Chapitre 8. Les éléments nutritifs secondaires, les oligo-éléments, l'effet chaulant, et les éléments dangereux associés à l'utilisation de phosphates naturels

Le phosphate naturel (PN) est recommandé pour une application dans les sols acides où le phosphore (P) est un élément nutritif limitant important pour la croissance des plantes.Les 50 dernières années ont vu une accumulation considérable des connaissances sur les facteurs affectant l'efficacité agronomique des PN pour une application directe. Cependant, beaucoup moins d'informations sont disponibles sur d'autres effets liés à l'utilisation des PN, c'est à dire l'apport d'éléments nutritifs secondaires, oligoéléments, l'effet chaulant, et les éléments dangereux. Ce chapitre passe en revue les informations disponibles dans la littérature qui traitent de ces autres effets.

ÉLÉMENTS NUTRITIFS SECONDAIRES DANS LE PHOSPHATE NATUREL

Les carences en éléments nutritifs, calcium (Ca) et magnésium (Mg), sont parmi les contraintes significatives, chimiques et nutritionnelles, de la croissance des cultures en sols acides. Comme l'apatite dans le PN est du type P-Ca, l'élément nutritif calcium peut être potentiellement apporté dans la mesure où les conditions sont favorables à la dissolution de l'apatite. En outre, beaucoup de PN contiennent des carbonates libres, tels que la calcite (CaCO3) et la dolomie (CaMg(CO3)2), qui peuvent également fournir du calcium et du magnésium dans les sols acides. Cependant, si la solubilisation des carbonates libres élève de manière significative le pH et le calcium échangeable autour des particules de PN, il peut gêner la dissolution de l'apatite et réduire ainsi la disponibilité du phosphore du PN (Chien et Menon, 1995b). Par exemple, Chien (1977a) a trouvé que le PN de Huila (Colombie), qui contenait environ 10 pour cent de CaCO₃, augmentait le pH de la solution du sol de 4,8 à 6,2 en une semaine par rapport à d'autres PN qui ont fait passer le pH à 5,1. En conséquence, la concentration maximum de phosphore dans la solution du sol obtenue avec le PN de Huila était inférieure à celle obtenue avec le PN de Floride centrale (figure 25), bien que ces deux PN aient eu approximativement le même degré de substitution isomorphe de CO₃ pour PO₄ dans la structure de l'apatite.

FIGURE 25
Relation entre la concentration maximum de phosphore dans la solution du sol et le rapport molaire CO3/PO4 dans la structure de l'apatite

Source: Chien, 1977a

FIGURE 26
Relation entre l'absorption de calcium par le maïs et la solubilité dans le citrate de divers PN

Hellums et al., 1989.

Hellums et al. (1989) ont rendu compte de la valeur agronomique potentielle du calcium dans certains PN d'Amérique du Sud et d'Afrique de l'Ouest. Leur étude a consisté à appliquer du phosphore en quantité suffisante sous forme de KH₂PO₄ à une terre limono sableuse acide (pH 4,5) avec un faible taux de calcium échangeable pour isoler l'effet calcium de l'effet du phosphore. Les résultats ont montré que l'absorption de calcium par le maïs à partir des diverses sources de PN a suivi l'ordre de la réactivité des PN sauf pour le PN de Capinota (Bolivie), qui contenait environ 10 pour cent de CaCO₃ (figure 26). L'efficacité agronomique relative (EAR) de diverses sources de PN par rapport au CaCO₃ (100 pour cent) en termes d'augmentation de la production de matière sèche et d'absorption de calcium allait de 28 à 89 pour cent et de 8 à 58 pour cent, respectivement (tableau 26). Les résultats ont montré que les PN de réactivité moyenne et élevée ont une valeur potentielle en calcium, en plus de leur utilisation comme source de phosphore, quand ils sont appliqués directement aux sols acides ayant un faible niveau de calcium échangeable.

Dans un essai de trois ans au champ conduit en Chine centrale, Hu et al. (1997) ont rapporté que le calcium échangeable est passé de 1 194 mg/kg (témoin) à 1 300-2 100 mg/kg pour des traitements avec des PN. Les niveaux correspondants de magnésium échangeable étaient de 330 mg/kg (témoin) et 350-400 mg/kg (traitements avec PN). Puisque la teneur en magnésium liée à l'apatite est très faible (différente du calcium lié à l'apatite), il est à prévoir que le PN n'élèvera pas de manière significative le niveau de magnésium échangeable du sol à moins que le PN contienne une quantité significative de dolomie. Des recherches supplémentaires sont nécessaires pour obtenir des renseignements sur la valeur agronomique du calcium et du magnésium (particulièrement ce dernier).

