Lorsque l’on s’intéresse aux enjeux de sécurité alimentaire, il est une céréale qui constitue un ingrédient de base essentiel dans de nombreux pays : le maïs. Celui-ci est également utilisé dans l’alimentation animale et dans de nombreuses applications industrielles, notamment pour la production de biocarburant.

L’incroyable variabilité génétique de cette plante lui permet en effet de s’adapter aux climats tropicaux, subtropicaux et tempérés. C’est pourquoi le maïs est la céréale la plus produite dans le monde avant le riz et le blé, avec 875 millions de tonnes cultivées en 2018 pour un peu moins de 195 millions d’hectares.

Toutes les cultures de maïs n’offrent toutefois pas les mêmes rendements. Dans de nombreux pays où le maïs constitue l’aliment de base, ils apparaissent extrêmement faibles, avec une moyenne d’environ 1,5 tonne par hectare – environ 20 % du rendement moyen des pays dits « développés ». Outre la mauvaise qualité des semences et les stress biotiques et abiotiques que ces cultures subissent, ce phénomène s’explique par la faible fertilité des sols dans ces pays.

Dans les sols tropicaux et subtropicaux, considérés comme des sols anciens dotés d’une faible capacité à fournir des nutriments, cela entraîne une dépendance accrue aux intrants et aux fertilisants, avec d’importants impacts environnementaux.

Azote, légumineuses et rotation des cultures

Le maïs a en effet besoin d’un apport considérable en minéraux pour croître et en particulier d’azote. Ce dernier est un composant majeur de l’ADN et des acides aminés, eux-mêmes éléments constitutifs des protéines. C’est aussi un composant de la chlorophylle, pigment vert des plantes essentiel à la photosynthèse. Dans des conditions climatiques favorables, le maïs a besoin pour obtenir des rendements élevés d’une quantité d’azote supérieure à 150 kg/ha.

La principale source d’azote (N2) sur notre planète se trouve dans l’atmosphère, mais la majorité des plantes ne peut pas l’utiliser. Les légumineuses, ainsi que les plantes de la famille des fabacées, sont seules capables de fixer l’azote atmosphérique en s’associant à des micro-organismes du sol via un procédé nommé symbiose. Une solution à la problématique du maïs serait donc d’introduire ces plantes dans le sol avant la culture du maïs, comme une culture de couverture ou des cultures intercalées dans le cadre d’une rotation.

La décomposition des résidus de légumineuses libérerait en effet de l’azote dans le sol que le maïs pourrait alors utiliser. La quantité fournie par ces cultures varie de 20 à 104 kg/ha et le bénéfice net d’azote pour les cultures suivantes atteint 51 kg/ha. Le procédé réduit donc considérablement les besoins en engrais de synthèse à base d’azote, tout en garantissant un fort rendement et une grande qualité du maïs.

Une autre fertilisation possible

La méthode a été expérimentée sur 30 ans au sud du Brésil sur un sol très représentatif de ce territoire. Elle a permis d’étudier le potentiel des légumineuses. La vesce (en hiver) et le haricot (en été) ont été cultivés selon le modèle suivant : dans le même champ, la première a été intercalée en hiver avec de l’avoine, et la seconde avec du maïs. Les résultats de fertilisation grâce aux légumineuses ont été comparés aux résultats obtenus avec une fertilisation minérale.

Modèle d’expérimentation qui permet d’étudier le potentiel des légumineuses – vesce (en hiver) et haricot (en été) cultivées selon le modèle suivant : en hiver, vesce et avoine intercalés et en été, haricot et maïs intercalés dans le même champ. Les résultats de fertilisation grâce aux légumineuses sont comparés aux résultats obtenus avec une fertilisation minérale © Murilo Veloso, CC BY-NC-SA

Au cours des premières années, la fertilisation azotée minérale a été deux fois plus efficace pour fournir de l’azote au maïs que les cultures de légumineuses : 180 kg/ha pour la première contre 80 kg/ha pour les secondes. Cette différence se répercute notamment sur le rendement, avec une différence de 2,5 tonnes/ha en faveur de la fertilisation minérale par rapport à celle des légumineuses.

Évolution de l’efficacité de l’utilisation de l’azote par la culture du maïs au cours d’une expérience de terrain de 30 ans dans le sud du Brésil à partir de l’application d’engrais azoté minéral ou de l’utilisation de légumineuses © Murilo Veloso, CC BY-NC-SA

Au bout de 5 ans, une augmentation de la teneur en matière organique du sol a été observée lorsque le champ était cultivé avec des légumineuses. La matière organique du sol dérivant de résidus de plantes dégradés par des micro-organismes est composée principalement de carbone et d’azote. Elle offre alors une nouvelle source d’azote aux plants de maïs, qui commencent à y répondre par une augmentation progressive du rendement.

À gauche, haricots et maïs intercalés dans le même champ deux semaines après le semis. À droite, haricots et maïs intercalés dans le même champ deux mois après le semis © Murilo Veloso, CC BY-NC-SA

Après 17 ans d’expérimentation sur le terrain, la différence de teneur en matière organique du sol, entre les deux types d’itinéraires de culture, atteint plus de 6 tonnes/ha en faveur de l’itinéraire contenant les légumineuses de couverture. Sur la période 18 à 30 ans, les différences de rendements initialement observées s’effacent et l’utilisation de l’azote issue des légumineuses devient beaucoup plus efficace.

Stock de carbone du sol après une expérience de terrain de 30 ans dans le sud du Brésil à partir de l’application d’engrais azoté minéral ou de l’utilisation de légumineuses © Murilo Veloso, CC BY-NC-SA

Stabiliser le CO₂ dans les sols

L’augmentation de la matière organique du sol grâce aux légumineuses présente par ailleurs un autre avantage : la stabilisation du CO2 présent dans l’atmosphère et introduit dans le sol par les plantes et les micro-organismes. Le CO2 capté par les plantes via la photosynthèse et l’azote capté par les légumineuses via une symbiose avec des micro-organismes conduisent à rendre le résidu végétal très attractif pour les autres micro-organismes du sol.

Ces derniers, en consommant ces résidus végétaux, vont permettre de fixer et stabiliser le carbone dans le sol, évitant ainsi sa restitution dans l’atmosphère. C’est pourquoi nous estimons que les légumineuses favorisent la séquestration du carbone dans le sol : elles constituent aussi un outil efficace pour lutter efficacement et durablement contre le changement climatique.

Tableau qui montre l’impact de l’utilisation des légumineuses sur la libération d’azote et la santé du sol conduisant à une augmentation du rendement du maïs et à l’augmentation du stock de la matière organique du sol et de la réduction de la fertilisation azotée minérale, ce qui a contribué à la durabilité environnementale © Murilo Veloso, CC BY-NC-SA

Réduire la fertilisation azotée minérale entraîne à la fois une réduction des coûts pour l’agriculteur et la diminution des émissions de CO2 émises lors de la production de l’engrais. L’augmentation de la matière organique du sol contribue par ailleurs à la lutte contre le changement climatique en stabilisant le CO2 dans les sols et en améliorant la santé de ces derniers.

Cette analyse a été rédigée par Murilo Veloso, enseignant-chercheur en Science du Sol (Unité AGHYLE) au Campus de Rouen, UniLaSalle, avec le concours de Babacar Thioye, Adrien Gauthier, tous deux également de l'Unité AGHYLE, et de Cimélio Bayer (Universidade Federal do Rio Grande do Sul). L’article original a été publié sur le site de The Conversation.