Effects of nitrogen fertilization on soil phosphorus speciation and soil microbial communities in different rotation cropping systems
Basée sur une expérience de terrain de 11 ans dans le bassin du fleuve Yangtze, cette étude révèle qu'une fertilisation azotée équilibrée sur deux saisons améliore significativement la disponibilité du phosphore dans le sol et la diversité microbienne dans les rotations riz-colza en modulant les propriétés du sol et les communautés microbiennes, la gestion de l'eau servant de déterminant global de ces effets.
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Au cœur du bassin du fleuve Yangtze en Chine, les agriculteurs sont confrontés à un défi persistant : comment nourrir une population croissante sans épuiser le sol. Deux principales méthodes de culture dominent cette région. L'une consiste à alterner le riz, qui pousse dans des champs inondés, avec le colza, qui pousse dans des champs secs. L'autre consiste à remplacer le riz par le maïs, en maintenant les deux cultures dans des conditions sèches tout au long de l'année. Ces choix créent des mondes radicalement différents sous la surface. Dans les champs inondés, le sol respire en inspirant et en expirant à mesure que les niveaux d'eau montent et descendent, modifiant radicalement l'environnement chimique. Dans les champs secs, le sol reste constamment aéré. Les deux systèmes dépendent fortement de l'azote, un nutriment ajouté pour stimuler la croissance, mais les scientifiques se demandent depuis longtemps comment cet azote ajouté interagit avec le phosphore, un autre nutriment vital dont les plantes ont besoin pour prospérer. Si l'azote est souvent abondant, le phosphore est fréquemment emprisonné dans le sol, invisible pour les racines des plantes. Comprendre comment débloquer ce phosphore caché sans nuire à l'équilibre délicat de la communauté vivante du sol est essentiel pour une agriculture durable.
Une équipe de chercheurs de l'Université agricole de Huazhong s'est donné pour mission de résoudre ce casse-tête en examinant une expérience de terrain de onze ans. Ils ont comparé les deux systèmes de rotation — les rotations riz-colza et maïs-colza — sous différentes stratégies de fertilisation azotée. Au lieu de simplement déverser de l'engrais sur le sol, ils ont testé des calendriers spécifiques : appliquer l'azote uniquement à la culture principale, l'appliquer aux deux cultures, et varier la quantité totale. Leur objectif était de voir comment ces décisions modifiaient les formes chimiques du phosphore dans le sol et quelles formes de vie microscopiques s'y installaient. Ils s'intéressaient particulièrement à savoir si une approche équilibrée, répartissant l'azote sur les deux saisons de croissance, fonctionnerait mieux qu'une concentration sur une seule saison.
Les résultats ont révélé que la gestion de l'eau est la force la plus puissante façonnant l'environnement du sol. Dans la rotation maïs-colza, où le sol reste sec, l'ajout d'azote a rendu le sol plus acide. Cette acidité a aidé à dissoudre une partie du phosphore emprisonné, le rendant disponible pour les plantes, mais seulement jusqu'à un certain point. Lorsque les chercheurs ont appliqué trop d'azote, le sol est devenu si acide qu'il a en réalité réduit la quantité de phosphore disponible et nui à la santé du sol. En revanche, la rotation riz-colza, avec son inondation périodique, s'est comportée différemment. Le régime hydrique a maintenu le pH du sol stable et proche de la neutralité, même lorsque l'azote était ajouté. Ici, l'inondation a créé des conditions qui libèrent naturellement le phosphore des composés ferreux, un processus que la fertilisation azotée a davantage soutenu sans provoquer d'acidification.
L'étude a révélé que la méthode d'application de l'azote importait tout autant que la quantité totale. La stratégie la plus fructueuse était une approche équilibrée où l'azote était appliqué à la fois lors de la saison du riz (ou du maïs) et de la saison du colza. Dans le système riz-colza, cette stratégie équilibrée a entraîné les niveaux les plus élevés de phosphore disponible, atteignant 3 de 30,26 milligrammes par kilogramme de sol. C'était presque le double de la quantité trouvée dans le système maïs-colza sous ce même traitement équilibré, qui affichait 14,79 milligrammes par kilogramme. Plus important encore, l'application équilibrée a empêché le sol de devenir trop acide dans le système maïs et a maintenu un environnement sain et neutre dans le système riz.
Sous le sol, ces changements chimiques étaient reflétés par des changements dans le monde microbien. Les chercheurs ont utilisé le séquençage avancé pour identifier les bactéries vivant dans le sol. Ils ont découvert que les deux systèmes de rotation accueillaient des communautés de microbes distinctes, largement dictées par le régime hydrique. Les champs de maïs secs étaient dominés par des bactéries qui prospèrent dans des environnements riches en oxygène, tandis que les rizières inondées supportaient un groupe différent, incluant des bactéries capables de réduire le fer pour libérer le phosphore. La quantité d'azote appliquée affinait davantage ces communautés. Dans les champs de maïs, des niveaux d'azote plus élevés ont encouragé les bactéries qui aident à dissoudre le phosphore par acidification. Dans les rizières, l'application équilibrée d'azote a soutenu un mélange diversifié de microbes qui travaillaient ensemble pour maintenir le phosphore disponible.
L'étude conclut que la gestion de l'eau prépare la scène, déterminant la personnalité chimique du sol, tandis que la fertilisation azotée agit comme un metteur en scène qui peut soit améliorer, soit perturber la performance. Les chercheurs ont constaté qu'une application d'azote équilibrée et sur deux saisons est la clé pour débloquer le plus de phosphore pour les plantes tout en soutenant une communauté de microbes du sol saine et diversifiée. Cette approche permet aux agriculteurs de maximiser la nutrition des cultures sans déclencher l'acidification du sol qui frappe l'agriculture intensive. En alignant l'application d'engrais sur les rythmes naturels du système de rotation, il est possible de maintenir des rendements élevés et de protéger le sol pour les générations futures, offrant une voie pratique pour l'agriculture dans le bassin du Yangtze et au-delà.
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