Les engrais minéraux: Caractéristiques et Utilisations

Introduction
Les plantes ont besoin d'au moins 16 éléments nutritifs essentiels pour
accomplir leur cycle de croissance. Ces éléments sont le carbone,
l'oxygène, l'hydrogène, l'azote, le phosphore, le potassium, le calcium,
le magnésium, le soufre, le fer, le manganèse, le zinc, le cuivre, le
bore, le molybdène et le chlore.
Les plantes utilisent l'azote (N), le phosphore (P) et le potassium (K)
en quantités importantes, et donc les réserves du sol en ces éléments
doivent être périodiquement réapprovisionnées afin de maintenir une
bonne productivité. Des engrais synthétiques ont été développés pour
fournir ces trois éléments majeurs. D'autres engrais ont été mis au
point pour fournir les 13 autres éléments nutritifs, en cas de besoin.
Un engrais est un produit inorganique ou organique qui est apporté pour
fournir les quantités suffisantes de un ou de plusieurs éléments
essentiels pour les plantes. Les récentes préoccupations
sur les effets des engrais sur l'environnement, la faible efficacité
des engrais, leurs prix élevés et les prix faibles des produits
agricoles ont rendu urgent le développement d'une approche rationnelle
pour choisir les engrais à utiliser. Dans ce bulletin, nous allons nous
intéresser aux engrais contenant les trois éléments N, P et K.
D'où viennent les engrais?
Les engrais azotés
L'azote de l'atmosphère est la principale source de l'azote utilisé par
les plantes. Ce gaz inerte représente 78% des gaz de l'atmosphère. Dans
l'industrie des engrais, l'azote de l'atmosphère est fixé chimiquement
pour former l'ammoniac selon la réaction suivante: (voir fichier PDF)
L'ammoniac est ensuite combiné avec d'autres produits pour donner
naissance à d'autres engrais azotés: (voir fichier PDF pour
l'illustration)
Les engrais phosphatés
Les engrais phosphatés sont fabriqués à partir des roches phosphatées qui sont extraites de la terre. Le phosphore présent
dans ces roches n'est pas disponible pour les plantes surtout dans les
sols basiques comme c'est le cas de la majorité des sols du Maroc. Pour
rendre le phosphore soluble, ces roches sont attaquées avec l'acide
sulfurique pour produire de l'acide phosphorique.
Les processus de fabrication aboutissent au superphosphate simple ou
triple qui sont utilisés directement comme engrais phosphatés. Ils sont
aussi utilisés en combinaison avec d'autres sources d'azote ou de
potassium pour fabriquer des engrais composés.(voir fichier PDF pour
l'illustration)
Les engrais potassiques
Le potassium provient de dépôts, souterrains ou marins, de mélanges de
KCl et de NaCl. Pour leur extraction, ces minerais sont soit dissous
dans l'eau soit extraits en tant que solides.
Le chlorure de potassium sert pour la fabrication des autres engrais,
tel que le sulfate de potassium, par l'action de l'acide sulfurique.
Qu'est ce qu'il y a dans le sac?
Les engrais se différencient entre eux par l'aspect physique de leurs particules et par leur composition chimique.
Aspect physique
L'apparence des engrais minéraux est très variée (Photos p.2). Selon le
processus de fabrication, les particules des engrais peuvent se présenter sous différentes tailles et formes: granules, pellets, cristaux ou poudres, fines ou grossièrement compactées.
La qualité physique d'un engrais est déterminée par la taille des
particules, sa densité, sa résistance à l'humidité et aux alterations
physiques et par sa résistance à la prise en masse. Afin d'améliorer
leur qualité, les engrais sont traités par des produits protecteurs afin
de les préserver lors du transport et de leur application.
Aspect chimique
Le tableau 1 donne la composition de quelques principaux engrais
utilisés au Maroc. En plus des principaux éléments nutritifs contenus
dans ces engrais minéraux et qui sont l'azote (N), le phosphore (P) et
le potassium (K), une attention particulière doit être accordée aux
autres éléments contenues dans ces engrais, tels que le calcium, le
soufre et le chlore.
Les teneurs de chacun des éléments, en kg par 100 kg d'engrais, sont
imprimées sur le sac sous forme d'azote (N), d'oxyde de phosphore (P2O5)
et d'oxyde de potasse (K2O). Ceci est appelé la formule de l'engrais.
Par exemple, un engrais qui a une formule de 8-8-8 contient 8
kilogrammes d'azote élémentaire (N), 8 kilogrammes d'oxyde de phosphore
(P2O5) et 8 kilogrammes d'oxyde de potassium (K2O), par 100 kilogramme
d'engrais. On utilise aussi le terme d'unité fertilisante qui est égale à
un kilogramme de N ou de P2O5 ou de K2O.