Certains PN peuvent contenir une quantité significative de minéraux accessoires comportant du soufre (S), par exemple du gypse (CaSO4) dans le PN israélien (Axelrod et Greidinger, 1979) et pyrite (FeS2) et pyrrhotite (FeS) dans le PN de Mussoorie, Inde (PPCL, 1983). Cependant, il existe peu d'information sur la disponibilité du S pour les plantes à partir de ces sources de PN.

TABLEAU 26
Efficacité agronomique relative de divers PN comme source de calcium pour le maïs par comparaison avec CaCO3

Source: Hellums et al., 1989.

OLIGO-ÉLÉMENTS DANS LES PHOSPHATES NATURELS

Certains PN contiennent des minéraux accessoires qui peuvent fournir des oligo-éléments participant à la croissance de la plante. Cependant, peu d'informations sont disponibles sur ce bénéfice additionnel potentiel d'utiliser le PN en application directe.

FIGURE 27
Réponse du riz pluvial au PN et au TSP de Huila dans un Oxisol

Source: Hammond et al., 1986b.

Le travail de Hammond et al. (1986b) sur un oxisol en Colombie a suggéré que le PN local de Huila, qui contient 136 mg de zinc (Zn) par kilogramme, donne un rendement plus élevé avec la variété de riz Cica-8 que le phosphate super triple (TSP) en raison de sa teneur en zinc (Figure 27). Cependant, le zinc disponible du PN de Huila n'était pas suffisant pour fournir la quantité adéquate de zinc pour deux variétés de riz. Quand du zinc était appliqué au sol, le PN de Huila et le TSP étaient également efficaces pour accroître le rendement du riz.

En Nouvelle-Zélande, Sinclair et al. (1990) ont trouvé que le PN de Sechura (Pérou), qui contient 43 mg de molybdène (Mo) par kilogramme, a augmenté la production de matière sèche des fourrages plus que ne l'a fait le TSP dans les endroits où le PN a augmenté de manière significative le niveau de molybdène dans le trèfle (figure 28). Des renseignements supplémentaires sont nécessaires sur les teneurs en oligo-éléments des PN qui ont un potentiel pour augmenter la production des cultures dans les sols acides.

Figure 28
Effet du PN et du TSP de Sechura sur la concentration en molybdène dans le trèfle

Source: Sinclair et al., 1990.

EFFET CHAULANT ASSOCIÉ À L'UTILISATION DE PN

Un pH bas associé à des niveaux toxiques d'aluminium (Al) et de manganèse (Mn) contribue fréquemment à une mauvaise fertilité du sol pour la croissance des plantes dans les sols tropicaux et subtropicaux acides dans les pays en voie de développement. Bien que la chaux soit efficace en diminuant l'acidité du sol et la toxicité aluminique, elle est souvent indisponible ou coûte cher à transporter. Le criblage d'espèces et de variétés de cultures pour identifier celles qui sont tolérantes à l'acidité du sol réduirait les demandes en chaux (Sanchez et Salinas, 1981, Goedert, 1983).

La solubilisation de l'apatite du PN consomme des ions H⁺ et, ainsi, elle peut remonter le pH du sol, selon la réactivité du PN. Si un PN contient une quantité significative de carbonates libres, il peut augmenter le pH du sol. Cependant, bien qu'une augmentation du pH du sol puisse réduire le niveau de saturation en aluminium, elle peut également dans un même temps réduire la solubilisation de l'apatite. Les conditions optimales demanderaient un pH du sol qui soit assez haut pour réduire le niveau de saturation en aluminium mais cependant assez bas pour que la dissolution de l'apatite libère du phosphore.

Une recherche du Centre international de développement des engrais (IFDC) a montré que l'application de PN moyennement à fortement réactifs avec une faible teneur en carbonates libres peut avoir comme conséquence des effets de chaulage significatifs dans les sols acides. Bien que l'augmentation du pH soit généralement inférieure à 0,5 unité, la diminution de l'aluminium échangeable peut être significative quand le pH du sol est inférieur à 5,5 (Chien et Friesen, 2000) car la teneur en aluminium échangeable serait presque nulle à ce niveau de pH dans des Oxisols et Ultisols (Pearson, 1975). Par exemple, la teneur en aluminium échangeable a été réduite de 2,0 à 0,4 meq/100 g quand un Oxisol de Colombie a été traité avec le PN de Sechura dans une étude d'incubation de sol (Figure 29). Le pH du sol a augmenté dans le même temps de 4,6 à 5,0, et le calcium échangeable est passé de 0,2 à 1,5 meq/100 g. En conséquence, le niveau de saturation en aluminium a également diminué de 80 pour cent à environ 20 pour cent. Ainsi, les meilleures performances des PN fortement réactifs, par exemple Sechura et Caroline du Nord, par rapport au TSP pour la croissance de la plante peuvent être dues à la diminution de la toxicité aluminique du sol (Figure 30). Dans un essai au champ de cinq ans conduit sur un Oxisol fertilisé avec diverses sources de PN, Chien et al. (1987b) ont rapporté que le pH est passé de 4,1 (témoin) à 4,7-5,0 (traitements avec PN). L'augmentation correspondante du calcium échangeable a été de 0,17 cmol/kg (témoin) à 0,31-0,56 cmol/kg (traitements avec PN). Cependant, on n'a observé aucun effet significatif sur l'aluminium échangeable. Dans leur étude avec un sol rouge de Chine, Hu et al. (1997) ont rapporté que le pH du sol est passé de 4,8 (témoin) à 4,9- 5,3 pour les traitements ayant reçu des PN. On a également observé, avec les traitements recevant des PN, une réduction de l'aluminium échangeable jusqu'à 70 pour cent par rapport au témoin. Ainsi, les études suggèrent que l'application de PN aux sols acides peut également améliorer les propriétés du sol aussi bien que la fourniture de phosphore disponible pour la production agricole.

