Humus

L'humus, de couleur noire ou brun foncé caractéristique, est une accumulation de carbone organique . Outre les trois horizons principaux du sol (A) la couche arable, (B) le sous-sol et (C) le substratum, la plupart des sols possèdent un horizon organique (O) en surface. La roche-mère (R) n'est pas, à proprement parler, un sol.

L'humus est la matière organique située au-dessus de la couche arable et sous la litière de feuilles . Finement divisée et présentant une grande surface spécifique, elle provient de la décomposition de matières végétales et animales. L'humus, dont la couleur varie du brun au noir, est principalement composé de carbone et contient de fortes quantités d' azote , ainsi que de plus faibles quantités de phosphore et de soufre . L'humus retient l'humidité dans la couche arable , notamment dans les sols à texture grossière (par exemple, le sable ). Humus est un mot latin signifiant « terre » ou « sol ».

Les organismes qui se nourrissent de la litière jouent un rôle clé dans la formation de l'humus, un processus appelé humification. Les vers de terre contribuent de manière significative à ce processus, aux côtés de nombreux autres invertébrés , de processus microbiens et de champignons .

Seule la matière organique décomposée dans le sol est considérée comme de l'humus, tandis que la partie encore en cours de décomposition est appelée détritus . Les différentes étapes de transformation étant progressives, une distinction précise n'est pas possible. Ni l'humus ni les détritus ne sont de la matière morte ; tous deux sont fortement imprégnés de micro-organismes tels que les bactéries et les champignons du sol.

En agriculture , le terme « humus » désigne parfois le compost mûr ou naturel extrait d'un sous-bois ou d'une autre source spontanée utilisé comme amendement du sol . Il est également employé pour décrire un horizon de surface contenant de la matière organique ( type d'humus , forme d'humus [ ou profil d'humus ). L'humus renferme de nombreux nutriments qui améliorent la santé du sol , l'azote et le phosphore étant les plus importants . Le rapport carbone / azote ( C/N ) de l'humus se situe généralement entre 8/1 et 15/1, la médiane étant d'environ 12/1 . Il améliore également significativement (c'est-à-dire diminue) la densité apparente du sol . L'humus est amorphe et dépourvu de la structure cellulaire caractéristique des organismes . Le résidu solide issu du traitement biologique des eaux usées est également appelé humus. Lorsqu'il n'est pas contaminé par des agents pathogènes , des métaux lourds toxiques ou des polluants organiques persistants selon les niveaux de tolérance standard, il est parfois composté et utilisé comme amendement du sol .

les débris végétaux , les animaux et micro-organismes morts (nécromasse), les excréments de tous les organismes du sol , ainsi que le carbone noir issu d'incendies passés. La composition de l'humus varie en fonction de celle des matières primaires (végétales) et des produits secondaires microbiens et animaux. La vitesse de décomposition des différents composés influence la composition de l'humus.

Types

Le sol à humus mor se forme lorsque la décomposition est lente, avec une épaisse couche de litière et de détritus recouvrant la couche d'humus. Cette couche se mélange peu ou pas au sol minéral sous-jacent, formant ainsi une limite nette. Le sol à humus mor se rencontre le plus souvent sur des sols bien drainés et acides, généralement sous les forêts de conifères et les landes. De nombreux organismes macroscopiques, tels que Lumbricus Terrestris, ne peuvent survivre dans ces conditions acides ; l'absence d'activité de ces organismes explique que la limite entre le sol minéral et l'humus reste intacte.

Dans les sols peu acides, comme les sols calcaires , l'activité de ces vers de terre crée un mélange d'humus et de sol minéral sous-jacent appelé humus de Mull . On trouve couramment l'humus de Mull dans les forêts de feuillus et les prairies de plaine, où la décomposition de la litière en humus est assez rapide, ne laissant qu'une couche de détritus minimale, voire inexistante.

Le moder est une forme de transition d'humus entre le mull et le mor.