Bien que le phosphore et le potassium contenus dans les engrais soient
exprimés en terme d'oxydes, les engrais ne contiennent ni P2O5 ni K2O.
De plus, ni P2O5 ni K2O ne sont impliqués dans la nutrition des plantes.
Dans la plupart des engrais, le phosphore se trouve sous forme de
phosphate de calcium ou d'ammonium et il est absorbé par les racines des
plantes sous forme d'ions orthophosphates, H2P04- ou HP042-, selon le
pH du sol. Le potassium contenu dans les engrais est souvent sous forme
de sulfate de potassium ou de chlorure de potassium et il est absorbé
par les racines sous forme d'ion potassium (K+).
Occasionnellement, le phosphore et le potassium peuvent être exprimés en
terme de P et de K. Les conversions d'une forme à l'autre peut être
faite en utilisant les formules suivantes:
% P= % P2O5 x 0,44
% P2O5= % P x 2,3
% K= % K2O x 0,83
% K2O= % K x 1,2
Les engrais simples sont des molécules chimiques bien définies ne contenant qu'un seul des trois éléments; N ou P ou K.
Les engrais qui contiennent plus d'un de ces éléments sont des engrais
composés. Les engrais à deux élémentssont des engrais binaires et les
engrais à trois éléments sont des engrais ternaires. Les engrais
composés peuvent être fabriqués de trois manières:
- des molécules chimiques résultant de la réaction de deux produits
contenant chacun un éléments nutritif tel le cas des phosphates avec
l'ammoniac pour donner des phosphates d'ammoniaque (exemple: DAP).
- résultat de mélanges chimiques de plusieurs produits pour donner un
engrais à granules qui contiennent la même proportion des éléments
nutritifs et on parle alors de complexes. C'est le cas du 14-28-14 C qui
est le résultat du mélange du superphosphate, de l'ammoniac et du
chlorure de potassium.
- par le biais de mélanges physiques d'engrais simples ou binaires. Ceci
permet de mettre au point la formule souhaitée pour une culture et un
sol donnés. C'est le cas de grandes exploitations qui, après analyse du
sol, peuvent commander la formule convenable, ou le cas de formule
d'engrais développée pour une région donnée. Cependant, les mélanges ne
sont pas toujours possibles du fait que les engrais utilisés pour faire
ces mélanges doivent être chimiquement et physiquement compatibles
(Tableau 2):
-- chimiquement pour qu'il n'y ait pas de perte de gaz ou de diminution
de la disponibilité des éléments nutritifs ou de prise en masse dues aux
réactions chimiques entre les engrais mélangés.
-- physiquement: les granules des engrais mélangés doivent être de
taille similaire afin d'éviter une ségrégation entre les particules
durant le transport et l'épandage. Il en est de même pour la densité des
particules (exemple: le mélange de l'urée avec certains engrais peut
créer des problèmes d'hétérogéneité lors de l'application à cause du
poids faible de ses particules, comparées aux autres engrais).
Afin d'assurer une qualité des engrais utilisés au Maroc, une commission
permanente met au point les normes marocaines des engrais. Ces normes
concernent tous les aspects de dénomination, d'étiquetage, de marquage,
d'analyses des différents engrais. Actuellement près de 26 normes ont déjà été publiées au Bulletin Officiel.
Que deviennent les engrais dans le sol?
Quand un engrais est apporté au sol, il subit des transformations
chimiques et biologiques qui finissent par libérer dans la solution du
sol (une certaine humidité du sol est nécessaire), selon sa composition,
l'azote sous forme de NO3- et/ou NH4+, le phosphore sous forme de
H2PO4- ou HPO42- et le potassium sous forme de K+. Ces éléments
nutritifs peuvent soit être absorbés par les racines des plantes, soit
s'accumuler dans le sol soit perdus par différents processus. La
compréhension de ces transformations permet de faire le choix judicieux
de l'engrais à utiliser, comme nous allons le voir par la suite. Nous
allons présenter
brièvement les réactions que subissent les engrais simples les plus
utilisés au Maroc après leur apport au sol. Les réactions que les
engrais composés subissent dans le sol peuvent être déduites à partir de
leur composition.
