Détermination de la biomasse C et N par la méthode de Fumigation
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Détermination de la biomasse C et N par la méthode de Fumigation
Proceedings of International Symposium on Environmental Pollution Control and Waste Management 7-10 January 2002, Tunis (EPCOWM’2002), p.406-416.. Détermination de la biomasse C et N par la méthode de Fumigation-Extraction dans un sol amende de résidus organiques Determination of the microbial biomass c and n using fumigation - extraction method in soil amended with organic wastes Olfa BOUZAIANE, Abdennaceur HASSEN* et Naceur JEDIDI Institut National de Recherche Scientifique et Technique, B.P. 95-2050, Hammam-Lif, Tunisie. *E-mail : [email protected] ABSTRACT Evolution of the microbial biomass (C and N) following the application of organic amendments (composts of domestic waste with different ages and farmyard manure)to a clayey loamy soil was studied with the fumigation-extraction (FE) method. Experiment consisted to incubate the soil supplemented with organic wastes soil incubation was performed during 24 weeks at 25°C and 2/3 of field capacity. Every 2, 4, 8, 12, 16 and 24 weeks the N and non fumigated samples were extracted for determination of the biomass N and C . Results showed that the evolution of biomass C and N depend on the type of organic wastes, on their stability degree, and on their chemical characteristics. Addition of organic wastes to loamy clayey soil increased the biomass C and N. The importance of biomass C is related to the availability of organic wastes to the soil increases the biomass N and appeared as positively correlated with the chemical characteristics of the waste, mainly with %N. The ratio of biomass C / biomass N is linearly related with the biomass N. KEY WORDS Soil, Biomass C and N, Fumigation-extraction. RESUME L'évolution du carbone et de l'azote de la biomasse microbienne suite à l'application des amendements organiques (deux types de composts des ordures ménagères de différents âges et un type de fumier de ferme) à un sol limono-argileux est étudié par la méthode de fumigation-extraction(FE). L'incubation du sol est accompli durant 24 semaines à 25°C et au 2/3 de la capacité au champ. A des intervalles de temps réguliers, l'azote et le carbone fumigés ou non des échantillons sont extraits pour la détermination du carbone et de l'azote de la biomasse microbienne. L'apport du compost C2 mur au sol améliore la biomasse BC et BN . Cependant l'apport de C1 de deux mois de maturation au sol perturbe l'équilibre biologique de ce dernier. Par ailleurs une relation exponentielle est très claire entre le rapport BC / BN (biomasse C / biomasse N) et BN (biomasse N). L'équilibre biologique représenté par le rapport BC / BN est fortement lié à la valeur de la biomasse N. Ainsi on dégage le rôle important de l'azote sur l'équilibre biologique d'un sol. MOTS CLES Sol, biomasse Cet N, méthodes de Fumigation-Extraction. 