Horizons

L'humus présente une couleur noire ou brun foncé caractéristique et est organique en raison de l'accumulation de carbone organique. Les pédologues utilisent les lettres majuscules O, A, B, C et E pour identifier les horizons principaux du sol , et des lettres minuscules pour les distinguer. La plupart des sols possèdent trois horizons principaux : l'horizon de surface (A), le sous-sol (B) et le substratum (C). La plupart des sols présentent un horizon organique (O) en surface, mais cet horizon peut également être enfoui. L'horizon principal (E) est utilisé pour les horizons de subsurface ayant subi une perte importante de minéraux ( éluviation ). La roche-mère , qui n'est pas un sol, est désignée par la lettre R. La richesse en humus des horizons détermine leur couleur plus ou moins foncée, généralement décroissante de O à E, à l'exception des horizons profonds des sols podzoliques enrichis en substances humiques colloïdales lessivées dans le profil du sol.

Composition

Il est difficile de définir précisément l'humus car il s'agit d'une substance très complexe dont la nature reste encore mal comprise. Selon la conception classique de Selman Waksman , longtemps reprise dans la plupart des manuels de pédologie, l'humus se distingue de la matière organique du sol en décomposition . Cette dernière présente un aspect rugueux et conserve des traces visibles de la matière végétale, animale ou microbienne d'origine, tandis que l'humus pleinement humifié, au contraire, est amorphe et d'aspect uniformément sombre, spongieux et gélatineux. Cependant, observé au microscope optique , l'humus peut révéler de minuscules restes végétaux, animaux et microbiens ayant subi une dégradation mécanique, mais non chimique. Ceci suggère une frontière floue entre l'humus et la matière organique du sol, ce qui a conduit certains auteurs à remettre en question l'utilisation du terme « humus » et de termes dérivés tels que « substances humiques » ou « humification » , et à proposer le Modèle Continuum du Sol (MCS). Cependant, l’humus peut être considéré comme ayant des propriétés distinctes, principalement liées à sa richesse en groupes fonctionnels , justifiant son maintien en tant que terme spécifique.

L'humus, une fois complètement formé, est essentiellement un assemblage de molécules très volumineuses et complexes, issues en partie de la lignine et d'autres molécules polyphénoliques provenant de la matière végétale d'origine (feuilles, bois, écorce), et en partie de molécules similaires produites par les micro-organismes . Lors de la décomposition , ces polyphénols subissent des modifications chimiques leur permettant de s'assembler pour former de très grandes molécules. Certaines parties de ces molécules sont modifiées de telle sorte que des molécules de protéines , des acides aminés et des osamines puissent se fixer à la molécule polyphénolique « base ». Les protéines contenant de l'azote et du soufre , cette fixation confère à l'humus une teneur modérée en ces deux nutriments essentiels aux plantes .

La datation au radiocarbone et d'autres techniques de datation ont montré que la base polyphénolique de l'humus (principalement composée de lignine et de carbone noir ) peut être très ancienne, tandis que les protéines et les glucides qui y sont liés sont beaucoup plus récents. À la lumière des concepts et méthodes modernes, la situation apparaît bien plus complexe et imprévisible qu'on ne le pensait auparavant. Il semblerait que les microbes soient capables d'extraire les protéines des molécules d'humus plus facilement qu'ils ne sont capables de décomposer la molécule de base polyphénolique elle-même. Lorsqu'une protéine est extraite, elle peut être remplacée par une protéine plus jeune, ou cette dernière peut se fixer à une autre partie de la molécule d'humus.

Les données disponibles sur la composition de l'humus sont peu nombreuses car il s'agit d'un mélange complexe difficile à analyser. Dans les années 1940 et 1960, des chercheurs ont tenté d'utiliser la séparation chimique pour analyser les composés végétaux et humiques des sols forestiers et agricoles, mais cette méthode s'est avérée impossible car les agents d'extraction interagissaient avec la matière organique analysée, créant de nombreux artefacts. Des recherches complémentaires ont été menées ces dernières années, et le sujet demeure un domaine d'étude actif.

