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L'agriculture biologique repose largement sur la décomposition naturelle de la matière organique, en utilisant des techniques comme engrais vert et compostage, pour remplacer les nutriments extraits du sol par les cultures précédentes. Ce processus biologique, grâce à des micro organismes tels que les mycorhizes, permet la production naturelle de nutriments dans le sol tout au long de la saison de croissance, et a été désigné comme « nourrir le sol pour nourrir la plante ». L'agriculture biologique utilise une variété de méthodes pour améliorer la fertilité du sol : la rotation des cultures, les cultures de couverture, le travail réduit du sol, et l'application de compost. En réduisant le travail du sol, le sol n'est pas inversé et exposé à l'air ; moins de carbone est perdu dans l'atmosphère. Cela a un avantage supplémentaire par la séquestration du carbone qui permet de réduire l'effet de serre et aide à inverser le changement climatique.
Les plantes ont besoin d'azote, de phosphore et de potassium, ainsi que des micronutriments et des relations symbiotiques avec des champignons et autres organismes pour s'épanouir. Mais obtenir suffisamment d'azote au bon moment, lorsque les plantes en ont le plus besoin, est un défi pour les agriculteurs biologiques, qui doivent gérer cette synchronisation13. La rotation des cultures et l'engrais vert (« plantes de couverture ») contribuent à fournir de l'azote grâce aux légumineuses (plus précisément, la famille des Fabacées) qui fixent l'azote de l'atmosphère par symbiose avec des bactéries rhizobium. La culture associée, qui est parfois utilisée pour le contrôle des insectes et des maladies, peut également augmenter les nutriments du sol, mais la concurrence entre les légumineuses et les cultures peut être problématique et l'espacement entre les lignes de culture est nécessaire. Les résidus de récolte peuvent être charriés dans le sol, et différentes plantes laissent différentes quantités d'azote, ce qui pourrait aider la synchronisation13. Les agriculteurs biologiques utilisent également le fumier animal, certains engrais transformés comme la farine de graines et diverses poudres minérales telles que le phosphate de roche et le sable vert, une forme naturelle de la potasse qui fournit du potassium. Ensemble, ces méthodes aident à contrôler l'érosion. Dans certains cas, le pH doit être modifié. Il existe des modificateur du pH naturel comme la chaux et le soufre, mais aux États Unis certains composés tels que le sulfate de fer, le sulfate d'aluminium, le sulfate de magnésium, et les produits solubles de bore sont autorisés dans l'agriculture biologique.
Les exploitations mixtes avec bétail et cultures peuvent opérer comme des « ley farms », par lesquelles les terres accumulent de la fertilité par la croissance des graminées fourragères fixatrices d'azote comme le trèfle blanc ou la luzerne et sur lesquelles poussent des cultures de rente ou de céréales lorsque la richesse du sol est établie. Les fermes sans bétail peuvent trouver qu'il est plus difficile de maintenir la fertilité du sol, et peuvent s'appuyer davantage sur les intrants externes comme les engrais importés ainsi que les légumineuses à grains et engrais verts, bien que les légumineuses à grains peuvent fixer l'azote de façon limitée car ils sont récoltés. Les exploitations horticoles (fruits et légumes) qui opèrent dans des conditions protégées sont souvent encore plus dépendantes des intrants extérieurs croissants.
La recherche biologique du sol et des organismes du sol s'est avérée bénéfique à l'agriculture biologique. Variétés de bactéries et de champignons décomposent les produits chimiques, les matières végétales et déchets d'animaux en éléments nutritif qui rendent le sol plus productif pour les récoltes à venir15. Les champs avec peu ou pas de fumier montrent une baisse considérable des rendements, due à une diminution de la faune microbienne du sol.
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