FIGURE 29
Evolution de l'aluminium et du calcium échangeable dans un Oxisol traité avec PN et TSP (200 mg P/kg) au cours d'une incubation

Source: Chien, 1982.

FIGURE 30
Effet des sources de phosphore sur la production de matière sèche de Panicum maximum cultivé sur un Oxisol (somme de trois coupes)

Source: Chien, 1982.

Sikora (2002) a entrepris une étude théorique et expérimentale pour calculer et mesurer le potentiel de chaulage des PN par titration en laboratoire et incubation dans des sols. Des trois anions (PO4^3-, CO3^2-et F^-) présents dans la structure de l'apatite du PN, le CO3^2-et le PO4^3- peuvent consommer des ions H⁺ et causer ainsi 3 une augmentation du pH. En raison de la quantité molaire plus grande de PO4 par rapport au CO3^2-, PO4^3-exerce une plus grande influence sur le potentiel de chaulage du PN. Les résultats de la titration de deux PN (Caroline du Nord -fortement réactif et Idaho -faiblement réactif) ont montré que les gammes d'équivalence en carbonate de calcium (ECC) étaient de 39,9 à 53,7 pour cent, donc inférieures aux valeurs théoriques (59,5 à 62,0 pour cent). Le modèle expérimental obtenu à partir de l'étude d'incubation dans des sols a montré une concordance qualitative avec la théorie étant donné qu'il montrait une augmentation des capacités de chaulage quand le phosphore solubilisé à partir des PN augmentait. Cependant, le modèle a donné un pourcentage d'ECC inférieur aux calculs théoriques pour une gamme de phosphore dissous allant de 20 à 60 pour cent. Des recherches complémentaires sont nécessaires pour comparer les modèles de pourcentage d'ECC dans une variété de types de sols afin d'évaluer l'effet chaulant potentiel lié à l'utilisation de PN.

ÉLÉMENTS DANGEREUX DANS LE PHOSPHATE NATUREL

Tous les PN contiennent des éléments dangereux comprenant des métaux lourds, par exemple le cadmium (Cd), le chrome (Cr), le mercure (Hg) et le plomb (Pb), et des éléments radioactifs, par exemple l'uranium (U), qui sont considérés comme toxiques pour la santé humaine et animale (Mortvedt et Sikora, 1992, Kpomblekou et Tabatabai, 1994b). Les teneurs de ces éléments dangereux changent considérablement parmi les sources de PN et même dans le même gisement. Le tableau 27 montre les résultats d'une analyse chimique des éléments potentiellement dangereux dans certains échantillons de PN sédimentaires (Van Kauwenbergh, 1997).

Parmi les métaux lourds dangereux dans les engrais phosphatés, le cadmium est probablement l'élément le plus recherché, en raison de la toxicité potentiellement élevée pour la santé humaine des aliments qui proviennent de cultures fertilisées avec des engrais phosphatés contenant une quantité significative de cadmium. La plupart des études sur l'absorption de cadmium par les cultures ont employé des engrais phosphatés hydrosolubles tels que le super phosphate triple (TSP), le superphosphate simple (SSP), le phosphate di-ammonique (DAP) et le phosphate mono-ammonique (MAP). Cependant, la réaction du cadmium dans le sol traité avec un PN diffère de manière significative de celle avec des engrais phosphatés hydrosolubles parce que le cadmium lié à l'apatite dans le PN est insoluble dans l'eau. Iretskaya et al. (1998) ont rapporté qu'un PN de Caroline du Nord fortement réactif contenant 47 mg de cadmium par kilogramme était aussi efficace que le SSP produit à partir du même PN pour augmenter le rendement en grain du riz pluvial, mais que la concentration en cadmium dans le grain de riz ayant reçu du PN était seulement d'environ la moitié de celle mesurée avec le SSP. Ainsi, les informations sur la disponibilité du cadmium provenant des sources de phosphates hydrosolubles ne peuvent pas être prises directement en considération pour l'application de PN.