406 Impact of organic wastes on soil biomass 1. Introduction La biomasse microbienne est la fraction labile et active de la matière organique du sol. Puisqu’elle régule la transformation et le stockage des éléments nutritifs nécessaire à la croissance des plantes (Horwath et Paul, 1994). Le renouvellement de la matière organique dans le sol est soit d’une manière continue pour les sols forestiers (chute des feuilles), soit d’une manière discontinue qui dépend de l’homme pour les sols arables (fumier, résidus de récolte, incorporation de paille). Toutefois le taux de la matière organique dans le sol tunisien est généralement faible et le fumier et de plus en plus rare. D’où le recours à d’autres substances s’avère nécessaire. La valorisation des rejets industriels et domestiques voire particulièrement les composts urbains, constitue depuis des années une novelle alternative, non seulement pour lutter contre la pollution engendrée par leur entassement mais aussi pour pallier les carences de sols en matières organiques. Cependant la stabilité et la qualité du compost jouent un rôle considérable sur l’évolution de la biomasse microbienne du sol (Jedidi et al., 2000). L’objectif de cette étude est d’observer les effets de l’amendement de deux types de compost de maturation différente et d'un fumier de ferme sur l’évolution de la biomasse microbienne d’un sol limono-argileux. 2. Matériel et Méthodes 2-1. Sol Le sol utilisé dans cette étude est de type limono-argileux (S) prélevé dans la ferme de l’Institut National Agronomique de Tunisie à Mornag (Sud Ouest de Tunis). Les principaux caractéristiques physico-chimiques sont les suivantes: argile (27%), limon (62%), sable (11%), pH (8.5), C (0.87%), N (0.095%) et C/N (9.15). 2-2. Compost des ordures ménagères Deux composts d'ordures ménagères de différents âges et un fumier pailleux de ferme pris comme référence ont été utilisé dans cette étude : Compost C1 pris en fin de cycle de fermentation; Compost C2 mur; Fumier F de ferme. Les caractéristiques physico-chimiques de ces amendements sont regroupées dans le Tableau 1. Tableau 1: Caractéristiques des amendements organiques C1 C2 F pH 8.1 7.9 7.9 C% 17.83 17.52 29.18 N% 1.28 1.79 2.56 C/N 13.9 9.8 11.4 2-3. Méthodes 2-3-1. Protocole expérimental Dans ce travail, nous avons effectué une incubation « in vitro » à 25 ± 1°C d ’un mélange sol-amendement organique. L’amendement est apporté à raison de 40 t/ha, et correspondant à 50 g de sol et 0.66 g d’amendement. On entretient une humidité constante des échantillons à 2/3 de la capacité au champ. Pour ce faire, un témoin (S) et trois traitements à savoir S +C 1, S +C 2 et S + F ont été étudiés. L’état initial des différents traitements a été caractérisé 407 Bouzaiane et al. après une étape de rehumectation du mélange sol-amendement et de pré-incubation d’une semaine à l’étuve à 25°C. Ensuite des prélèvements ont été effectués à intervalle de temps régulier. La répartition de ces prélèvements dans le temps est de 2, 4, 8, 12, 16 et 24 semaines. Pour tous ces différents traitements, l’expérience à été répétée trois fois. Des échantillons de 40 g ont été prélevés et analysés pour la détermination de la biomasse microbienne. 2-3-2. Estimation de la biomasse microbienne par la méthode de Fumigation-Extraction A la fin de chaque période d’incubation, 6 répétitions de chaque traitement sont prélevées. Trois échantillons de chaque traitement sont fumigés au chloroforme (CH3Cl) dans un dessiccateur pendant 24 h à l’obscurité et à une température de 25°C (Brookes et al., 1985). Après fumigation, les trois échantillons sont extraits par une solution de K2SO4 à 0.5 N avec une proportion de ¼ puis filtrés. En même temps, les trois autres échantillons subissent une extraction. 