cours de pédologie - DM Qualité des sols Plan du cours 1 – Définitions - Historique 2 - Le sol : compartiment spécifique de l’environnement 3 - Le sol : milieu physique 4 - le sol : milieu réactif

cours de pédologie - DM le sol : milieu réactif RAPPEL sur la terre fine fraction 2 mm à 2  m : rôle dans la porosité  propriétés physiques fraction < 2  m = fraction des argiles granulométriques  propriétés des réactions chimiques

cours de pédologie - DM fraction < 2  m = fraction des argiles granulométriques : Minéraux I aires hérités ARGILES MINERALOGIQUES OXYHYDROXYDES CATIONS et ANIONS MOLECULES ORGANIQUES  Propriétés chimiques

cours de pédologie - DM le sol : milieu réactif 41 – Nature et origine des constituants 411 – Les ARGILES MINERALOGIQUES

cours de pédologie - DM – LES ARGILES MINERALOGIQUES Définition : minéraux organisés en feuillets silicates d ’alumine hydratés  Phyllosilicates

cours de pédologie - DM – LES ARGILES MINERALOGIQUES A – Structure des argiles Le cristal Le feuillet Les couches moléculaires

7 Doc Structure en feuillets des argiles.

8 espace interfoliaire couche Oc couche Te le feuillet Doc Organisation des feuillets d ’argiles.

9 SCHEMA GENERAL DE L’ASSEMBLAGE DES ATOMES DANS LES MINERAUX Les minéraux du sol ont une structure agencée à partir d’une trame d’ions O 2- ou d’ions OH - disposés en assemblage hexagonal compact structure triangulaire structure trétraédriquestructure octaédrique assemblage à 1 plan assemblage à 2 plans ions O 2- et OH -, de rayon R Fig. 1 Fig. 2Fig. 3

cours de pédologie - DM R r = 0,154 R r structure triangulaire

cours de pédologie - DM R r = 0,224 R r structure trétraédrique

cours de pédologie - DM structure trétraédrique

cours de pédologie - DM R r = 0,414 R r structure octaédrique

cours de pédologie - DM structure octaédrique

cours de pédologie - DM structure octaédrique

cours de pédologie - DM structure octaédrique

cours de pédologie - DM octaèdre tétraèdre r = 0,414 Rr = 0,224 R

cours de pédologie - DM VALEURS DES RAYONS ET DES RAPPORTS AU RAYON DE O 2 - VALEURS DES RAYONS ET DES RAPPORTS AU RAYON DE O 2 -

cours de pédologie - DM octaèdre tétraèdre r = 0,414 Rr = 0,224 R Si 4+ Al 3+

20 SCHEMA GENERAL DE L’ASSEMBLAGE DES ATOMES DANS LES MINERAUX Les minéraux du sol ont une structure agencée à partir d’une trame d’ions O 2- ou d’ions OH - disposés en assemblage hexagonal compact structure triangulaire avec cavité triangulaire de rayon r = 0,154 R structure trétraédrique avec cavité de rayon r = 0,224 R structure octaédrique avec cavité de rayon r = 0,414 R assemblage à 1 plan assemblage à 2 plans ions O 2- et OH -, de rayon R Fig. 1 Fig. 2Fig. 3

21 L’élément de base est le tétraèdre dont les d ’ions O 2- à cœur de Si 4+. Doc Organisation de la couche tétraédrique.

22 L’élément de base est l’octaèdre d ’ions O 2- ou OH - à cœur d ’aluminium Al 3 +. La couche octaédrique est une chaîne d’octaèdres mettant en commun des ions hydroxydes ou des ions oxygènes. Doc Organisation de la couche octaédrique.

23 espace interfoliaire couche Oc couche Te le feuillet Doc Structure d ’une argile Te-Oc : la kaolinite.

24 Te Oc Te Oc cation fixé eau et cation échangeable Une illite Une montmorillonite Doc Structure de 2 argiles Te-Oc-Te. espace interfoliaire plus grand

cours de pédologie - DM – LES ARGILES MINERALOGIQUES A – Structure des argiles B – Propriétés des argiles : Électronégativité Surface d’échange importante Hydratation Dispersion / floculation

cours de pédologie - DM B – Propriétés des argiles : I – l’Électronégativité Présence de charges électriques négatives

cours de pédologie - DM Cause 1 : Les substitutions isomorphiques : Al 3+ remplace Si 4+ Mg 2+ remplacent Al 3+