Humification

Les micro-organismes décomposent une grande partie de la matière organique du sol en minéraux inorganiques que les racines des plantes peuvent absorber comme nutriments . Ce processus est appelé minéralisation . Au cours de ce processus, l'azote ( cycle de l'azote ) et les autres nutriments ( cycle des nutriments ) contenus dans la matière organique décomposée sont recyclés. Selon les conditions de décomposition , une fraction de la matière organique ne se minéralise pas et est transformée par un processus appelé humification . Avant l'avènement des méthodes analytiques modernes, les premières observations laissaient penser aux scientifiques que l'humification entraînait la formation d'agrégats de polymères organiques résistants à l'action des micro-organismes Cependant, des recherches récentes ont démontré que les micro-organismes sont capables de digérer les substances humiques par des réactions d'oxydoréduction .

L'humification peut se produire naturellement dans le sol ou artificiellement lors de la production de compost . La matière organique est humifiée par une combinaison de champignons saprotrophes , de bactéries, de micro-organismes et d'animaux tels que les vers de terre, les nématodes , les protozoaires et les arthropodes (voir Biologie du sol et Faune du sol ). Les restes végétaux, y compris ceux digérés et excrétés par les animaux, contiennent des composés organiques : sucres , amidons , protéines , glucides , lignines , cires , résines et acides organiques . La décomposition dans le sol commence par la décomposition des sucres et des amidons issus des glucides, qui se décomposent facilement lorsque les détritivores envahissent les organes végétaux morts, tandis que la cellulose et la lignine restantes se décomposent plus lentement. Les protéines simples, les acides organiques, les amidons et les sucres se décomposent rapidement, tandis que les protéines brutes, les graisses, les cires et les résines restent relativement inchangées pendant de plus longues périodes.

La lignine, rapidement transformée par les champignons de la pourriture blanche est l'un des principaux précurseurs de l'humus , avec les sous-produits de l'activité microbienne et animale . L'humus issu de l'humification est ainsi un mélange de composés et de substances biochimiques complexes d'origine végétale, animale et microbienne, qui remplit de nombreuses fonctions et apporte de nombreux bienfaits au sol . Certains considèrent l'humus de vers de terre ( lombricompost ) comme le meilleur engrais organique .

Stabilité

Dans la plupart des sols, une grande partie de l'humus persiste pendant plus de 100 ans, au lieu d'être décomposée en CO₂ _, et peut être considérée comme stable. Cette matière organique est protégée de la décomposition par l'action microbienne ou enzymatique car elle est enfouie (occluse) à l'intérieur de petits agrégats de particules de sol, ou fortement adsorbée ou complexée aux argiles . La majeure partie de l'humus qui n'est pas protégée de cette manière se décompose en moins de 10 ans et peut être considérée comme moins stable ou plus labile . L’activité de mélange des invertébrés consommateurs de sol (par exemple, les vers de terre , les termites , certains mille-pattes ) contribue à la stabilité de l’humus en favorisant la formation de complexes minéralo-organiques avec les minéraux argileux à l’intérieur de leur tube digestif , d’où une plus grande séquestration de carbone dans les formes d’humus telles que le mull et l’amphi , avec des horizons minéralo-organiques bien développés , par rapport au moder et au mor où la plus grande partie de la matière organique s’accumule à la surface du sol.

L'humus stable apporte peu de nutriments assimilables par les plantes dans le sol, mais contribue au maintien de sa structure physique. Une forme d'humus très stable se forme par l' oxydation lente du carbone du sol après l'incorporation de charbon de bois finement pulvérisé dans la couche arable , probablement due à l'activité de broyage et de mélange d'un ver de terre tropical. Ce processus aurait joué un rôle important dans la formation de la terra preta do Indio , terre amazonienne exceptionnellement fertile, également appelée Terres Noires d'Amazonie . Cependant, certains auteurs suggèrent que les molécules organiques complexes du sol pourraient être beaucoup moins stables qu'on ne le pensait : « les données disponibles ne confirment pas la formation de “substances humiques” persistantes et de grande taille moléculaire dans les sols. La matière organique du sol est plutôt un continuum de composés organiques se décomposant progressivement. »