Engrais azotés
Apportés au sol, et en présence d'une certaine humidité du sol, les trois principaux engrais azotés subissent les réactions suivantes:
Ammonitrate: NH4NO3------- NH4+ + NO3-
Sulfate d'ammoniaque: (NH4)2SO4------- 2NH4+ + SO42-
Urée: CO(NH2)2+H2O------ H2NCOONH4--------- 2NH3(gaz)+CO2(gaz) et NH3(gaz) + H2O------- NH4+ +OH-
L'ammonitrate et le sulfate d'ammoniaque produisent du nitrate et de
l'ammonium. Les nitrates sont immédiatement absorbés par les plantes en
cas de besoin, sinon ils peuvent être entraînés en profondeur par les
pluies ou l'eau d'irrigation, puisque leur charge électrique négative ne
leur permet pas d'être retenus par les colloïdes du sol. Les nitrates
du sol peuvent aussi être perdus sous forme de gaz d'oxydes d'azote (NO,
NO2, …) par dénitrification, en cas d'excès d'eau.
Les ions ammonium peuvent être soit absorbés, mais à moindre degré que
les nitrates par les plantes, soit transformés en nitrates par la
nitrification, soit fixés par les charges électriques négatives des
colloïdes du sol. Sous certaines conditions, l'ammonium peut se
transformer en ammoniac et se volatiliser.
La nature organique de l'urée fait que sa transformation nécessite
l'intervention d'une enzyme, capable de briser les liaisons C-O.
Celle-ci est fournie par une large gamme de microorganismes présents
dans le sol. L'azote est d'abord libéré sous forme d'ammoniac (NH3),
qui peut soit se volatiliser sous forme de gaz soit dissous dans l'eau
du sol, pour donner de l'ammonium qui va suivre les mêmes étapes que
l'ammonium libéré par le sulfate d'ammonium ou l'ammonitrate.
Les pertes de l'ammonium sous forme d'ammoniac (NH3) dans le cas du
sulfate d'ammoniaque, et à moindre degré dans le cas de l'ammonitrate et
de l'ammoniac provenant de l'urée, peuvent être importantes:
- sur des sols basiques et surtout calcaires, cas de la majorité des sols du Maroc,
- quand l'apport est fait sous des températures élevées, cas des apports de couverture printaniers,
- des humidités de sol très faibles, cas du bour,
- des conditions ventées.
Les engrais phosphatés
Les engrais phosphatés apportés au sol libèrent le phosphore sous forme
de H2PO4- ou HPO42-, selon le pH du sol. Une partie de ces anions sont
absorbés par les racines. Une autre partie va réagir avec des cations
tels que le calcium en sol basique (cas de la quasi-totalité des sols
marocains), et le fer et l'aluminium en sol acide pour former des
minéraux qui sont peu solubles et donc moins disponibles pour les
plantes. Ces réactions sont à l'origine de la très faible mobilité du
phosphore dans le sol. Ainsi, pour améliorer l'efficacité des engrais
phosphatés, ils doivent être bien répartis dans le sol afin d'augmenter
les chances de contact avec les racines.
Les engrais potassiques
Dans le sol, les engrais potassiques libèrent du K+ qui peut être
absorbé par les plantes en cas de besoin ou fixé par les colloïdes du
sol et devient ainsi stocké pour une utilisation ultérieure. Il peut
aussi être transporté en profondeur du sol en cas d'apports de doses
élevées de potassium sur un sol sableux.
Effets des engrais sur le sol
La dissolution des engrais minéraux dans le sol a plusieurs effets sur
les propriétés du sol, parmi lesquels la salinité et le pH du sol sont
les plus apparents. Ces effets varient avec les engrais. Le tableau 3
donne l'indice global et partiel de salinité de différents engrais.
L'indice de salinité global de chaque engrais est une valeur relatives à
l'indice de salinité du nitrate de soude pris comme référence avec un
indice global de salinité égal à 100. Pour comparer les effets
salinisants des engrais, il est préférable
d'utiliser l'indice partiel de salinité qui correspond à la
salinisation qui est générée par l'apport de 1 kg de l'élément nutritif
sous forme de l'engrais considéré. Par exemple, pour un apport d'une
même dose d'azote, le sulfate d'ammoniaque est plus salinisant que
l'ammonitrate et l'urée est le moins salinisant des engrais azotés
simples.
Le tableau 3 présente
également l'effet d'une utilisation continue de différents engrais sur
le pH du sol. L'effet de l'engrais sur le pH du sol est déterminé par la
capacité de cet engrais à générer des ions H+ ou OH- par leurs
réactions dans le sol. L'effet acidifiant peut réduire la productivité
des cultures dans les sols acides. Par contre, dans les sols calcaires
(cas de la majorité des sols du Maroc), cette acidification peut
contribuer à améliorer la disponibilité de certains éléments nutritifs
tels que le phosphore, le fer, le manganèse et le zinc.
Comment choisir un engrais?