cours de pédologie - DM ion O 2- ou OH - ion Al 3+ Doc Substitutions isomorphiques. ion O 2- ion Si 4+ ion O 2- ion Al 3+ Al 3+ remplace Si 4+ ion O 2- ou OH - ion Mg 2+ Mg 2+ remplace Al 3+

cours de pédologie - DM ion O 2- ou OH - ion O 2- Al 3+ remplace Si 4+ ion O 2- ou OH - Mg 2+ remplace Al 3+

cours de pédologie - DM Exemple 1 : feuillet électriquement neutre la KAOLINITE Si 4 O 10 Al 4 (OH) 8 charges négatives : = -28 charges positives : = +28 déficit de charge = 0

cours de pédologie - DM Exemple 2 : feuillet chargé négativement une MONTMORILLONITE Si 4 O 10 (OH) 2 Al 2-x Mg x charges négatives : = -22 charges positives : (2-x)+2x =+22-x déficit de charges : -x (-0,33)

cours de pédologie - DM Conséquence : Les substitutions isomorphiques :  Apparition d ’un excès de charges négatives sur le feuillet.

cours de pédologie - DM Cause 2 : Les cassures ou microdivisions des feuillets

cours de pédologie - DM Avant rupture Après rupture rupture Doc Microdivisions des feuillets de phyllosilicates.

cours de pédologie - DM Conséquence : Les cassures ou microdivisions des feuillets  Apparition de charges négatives ou positives sur les bords du feuillet.

cours de pédologie - DM valeurs : kaolinite et chlorite 0,5 à 2 c.moles + /100g illite 1 à 4 c.moles + /100g montmorillonite : 10 à 13 c.moles + /100g Application : cas du Calcium

cours de pédologie - DM B – Propriétés des argiles : I – l’Électronégativité II – la surface d’échange origine : forme du cristal petite taille et division disposition en feuillets superposés types : surface externe et surface interne

cours de pédologie - DM B – Propriétés des argiles : I – l’Électronégativité II – la surface d’échange valeurs : Kaolinite : 80 m2/g Illite : 200 m2/g Montmorillonite : 800 m2/g

cours de pédologie - DM B – Propriétés des argiles : I – l’Électronégativité II – la surface d’échange III – l’Hydratation – la rétention d’eau origines : liaisons hydrogène, van der Waals,... entre les feuillets et la molécule d’eau hydratation des cations compensateurs épaisseur variable de l ’espace interfoliaire

40 Te Oc Te Oc cation fixé eau et cation échangeable Une illite Une montmorillonite Doc Structure de 2 argiles Te-Oc-Te. espace interfoliaire plus grand

cours de pédologie - DM B – Propriétés des argiles : I – l’Électronégativité II – la surface d’échange importante III – l’Hydratation – la rétention d’eau conséquences : capacité à retenir de l ’eau gonflement des cristaux en présence d ’eau  imperméabilité rétraction des cristaux en absence d ’eau  fissuration

cours de pédologie - DM B – Propriétés des argiles : I – l’Électronégativité II – la surface d’échange importante III – l’Hydratation – la rétention d’eau IV – la Dispersion et la floculation : État des particules d’argiles dans la suspension colloïdale

cours de pédologie - DM L’état dispersé Etat dispersé : répulsion des particules chargées formation d ’une suspension colloïdale en présence d ’eau structure continue, massive en absence d ’eau

cours de pédologie - DM Etat floculé : Attraction des particules neutres formation de particules neutres sédimentables structure agrégée en absence d ’eau. Cations adsorbés L’état floculé

cours de pédologie - DM Milieux pauvres en cations  Dispersion et structure continue, massive Milieux riches en cations  Floculation et structure grumeleuse ou agrégée

cours de pédologie - DM – LES ARGILES MINERALOGIQUES A – Structure des argiles B – Propriétés des argiles C – Origines des argiles La transformation La néogénèse L’héritage

cours de pédologie - DM La transformation : Minéral primaire  minéral secondaire HYDROLYSE = action des H+ contenus dans l’eau (libération de cations, de SiO 4-, de Al(OH) 2-,... ACIDOCOMPLEXOLYSE ou CHELUVIATION = action d’acides organiques : entraînement des cations ; destruction + ou - poussée des édifices cristallins.

