Cours de pédologie - DM Qualité des sols Plan du cours 1 – Définitions - Historique 2 - Le sol : compartiment spécifique de l’environnement 3.

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1 cours de pédologie - DM - 2008 1 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

2 cours de pédologie - DM - 2008 2 4 - 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

3 cours de pédologie - DM - 2008 3 fraction < 2  m = fraction des argiles granulométriques : Minéraux I aires hérités ARGILES MINERALOGIQUES OXYHYDROXYDES CATIONS et ANIONS MOLECULES ORGANIQUES  Propriétés chimiques

4 cours de pédologie - DM - 2008 4 4 - le sol : milieu réactif 41 – Nature et origine des constituants 411 – Les ARGILES MINERALOGIQUES

5 cours de pédologie - DM - 2008 5 411 – LES ARGILES MINERALOGIQUES Définition : minéraux organisés en feuillets silicates d ’alumine hydratés  Phyllosilicates

6 cours de pédologie - DM - 2008 6 311 – LES ARGILES MINERALOGIQUES A – Structure des argiles Le cristal Le feuillet Les couches moléculaires

7 7 Doc. 17 - Structure en feuillets des argiles.

8 8 espace interfoliaire couche Oc couche Te le feuillet Doc. 18 - Organisation des feuillets d ’argiles.

9 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

10 cours de pédologie - DM - 200810 R r = 0,154 R r structure triangulaire

11 cours de pédologie - DM - 200811 R r = 0,224 R r structure trétraédrique

12 cours de pédologie - DM - 200812 structure trétraédrique

13 cours de pédologie - DM - 200813 R r = 0,414 R r structure octaédrique

14 cours de pédologie - DM - 200814 structure octaédrique

15 cours de pédologie - DM - 200815 structure octaédrique

16 cours de pédologie - DM - 200816 structure octaédrique

17 cours de pédologie - DM - 200817 octaèdre tétraèdre r = 0,414 Rr = 0,224 R

18 cours de pédologie - DM - 200818 VALEURS DES RAYONS ET DES RAPPORTS AU RAYON DE O 2 - VALEURS DES RAYONS ET DES RAPPORTS AU RAYON DE O 2 -

19 cours de pédologie - DM - 200819 octaèdre tétraèdre r = 0,414 Rr = 0,224 R Si 4+ Al 3+

20 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 21 L’élément de base est le tétraèdre dont les d ’ions O 2- à cœur de Si 4+. Doc. 19 - Organisation de la couche tétraédrique.

22 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. 20 - Organisation de la couche octaédrique.

23 23 espace interfoliaire couche Oc couche Te le feuillet Doc. 21 - Structure d ’une argile Te-Oc : la kaolinite.

24 24 Te Oc Te Oc cation fixé eau et cation échangeable Une illite Une montmorillonite Doc. 22 - Structure de 2 argiles Te-Oc-Te. espace interfoliaire plus grand

25 cours de pédologie - DM - 2008 25 311 – LES ARGILES MINERALOGIQUES A – Structure des argiles B – Propriétés des argiles : Électronégativité Surface d’échange importante Hydratation Dispersion / floculation

26 cours de pédologie - DM - 2008 26 B – Propriétés des argiles : I – l’Électronégativité Présence de charges électriques négatives

27 cours de pédologie - DM - 2008 27 Cause 1 : Les substitutions isomorphiques : Al 3+ remplace Si 4+ Mg 2+ remplacent Al 3+

28 cours de pédologie - DM - 200828 ion O 2- ou OH - ion Al 3+ Doc. 23 - 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+

29 cours de pédologie - DM - 200829 ion O 2- ou OH - ion O 2- Al 3+ remplace Si 4+ ion O 2- ou OH - Mg 2+ remplace Al 3+

30 cours de pédologie - DM - 2008 30 Exemple 1 : feuillet électriquement neutre la KAOLINITE Si 4 O 10 Al 4 (OH) 8 charges négatives : -20 - 8 = -28 charges positives : +16 +12 = +28 déficit de charge = 0

31 cours de pédologie - DM - 2008 31 Exemple 2 : feuillet chargé négativement une MONTMORILLONITE Si 4 O 10 (OH) 2 Al 2-x Mg x charges négatives : -20 - 2 = -22 charges positives : +16 +3(2-x)+2x =+22-x déficit de charges : -x (-0,33)

32 cours de pédologie - DM - 2008 32 Conséquence : Les substitutions isomorphiques :  Apparition d ’un excès de charges négatives sur le feuillet.

