Les besoins nutritifs des végétaux chlorophylliens

1. Analyser la composition d'une plante

Pour savoir ce dont une plante a besoin, on commence par chercher de quoi elle est faite. On procède en trois étapes.

a) La dessiccation. On pèse un échantillon de plante fraîche (masse fraîche), puis on le chauffe à l'étuve vers 105 °C jusqu'à ce que sa masse ne diminue plus. La perte de masse correspond à l'eau évaporée. Ce qui reste est la matière sèche.

b) L'incinération (ou calcination). On brûle la matière sèche à très haute température. Une grande partie disparaît sous forme de gaz (dioxyde de carbone, vapeur d'eau, oxydes d'azote) : c'est la matière organique, faite surtout de carbone (C), d'hydrogène (H), d'oxygène (O) et d'azote (N). Il reste un petit résidu blanc-gris : les cendres, qui constituent la matière minérale.

c) L'analyse des cendres. On y trouve de nombreux éléments : potassium (K), calcium (Ca), phosphore (P), magnésium (Mg), soufre (S), fer (Fe), et en très petites quantités manganèse (Mn), zinc (Zn), cuivre (Cu), bore (B), molybdène (Mo)…

Résultats généraux.

• L'eau est le constituant le plus abondant : souvent 70 à 95 % de la masse fraîche des organes tendres (feuilles, fruits charnus), moins dans les graines sèches et le bois.
• Dans la matière sèche, le carbone et l'oxygène représentent chacun environ 45 %, l'hydrogène environ 6 %, l'azote 1 à 2 % ; les éléments minéraux ne forment que quelques pour cent.

L'analyse nous dit de quoi la plante est faite, mais pas d'où viennent ces éléments. Il faut des expériences.

2. D'où viennent les constituants de la plante ?

• L'eau et les éléments minéraux sont prélevés dans le sol par les racines, sous forme de solution (les éléments minéraux sont absorbés à l'état d'ions : nitrate NO₃^-, phosphate H₂PO₄^-, potassium K^+, calcium Ca²⁺, magnésium Mg²⁺, sulfate SO₄^2-…).
• Le carbone de la matière organique ne vient pas du sol : il provient du dioxyde de carbone (CO₂) de l'air, absorbé par les feuilles. Une plante verte placée sous une cloche dont l'air est privé de CO₂ ne grandit plus, même si elle a de l'eau et des sels minéraux.
• La lumière est indispensable : à l'obscurité, une plante verte ne fabrique pas de matière organique ; elle s'étiole puis meurt quand ses réserves sont épuisées. La lumière n'est pas un aliment : c'est la source d'énergie qui permet à la plante de fabriquer sa matière organique à partir du CO₂ et de l'eau (c'est la photosynthèse, étudiée dans le chapitre suivant).

3. Les cultures sur solution nutritive

Pour prouver qu'un élément minéral est indispensable, il faut cultiver des plantes sans sol, dans de l'eau où l'on contrôle exactement les substances dissoutes : c'est la culture hydroponique (ou culture sur liquide nutritif).

Au XIXe siècle, le botaniste allemand Knop a mis au point une solution nutritive qui permet à une plante verte de se développer normalement : de l'eau pure contenant du nitrate de calcium, du nitrate de potassium, du phosphate de potassium, du sulfate de magnésium et un peu de sel de fer. Cette solution de Knop ne contient aucune matière organique : la plante fabrique donc toute sa matière organique elle-même, à partir de substances minérales.

Le principe des expériences de carence. On prépare plusieurs lots de jeunes plants identiques :

• un lot témoin sur solution complète ;
• des lots expérimentaux, chacun sur une solution à laquelle il manque un seul élément (sans azote, sans phosphore, sans potassium, sans magnésium, sans fer…).

Si un lot se développe mal, l'élément absent est indispensable. On observe alors des symptômes de carence.

4. Macroéléments et oligoéléments

On classe les éléments minéraux indispensables selon la quantité nécessaire :

• les macroéléments, nécessaires en quantités importantes : azote (N), phosphore (P), potassium (K), calcium (Ca), magnésium (Mg), soufre (S) ;
• les oligoéléments, indispensables mais en quantités infimes : fer (Fe), manganèse (Mn), zinc (Zn), cuivre (Cu), bore (B), molybdène (Mo), chlore (Cl)… Un excès d'oligoélément peut d'ailleurs devenir toxique.

Chaque élément a un rôle : l'azote entre dans les protéines et la chlorophylle ; le magnésium est au centre de la molécule de chlorophylle ; le phosphore entre dans l'ADN et les molécules énergétiques ; le potassium règle l'entrée et la sortie de l'eau des cellules.

La loi du minimum. La croissance d'une plante est limitée par l'élément présent en quantité la plus insuffisante par rapport aux besoins, même si tous les autres sont abondants. C'est pourquoi quelques poignées d'engrais azoté ont changé le champ de l'oncle de Mamadou : l'azote était le facteur limitant.

Application en Guinée. Les engrais « NPK » apportent justement les trois macroéléments les plus souvent insuffisants dans les sols cultivés. Beaucoup de sols tropicaux, lessivés par les fortes pluies de l'hivernage, perdent leurs ions solubles : les paysans compensent par la fumure (fumier, compost, cendres) ou par les engrais minéraux.

5. Bilan : une plante verte est autotrophe

Une plante verte n'a besoin que de :

• eau (H₂O) et ions minéraux, puisés dans le sol par les racines ;
• dioxyde de carbone (CO₂), puisé dans l'air par les feuilles ;
• lumière, source d'énergie.

À partir de ces seules substances minérales, elle fabrique toute sa matière organique (glucides, lipides, protéines). On dit qu'elle est autotrophe. L'être humain et les animaux, eux, doivent consommer de la matière organique déjà fabriquée : ils sont hétérotrophes.