2-3-3. Détermination de l’azote de la biomasse microbienne Sur une prise d’essai de 20 ml du filtrat de K2SO4 des échantillons fumigés et non fumigés, le dosage de l’azote total est fait selon la méthode de digestion Kjeldal (Bremner, 1965). Le calcul de l’azote de la biomasse microbienne est fait selon l’équation suivante (Brookes et al., 1985): BN= [NF – NNF] / ken Avec BN: azote de la biomasse microbienne; NF: azote total dans le filtrat K2SO4 du sol fumigé; NNF: azote total dans le filtrat K2SO4 du sol non fumigé; ken: coefficient d’efficacité d’extraction de l’azote organique microbien et de l’azote inorganique du sol. La valeur 0.68 indiqué par Brookes et al., (1985) a été considérée dans ce calcul. 2-3-4. Détermination du carbone de la biomasse microbienne La quantité du carbone est faite par la méthode d’oxydation au bichromate de potassium (Jenkinson et Powlson, 1976 ). La quantité du carbone soluble dans l’extrait du sol fumigé et non fumigé sont utilisés selon l’équation suivante: Bc = [ CF – CNF ] / kec Avec Bc: Carbone de la biomasse microbienne; CF: Carbone dans le filtrat K2SO4 du sol fumigé; CNF: Carbone dans le filtrat K2SO4 du sol non fumigé; Kec: coefficient d’efficacité d’extraction du carbone de la biomasse microbienne. Voroney et al., (1991) suggèrent un kec de 0.35 qui est généralement la valeur de l’efficacité de l’extraction du carbone de la biomasse microbienne. 3. Résultats et discussion 3-1. Évolution de la Biomasse C (BC) La dénaturation de la membrane cellulaire des micro-organismes du sol par le chloroforme libère le carbone organique. L’extraction et la mesure de ce carbone organique représentent la biomasse C. L’évolution de la biomasse C dans le sol exprimée en mg C Kg-1 de sol sec est rapportée dans la Fig. 1a. Pour les deux traitements S + C2 et S + F, la biomasse C augmente pour atteindre un maximum après deux semaines d’incubation pour le premier traitement et vers la quatrième semaine pour le deuxième traitement. Cette biomasse tend à diminuer après pour se stabiliser vers la 12ème semaine et atteint environ 196 mg C Kg-1de sol sec. Pour les deux autres traitements à savoir S et S + C1, la biomasse C fluctue en dent de scie et finit par se stabiliser vers la 16ème semaine. 408 Impact of organic wastes on soil biomass Biomasse C Biomasse C (mg/kg sol sec) 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 0 5 10 15 20 25 Temps (Semaines) BC-Sol BC-Sol + Compost C1 BC-Sol + Fumier BC-Sol + Compost C2 Fig. 1a. Evolution de la biomasse microbienne C (BC) dans le temps Biomasse N Biomasse N (mg/kg sol sec) 25 20 15 10 5 0 0 5 10 15 20 Temps (Semaines) BN-Sol BN-Sol + Compost C1 BN-Sol + Fumier BN-Sol + Compost C2 Fig. 1b. Evolution de la biomasse microbienne N (BN) dans le temps 409 25 Tableau 2: Evolution de la biomasse C (BC), de la biomasse N (BN) et du rapport BC /BN en fonction de la période d’incubation et du type d’amendement organique apporté dans le sol étudié. Traitement S S + C1 S+F S + C2 Type Semaines 0 2 4 8 12 16 24 BC BN 864 ± 52 d 4,12 ± 0,32 ab 409,33 ± 26,10 b 4,29 ± 0,18 ab 671,33 ± 39,71 c 4,76 ± 0,52 b 191,67 ± 30,02 a 2,62 ± 1,07 a 462,33 ± 39,71 b 5,03 ± 0,63 b 191,33 ± 30,60 a 5,86 ± 1,48 b 235,6 ± 26,20 a 2,40 ± 1,02 a BC/BN 210,88 ± 27,82 d 95,51 ± 8,27 b 142,45 ± 20,31 c 87,86 ± 40,54 b 92,78 ± 12,55 b 33,77 ± 9,22 a 86,67 ± 5,54 b BC 832 ± 104,73 a 506 ± 65,96 c 383,33 ± 15,01 b 366,67 ± 1,15 b 402,67 ± 63,50 b 142,67 ± 49,10 a 191,96 ± 15,01 a BN 5,80 ± 0,43 c 6,54 ± 0,64 c 6,97 ± 0,88 c 2,32 ± 0,20 a 4,39 ± 0,54 b 8,17 ± 1,10 d 3,77 ± 0,06 b BC/BN 144,81 ± 29,53 d 77,82 ± 11,67 bc 55,44 ± 5,25 b 158,56 ± 13,50 d 91,95 ± 12,49 c 17,53 ± 6,34 a 50,92 ± 3,98 b BC 184,33 ± 2,30 a 816 ± 72,17 d 924 ± 29,44 e 331,33 ± 15,01 c 209 ± 0,58 ab 165 ± 15,58 a 261,8 ± 26,20 b BN 6,28 ± 0,83 ab 4,44 ± 0,25 a 7,85 ± 1,63 bc 8,27 ± 1,72 bc 19,08 ± 0,91 d 5,66 ± 1,57 ab 10,10 ± 0,95 c BC/BN 29,49 ± 4,18 ab 183,85 ± 11,26 d 120,53 ± 21,04 c 41,58 ± 10,98 b 10,97 ± 0,51 a 31,33 ± 12,08 ab 26,00 ± 2,82 ab BC 294 ± 17,78 b 924,33 ± 53,98 d 833,67 ± 49,22 c 314,67 ± 1,15 b 183 ± 1,73 a 184 ± 1,73 a 157,6 ± 37,25 a BN 6,59 ± 0,83 b 3,24 ± 0,18 a 7,42 ± 0,20 b 7,85 ± 1,08 b 12,05 ± 0,18 d 10,69 ± 0,62 c 7,73 ± 1,10 b BC/BN 45,13 ± 7,21 a 286,03 ± 29,96 c 112,34 ± 5,25 b 40,55 ± 6,09 a 15,19 ± 0,23 a 17,15 ± 0,99 a 20,74 ± 6,32 a BC : Biomasse C; BN : Biomasse N; BC/BN : Rapport biomasse C/ biomasse N; (0, 2,…24) : Différentes semaines d’incubation; (a, b, c) : Les moyennes des lignes affectées de la même lettre ne sont pas significativement différentes conformément au test de Student-Newman-Keuls à P<0,05. S : Sol, S+C1 : Sol+compost C1, S+F : Sol+Fumier, S+C2 : Sol+Compost C2 ; ± : Déviation standard, n = 3. 411 Bouzaiane et al. Tableau 3:. Evolution de la biomasse C (BC), de la biomasse N (BN) et du rapport BC/BN en fonction du type d'amendement organique apporté au sol et de la période d'incubation Traitement Temps S S + C1 (Semaine) S+F B S + C2 S S + C1 S+F B C S + C2 S S + C1 S+F S + C3 B /B C N N 0 864 ± 52 a 832 ± 104,73 a 184,33 ± 2,30b 294 ± 17,78 b 4,12 ± 0,32 a 5,80 ± 0,43 b 6,28 ± 0,83 b 6,59 ± 0,83 b 210,88 ± 27,82 a 144,81 ± 29,53 b 29,49 ± 4,18 c 45,13 ± 7,21 c 2 409,33 ± 26,1a 506 ± 65,96 a 816 ± 72,17 b 924,3 ± 53,9 c 4,29 ± 0,18 a 6,54 ± 0,64 b 4,44 ± 0,25 a 3,24 ± 0,18 c 95,51 ± 8,27a 77,82 ± 11,67a 183,85 ± 11,26 b 286,03 ± 29,96 c 4 671,33 ± 39,7a 383,3 ± 15 b 924 ± 29,44 c 833,7 ± 49,2 d 4,76 ± 0,52 a 6,97 ± 0,88 b 7,85 ± 1,63 b 7,42 ± 0,20 b 142,45 ± 20,31 a 55,44 ± 5,25 b 120,53 ± 21,04 a 112,34 ± 5,25 a 8 191,67 ± 30,02 a 366,7 ± 1,1 b 331,33 ± 15 c 314,7 ± 1,15 c 2,62 ± 1,07 a 2,32 ± 0,20 a 8,27 ± 1,72 b 7,85 ± 1,08 b 87,86 ± 40,54 a 158,56 ± 13,50 b 41,58 ± 10,98 a 40,55 ± 6,09 a 12 462,33 ± 39,71 a 402,7 ± 63,5 a 209 ± 0,58 b 183 ± 1,73 b 5,03 ± 0,63 a 4,39 ± 0,54 a 19,08 ± 0,91 b 12,05 ± 0,18 c 92,78 ± 12,55 a 91,95 ± 12,49 a 10,97 ± 0,51 b 15,19 ± 0,23 b 16 191,33 ± 30,60 a 142,7 ± 49,1 a 165 ± 15,58 a 184 ± 1,73 a 5,86 ± 1,48 a 8,17 ± 1,10 a 5,66 ± 1,57 a 10,69 ± 0,62 b 33,77 ± 9,22 a 17,53 ± 6,34 a 31,33 ± 12,08 a 17,15 ± 0,99 a 24 235,6 ± 26,20 ab 191,96 ± 15 bc 261,8 ± 26,2 a 157,6 ± 37,2 c 2,40 ± 1,02 a 3,77 ± 0,06 a 10,10 ± 0,95 b 7,73 ± 1,10 c 86,67 ± 5,54 a 50,92 ± 3,98 b 26,00 ± 2,82 c 20,74 ± 6,32 c BC : Biomasse C; BN : Biomasse N; BC/BN : Rapport Biomasse C/Biomasse N; (0, 2,…24) : Différentes semaines d’incubation; (a, b, c) : Les moyennes des lignes affectées de la même lettre et pour