cours de pédologie - DM NEOFORMATION des ARGILES : exemples

cours de pédologie - DM La néogénèse = néoformation d’argile à partir de SiO 4- et de Al(OH) 2 - ou Al(OH) 2- présents dans le milieu nécessite des conditions de pression et de température particulières (régions tropicales et équatoriales)

cours de pédologie - DM L’héritage l’argile est contenue dans la roche mère ou le matériau parental du sol ; l’argile est libérée lors de la dissolution de certains minéraux ;

cours de pédologie - DM L’héritage cas typiques des sols développés sur R.M. carbonatées : dissolution des carbonates et libération des impuretés argileuses = l’argile de décarbonatation autres cas : loess, marnes, schistes ardoisiers

cours de pédologie - DM le sol : milieu réactif 41 – Nature et origine des constituants 42 – Réactions d’adsorption et de désorption a) mise en évidence

cours de pédologie - DM Mise en évidence du pouvoir adsorbant du sol : Doc Expérience de WAY (1850) sur la décoloration et la désodorisation du purin par passage sur une terre argileuse.

cours de pédologie - DM Expérience au KCl Doc Adsorption de K + et désorption de Ca 2+ par deux terres de texture différente percolées par une solution de Kcl.

cours de pédologie - DM le sol : milieu réactif 41 – Nature et origine des constituants 42 – Réactions d’adsorption et de désorption a) mise en évidence b) définition et modèle

cours de pédologie - DM Le sol fonctionne comme un échangeur d ’ions et particulièrement de cations = Capacité d’Echange Cationique Propriété d’adsorption Propriété de désorption

cours de pédologie - DM Echangeur A + B + Y - Echangeur B + A + Y - Le sol comme échangeur d ’ions

cours de pédologie - DM Argile NH 4 + Ca 2 + K+K+ Représentation du rôle de l ’argile dans les propriétés d ’adsorption.

cours de pédologie - DM Humus NH 4 + Ca 2 + K+K+ Représentation du rôle des acides organiques de l’humus dans les propriétés d ’adsorption.

cours de pédologie - DM Humus NH 4 + M K+K+ Argile Ca 2 + Représentation de la formation d’un complexe organo-minéral ; rôle dans les propriétés d ’adsorption.

cours de pédologie - DM C.A.H NH 4 + Ca 2 + K+K+ Doc Rôle du Complexe Argilo-Humique dans les propriétés d ’adsorption.

cours de pédologie - DM C.A.H Ca K+K+ absorption C.A.H Ca K+K+ K+K+ désorption Doc Dépendance des réactions d ’adsorption et de désorption. K+K+

cours de pédologie - DM C.A.H NO 3 Ca Capacité du CAH à retenir des anions. Pont calcique

cours de pédologie - DM le sol : milieu réactif ; propriétés chimiques 41 – Composition et origine des constituants 42 – Réactions d’adsorption et de désorption a) mise en évidence b) définition et modèle c) les 4 lois de l’échange

cours de pédologie - DM Pour un cation donné, un équilibre s’établit entre les cations fixés et les cations libres. C.A.H X X X X X X X X X 1ère : Loi de l ’équilibre.

cours de pédologie - DM L ’échange obéit à une relation d ’ équivalence. 1 équivalent de charge X a+ est échangé contre un équivalent de charge Y b+ OU 1 centimole + de X a+ est échangée contre une centimole + de Y b+ 2ème : Loi de l ’équivalence.

cours de pédologie - DM équivalent = la masse d’élément qui apporte une mole de charge +, soit : eq = masse molaire / valence OU 1 centimole + = la masse d’élément qui apporte une centimole de charge +, soit : c.mole+ = masse molaire / valence * 10 -2

cours de pédologie - DM La centimole de charge +

cours de pédologie - DM Exemples : 1 eq de K + = 39 g 1 meq de K+ = 39 mg 1 eq de Ca 2+ = 40 g / 2 = 20 g 1 meq de Ca2+ = 40 mg / 2 = 20 mg 1 c.mole + de K + = 0,39 g ou 390 mg 1 c.mole + de Ca 2+ = 0,2g ou 200 mg

cours de pédologie - DM La somme des charges est constante pour un même sol ; elle dépend de la teneur en colloïdes et de leur nature ; elle est caractéristique d ’un sol. La Capacité d ’Echange Cationique = CEC ou T meq/100g ou c.mol + /kg de terre C.A.H ème : Loi quantitative.

cours de pédologie - DM La force de fixation dépend des caractéristiques des ions : rayon atomique et valence. Al 3+ > Ca 2+ > Mg 2+ > H + > K + > NH 4+ > Na +. Fixation d’anions possible par ponts calcique ou ferrique et charges positives en bordure des feuillets. SiO 2 > PO 4 > SO 4 > NO 3 > Cl maximum 5% de la charge 4ème : Loi de la sélectivité.

