Dans la Base de Référence Mondiale pour les Ressources en Sol (WRB) du système international de classification des sols, Terra preta est appelée Anthrosol Prétique. Le sol d’origine le plus courant avant d’être transformé en terra preta est le Ferralsol. Terra preta a une teneur en carbone allant de élevée à très élevée (plus de 13-14% de matière organique) dans son horizon A, mais sans caractéristiques hydromorphiques. Terra preta présente des variantes importantes. Par exemple, les jardins proches des habitations recevaient plus de nutriments que les champs plus éloignés. Les variations des terres noires amazoniennes empêchent de déterminer clairement si toutes ont été créées intentionnellement pour améliorer le sol ou si les variantes les plus claires sont un sous-produit de l’habitation.
La capacité de Terra preta à augmenter son propre volume — donc à séquestrer plus de carbone — a été documentée pour la première fois par le pédologue William I. Woods de l’Université du Kansas. Cela reste le mystère central de terra preta.
Les processus responsables de la formation des sols terra preta sont:
- Incorporation de charbon de bois
- Incorporation de matière organique et de nutriments
- Croissance de micro-organismes et d’animaux dans le sol
Charbon de boismodiFier
La transformation de la biomasse en charbon de bois produit une série de dérivés du charbon de bois appelés carbone pyrogène ou noir, dont la composition varie de légèrement carbonisée matière organique, aux particules de suie riches en graphite formées par recomposition de radicaux libres. Tous les types de matériaux carbonisés sont appelés charbon de bois. Par convention, le charbon de bois est considéré comme toute matière organique naturelle transformée thermiquement ou par une réaction de déshydratation avec un rapport oxygène/carbone (O/C) inférieur à 60; des valeurs plus faibles ont été suggérées. En raison des interactions possibles avec les minéraux et la matière organique du sol, il est presque impossible d’identifier le charbon de bois en déterminant uniquement la proportion de O / C. Le pourcentage hydrogène / carbone ou des marqueurs moléculaires tels que l’acide benzènepolycarboxylique, sont utilisés comme deuxième niveau d’identification.
Les peuples autochtones ont ajouté du charbon de bois à basse température aux sols pauvres. Jusqu’à 9% de carbone noir a été mesuré dans certaines terra preta (contre 0,5% dans les sols environnants). D’autres mesures ont révélé des niveaux de carbone 70 fois plus élevés que dans les ferralsols environnants, avec des valeurs moyennes approximatives de 50 Mg / ha / m.
La structure chimique du charbon de bois dans les sols de terra preta est caractérisée par des groupes aromatiques polycondensés qui assurent une stabilité biologique et chimique prolongée contre la dégradation microbienne; il fournit également, après oxydation partielle, la plus forte rétention des nutriments. Le charbon de bois à basse température (mais pas celui des herbes ou des matériaux à haute teneur en cellulose) a une couche interne de condensats de pétrole biologiques que les bactéries consomment et est similaire à la cellulose dans ses effets sur la croissance microbienne. La carbonisation à haute température consomme cette couche et apporte peu d’augmentation de la fertilité du sol. La formation de structures aromatiques condensées dépend de la méthode de fabrication du charbon de bois. L’oxydation lente du charbon de bois crée des groupes carboxyliques; ceux-ci augmentent la capacité d’échange des cations du sol. Le noyau des particules de carbone noir produites par la biomasse reste aromatique même après des milliers d’années et présente les caractéristiques spectrales du charbon de bois frais. Autour de ce noyau et à la surface des particules de carbone noir se trouvent des proportions plus élevées de formes de carbones carboxyliques et phénoliques spatialement et structurellement distinctes du noyau de la particule. L’analyse des groupes de molécules fournit des preuves à la fois pour l’oxydation de la particule de carbone noir elle-même, ainsi que pour l’adsorption du carbone non noir.
Ce charbon de bois est donc décisif pour la durabilité de terra preta. La modification du ferralsol avec du charbon de bois augmente considérablement la productivité. À l’échelle mondiale, les terres agricoles ont perdu en moyenne 50% de leur carbone en raison de la culture intensive et d’autres dommages d’origine humaine.
Le charbon frais doit être « chargé » avant de pouvoir fonctionner comme biotope. Plusieurs expériences démontrent que le charbon de bois non chargé peut entraîner un épuisement provisoire des nutriments disponibles lorsqu’il est d’abord mis dans le sol, c’est-à-dire jusqu’à ce que ses pores se remplissent de nutriments. Ceci est surmonté en trempant le charbon de bois pendant deux à quatre semaines dans n’importe quel nutriment liquide (urine, thé végétal, etc.).
BiocharEdit
Le biochar est du charbon de bois produit à des températures relativement basses à partir d’une biomasse de bois et de matières végétales feuillues dans un environnement très pauvre ou dépourvu d’oxygène. Il a été observé que la modification du sol avec du biochar augmentait l’activité des champignons mycorhiziens arbusculaires. Des tests de matériaux à haute porosité tels que la zéolite, le charbon actif et le charbon de bois montrent que la croissance microbienne s’améliore considérablement avec le charbon de bois. Il se peut que de petits morceaux de charbon de bois migrent dans le sol, fournissant un habitat aux bactéries qui décomposent la biomasse dans la couverture végétale de surface. Ce processus peut avoir un rôle essentiel dans l’auto-propagation de terra preta; un cycle vertueux se développe à mesure que le champignon se propage à partir du charbon de bois, fixant du carbone supplémentaire, stabilisant le sol avec de la glomaline et augmentant la disponibilité des nutriments pour les plantes voisines. De nombreux autres agents contribuent, des vers de terre aux humains ainsi que le processus de carbonisation.
