Dynamique de la matière organique d'Acacia auriculaeformis (Cunn. A. ) ex Benth.(Mimosaceae). Et influence de la fertilisation organique et minérale dans les systèmes agroforestiers

1.2. Matière organique

La matière organique du sol (MOS) n'est pas une entité bien définie. Elle consiste en une large gamme de composés formant un continuum de fractions cellulaires biochimiques, provenant de végétaux supérieurs, d'animaux et de micro-organismes de poids moléculaire bas et médian, de substance organique de structure connue ou de composés humiques de poids moléculaire élevé dont la structure est encore à caractériser.

Les pédologues étudient la matière organique sous de nombreuses optiques différentes. Deux d'entre elles sont fréquemment utilisées dans les études relatives à l'agriculture et l'aménagement des ressources naturelles :

· la première optique est une démarche dynamique et conceptuelle qui divise les substances organiques des sols sur la base de leur stabilité et qui distingue plusieurs groupements organiques ou compartiments qualifiés de labiles ou de stables ; dans la pratique cette démarche est souvent utilisée pour la compréhension de la pédogenèse ;

· la seconde optique est analytique et procède par l'identification de la composition chimique de la matière organique du sol par différentes méthodes de fractionnements. C'est une approche fortement développée ces dernières années, mais encore peu usitée dans les nombreuses thématiques de recherche relatives à la composition chimique non stable de la matière organique des sols des tropiques (Van Wambeke, 1995).

En ce qui concerne les compartiments, la matière organique du sol est constituée de plusieurs fractions (Figure 1).

Pour caractériser les différentes fractions de la matière organique dans le sol, Hoepsloth et al. (1993) distinguent deux (2) compartiments :

· la fraction de matière organique non stable constituée de la matière organique fraîche, la biomasse microbienne comprise ;

· la fraction de matière organique incorporée dans le squelette minéral du sol ou matière organique du sol encore appelée humus.

Matière organique
du sol

Residus morts, litières ou
amendements

Matière organique fraiche

Matière organique du sol

Organismes vivants, plantes
et animaux.
Source de C et N organique

Figure 1. Compartiments theoriques de la matière organique du sol

Source : Hoepsloth et A (1993)

Le fractionnement chimique des matières organiques est la plus ancienne méthode de classement. Il a abouti à la détermination de trois grands groupes : humine, acides fulviques, acides humiques. Toutefois, le fractionnement obtenu est peu explicatif des propriétés de la matière organique du sol donc pas utilisable par les agronomes, mais dépendant surtout des seuls acides fulviques. Feller (1979) propose un fractionnement granulométrique par simples tamisages successifs à sec, puis à l'eau. Il obtient trois groupes de fractions :

· des fractions végétales de tailles supérieures à 50 gm ;

· une fraction organo-minérale de taille inférieure à 50 gm ;

· une fraction hydrosoluble.

Les analyses morphologiques et chimiques de ces fractions indiquent que les degrés d'humification augmentent quand la taille diminue. Ce mode de fractionnement a permis à Pieri (1989) d'établir une représentation schématique du compartiment de la matière organique en relation directe avec le bilan carboné du système sol-plante (Figure 2).

Le premier sous-ensemble, noté « C lib » est constitué de débris végétaux de certains résidus de la mésofaune et de la macrofaune du sol récupéré dans le fractionnement. Il s'agit de matière organique libre.

Le deuxième, noté « C fom », correspond à la partie humifiée de la fraction 50 à 200 gm. C fom influence beaucoup les propriétés physiques et chimiques des sols et notamment leur stabilité structurale.

Le troisième sous-compartiment, la biomasse organique, notée «C biom », représente la population de micro-organismes hétérotrophes dont l'activité va régler l'essentiel des échanges entre les deux sous-compartiments précédents, et avec l'extérieur.

Entrée-organique (C/N élevé)

Entrées-organiques (C/N faible )

Compartiment matière organique (C .M .O .)

