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appartient à son

auteur L. CANER

Préambule Le présent support de cours s’adresse aux étudiants de L3, Physiologie et Biotechnologie Végétale, L3 Ecologie et Environnement et de Biologie et Physiologie Végétale de l’université Ferhat ABBAS Sétif1,Faculté SNV, département de Biologie et d’Écologie Végétales.

Le cours est composé de 3 chapitres puisés et synthétisés au terme des consultations effectuées principalement dans les références suivantes :

- Pédologie- Cours de Th DROUET : http : //www.ulb.ac.be/sciences/lagev- S. Bonin, Cours pédologie 2006- Connaissance des sols - Introduction à la pédologie, 21 p.- Cours de Science du Sol de L. CANER de l’université de Poitier (2008-2009).

En réalité, ces notes de cours se rapportent à la science du sol. Elles sont relativement détaillées et choisies en adéquation avec le programme des matières d’écopédologie et d’édaphologie enseignées dans le cursus des étudiants de L3 des spécialités précitées.

Objectif académiques et scientifiques du cours :Les enseignements proposés dans ce cours visent à transmettre à l’étudiant une quantité suffisante deconnaissances sur la discipline de science du sol. Ce contenu est focalisé sur les concepts de base qu’onpeut habituellement rencontrer en science du sol, en même temps, qu’il est orienté aux aspects liés à la formation et l’évolution du sol. L’étudiant est censé disposer de certaines connaissances sur les processus d’altération et de genèse et devenir du sol. Il doit également connaitre les principaux constituants et fractions qui composent le sol (fractions minérale et organique). L’organisation et fonctionnement du sol ainsi que les propriétés fondamentales et les rôles multifonctionnels de l’écosystème sol, sont aussi des points importants qui y sont introduits dans ce support.

A travers ces notes de cours, je voudrais également partager avec l’étudiant quelques-unes des préoccupations mondiales majeures telles que le changement climatique, le développement durable et l’enjeu de la sécurité alimentaire. Le sol se situe justement au milieu de tous ces challenges et peut constituer une solution incontournable à ces problèmes. Les approches de l’agriculture de conservation et de l’agro-écologie, semblent présentent actuellement des atouts considérables pour limiter par exemple les effets des gaz à effet de serre sur l’atmosphère et sur le climat. La séquestration du carbone dans le sol est l’alternative la plus largement mise en avant par les scientifiques.

Le Chargé du Cours : Salah BELGHEMMAZMars 2020

Présentation du cours d’Édaphologie Chapitre I - Introduction à la science du sol – pédologie

La pédologie une science récente

Le sol : un milieu complexeLe sol interface entre 3 milieuxLe sol : un réacteur biogéochimique

Facteurs de formation du sol (les 5 facteurs pédogénétiques)

Facteurs du milieu : Orientation de l’évolution des sols Impacts sur l’apparition de leurs caractèresProcessus de Formation et d’évolution du sol

- Les 3 phases de la formation du sol- Roche mère -Minéraux primaires et secondaire

Processus d’Altération de la roche mère : désagrégation mécanique, dégradation biogéochimique (Hydrolyse, dissolution et hydratation)

Modes de formation des constituants minéraux :Héritage – Transformation - Néoformation

Le sol interface entre la lithosphère,l’atmosphère et la biosphère

Atmosphère

EvaporationGaz à effet serre

PrécipitationsTempérature

Réserve en eauRemontée capillaire

LessivageFiltrationRuissellementErosion

Biosphère

Support mécaniqueSupport nutritif

LitièreHumificationStructurationEléments toxiques

AltérationEléments nutritifs

Sédimentation

Hydrosphère Lithosphère

Le sol interface entre la lithosphère,l’atmosphère et la biosphère

Atmosphère

Evaporation Gaz à effet serre

PrécipitationsTempérature

Réserve en eauRemontée capillaire

LessivageFiltrationRuissellementErosion

Biosphère

Support mécaniqueSupport nutritif

LitièreHumificationStructurationEléments toxiques

AltérationEléments nutritifs

Sédimentation

HydrosphèreLithosphère

Le sol : Une combinaison de 5 facteurs écologiqueset de leurs variations : une infinité de sols !

Pour rappel, ces 5 facteurs contribuent à la formation du sol; facteurs pédogénétiques

Organismes Relief

Faune, Flore Altitude, Pente,

µorganismes

µ : micro. Profondeur de la nappe

SOL

P, T, ETP

101 a.

