Double coup dur pour la vie dans le sol ? Les effets de la sécheresse et de l’utilisation des engrais
Illustration 1 : Dans la moitié des parcelles expérimentales de notre étude, nous avons utilisé des toits pour simuler la sécheresse. L’autre moitié des parcelles a reçu de « faux » toits : des panneaux disposés à l’envers pour tenir compte des potentiels effets secondaires de ces structures (comme les changements de vitesse du vent ou de luminosité). ©Julia Siebert.
Illustration 2 : Pour déterminer l’activité des invertébrés du sol dans nos parcelles expérimentales, nous avons utilisé des pièges à bandelettes appâtées. Les bandelettes ont été entièrement enfoncées dans le sol pour que les invertébrés du sol s’en nourrissent. Après 3 semaines, nous avons vérifié combien des petits trous contenant l’appât étaient pleins, vides ou partiellement vides. Plus les invertébrés du sol sont actifs et ont faim, plus l’appât est consommé. ©Gottschall/Siebert.
Illustration 3 : Qu’avons-nous trouvé ? (A) La sécheresse, l’utilisation d’engrais et la combinaison des deux ont fortement réduit l’activité alimentaire des invertébrés du sol. (B) Les microorganismes du sol n’ont pas été dérangés par la sécheresse. L’utilisation d’engrais a provoqué une hausse de la biomasse microbienne du sol.
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Marie Sünnemann1,2, Julia Siebert1,2 and Nico Eisenhauer1,2
1 Experimental Interaction Ecology, German Centre for Integrative Biodiversity Research (iDiv) Halle-Jena-Leipzig, Leipzig, Germany
2 Institute of Biology, Leipzig University, Leipzig, Germany
Depuis deux siècles, le mode de vie des humains a modifié la Terre. Nos actions sont à l’origine du changement climatique entrainant de longues périodes de sécheresse, mais elles provoquent également une accumulation excessive de nutriments dans le sol à cause du brûlage des combustibles fossiles et de la fertilisation des champs agricoles. Ces deux facteurs menacent le monde sous nos pieds : les sols. Ils peuvent sembler ennuyeux et sans vie, mais les sols abritent de nombreux organismes - des minuscules bactéries aux agiles millipèdes en passant par les vers de terre visqueux - qui contribuent aux processus indispensables à la vie sur Terre. L’activité de ces organismes favorise par exemple la décomposition des matières végétales, ce qui garantit la fertilité des terres agricoles sur lesquelles nous cultivons nos aliments. Étant donné que la plupart des organismes du sol sont très sensibles aux changements dans leurs environnements, nous avons voulu savoir ce qui se produirait en cas de sécheresse et de surfertilisation simultanées.
LES ACTIVITÉS HUMAINES CHANGENT LES ÉCOSYSTÈMES
Au cours des 200 dernières années, les activités humaines ont considérablement changé le monde. Le changement climatique induit par l’homme provoque le réchauffement de la planète ainsi que de longues périodes de sécheresse (de longues périodes avec peu de pluie) dans certaines régions. En parallèle, l’exploitation agricole des champs et des prés a profondément changé au cours des dernières décennies. La population mondiale ne cesse d’augmenter et toutes ces personnes ont besoin de manger. Aujourd’hui, de grandes quantités d’engrais sont donc utilisées dans les champs agricoles afin d’obtenir de meilleurs rendements des cultures [1]. Ces pratiques produisent suffisamment de nourriture pour plusieurs milliards de personnes, mais elles présentent un inconvénient de taille :à l’image de la sécheresse, l’utilisation excessive des engrais a des effets non seulement sur les plantes visibles au-dessus du sol, mais également sur l’écosystème souterrain complexe — le sol et les organismes qui y vivent.
L’IMPORTANCE DE L’ÉCOSYSTÈME DU SOL
Les sols représentent une part importante des écosystèmes terrestres. Nous n’en sommes souvent pas conscients, mais les sols grouillent de choses vivantes. Ce sont des microorganismes, comme les bactéries et les champignons, si minuscules qu’ils sont invisibles à l’œil nu. Cependant, ils compensent leur petite taille par leur nombre : une seule cuillerée à café de sol peut contenir plusieurs millions de microorganismes du sol. Beaucoup de créatures un peu plus grandes, comme les acariens et les collemboles, peuvent même être observées à l’aide d’une loupe. Parmi les plus grands animaux du sol, nous trouvons les cloportes, les centipèdes et les vers de terre. Toutes les créatures du sol de plus grande taille ont une caractéristique commune : elles sont dépourvues de colonne vertébrale. C’est pourquoi on les appelle les invertébrés. Ces créatures cohabitent dans le sol et elles interagissent de nombreuses manières : certaines se nourrissent des autres alors que d’autres travaillent ensemble.