C lib : fraction organique libre

C fom : fraction organo-minérale

C biom : biomasse organique

Fonctionnement interne

1 . Humification 2 . Décomposition physique et consommation C végétal par organ hétéro

3 . Consommation c lié par microorganismes

4 . Respiration biologique

C lib

1 2 4

biom R

3

r

2 + 3 + 4 - minéralisation

C fom

Sorties minérales (CO2)

Figure 2. Le compartiment matiere organique des sols : le bilan carbon6 (d^,apres Pieri,

1989)

Du rôle de «liants » de la matière organique (MO) pour les sols ferrugineux tropicaux, Pieri (1989) établit que le rapport entre la quantité de matière organique d'un sol et sa surface d'adsorption minérale, est indicateur de stabilité structurale (St) des sols et on a la formule (1) :

St p.c. = (MO) p.c./(A + L) p.c. x 100 (1), avec les cas suivants si :

· St < 5 p.c., horizon déstructuré, grande sensibilité à l'érosion ;

· 5< St < 7 p.c., horizon instable à risque élevé de déstructuration ;

· St > 9 p.c., horizon ne présentant pas de risque immédiat de déstructuration.

Feller (1994) approfondit l'approche granulométrique d'identification des compartiments organiques des sols à argile 1 :1, dans les sols d'Afrique de l'Ouest à kaolinite. Les matières organiques sont associées à diverses fractions sableuses, limoneuses et argileuses. Les différentes fractions sont regroupées en trois compartiments organiques et organo-minéraux principaux dont le caractère fonctionnel s'avère être fortement dépendant de la texture, celle-ci jouant un rôle considérable dans le niveau des stocks organiques de ces sols. Il identifie ainsi trois compartiments :

· un «compartiment débris végétaux » (> 20 um), associé mais peu lié aux sables minéraux ; les rapports C/N (15 à 25) et xylose/mannose (5 à 10) élevés sont en accord avec le caractère figuré végétal de ces MO ; le taux de renouvellement des MO est moyen à élevé (40 à 100 p.c. en 10 ans) ;. ce compartiment est considéré comme fonctionnel essentiellement dans les sols sableux où il assure alors, de manière importante, des fonctions `biologiques' relatives aux processus de minéralisation à court terme du carbone, de l'azote et du phosphore ;

· un «complexe organo-limoneux » (2-20 um), constitué d'un mélange de MO à caractères végétal et fongique figurés, de limons minéraux et de microagrégats organo-minéraux très stables ; les rapports C/N (10 à 15) et xylose/mannose (1 à 3) sont plus faibles que pour le compartiment débris végétaux en accord avec le caractère plus humifié des MO ; le taux de renouvellement des MO est moyen à faible (20 à 40 p.c. en 10 ans). La dénomination de complexe révèle la difficulté d'une définition précise de ce compartiment ; le caractère fonctionnel de ce compartiment est relativement faible ; il s'exprime essentiellement dans les sols sableux pour des fonctions de « sorption et d'échange » relatives aux propriétés de

surface des constituants organiques (CEC et sorption des molécules organiques neutres) ;

· un «compartiment organo-argileux » (< 2 um), riche en MO amorphe, humifiée et fortement liée aux particules minérales ; les rapports C/N (8 à 11) et xylose/mannose (0,5 à 2) sont faibles, en accord avec une origine partiellement microbienne de la MO. Globalement, le taux de renouvellement des MO est moyen à faible (20 à 40 p.c. en 10 ans) ;. toutefois, au sein de ce compartiment, une fraction soluble à l'eau chaude (nommée EC 0-2), enrichie en métabolites microbiens et très active en terme de minéralisation et d'immobilisation microbienne, constitue 5 à 15 p.c. de la MO ; le compartiment organo-argileux peut être considéré comme fonctionnel, vis à vis des trois types de fonctions, pour les sols sabloargileux à argileux dès lors que leurs teneurs en argile sont supérieures à 10 p.c. Il remplit alors des fonctions de «réserves » (N et P), des fonctions d' « échanges » (CEC) et des fonctions biologiques (immobilisationminéralisation de C et N) ;. dans ce dernier cas, la fraction EC 0-2 joue un rôle primordial.

Les compartiments ainsi définis lient les fractions organiques aux fractionnements des minéraux.

La teneur en matière organique du sol est généralement exprimée en pourcentage de carbone total (C) ou de l'azote total (N) déterminée par des analyses de la fraction terre fine (granulométrie inférieure à 2 mm) en laboratoire. En général la matière organique du sol (MOS) est mesurée en déterminant le C dépendant de la relation traduite par les formules (2) et (3) :

MOS p.c. = 1,724 x C p.c. pour les sols cultivés (2) ; MOS p.c. = 2 x C p.c. pour les sols vierges (3).

Aussi, à défaut du fractionnement, la présente étude s'appuiera t- elle sur les données de détermination de la matière organique totale. Divers auteurs ont établi des équations de base attachées à l'étude de la matière organique. Ainsi,

le bilan de la matière organique dans un sol peut être décrit par l'équation de base de la formule (4) suivante :

dC/dt = A - KC (4) où.