Avantages en agriculture

L'importance de l'humus chimiquement stable réside, pour certains, dans la fertilité qu'il confère aux sols, tant sur le plan physique que chimique , bien que certains agronomes mettent davantage l'accent sur d'autres aspects, comme sa capacité à lutter contre les maladies . Il contribue à la rétention d'humidité du sol en augmentant sa microporosité et favorise la formation d'une bonne structure pédologique . L'incorporation d' oxygène dans de grands assemblages moléculaires organiques génère de nombreux sites actifs, chargés négativement, qui se lient aux ions (cations) chargés positivement des nutriments végétaux , les rendant ainsi plus assimilables par la plante par échange d'ions . L'humus permet aux organismes du sol de se nourrir et de se reproduire et est souvent décrit comme la « force vitale » du sol

Les fonctions les plus utiles de l'humus sont l'amélioration de la structure du sol , d'autant plus lorsqu'il est associé à des cations (par exemple le calcium ), et la fourniture d'une très grande surface qui peut retenir des éléments nutritifs jusqu'à ce que les plantes en aient besoin, une fonction d'échange d'ions comparable à celle des particules d'argile .

La séquestration du carbone dans les sols est une propriété majeure de ces derniers, également considérée comme un service écosystémique . Ce n'est que lorsqu'elle devient stable et acquiert sa permanence pluriséculaire, principalement grâce à de multiples interactions avec la matrice du sol , que l'humus moléculaire du sol peut être considéré comme significatif pour éliminer la surcharge actuelle de dioxyde de carbone dans l'atmosphère.

Le processus de transformation de la matière organique du sol en humus nourrit la population de micro-organismes et autres créatures présentes dans le sol, et maintient ainsi des niveaux élevés et sains de vie dans le sol.
La vitesse à laquelle la matière organique du sol est convertie en humus favorise (lorsqu'elle est rapide, par exemple mull ) ou limite (lorsqu'elle est lente, par exemple mor ) la coexistence des plantes, des animaux et des micro-organismes dans le sol.
« L’humus efficace » et « l’humus stable » sont des sources supplémentaires de nutriments pour les microbes : le premier fournit un approvisionnement facilement disponible, et le second agit comme un réservoir de stockage à long terme.
La décomposition de la matière végétale morte entraîne l'oxydation lente de composés organiques complexes ( humus de type lignine ) ou leur décomposition en formes plus simples ( sucres et osamines , acides organiques aliphatiques et phénoliques ), qui sont ensuite transformés en biomasse microbienne (humus microbien) ou réorganisés et oxydés en composés humiques ( acides fulviques et acides humiques ), lesquels se lient aux minéraux argileux et aux hydroxydes métalliques . La capacité des plantes à absorber les substances humiques par leurs racines et à les métaboliser a longtemps fait l'objet de débats. Il existe aujourd'hui un consensus sur le fait que l'humus joue un rôle hormonal plutôt que simplement nutritionnel dans la physiologie végétale , et que les substances organiques exsudées par les racines et transformées en humus par les organismes du sol constituent une stratégie évolutive permettant aux plantes de « communiquer » avec le sol.
L’humus est une substance colloïdale chargée négativement qui augmente la capacité d’échange cationique du sol, et donc sa capacité à stocker les nutriments par chélation . Ces cations nutritifs, disponibles pour les plantes, sont retenus dans le sol et ne sont pas lessivés par la pluie ou l’irrigation.
L'humus peut retenir l'équivalent de 80 à 90 % de son poids en humidité et augmente ainsi la capacité du sol à résister à la sécheresse.
La structure biochimique de l'humus lui permet de modérer, c'est-à-dire de tamponner, les conditions de sol excessivement acides ou alcalines .
Lors de l'humification, les microbes sécrètent des mucilages collants, semblables à de la gomme ; ceux-ci contribuent à la structure grumeleuse ( texture ) du sol en agglomérant les particules et en favorisant son aération . Les substances toxiques telles que les métaux lourds et les nutriments en excès peuvent être chélatées, c'est-à-dire liées aux molécules organiques de l'humus, et ainsi être empêchées de lessiver.
La couleur sombre, généralement brune ou noire, de l'humus contribue à réchauffer les sols froids au printemps.
L’humus peut contribuer à l’atténuation des changements climatiques grâce à son potentiel de séquestration du carbone . L’acide humique artificiel et l’acide fulvique artificiel synthétisés à partir de litière agricole peuvent augmenter la teneur en matière organique dissoute et en carbone organique total dans le sol.