Les invertébrés du sol réalisent de nombreuses tâches qui sont nécessaires à notre existence. L’une des plus importantes fonctions de cet écosystème est la décomposition, qui nécessite la coopération d’une multitude de créatures. Ce sont les organismes du sol qui se chargent de la décomposition de la matière végétale morte. Les feuilles sèches, les racines mortes et les graines sont leurs sources de nourriture. Ils décomposent cette matière végétale morte en des morceaux de plus en plus petits. Les minuscules composés qui en résultent fournissent à leur tour une excellente source de nourriture pour les microorganismes du sol comme les bactéries et les champignons. À la fin, ces ressources sont à nouveau converties en une substance que les plantes peuvent utiliser pour leur croissance, c’est-à-dire du CO2 et des nutriments.
Toutes ces créatures du sol, comme presque toute la vie sur Terre, sont extrêmement dépendantes de l’eau pour boire, respirer ou encore pour se déplacer. Des périodes de sécheresse de plus en plus longues et fréquentes sont donc un problème pour beaucoup de petits organismes. Encore pire, que se passerait-il si d’autres évènements nuisibles se produisaient en même temps ? L’utilisation excessive d’engrais par exemple, peut être nocive pour les organismes du sol, car elle change la valeur de pH du sol en le rendant plus acide. Beaucoup d’organismes du sol ne supportent pas les conditions de sol acides. L’utilisation d’engrais peut-elle ajouter un facteur de stress, rendant les situations de sécheresse plus difficiles à supporter pour les organismes du sol ? Et comment pouvons-nous savoir exactement si la sécheresse et l’utilisation d’engrais sont nuisibles aux organismes du sol et si elles interfèrent avec leurs fonctions ?
COMMENT AVONS-NOUS ÉTUDIÉ LES MICROORGANISMES DU SOL ?
Pour comprendre les effets de la sécheresse et de l’utilisation d’engrais sur les organismes du sol, nous avons commencé une expérience qui simule ces deux facteurs communs sur lesquels les humains influent [2]. Nous avons choisi un pré en Allemagne centrale dans lequel nous avons délimité de petits espaces appelés parcelles expérimentales, et nous avons traité ces parcelles de manières différentes. Un quart des parcelles expérimentales a été soumis à la sécheresse grâce à des toits (Illustration 1), un autre quart a été traité avec de l’engrais et un autre quart a été traité avec une combinaison de sécheresse et d’engrais. Le dernier quart n’a pas été traité du tout : c’est la parcelle de contrôle. Les parcelles de contrôle sont importantes, car elles nous permettent de comparer les traitements avec les conditions normales.
Pour comprendre comment la sécheresse et l’utilisation d’engrais influent sur les organismes du sol, nous avons examiné les invertébrés du sol et les microorganismes du sol séparément. Nous avons examiné l’activité des invertébrés du sol dans chacune de nos parcelles. Pour cela, nous avons utilisé de fines languettes de plastique percées de plusieurs trous, appelées languettes appâtées ou bait-lamina. Nous avons rempli chaque trou d’un mélange d’appât dont les invertébrés du sol sont friands — un peu comme des céréales pour invertébrés. Nous avons enfoncé des languettes appâtées dans le sol de nos parcelles (Illustration 2). Après 3 semaines, nous avons observé la quantité d’appât mangée par les animaux du sol. Les écologistes du sol utilisent cette méthode pour évaluer la quantité de nourriture ingérée par les invertébrés du sol, ce qui représente un bon indicateur de leur activité en général.