33 cours de pédologie - DM - 2008 33 Cause 2 : Les cassures ou microdivisions des feuillets

34 cours de pédologie - DM - 200834 Avant rupture Après rupture rupture Doc. 24 - Microdivisions des feuillets de phyllosilicates.

35 cours de pédologie - DM - 2008 35 Conséquence : Les cassures ou microdivisions des feuillets  Apparition de charges négatives ou positives sur les bords du feuillet.

36 cours de pédologie - DM - 2008 36 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

37 cours de pédologie - DM - 2008 37 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

38 cours de pédologie - DM - 2008 38 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

39 cours de pédologie - DM - 2008 39 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 40 Te Oc Te Oc cation fixé eau et cation échangeable Une illite Une montmorillonite Doc. 22 - Structure de 2 argiles Te-Oc-Te. espace interfoliaire plus grand

41 cours de pédologie - DM - 2008 41 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

42 cours de pédologie - DM - 2008 42 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

43 cours de pédologie - DM - 2008 43 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

44 cours de pédologie - DM - 2008 44 Etat floculé : Attraction des particules neutres formation de particules neutres sédimentables structure agrégée en absence d ’eau. Cations adsorbés L’état floculé

45 cours de pédologie - DM - 2008 45 Milieux pauvres en cations  Dispersion et structure continue, massive Milieux riches en cations  Floculation et structure grumeleuse ou agrégée

46 cours de pédologie - DM - 2008 46 311 – LES ARGILES MINERALOGIQUES A – Structure des argiles B – Propriétés des argiles C – Origines des argiles La transformation La néogénèse L’héritage

47 cours de pédologie - DM - 2008 47 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.

48 cours de pédologie - DM - 2008 48 NEOFORMATION des ARGILES : exemples

49 cours de pédologie - DM - 2008 49 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)

50 cours de pédologie - DM - 2008 50 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 ;

51 cours de pédologie - DM - 2008 51 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

52 cours de pédologie - DM - 2008 52 4 - le sol : milieu réactif 41 – Nature et origine des constituants 42 – Réactions d’adsorption et de désorption a) mise en évidence

53 cours de pédologie - DM - 200853 Mise en évidence du pouvoir adsorbant du sol : Doc. 25 - Expérience de WAY (1850) sur la décoloration et la désodorisation du purin par passage sur une terre argileuse.

54 cours de pédologie - DM - 200854 Expérience au KCl Doc. 26 - Adsorption de K + et désorption de Ca 2+ par deux terres de texture différente percolées par une solution de Kcl.

55 cours de pédologie - DM - 2008 55 4 - 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

56 cours de pédologie - DM - 2008 56 Le sol fonctionne comme un échangeur d ’ions et particulièrement de cations = Capacité d’Echange Cationique Propriété d’adsorption Propriété de désorption

57 cours de pédologie - DM - 2008 57 Echangeur A + B + Y - Echangeur B + A + Y - Le sol comme échangeur d ’ions

58 cours de pédologie - DM - 2008 58 Argile - - - - - - - - - - - - - - - -- NH 4 + Ca 2 + K+K+ Représentation du rôle de l ’argile dans les propriétés d ’adsorption.

59 cours de pédologie - DM - 2008 59 Humus - - - - - - - - - - - - - - - -- NH 4 + Ca 2 + K+K+ Représentation du rôle des acides organiques de l’humus dans les propriétés d ’adsorption.

60 cours de pédologie - DM - 2008 60 Humus - - - - - - - - - - - - - - -- NH 4 + M K+K+ Argile - - - - - -- - - - - - - - - - Ca 2 + Représentation de la formation d’un complexe organo-minéral ; rôle dans les propriétés d ’adsorption.

61 cours de pédologie - DM - 2008 61 C.A.H. - - - - - - - - - - - - - - - -- NH 4 + Ca 2 + K+K+ Doc. 27 - Rôle du Complexe Argilo-Humique dans les propriétés d ’adsorption.

