Les besoins des plantes
Pour se développer , les plantes utilisent de l'eau, de la lumière, du carbone, de l'oxygène et des éléments minéraux.


L'air fournit le carbone (sous forme de CO2) et l'oxygène, qui sont fixés grâce à la photosynthèse.
les éléments minéraux et l'eau sont fournis par le sol. Les principaux éléments minéraux utilisés sont l'azote, le phosphore, le potassium, le magnésium, le calcium et le soufre. Des éléments mineurs, dit oligo-éléments sont également nécessaires en quantité moindre : le fer, le manganèse, le zinc, le cuivre, le bore, le molybdène par exemple.
Les besoins de la plante évoluent au cours de son développement. Aux stades où ils sont nécessaires, les éléments minéraux doivent pouvoir être prélevés par la plante dans le sol. Ils doivent être disponibles en quantités suffisantes et sous une forme disponible. Si les éléments ne sont pas disponibles au moment nécessaire, la croissance de la plante sera limitée et le rendement final plus faible.


Dans le cas d'une plante se développant sur place et non récoltée, les éléments minéraux sont prélevés au cours de la croissance de la plante, mais restitués au sol lorsque la plante meurt. Il n'y a donc pas réellement de pertes d'éléments minéraux.
Par contre, lors de la culture d'une espèce à fins agricoles, une partie de la plante n'est pas restituée au champ (par exemple les grains du blé, voir la presque totalité de la plante dans le cas du maïs ensilage). Toute une partie des éléments minéraux prélevés dans le sol, ne le réintègrent pas, et ne sont ainsi pas disponibles pour la culture suivante. Les éléments nutritifs manquant pour les cultures ultérieures peuvent être apportés sous forme de produits fertilisants.

Afin de garantir à la fois une disponibilité suffisante pour la plante, et ne pas apporter plus que nécessaire (perte financière et risque écologique), il est utile de connaître exactement le montant exporté (c'est à dire utilisé) par la plante. C'est ce qu'on appelle un bilan d'exportation. Le montant exporté par la plante peut être intégralement compensé, par apport sous forme de fertilisant.



Eléments minéraux et exigence des plantes


L'azote
L'azote joue un rôle primordial dans le métabolisme des plantes. C'est le constituant numéro un des protéines, composants essentiels de la matière vivante. Il s'agit donc d'un facteur de croissance, mais aussi de qualité (teneur en protéines des céréales par exemple).

Les plantes, à l'exception des légumineuses (luzerne, trèfle, pois...), ne peuvent pas absorber l'azote sous sa forme gazeuse. L'azote devra donc être apporté par les fertilisants. Par contre, il ne sera pas nécessaire de fertiliser les légumineuses.

Dans le sol, l'azote est sous forme organique (humus) ou minérale (ammonium NH4 + , nitrate NO3 - ). L'azote organique provient des résidus des récoltes précédentes, d'engrais organiques, et doit être transformé par les bactéries présentes dans le sol en nitrates pour être utilisable par les plantes; c'est ce qu'on appelle la minéralisation. L'essentiel de la nutrition azotée des plantes est assurée par les nitrates.

L'azote sous forme d'ions nitrate, est un élément peu retenu par le sol. Apporté en trop grande quantité, l'excédent sera lessivé (dissous, puis emporté par l'eau circulant dans le sol) et donc perdu pour la plante. L'azote doit donc être apporté juste avant son absorption par la plante, afin d'éviter le lessivage vers les nappes. Par ailleurs, l'excès d'azote par temps froid et couvert, entraîne l'accumulation des nitrates dans la plante (par exemple, dans les pommes de terre). Or l'excès de nitrate dans le tissu végétal est néfaste pour la santé.

Ces particularités expliquent que son apport soit généralement annuel, voire fractionné.


Le potassium
Le potassium est très mobile dans la plante. Il joue un rôle primordial dans l'absorption des cations, dans l'accumulation des hydrates des protéines, le maintien de la turgescence de la cellule et la régulation de l'économie en eau de la plante. C'est aussi un élément de résistance des plantes au gel, à la sécheresse et aux maladies. Il est essentiel pour le transfert des assimilats vers les organes de réserve (bulbes et tubercules). Pour ces raisons, il est particulièrement important pour les cultures de type pomme de terre, betteraves.