un même traitement ne sont pas significativement différentes conformément au test de Student-Newman-Keulen à P<0,05, S : Sol, S + C1 : Sol + Compost C1, S + F : Sol + Fumier, S + C2 : Sol + Compost C2; ± : Déviation standard, 412 n = 3. Impact of organic wastes on soil biomass Les résultats rapportés dans le Tableau 2 révèlent également qu’il y a un développement significatif et une stimulation de la biomasse C induite par tous les amendements organiques utilisés dans cette étude à savoir le fumier, le compost C1 et le compost C2. Toutefois la quantité de la biomasse C paraît très importante pendant la semaine zéro (864 mg C / Kg). Ce résultat s’explique par les conditions suivies durant la période de pré-incubation qui induisent une réactivation nette de l’activité biologique du sol et le développement de nouveaux micro-organismes supplémentaires (Brookes et al., 1985). Fig. 2. Evolution au cours des différentes périodes d’incubation de la biomasse N en fonction du rapport BC/BN 3-2. Comparaison de la biomasse C de compost de différents âges D’après le Tableau 3, l’amendement du sol avec le fumier et le compost C2 a un effet significatif sur la biomasse C. En effet l'apport du fumier de ferme et du compost C2 mur au sol améliore le carbone de la biomasse microbienne. 413 Bouzaiane et al. L’importance de cette biomasse dans le sol après amendement organique est essentiellement le résultat de la disponibilité du C dans l’amendement. Shen et al. (1989) observent bien une augmentation de la biomasse C après l’apport des déchets au sol comparé à celui du sol témoin. La biomasse microbienne du sol est lié à leur carbone (Schürer et al., 1985) et au nature de l’amendement (Hasebe et al., 1985). 3-3. Evolution de la biomasse N (BN) La variation du stock d’azote du sol est sous la dépendance de l’activité microbiologique. Selon les conditions du sol, le pool microbien agit sous les deux formes d’azote minéral ou organique. Les microorganismes peuvent ainsi libérer (minéralisation), soit emprisonner l’azote (organisation). Le Tableau 2 révèle que les teneurs du sol incubé en biomasse N (témoin sans amendement) n’ont pas présenté de variation significative durant les 24 semaines d’incubation. Globalement, l’apport des résidus organiques dans le sol étudié a pour effet significatif d’augmenter la biomasse N du sol. Jedidi et al., (2000) ont observé que le taux de la biomasse N a augmenté de 100% dans un sol amendé de paille et après 8 semaines d’incubation. Martinez, (1989) a observé également une augmentation de 100% de la biomasse N après apport des résidus de Ray Grass dans un sol incubé pendant 20 jours. D’après la Fig. 1b, la biomasse N du sol amendé de compost C1 n’a pas présenté de grande différence par rapport à celle du sol témoin, à l’exception d’une légère amélioration au début et à la fin de la période d’incubation. Par ailleurs, les valeurs moyennes de l’azote de la biomasse microbienne dans le sol témoin et celui amendé de compost C1 n’ont pas présenté de grandes différences. Elles sont respectivement de 4.15 et de 5.42 mg N Kg-1 de sol sec. L’apport du fumier ou du compost C2 a pour effet d’améliorer la biomasse microbienne au début de l’incubation et à partir de la 16ème semaine, la biomasse reste invariante. 