62 cours de pédologie - DM - 2008 62 C.A.H Ca K+K+ absorption C.A.H Ca K+K+ K+K+ désorption Doc. 28 - Dépendance des réactions d ’adsorption et de désorption. K+K+

63 cours de pédologie - DM - 2008 63 C.A.H. - - - - - - - - - - - - - -- NO 3 Ca + + - -- Capacité du CAH à retenir des anions. Pont calcique

64 cours de pédologie - DM - 2008 64 4 - 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

65 cours de pédologie - DM - 2008 65 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.

66 cours de pédologie - DM - 2008 66 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.

67 cours de pédologie - DM - 2008 67 1 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

68 cours de pédologie - DM - 2008 68 La centimole de charge +

69 cours de pédologie - DM - 2008 69 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

70 cours de pédologie - DM - 2008 70 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. - - - - - - - - - - - - - - - -- 3ème : Loi quantitative.

71 cours de pédologie - DM - 2008 71 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.

72 cours de pédologie - DM - 2008 72 4 - 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

73 cours de pédologie - DM - 2008 73 Désacidification par la chaux CONSEQUENCES

74 cours de pédologie - DM - 2008 74 Décalcification par le K +

75 cours de pédologie - DM - 2008 75 Acidification due à l’absorption minérale

76 cours de pédologie - DM - 2008 76 4 - 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

77 cours de pédologie - DM - 2008 77 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

78 cours de pédologie - DM - 2008 78 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 +

79 cours de pédologie - DM - 2008 79 T ou CEC = Constance pour un sol donné T - S = ions H + échangea bles S = cations échangeables

80 cours de pédologie - DM - 2008 80 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

81 cours de pédologie - DM - 2008 81 4 - 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

82 cours de pédologie - DM - 2008 82 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

83 cours de pédologie - DM - 200883 Doc. 29 - 2 visages de d ’acidité : acidité actuelle et acidité potentielle

84 cours de pédologie - DM - 200884 Doc. 30 – les 2 mesures du pH pH eaupH KCl

85 cours de pédologie - DM - 2008 85 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

86 cours de pédologie - DM - 2008 86 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.

87 cours de pédologie - DM - 2008 87 Doc. 31 - Le pouvoir tampon du sol Aptitude des sols à s’opposer aux variations de pH EAU SABLE ARGILE

88 cours de pédologie - DM - 2008 88 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

89 cours de pédologie - DM - 2008 89 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

90 cours de pédologie - DM - 2008 90 Les 4 niveaux de Eh : 1.800 à 450 mV : O2 présent, nitrification active, MO décomposée rapidement 2.450 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. 4.-200 à -300 mV : réduction totale ; dégagement de H 2 S ou de CH 4

91 cours de pédologie - DM - 2008 91 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

92 cours de pédologie - DM - 2008 92 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.

93 cours de pédologie - DM - 2008 93 4 - 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

94 cours de pédologie - DM - 2008 94 4 - 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

95 cours de pédologie - DM - 200895

96 cours de pédologie - DM - 200896 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. 32 - Biodisponibilité des éléments dans le sol. d ’après JL. MOREL - 1997

97 cours de pédologie - DM - 2008 97 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. 3.17 - Biodisponibilité des éléments dans le sol. d ’après JL. MOREL - 1997

98 cours de pédologie - DM - 2008 98 462 - 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

99 cours de pédologie - DM - 2008 99 1 - 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

100 cours de pédologie - DM - 2008 100 Le MAGNESIUM : Origines : roches carbonatées (calcaires dolomitiques), certains silicates Rôles : nutriment ; (facteur pédogénèse) Formes : Formes complexes insolubles Mg soluble Mg échangeable

101 cours de pédologie - DM - 2008 101 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)

102 cours de pédologie - DM - 2008 102 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

103 cours de pédologie - DM - 2008 103 L’ AZOTE : Origines : atmosphérique, organique, engrais Rôles : nutriment essentiel Formes : N organique N ammoniacal = forme transitoire N nitrique très soluble, forme assimilée

104 cours de pédologie - DM - 2008 104 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)

105 cours de pédologie - DM - 2008 105 3 - 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

106 cours de pédologie - DM - 2008 106 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