Différentes formules d'engrais sont fabriquées car différentes cultures
exigent des quantités différentes de chaque élément nutritif.
L'efficacité de ces engrais varie avec les sols, les cultures et les
conditions d'application. Le choix de l'engrais à utiliser dépend de
plusieurs facteurs et la prise de décision doit tenir compte des
conditions spécifiques dans lesquelles on se trouve:
La richesse du sol
Une analyse de sol faite avant l'installation de la culture permet de
connaître les quantités d'éléments nutritifs à apporter pour réaliser le
rendement escompté. Si le sol est moyennement riche ou riche en un
élément nutritif, il suffit d'apporter un peu ou pas du tout. Dans les
deux cas, le choix doit porter sur un engrais qui contient peu ou pas du
tout de cet élément.
Le prix de l'unité fertilisante
La fertilisation est un investissement qui doit être rationalisé. Ce qui
nous intéresse dans les engrais c'est leur teneur en éléments
nutritifs.
Le coût de l'unité fertilisante (N ou P2O5 ou K2O) est déterminée en
divisant le prix de l'engrais par sa teneur en éléments nutritifs. A
cause des grandes fluctuations des prix des engrais dans le marché
international, la comparaison des prix doit être faite avant tout achat
d'engrais.
Par exemple, d'après le tableau des prix actuels (Tableau 4),
l'ammonitrate est le moins cher des engrais azotés. Il en est de même du
chlorure de potassium qui est presque 50% moins cher que le sulfate de
potassium.
La culture
Le tableau 3 présente
l'effet des engrais sur la salinité du sol. Les engrais à faible indices
de salinité partiels doivent être choisis si la salinité du sol et
celle de l'eau d'irrigation sont élevées et/ou si la culture est
sensible à la salinité.
Le moment d'apport
Les apports d'engrais se font en deux types d'apports. Les engrais de
fond sont apportés avant le semis pour les cultures annuelles et avant
la repris de végétation pour les cultures pérennes. Les engrais de
couverture, généralement azotés, sont appliqués en pleine végétation en
un ou plusieurs apports.
Les apports de fond
Les engrais phosphatés sont rapidement immobilisés dans la sol après
application. Ainsi, la réponse de la culture à un apport de phosphore
et/ou de potassium avant le semis est meilleure par rapport à celui
effectué en couverture. Seule un partie de l'azote est apportée en fond.
Applications en couverture
Parce que le besoin en azote varie avec la phénologie de la culture et qu'il y a risque de lessivage de l'azote, on préfère
fractionner les apports pour les faire coïncider avec la période de
grand besoin. Ces apports sont généralement faits sous forme d'engrais
azotés simples.
Plusieurs facteurs influencent la décision d'apport d'engrais de couverture:
- La texture du sol: Une fois qu'on connaît la quantité d'engrais de
couverture à apporter, le nombre d'apports et la dose de chaque apport
doivent tenir compte de la texture du sol. En sol léger, plusieurs
applications de N sont nécessaires pour réduire les pertes d'azote par
lessivage et pour maximiser le rendement. En sol lourd,moins
d'applications de N sont souhaitables.
- Le pH du sol: La volatilisation de l'ammoniac est plus importante à
partir du sulfate d'ammoniaque et de l'urée en sol basique et surtout
calcaire. Afin d'éviter ces pertes, il est recommandé d'irriguer juste
après l'apport ou bien de choisir un engrais azoté à base de nitrate,
tel que l'ammonitrate.
Les engrais apportés au sol ont des effets sur le pH du sol (Tableau 3).
Les engrais acidifiants sont à éviter sur des sols acides car la
diminution de pH dans ces sols va entraîner une concentration excessive
de l'aluminium, du fer et du manganèse à des niveaux toxiques pour les
plantes. Ces engrais, par contre, améliorent la disponibilité de
certains éléments nutritifs tels que le phosphore, le fer, le manganèse,
le zinc et le cuivre dans les sols basiques qui représentent la grande
majorité des sols marocains.
- Le climat: Le choix de l'engrais de couverture est aussi influencé par les précipitations et la température. L'entraînement de l'azote par de fortes précipitations (ou irrigation) nécessite des apports fréquents de faibles doses.
Les températures élevées favorisent la volatilisation de l'ammonium (NH4+) sous forme d'ammoniac (NH3).
Méthodes d'application des engrais
Les engrais peuvent être apportésau sol, en pulvérisation foliaire et dans l'eau d'irrigation (fertigation).
- Les applications des engrais sur le sol sont les plus fréquentes. La
plupart des engrais utilisés sont suffisamment solubles dans l'eau du
sol.