Pour examiner les microorganismes du sol de plus près, nous avons prélevé une petite quantité de sol dans chaque parcelle et nous l’avons ramenée au labo. Nous avons déterminé l’activité microbienne de ces échantillons en mesurant leur respiration. Tout comme les humains, les organismes du sol inspirent de l’oxygène (O2) et expirent du dioxyde de carbone (CO2), donc, plus il y a de respiration dans un échantillon, plus les microorganismes sont actifs (un peu comme quand vous faites du sport). Pour mesurer la respiration microbienne, nous avons utilisé un appareil muni d’un capteur spécial capable de mesurer la quantité d’oxygène utilisé par les microorganismes. Ces données ont ensuite été transférées dans un ordinateur pour y être stockées. Après avoir établi l’activité des microorganismes du sol, nous avons pu calculer leur biomasse, une mesure de la quantité de tous les microbes qui vivent dans une quantité définie de sol, par exemple une cuillerée à café.
LA SÉCHERESSE ET L’UTILISATION D’ENGRAIS PEUVENT INFLUER SUR LES INVERTÉBRÉS DU SOL
Nous avons utilisé des tests statistiques sur nos données pour découvrir comment les communautés de microbes et d’invertébrés du sol réagissent à la sécheresse et à l’utilisation d’engrais. Nous avons déterminé que la sécheresse et l’utilisation d’engrais perturbent gravement l’activité des invertébrés du sol. Bien que chacun de ces facteurs produise de forts effets négatifs, la combinaison des deux n’a pas augmenté la réduction de l’activité des invertébrés (Illustration 3A). Les microbes du sol ont cependant réagi de manière complètement différente. Ils n’ont pas souffert de la sécheresse et l’utilisation additionnelle d’engrais a même fait augmenter leur biomasse (Illustration 3B).
Pourquoi la sécheresse et l’utilisation d’engrais ont-elles nui beaucoup plus aux invertébrés qu’aux microorganismes ? En général, les deux groupes sont fortement dépendants de l’humidité du sol et supportent difficilement la sécheresse. Entre autres raisons parce que leur nourriture devient si sèche qu’ils ont des difficultés à la digérer [3]. Imagine manger des tartines de pain rassis avec de la confiture à longueur de journée, sans rien boire. Pour échapper aux conditions de sécheresse, les invertébrés se sont peut-être enfoncés dans le sol vers des couches plus humides que nous n’avons pas atteintes avec nos tests. Cependant, pourquoi l’utilisation d’engrais a-t-elle aussi diminué leur activité ? La raison est que l’utilisation d’engrais provoque l’acidification des sols, c’est-à-dire que leur valeur de pH passe en dessous de 5. Les vers de terre et beaucoup d’autres invertébrés du sol n’aiment pas les conditions de bas pH qui peuvent endommager leur peau fragile. Un citron a par exemple une valeur de pH de 2. As-tu déjà reçu une goutte de jus de citron sur une coupure à un de tes doigts ? Pas très agréable.
Le traitement à la sécheresse n’a pas nui aux microorganismes du sol. Cela nous a surpris, car notre traitement a fait diminuer les précipitations annuelles de moitié et a naturellement entrainé des sols extrêmement secs. Cependant, nous pensons qu’il est possible que les bactéries et les champignons qui vivent normalement dans les couches supérieures du sol soient constamment exposés aux cycles de température et d’humidité des saisons. Ils doivent donc être capables de survivre même lors des périodes les plus sèches [4]. Ils peuvent par exemple se construire une coquille protectrice riche en sucres qui empêche leur enveloppe de se dessécher.
Ils peuvent également développer une forme très résistante qui leur permet de survivre, appelée spore. Les spores sont dans un état de dormance et peuvent survivre à la chaleur extrême et à la sécheresse pendant 1 000 ans. Nous pensons que ce sont les raisons pour lesquelles les conditions de sécheresse de notre expérience n’ont presque pas nui aux microorganismes du sol. Mais il est aussi possible que notre expérience ait été trop courte pour observer les effets négatifs de la sécheresse.
D’un autre côté, l’utilisation d’engrais a même été bénéfique pour les microorganismes. C’est parce que les nutriments supplémentaires de l’engrais ont fortement favorisé la croissance des plantes. Les plantes ont non seulement réagi en produisant des pousses plus longues, des fleurs plus grandes et beaucoup plus de fleurs, mais elles ont aussi libéré plus de ressources dans le sol à travers leurs racines et les microorganismes ont pu se nourrir de ces sources de nourriture supplémentaires.