3-4. Comparaison de la biomasse N de compost de différents âges Le Tableau 3 révèle que l’apport du fumier et du compost C2 améliore l’azote de la biomasse microbienne. Par contre l’apport du compost C1 n’a pas d’effet significatif sur la biomasse N. Ocio et Brookes, (1990) ont observé une augmentation de la biomasse N après un apport de la paille au sol. 3-5. Evolution du rapport biomasse C/ biomasse N La stabilité relative de la biomasse d’un sol donné est le résultat d’équilibre dynamique. A tout instant des microorganismes naissent, se multiplient et périssent. Les micro-organismes dégradent des substrats, synthétisent de la matière organique nouvelle, puis sont à leur tour lysés. Leur nombre total varie, en fonction des conditions environnementales du sol et de toutes les interventions extérieures sur le sol. Le rapport BC/BN représente l’équilibre de l’activité biologique du sol. D’après le Tableau 2, ce rapport pour le sol témoin n’a pas présenté de différence significative à P < 0.05 après deux semaines et jusqu’au 24 semaines d’incubation (excepté à la 4ème et à la 16ème semaine). Ainsi le sol a présenté une activité biologique équilibrée. Le rapport BC/BN du traitement S+C1 a présenté une différence significative durant toutes les périodes d’incubation. Ainsi, l’apport du compost C1 au sol a eu comme résultat direct une perturbation de l’équilibre biologique de ce dernier. En effet, l’apport d’un compost de mauvaise qualité (maturité incomplète) se traduit par des déséquilibres écologiques dans le sol et particulièrement par une consommation accrue des éléments minéraux et de l’azote du sol par les microorganismes au détriment de la plante (Cadillon et Guez, 1982). 414 Impact of organic wastes on soil biomass Par contre pour les deux autres traitements, à savoir S + F et S + C2, le rapport BC/BN obtenu n’a pas présenté globalement de différence significative. Ainsi on peut dire que l’apport du fumier F ou du compost C2 dans le sol n’a pas causé de perturbation sensible sur l’équilibre biologique du sol. 3-6. Dépendance entre biomasse C (BC) / biomasse N (BN) et BN. Le rapport BC/BN augmente quand la biomasse N diminue (Fig. 2). La relation exponentielle entre BC/BN et BN est très marquée. Franzluebbers et al., (1995) rapportent une bonne relation exponentielle entre BC/BN et BN. L’équilibre biologique représenté par le rapport BC/BN est fortement lié à la valeur de la biomasse N. Ainsi on dégage le rôle important de l’azote sur l’équilibre biologique d’un sol. Remerciements Ce travail a été soutenu financièrement par le Ministère de la Recherche Scientifique et à la Technologie dans le cadre d'un contrat programme sur le compostage et la valorisation agronomique du compost en Tunisie. Références Bremner J. M. (1965) Inorganic forms of nitrogen. In Methods’of Analysis. Part 2. chemical and Microbial Properties (C.A.Blak et al., Eds), pp. 1179 – 1237. American Society of Agronomy, Madison. Brookes P.C., Landman A., Pruden G. and Jenkinson D.S. (1985b) chloroform fumigation and the release of soil nitrogen: a rapid direct extraction method to measure microbial biomass nitrogen in soil. Soil Biology and Biochemistry, 17, 837-842. Cadillon M. et Guez D. 1982. Les problèmes posés par l'utilisation agronomique d'ordures ménagères. 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