la nitrification domine et les processus microbiens mènent donc à la formation de nitrates. La présence de ces nitrates va alors favoriser les réactions de dénitrification, mais celles-ci ne se dérouleront que dans les pores saturés en eau, où la teneur en oxygène est faible. Si le sol reste très aéré, le flux de pertes d'azote par dénitrification sera donc très faible. En conditions d'humectation intermédiaires ou fluctuantes, la dénitrification aura lieu, généralement de manière partielle, et elle produira donc les polluants nocifs NO et N2O. Par contre, plus les conditions deviennent anoxiques donc plus le sol est humide, plus la réaction devient importante et complète en produisant du N2, inoffensif.