Nous étions heureux de constater que la sécheresse et l’utilisation d’engrais n’ont pas mutuellement renforcé leurs effets. Cela signifie que la combinaison des deux facteurs ne semble pas plus nuisible que chaque facteur pris individuellement. Cela révèle que les écosystèmes possèdent de formidables mécanismes d’adaptation contre les attaques environnementales nuisibles. Mais dans cette étude, nous avons seulement mesuré l’activité des organismes du sol au bout de 1 an. Pour savoir si les résultats se maintiennent, nous devrions examiner le sol après plusieurs années de sécheresse et d’utilisation d’engrais.
QUEL AVENIR POUR NOS SOLS ?
En résumé, les plus grands invertébrés du sol semblent beaucoup moins bien équipés que les microorganismes pour faire face aux futurs changements environnementaux. Qu’est-ce que cela signifie pour nos sols à l’avenir ? Le déclin d’activité des animaux du sol a plusieurs conséquences pour les écosystèmes et donc pour les humains. Comme nous l’avons déjà appris, tous les organismes du sol sont nécessaires afin de maintenir le processus de décomposition. Le processus de décomposition se divise en plusieurs étapes interdépendantes. Tandis que les invertébrés sont principalement responsables de la fragmentation de grands morceaux de plantes et d’animaux morts, les microorganismes digèrent les plus petits morceaux lors de l’étape suivante et libèrent une multiplicité de nutriments. Ensemble, les organismes du sol forment une grande communauté nourricière dans laquelle chaque espèce occupe une place spéciale et accomplit des tâches spécifiques. Cependant, si un maillon manque à la chaîne, l’équilibre de l’ensemble du système risque d’être perturbé [5]. À long terme, cela pourrait causer la perte de la fertilité des sols. En conséquence, les graminées, le blé et le maïs ne pousseraient plus aussi abondamment dans nos champs, et nous pourrions avoir des difficultés à nourrir toutes les personnes sur Terre. Nous sommes donc dépendants du bien-être de toutes les créatures du sol et nous devons être conscients de leur importance au moment de prendre des décisions qui peuvent avoir un impact sur nos sols.
GLOSSAIRE
ÉCOSYSTÈME
Une communauté de plantes, de bactéries, d’animaux et de champignons établie à un certain endroit, ainsi que les composants non vivants de cet environnement.
FONCTIONS DE L’ÉCOSYSTÈME
Processus naturels qui ont lieu dans un écosystème.
INVERTÉBRÉS
Animaux non pourvus de colonne vertébrale, tels que les centipèdes, les cloportes et les vers de terre.
DÉCOMPOSITION
Après la mort, les organismes vivants sont décomposés en éléments de plus en plus petits. Cela libère des nutriments utiles à la croissance des plantes.
VALEUR pH
Une échelle indiquant si une solution a un caractère acide ou basique. Plus la valeur est basse, plus la solution est acide.
BIOMASSE
Mesure de la quantité de l’ensemble des microbes qui vivent dans une quantité définie de sol.
REMERCIEMENTS
Nous remercions l’équipe de la Bad Lauchstädt Experimental Research Station pour leur aide dans l’entretien du site expérimental, et Alla Kavtea, Tom Künne et Ulrich Pruschitzki pour leur soutien lors du travail sur le terrain et en laboratoire. Nous remercions également la coordination du International Drought-Net Experiment pour le soutien et les protocoles. Nous remercions Susan Debad pour son aide éditoriale.