· dC/dt = changement du stock de carbone dans un temps dt généralement 1 an.

· A = additions annuelles au stock organique.

· K = coefficient de décomposition.

· C = stock de carbone présent dans le sol.

Cette équation peut être utilisée pour calculer la constante de décomposition de la matière organique fraîche ou taux de décomposition (K). Dans les conditions d'une forêt, A représente les chutes de litière par unité de temps dt. A l'équilibre, lorsqu'aucun changement n'a lieu, A vaut KC et CE = A/K. Dans cette équation, CE est la teneur d'équilibre en C ou son niveau d'équilibre. Cette équation peut être utilisée pour calculer les quantités de matière organique présente dans les sols en équilibre avec des conditions écologiques stables telles que dans les forêts ombrophiles arrivées à maturité, les savanes climaciques, les systèmes culturaux de longue durée et les cultures pérennes. Ce modèle mathématique dû à Nye et Greenland (1960) est une équation simplifiée qui ne rend pas suffisamment compte de l'allure de la courbe de diminution de la quantité de carbone restant pendant l'année. Laudelout (1961) procède à l'intégration de cette équation (Figure 3).

Plus tard et pour des observations sur des périodes plus courtes, Young (1987), puis Jenkison et Ayanaba (1977) présentent une équation exponentielle plus expressive de la forme traduite par la formule (5) :

Ct = C0.e-^Kt (5), avec :

· Ct = teneur en carbone du sol au temps t,

· C0 = teneur en carbone du sol au temps 0 et e est la base des logarithmes naturels.

· K = est la constante de décomposition du C du sol en supposant qu'il n'y a pas de perte par érosion.

· Ct = CE + (C0-CE).e-^Kt (6)

Par ailleurs, la réorganisation de l'équation de la formule (6) permet de calculer la demi-vie (t 1/2) de la fraction (C0-CE) de la matière organique. La demi vie est définie comme le temps nécessaire pour que la moitié de la quantité (C0-CE) de matière organique soit détruite. Elle est donnée par la formule (7) :

t 1/2 = Ln 2/K où t 1/2 = 0,693/K (7) ; Ln est le logarithme népérien.

-C

Co

Co-CE

Ct

Ct-CE

Ct = CE + (Co - CE) e '^Kt

CE

temps

Figure 3. D6composition de la matiere organique du sol (d'apres Laudelout, 1961)

Toutes ces équations ont été utilisées pour expliquer les changements de la matière organique qui se produisent lorsque les conditions de milieu sont modifiées, c'est-à-dire lorsque la forêt en équilibre climacique est abattue pour des cultures. Ces équations peuvent s'appuyer aussi sur l'état de l'azote du sol pour exprimer aussi la dynamique de la MOS. En effet, selon Assa (1997), la MOS peut être calculée soit avec C et on a les formules (8) et (9) :

MOS = 1,724 x C (8), soit avec N et on a alors MOS = N x 20 (9).

Toutefois, en faisant un point sur le bilan organique et la production des sols cultivés dans les savanes de l'Afrique de l'Ouest, Pieri (1989) fait observer qu'il n'y a cependant pas de parallélisme rigoureux entre bilan carboné et bilan azoté des agrosystèmes compte tenu de la spécificité des processus qui affectent la dynamique de l'azote dans les sols entre autres par exemple de la fixation biologique de l'azote par la symbiose rhizobium-légumineuses et par les organismes fixateurs (algues bleues).

Les taux de décomposition et les constantes de décomposition de la matière organique du sol sont des paramètres importants dans les modèles de prédiction de la durabilité des systèmes agraires.

Quelle que soit l'approche de fractionnement de la MO, les entrées des compartiments MO au plan technologie agricole sont assurées par diverses sources d'apport de MO fraîche ou en «carbone libre » dont notamment : les fumiers et composts, les résidus de récolte, les plantes de couverture, les émondes et les litières.

La caractérisation des deux dernières entrées organiques du compartiment MO constitue l'une des contributions attendues des présents travaux notamment en ce qui concerne les systèmes agroforestiers à base d'Acacia auriculaeformis à impulser dans la région Sud-Bénin pour la relance de la culture du maïs qui affectionne tant l'apport de la matière organique pour améliorer son rendement sur ces sols à oxyhydroxyde de fer et d'aluminium.