Si le biochar devenait largement utilisé pour l’amélioration des sols, un effet secondaire produirait des quantités importantes de séquestration du carbone à l’échelle mondiale, contribuant ainsi à la médiation du réchauffement climatique. « Les systèmes de gestion des sols Bio-char peuvent réduire les émissions de C échangeables, et le C séquestré est facilement responsable et vérifiable. »
Il a été démontré que le biochar augmente la capacité d’échange de cations du sol, ce qui améliore l’absorption des nutriments par les plantes. Parallèlement à cela, il était particulièrement utile dans les sols tropicaux acides car il est capable d’augmenter le pH en raison de sa nature légèrement alcaline. Le biochar montre que, par rapport à un sol, la productivité des résidus oxydés est particulièrement stable, abondante et capable d’augmenter les niveaux de fertilité du sol.
La stabilité du biochar par rapport aux autres formes de charbon de bois est due à sa formation. Le processus de combustion de matières organiques à des températures élevées et à de faibles niveaux d’oxygène donne un produit poreux riche en charbon et pauvre en cendres. Le biochar a le potentiel d’être un contributeur à long terme riche en nutriments à la fertilité du sol.
Matière organique et nutrimentSdit
La porosité du charbon apporte une meilleure rétention de la matière organique, de l’eau et des nutriments dissous, ainsi que des polluants tels que les pesticides et les hydrocarbures aromatiques polycycliques.
Matière organiquemodifier
Le potentiel élevé d’absorption des molécules organiques (et de l’eau) du charbon de bois est dû à sa structure poreuse. La forte concentration de charbon de bois de Terra preta supporte une forte concentration de matière organique (en moyenne trois fois plus que dans les sols pauvres environnants), jusqu’à 150 g /kg. La matière organique se trouve à une profondeur de 1 à 2 mètres (3 pi 3 po à 6 pi 7 po).
Bechtold propose d’utiliser terra preta pour des sols présentant, à 50 centimètres (20 po) de profondeur, une proportion minimale de matière organique supérieure à 2,0-2,5 %. L’accumulation de matière organique dans les sols tropicaux humides est un paradoxe, en raison des conditions optimales de dégradation de la matière organique. Il est remarquable que les anthrosols se régénèrent malgré la prévalence de ces conditions tropicales et leurs taux de minéralisation rapides. La stabilité de la matière organique est principalement due au fait que la biomasse n’est que partiellement consommée.
Nutrimentsmodifier
Les sols de Terra preta présentent également des quantités plus élevées de nutriments et une meilleure rétention de ces nutriments que les sols stériles environnants. La proportion de P atteint 200-400 mg / kg. La quantité de N est également plus élevée dans l’anthrosol, mais ce nutriment est immobilisé en raison de la forte proportion de C sur N dans le sol.
La disponibilité d’Anthrosol en P, Ca, Mn et Zn est supérieure à celle du ferrasol. L’absorption de P, K, Ca, Zn et Cu par les plantes augmente lorsque la quantité de charbon disponible augmente. La production de biomasse pour deux cultures (riz et Vigna unguiculata) a augmenté de 38 à 45% sans fertilisation (P < 0,05), par rapport aux cultures sur ferralsol fertilisé.
La modification avec des morceaux de charbon de bois d’environ 20 millimètres (0,79 po) de diamètre, au lieu de charbon de bois broyé, n’a pas modifié les résultats, sauf pour le manganèse (Mn), pour lequel l’absorption a considérablement augmenté.
La lixiviation des nutriments est minime dans cet anthrosol, malgré leur abondance, ce qui entraîne une fertilité élevée. Cependant, lorsque des nutriments inorganiques sont appliqués au sol, le drainage des nutriments dans l’anthrosol dépasse celui du ferralsol fertilisé.
En tant que sources potentielles de nutriments, seuls le C (via la photosynthèse) et le N (à partir de la fixation biologique) peuvent être produits in situ. Tous les autres éléments (P, K, Ca, Mg, etc.) doit être présent dans le sol. En Amazonie, l’approvisionnement en nutriments provenant de la décomposition de la matière organique naturellement disponible échoue car les fortes pluies éliminent les nutriments libérés et les sols naturels (ferralsols, acrisols, lixisols, arénosols, uxisols, etc.) manquent de matière minérale pour fournir ces nutriments. La matière argileuse qui existe dans ces sols n’est capable de contenir qu’une petite fraction des nutriments rendus disponibles par la décomposition. Dans le cas de terra preta, les seules sources de nutriments possibles sont primaires et secondaires. Les composants suivants ont été trouvés:
La saturation en pH et en base est plus importante que dans les sols environnants.
Microorganismes et animauxmodifier
Les bactéries et les champignons (myco-organismes) vivent et meurent dans les milieux poreux du charbon de bois, augmentant ainsi sa teneur en carbone.
Une production biologique significative de carbone noir a été identifiée, en particulier dans des conditions tropicales humides. Il est possible que le champignon Aspergillus niger soit principalement responsable.
Le ver de terre pèlerin Pontoscolex corethrurus (Oligochaeta: Glossoscolecidae) ingère du charbon de bois et le mélange sous une forme finement broyée avec le sol minéral. P. corethrurus est répandu en Amazonie et notamment dans les clairières après processus de combustion grâce à sa tolérance à une faible teneur en matière organique dans le sol. Ceci comme un élément essentiel dans la génération de terra preta, associé aux connaissances agronomiques impliquant la superposition du charbon de bois en fines couches régulières favorables à son enfouissement par P. corethrurus.
Certaines fourmis sont repoussées des terres fraîches de terra preta; leur densité est faible environ 10 jours après la production par rapport à celle des sols témoins.