ARTICLE ORIGINAL
Siebert, J., Sünnemann, M., Auge, H., Berger, S., Cesarz, S., Ciobanu, M., et al. 2019. The effects of drought and nutrient addition on soil organisms vary across taxonomic groups, but are constant across seasons. Sci. Rep. 9:639. doi: 10.1038/s41598-018-36777-3
RÉFÉRENCES
[1] Galloway, J. N., Townsend, A. R., Erisman, J. W., Bekunda, M., Cai, Z., Freney, J. R., et al. 2008. Transformation of the nitrogen cycle: recent trends, questions, and potential solutions. Science 320:889–92. doi: 10.1126/science.1136674
[2] Siebert, J., Sünnemann, M., Auge, H., Berger, S., Cesarz, S., Ciobanu, M., et al. 2019. The effects of drought and nutrient addition on soil organisms vary across taxonomic groups, but are constant across seasons. Sci. Rep. 9:639. doi: 10.1038/s41598-018-36777-3
[3] Thakur, M. P., Reich, P. B., Hobbie, S. E., Stefanski, A., Rich, R., Rice, K. E., et al. 2018. Reduced feeding activity of soil detritivores under warmer and drier conditions. Nat. Clim. Change 8:75–8. doi: 10.1038/s41558-017-0032-6
[4] Tonkin, J. D., Bogan, M. T., Bonada, N., Rios-Touma, B., and Lytle, D. A. 2017. Seasonality and predictability shape temporal species diversity. Ecology 98:1201–16. doi: 10.1002/ecy.1761
[5] Simpson, J. E., Slade, E., Riutta, T., and Taylor, M. E. 2012. Factors affecting soil fauna feeding activity in a fragmented lowland temperate deciduous woodland. PLoS ONE7:e29616. doi: 10.1371/journal.pone.0029616
ÉDITÉ PAR: Helen Phillips, German Centre for Integrative Biodiversity Research (iDiv), Germany
CITATION: Sünnemann M, Siebert J and Eisenhauer N (2020) Double Whammy for Life in Soil? The Effects of Drought and Fertilizer Use. Front. Young Minds. 8:547630. doi: 10.3389/frym.2020.547630
CONFLIT D’INTÉRÊTS : Les auteurs déclarent que la recherche a été menée en l’absence de toute relation commerciale ou financière qui pourrait être interprétée comme un conflit d’intérêts.
COPYRIGHT © 2020 Sünnemann, Siebert et Eisenhauer. Il s’agit d’un article en accès libre distribué selon les termes de la licence Creative Commons Attribution (CC BY). L’utilisation, la distribution ou la reproduction dans d’autres forums est autorisée, à condition que les auteurs originaux et les titulaires du droit d’auteur soient crédités et que la publication originale dans ce journal soit citée, conformément aux pratiques académiques acceptées. Toute utilisation, distribution ou reproduction non conforme à ces conditions est interdite.
JEUNE CRITIQUE
JEDIDIAH, ÂGE: 14 ans
Jedidiah s’intéresse à la science et aux maths et particulièrement à l’impact de l’environnement sur sa vie quotidienne. Il aime travailler dans le jardin familial et gagner de l’argent de poche en vendant les œufs et les légumes qu’il a aidé à produire. Durant son temps libre, Jed joue au baseball et aux jeux vidéos.
AUTEURS
MARIE SÜNNEMANN
À 6 ans, sa meilleure amie lui a lancé un défi : manger un ver de terre. Aujourd’hui elle ne le ferait pas, mais sa curiosité à propos de tout ce qui rampe sous terre n’a jamais diminué. Elle prépare actuellement un doctorat et étudie les réactions des organismes du sol face au changement climatique dans les prés et les champs agricoles. Durant son temps libre, elle pratique les sports de combat et apprécie les activités à l’extérieur.
*marie.suennemann@idiv.de
JULIA SIEBERT
Julia est fascinée par la nature depuis son enfance. Elle a toujours passé le plus de temps possible dehors, construisant des cabanes en mousse dans la forêt et cherchant toutes sortes d’animaux. Elle a suivi sa passion en étudiant la biologie et la science de la communication et a toujours voulu trouver des moyens pour transmettre la connaissance à différents publics. Elle concentre ses études scientifiques sur la manière dont les changements de conditions climatiques affectent les organismes du sol et leurs fonctions dans l’écosystème. De plus, elle s’investit dans la transmission de la science de la biodiversité aux écoliers. Durant son temps libre, elle aime pratiquer l’équitation, voyager, observer les oiseaux, faire du VTT et toutes sortes d’autres sports en extérieur.
NICO EISENHAUER
Nico s’intéresse à la nature depuis son enfance. Il creusait pour trouver des vers de terre, attrapait des grenouilles et des poissons et aidait les lézards à survivre en hiver. Il a toujours été fasciné par la beauté de la nature et a toujours cherché à comprendre pourquoi un animal ou une plante se développe à un endroit et pas un autre. Pendant ses études de biologie, il s’est découvert un intérêt pour les animaux du sol et leurs activités cruciales pour le fonctionnement des écosystèmes. Lorsqu’il ne travaille pas, Nico aime jouer au foot et au badminton, courir et passer du temps avec sa famille et ses amis.
TRANSLATOR
INGRID PATETTA
FUNDING (TRANSLATION)
The team Translating Soil Biodiversity acknowledges support of the German Centre for integrative Biodiversity Research (iDiv) Halle-Jena-Leipzig funded by the German Research Foundation (DFG FZT 118, 202548816).