cours de pédologie - DM le sol : milieu réactif ; propriétés chimiques 41 – Composition et origine des constituants 42 – Réactions d’adsorption et de désorption a) mise en évidence b) définition et modèle c) les 4 lois de l’échange d) conséquences

cours de pédologie - DM Désacidification par la chaux CONSEQUENCES

cours de pédologie - DM Décalcification par le K +

cours de pédologie - DM Acidification due à l’absorption minérale

cours de pédologie - DM le sol : milieu réactif ; propriétés chimiques 41 – Composition et origine des constituants 42 – Réactions d’adsorption et de désorption 43 - Capacité d ’échange - Taux de saturation

cours de pédologie - DM a) La Capacité d’Echange Cationique Capacité Totale d’Echange (T) = Capacité d’Echange Cationique (CEC) Quantité maximale de cations de toute nature que peut fixer un poids déterminé de sol. En milliéquivalents. Ou en centimoles de charges positives

cours de pédologie - DM Somme des Cations Echangeables (S) (Ca 2+, Mg 2+, K +, Na + ) Quantité de cations métalliques retenus par le complexe à un moment donné. T - S = teneur en H +

cours de pédologie - DM T ou CEC = Constance pour un sol donné T - S = ions H + échangea bles S = cations échangeables

cours de pédologie - DM Taux de saturation V % = (S / T) * 100 Facteurs de variation richesse en cations de la RM fréquence et importance des apports importance des départs (lixiviation, lessivage, exportation,...) pH

cours de pédologie - DM le sol : milieu réactif ; propriétés chimiques 41 – Composition et origine des constituants 42 – Réactions d’adsorption et de désorption 43 – Capacité d’échange – Taux de saturation 44 – pH – potentiel d’oxydo-réduction

cours de pédologie - DM pH du sol = pH de la solution du sol = quantité d’ions H + libres à un moment donné. Deux types d’acidité : acidité actuelle ou active acidité potentielle ou résiduelle a) Le pH du sol

cours de pédologie - DM Doc visages de d ’acidité : acidité actuelle et acidité potentielle

cours de pédologie - DM Doc. 30 – les 2 mesures du pH pH eaupH KCl

cours de pédologie - DM Relation pH et taux de saturation : pH élevéV important pH basV faible pH moyenV variable Causes de mauvaise relation : nature des colloïdes présence d’ions Al3+ et Fe3+ nature des cations fixés tension du CO2 en sols calcaires

cours de pédologie - DM Variations du pH : type de RM et d’humus (3,5 à 9,5) en fonction de la saison à long terme, baisse du pH du fait de l’exportation et des pertes de cations.

cours de pédologie - DM Doc Le pouvoir tampon du sol Aptitude des sols à s’opposer aux variations de pH EAU SABLE ARGILE

cours de pédologie - DM Causes : propriétés du C.A.H. acidité active et acidité potentielle bases et acides faibles présence des cations systèmes tampons : tampon des carbonates : pH 8,6 à 6,2 tampon des silicates : pH 6,2 à 5 tampon des argiles : pH 5 à 4,2 tampon des hydroxydes d ’Al : pH 4,2 à 2,8 tampon des hydroxydes de Fe : pH < 3,2

cours de pédologie - DM Définition : les conditions oxydoréductrices du sol sont liées à l’aération du sol et à la décomposition de certains composés organiques. b) Le potentiel Rédox = Eh

cours de pédologie - DM Les 4 niveaux de Eh : à 450 mV : O2 présent, nitrification active, MO décomposée rapidement à 0 mV : O2 rare ; ralentissement de la minéralisation ; apparition phénomènes de réduction : NO 3 -  N 2 (dénitrification) Fe 3+ + e-  Fe 2+ (réduction du fer) 3.0 à -200 mV : milieu anoxique ; fermentation anaérobie ; réduction généralisée ; horizon gris-verdâtre à -300 mV : réduction totale ; dégagement de H 2 S ou de CH 4

cours de pédologie - DM O 2 H 2 OBct aérobies NO 3 - N 2 Bct dénitrifiantes Fe 3+ Fe 2+ Bct ferriréductrices (Geobacter ; Geothrix) SH 2 S Bct sulforéductrices SO 4 2- H 2 S Bct sulfatoréductrices CO 2 CH 4 Bct méthanogènes accepteur final oxydé accepteur réduit - potentiel redox + fermentations Relations entre potentiel rédox et respirations

cours de pédologie - DM Conclusions pH et taux de saturation : Sol = système chimique en équilibre stable, susceptible d’évolution mais jamais brutale. Stabilité = nécessité pour les E.V. du sol (plantes et microorganismes) et pour les processus pédogénétiques. Quand sol dégradé : perturbations brutales et très importantes des constituants ; souvent irréversibles à court et moyen terme.