TABLEAU 27
Analyse chimique des éléments potentiellement dangereux dans des phosphates naturels sédimentaires

Source: Van Kauwenbergh, 1997.

La réactivité du PN influence la disponibilité du cadmium pour la plante parce que le cadmium est lié au phosphore dans la structure de l'apatite (Sery et Greaves, 1996). Pour séparer l'effet du phosphore de la disponibilité du cadmium du PN, Iretskaya et al. (1998) ont préalablement traité deux sols acides avec 200 mg de phosphore (sous forme de KH₂PO₄) par kilogramme de sorte qu'aucune réponse au phosphore du PN ne soit attendue dans l'augmentation du rendement en grain du riz pluvial. Ils ont constaté que l'absorption totale de cadmium par le riz à partir du PN faiblement réactif du Togo représentait 80 pour cent de l'absorption réalisée à partir du PN fortement réactif de Caroline du Nord dans un sol avec un pH de 5,0 et 52 pour cent dans un sol avec un pH de 5,6 quand les sols ont été traités avec 400 µg de cadmium par kilogramme avec les deux PN. McLaughlin et al. (1997) ont constaté que les concentrations en cadmium dans le trèfle cultivé sur un sol traité avec un PN faiblement réactif de Hamrawein (Egypte) contenant 5,3 mg de cadmium par kilogramme étaient inférieures à celles mesurées sur un trèfle poussant sur un sol traité avec le PN fortement réactif de Caroline du Nord contenant 40,3 mg de cadmium par kilogramme. Cette expérimentation a été réalisée avec les mêmes doses de phosphore. Ainsi, une source de PN avec une forte réactivité et une teneur plus importante en cadmium peut libérer plus de cadmium, disponible alors pour la plante, qu'un PN ayant une réactivité inférieure et/ou une faible teneur en cadmium. En plus de la réactivité des PN et de leur teneur en cadmium, l'absorption du cadmium par la plante dépend également des propriétés du sol, particulièrement du pH, et de la culture (Iretskaya et Chien, 1999). Des recherches complémentaires sont nécessaires pour étudier leurs interactions et intégrer ces facteurs sur la disponibilité du cadmium liée à l'utilisation de PN.

Certaines sources de PN peuvent contenir une quantité significative d'éléments radioactifs quand on les compare à d'autres PN, par exemple 390 mg d'uranium sont contenus par kilogramme de PN de Minjingu (République unie de Tanzanie) contre 12 mg d'uranium par kilogramme de PN de Gafsa (Tunisie) (Tableau 27). Comme le PN de Minjingu est fortement réactif et agronomiquement et économiquement adapté pour l'application directe aux sols acides pour la production agricole (Jama et al., 1997, Weil, 2000), des questions se sont posées sur la sécurité d'emploi de ce PN. Des échantillons de sol et de tissus de plantes associés à l'utilisation de ce PN ont été rassemblés par le Centre international pour la recherche en agroforesterie (CIRAF) et envoyés à l'Agence internationale de l'énergie atomique pour tester leur radioactivité. Les résultats ont montré que la radioactivité des échantillons de sol et de plante était plus ou moins au niveau du bruit de fond. Cependant, le problème de sûreté demeure un souci pour les ouvriers travaillant dans la mine.

La plupart des PN ont également des concentrations élevées en fluor (F) dans les minéraux d'apatite, excédant souvent 3 pour cent en poids (250 g de F par kilogramme de P). L'absorption excessive de fluor a été impliquée comme entraînant des dommages aux animaux en pâture du fait de la fluorose. McLaughlin et al. (1997) n'ont rapporté aucune différence significative de la teneur en fluor du fourrage entre les parcelles de terrain fertilisées avec du SSP contenant 1,7 pour cent de fluor et celles recevant du PN de Caroline du Nord contenant 3,5 pour cent de fluor, ou entre des sites qui avaient reçu les deux engrais. Les concentrations en fluor dans le fourrage étaient généralement inférieures à 10 mg de fluor par kilogramme et souvent près de la limite de détection pour la technique d'analyse (1 mg de fluor par kilogramme). Ils ont conclu qu'il est peu probable que l'absorption de fluor par les plantes dans la plupart des sols entraîne des problèmes pour les animaux qui pâturent. Cependant, ils ont averti que l'ingestion par les animaux de sol ou de traces d'engrais restant sur le fourrage après un apport important pourrait affecter la santé des animaux, selon la concentration en fluor du sol et de l'engrais. Ainsi, il est nécessaire de contrôler la teneur en fluor dans les PN utilisés pour des applications à long terme sur des sols acides.