Le potassium dans le sol est uniquement sous forme minérale. Il provient soit de la décomposition de la matière organique et des minéraux du sol, soit des engrais.

Pour certains minéraux, la quantité présente dans le sol doit être supérieure à la quantité nécessaire ; en effet ils peuvent être présent dans le sol, mais non disponibles pour autant pour la plante. Le potassium est essentiellement retenu par l'humus ou l'argile (dans certains sols, il pourra donc être perdu en quantités importantes par drainage).

Le potassium pourra souvent être apporté en une seule fois, de façon irrégulière, en grande quantité, car sera stocké par le sol et libéré progressivement.

Les plantes très exigeantes en potassium sont la betterave ou la pomme de terre, alors que des plantes peu exigeantes sont le blé tendre, le blé dur, l'orge.



Le phosphore
Le phosphore intervient dans les transferts énergétiques (ATP), dans la transmission des caractères héréditaires (acides nucléiques), la photosynthèse et la dégradation des glucides. Cet élément est essentiel pour la floraison, la nouaison, la précocité, le grossissement des fruits et la maturation des graines.

Il est dans le sol sous trois formes :

une forme accessible, liée au complexe argilo-humique par le calcium et le magnésium
une forme combinée : il est immobilisé, en partie, par les hydroxydes d'aluminium et de fer dans les sols acides (dans ce cas, il sera nécessaire de chauler le sol pour le libérer)
une forme insoluble : en sol calcaire, le phosphore peut être sous forme de phosphate de calcium, dont certains sont insolubles.
Seul le phosphore du complexe argilo-humique est rapidement disponible (0.2 à 1 kg de P2O5 par hectare). C'est donc un élément peu mobile dans le sol. Pour cette raison, il est préférable de le placer précisément où les racines le prélèvent. Les risques de drainage sont très limités.

Les plantes très exigeantes en phosphore sont la betterave, la pomme de terre, le colza, la luzerne. Les plantes peu exigeantes sont le blé tendre, le maïs grain, le soja, le tournesol, l'avoine, le seigle. Certains stades sont plus sensibles au manque de phosphore que d'autres : les stades de tallages pour les céréales, les stades de 4 à 10 feuilles pour le maïs par exemple.


Le magnésium
Le magnésium est un constituant de la chlorophylle et joue donc un rôle important dans la photosynthèse. Cependant, il est surtout destiné à améliorer la structure du sol (et non pas tant à « nourrir » la plante). Il est plutôt apporté sous forme d'amendements.


Le calcium
Le calcium est surtout destiné à améliorer la structure du sol (et non pas tant à « nourrir » la plante). Ils est plutôt apporté sous forme d'amendements.


Le soufre
Le soufre est nécessaire à la croissance des plantes. Il est un constituant des acides aminés. Il joue un rôle essentiel dans le métabolisme des vitamines. L'alimentation des plantes en soufre s'effectue essentiellement à partir des sulfates, les racines absorbant les ions SO4 présents dans le sol. Il est responsable de l'odeur et de la saveur de certaines plantes (ail, oignon,chou?).

Le soufre est surtout apporté pour certaines cultures comme les crucifères (colza, choux, moutarde), l'ail, le poireau, l'oignon. On insiste fréquemment sur la nécessité de respecter un rapport entre S et N à tout moment du cycle végétatif. Par exemple, pour l'orge, le rapport S/N sera de 1/3 pour la plante complète et 1 pour 4 pour le grain. Pour le blé, ces deux rapports devront être de 1 pour 2.5. Pour le colza, le rapport sera de 1 pour 0.8 pour la plante entière, et de 1 pour 0.9 par grain (le colza est une plante particulièrement riche en soufre).

D'une façon générale, le soufre n'est que peu fixé dans les sols ; il peut donc y avoir risque de perte par drainage. Le soufre peut être fourni par le fumier (en moyenne 1,25 unité de SO3 par tonne), ou des engrais minéraux, tels que le sulfate d'ammoniaque (60% de SO3), le superphosphate de chaux simple (plus de 27% de SO3) et le sulfate de potasse (45% de SO3).


Les oligo-éléments
Les oligo-éléments sont plus rarement fournis. Il peut parfois cependant exister des carences spécifiques, en fonction des types de sol particulièrement. Par exemple, de nombreuses forêts auvergnates soufrent d'un manque de bore.