- Les produits utilisés dans la fertigation peuvent être des produits
fertilisants solides facilement solubles ou des produits liquides. Les
caractéristiques de ces produits doivent être:
-- Une grande solubilité dans l'eau,
-- Une pureté de la solution fertilisante: les impuretés peuvent
provenir de la solubilisation d'un des produits utilisés ou de la
réaction de plusieurs produits. Elles provoquent l'obstruction du réseau
d'irrigation (tuyaux, émetteurs, …). Ces problèmes peuvent être
aggravés par la présence d'algues et de microorganismes variés dans l'eau d'irrigation.
-- Une compatibilité entre les produits utilisésde sorte à éviter la
formation de composés insolubles. Le tableau 5 donne des exemples
d'engrais pouvant ou non être mélangés en solution mère.
- Les apports d'engrais en pulvérisation foliaire servent à corriger des
carences aiguës en azote et/ou en oligo-éléments. Afin d'éviter les
brûlures des feuilles, il est recommandé d'utiliser des concentrations
faibles d'urée ayant des teneurs en biurets (composés proches de l'urée
produits pendant la fabrication de cet engrais et toxiques pour les
plantes) inférieures à 2%.
Le tableau 6 résume les propriétés les plus importantes des principaux engrais utilisés au Maroc.
Et les effets des engrais sur l'environnement?
L'utilisation des engrais pour augmenter les rendements des cultures a récemment été l'objet de préoccupations environnementales. Parmi les effets négatifs attribués aux engrais, on peut citer:
- Ils polluent le sol par des métaux lourds toxiques, tel que le cadmium;
- Ils polluent les eaux souterraines, ce qui affecte la potabilité de l'eau et augmente les dangers de santé;
- Ils polluent les rivières et les eaux côtières, ce qui peut entraîner
l'eutrophisation et affecter la vie des poissons et autres vies
aquatiques;
- Ils polluent l'atmosphère à travers la dénitrification et la
volatilisation de l'ammoniac et contribuent ainsi au réchauffement
global de la terre.
Ces effets négatifs des engrais sont le résultat de leur mauvaise
utilisation plutôt que des propriétés intrinsèques de ces produits.
Actuellement, ces problèmes se posent surtout dans les pays
industrialisés à forte utilisation des engrais.
Au Maroc, le niveau d'utilisation des engrais est encore faible avec près
de 330.000 tonnes d'éléments nutritifs par année, soit un apport moyen
de 45 kg/ha. Bien que les doses moyennes soient faibles, l'utilisation
de ces engrais dans certaines zones, surtout les zones irriguées, est
excessive. Afin de continuer à tirer profit de l'amélioration de la
productivité des cultures que permet l'utilisation des engrais, sans
pour autant détériorer la qualité de l'environnement, il est nécessaire
d'adopter un code de bonnes pratiques agricoles qui sera basé sur:
- L'analyse de sol: réalisée avant l'installation de la culture, elle
permet de déterminer ses besoins en éléments nutritifs. Puisque
actuellement la majorité des agriculteurs ne font ou ne peuvent pas
faire les analyses de sol, un autre moyen serait de mettre au point des
formules régionales qui tiennent compte de la fertilité des sols et des
techniques de conduite des cultures au niveau de chaque région.
Basés sur ces analyses ou sur la formule régionale, les apports de
phosphore et de potassium sont plus efficaces quand ils sont apportés
juste avant le semis. L'azote par contre doit être fractionné.
- Un bon raisonnement de la fertilisation azotée:
Prise en considération des autres sources d'azotetelles que l'eau d'irrigationet les apports sous forme de résidus organiques.
-- Moment de l'apport: L'apport des engrais azotés peut être effectué
avant ou après l'installation de la culture. En général, un apport avant
le semis sera moins efficace à cause du temps de latence entre cet
apport et la période de grand besoin de la culture, ce qui va entraîner
des pertes. L'azote ammoniacal à une dose appropriée avant le semis est
généralement recommandé du fait que les formes mobiles d'azote (nitrate
et urée) peuvent être facilement lessivées au-dessous de la zone
racinaire des plantules. Aussi, l'azote ammoniacal sera adsorbé et moins
sujet au lessivage pour quelques semaines.hot-
-- Fractionnement des apports d'azote: Idéalement, l'azote doit être mis
à la disposition de la culture à une vitesse qui est égale à celle avec
laquelle la plante absorbe cet élément. Les risques de perte d'azote
sont assez réduits avec le fractionnement.
-- Analyses végétales: La détermination des nitrates dans le végétal
évalue ponctuellement le statut azoté de la plante. Elle permet
d'apporter d'éventuelles corrections