cours de pédologie - DM le sol : milieu réactif ; propriétés chimiques 41 – Composition et origine des constituants 42 – Réactions d’adsorption et de désorption 43 - Capacité d ’échange - Taux de saturation 44 - pH et Eh 45 – Réactions de dissolution et de précipitation

cours de pédologie - DM le sol : milieu réactif ; propriétés chimiques 41 – Composition et origine des constituants 42 – Réactions d’adsorption et de désorption 43 - Capacité d ’échange - Taux de saturation 44 - pH et Eh 45 – Réactions de dissolution et de précipitation 46 – Forme des éléments - Biodisponibilité 461 – Les 6 compartiments

cours de pédologie - DM

cours de pédologie - DM Elts libresEléments liés Elts biodisponiblesElts non biodisponibles Non mobilisables pendant la période de croissance Ions libérés pendant la période de croissance Ions de la solut. du sol Ions faiblement absorbés, rapidemen t échangeab les Doc Biodisponibilité des éléments dans le sol. d ’après JL. MOREL

cours de pédologie - DM Elts libresEléments liés Elts biodisponiblesElts non biodisponibles Non mobilisables pendant la période de croissance Ions libérés pendant la période de croissance Ions de la solut. du sol Ions faiblement absorbés, rapidemen t échangeab les Fig Biodisponibilité des éléments dans le sol. d ’après JL. MOREL

cours de pédologie - DM Les principaux constituants minéraux 1 - Les trois cations échangeables : Ca, Mg, K 2 - Les trois principaux anions : P, N, S 3 - Trois métaux essentiels : Fe, Al, Mn 4 - Les oligo-éléments : Cu, Zn, Co, Mo, Bo

cours de pédologie - DM Les trois cations échangeables : Ca, Mg, K Le CALCIUM : Origines : roches carbonatées, certains silicates Rôles : nutriment ; facteur pédogénèse Formes : Calcaire inactif Calcaire actif Calcium soluble Calcium échangeable

cours de pédologie - DM Le MAGNESIUM : Origines : roches carbonatées (calcaires dolomitiques), certains silicates Rôles : nutriment ; (facteur pédogénèse) Formes : Formes complexes insolubles Mg soluble Mg échangeable

cours de pédologie - DM Le POTASSIUM : Origines : minéraux silicatés Rôles : nutriment ; (facteur pédogénèse) Formes : K liés aux minéraux (90 à 98% K total) K rétrogradé dans les argiles K lié aux MO (assimilable) K échangeable (1 à 2% de K total)

cours de pédologie - DM Le PHOSPHORE : Origines : variées : minérale, organique Rôles : nutriment essentiel Formes : P insoluble (minéraux et formes précipitées) P organique P absorbé + ou - échangeable (argile, humus et hydroxydes) P dissous et assimilable (H2PO4- et HPO42-) 2 - Les trois principaux anions : P, N, S

cours de pédologie - DM L’ AZOTE : Origines : atmosphérique, organique, engrais Rôles : nutriment essentiel Formes : N organique N ammoniacal = forme transitoire N nitrique très soluble, forme assimilée

cours de pédologie - DM Le SOUFRE : Origines : organique et minérale ; fumées industrielles Rôles : nutriment essentiel Formes : S organique S assimilable = SO 4 2-, soluble, peu absorbée S minéral (FeS 2 et H 2 S)

cours de pédologie - DM Trois métaux essentiels : Fe, Al, Mn Pour mémoire : formes métalliques complexes, - OH, O 2 - ; formes souvent peu solubles, précipitées. 4 - Les oligo-éléments : Cu, Zn, Co, Mo, Bo Origines : minérale, organique Rôles : constituants d’enzymes Formes : solubles aux pH acides, mais lixiviables insolubles aux pH élevés ; carences

cours de pédologie - DM Réactivité du sol = propriétés des argiles surface d ’échange importante capacité d ’échange cationique = pouvoir d ’adsorption capacité à retenir de l ’eau état dispersé ou floculé