Aspects physiques,

jchimiques, minéralogiques

103

mClimat Roche-mère105

a

Temps

Un seul principe relie les sols en 3 phases de pédogenèse

Rôles des facteurs du milieu dans l’orientation des processus d’évolutionet l’apparition des caractères du sol

Les 3 phases de la formation des solsLa formation du sol, de la roche mère en un système à l’équilibre fait intervenir 3 phases ± successives et simultanées

R.M intacte

Lithosol

Sol peu évolué

Sol évolué

1- Formation de petites particules minérales (A, L, S)avec ou sans modifications minéralogiques

- Altération , Formation d’une altérite

2- Incorporation de matière organique provenant

de la décompositionde la MO fraîche

Formation du complexe argilo-humique

Formation de la Terre et du Sol

3-Transfert de matières variées Développement du Sol et différenciation

des Horizons

Processus de formation et évolution du solAltération de la roche mère

Augmentation très importante de la surface d’échange et de la porosité : création de ‘trous’

1 cm

S = 6 cm2

1 µm

S = 6 m2

3

V = 1 cmV = 1 cm

3

Ces ‘trous’ vont se

remplir d’argiles et

d’oxydes

La nature des différents minéraux présents dans un sol et leur distribution verticale en sont

déterminées par :

1) La composition de la roche-mère dont sont issus les principaux minéraux du sol (minéraux hérités).

2) Les processus pédogénétiques qui peuvent détruire certains minéraux, modifier plus ou moins profondément d'autres minéraux (altération) ou en engendrer de nouveaux (processus de néoformation).

Par ailleurs, les minéraux les plus résistants à l’altération peuvent s'accumuler sous forme résiduelle (c'est le cas du quartz) alors que les minéraux de petite taille (< 2 μm) peuvent éventuellement être mobilisés et s’accumuler de manière préférentielle dans certains horizons (phénomène de lessivage des argiles).

Dans la fraction inorganique cristallisée, deux types principaux de constituants sont habituellement distingués : les MINERAUX PRIMAIRES et les MINERAUX SECONDAIRES.

LES MINERAUX PRIMAIRES peuvent soit être hérités directement de roches magmatiques ou

métamorphiques, soit provenir de roches sédimentaires où leur présence est liée au cycle géologique.

La majorité des minéraux primaires sont des silicates ou des aluminosilicates de composition chimique variée. Ils sont répartis selon leur importance dans les sols en :

- Minéraux majeurs tels que : Quartz, feldspaths et micas sont (constituants qualifiés d'essentiels)- Minéraux accessoires tels que : les péridots, les pyroxènes et les amphiboles.

Ce sont tous les minéraux qui proviennent de l’altération des minéraux primaires. Les minéraux les

plus rencontrés sont les argiles, les oxyhydroxydes, les sels solubles comme par ex : Carbonates (CaCO3,

MgCO3, Na2CO3…), Chlorures (NaCl, MgCl2, KCl,..) et Sulfates (CaSO4, Na2SO4,..).

Altération de la roche mère (Weathering of parent rock)

Désagrégation physique (appelée aussi dégradation ou désagrégation mécanique)

Les agents climatiques (eau, vent, gel) fractionnent la roche en fragments plus petits

Altération biogéochimique (ex: Hydrolyse, dissolution, Hydratation)

Intervention de l’eau associée ou non à O2, acides minéraux (ac. carbonique) et des

acides Organiques (humus)

minéralprimaire

minérauxsecondaire

+ minérauxhérités

Dépend de la nature de la roche mère (minéraux), de sa porosité (rapport solide/solution)

du climat (P, T, ETP) de la faune et de la flore (végétation)

Dissolution : élimination des minéraux solubles

Ex. : carbonates CaCO3 + CO2 + H2O Ca(HCO3)2 c’est à dire Ca2+

et 2HCO3- solubles

Transformation des minéraux primaires : modifications faibles

Néoformation de minéraux secondaires (argiles, oxy-hydroxydes) à partir des

éléments de la solution.

Les trois modes de formation des constituants minéraux :Héritage – Transformation - Néoformation

Héritage Transformation Néoformation

MINERAUX SILICATES

(Micas)

Quartz

FragmentationHydrolyse partielle

Argiles Héritées

Illites

Chlorites magnésiennes

Quartz

ARGILES HERITEES

Hydrolyse partielleOuverture des feuillets

Substitution d’ionsdans les couches

Argiles Transformées

Vermiculites

Chlorites alumineuses

Smectites

Oxydes de fer « amorphes »

MINERAUX SILICATES

(Micas, Feldspath)

Hydrolyse totale

Silice AluminiumFer Cations(en solution)

Néoformation :

cristallisation

Argiles Néoformées

Kaolinites

Smectites

Oxydes de fercristallins

Chapitre II : Les Constituants du Sol

Les constituants du sol

Principaux constituants des roches et des sols

Roches

Quartz

Micas

Feldspaths et

plagioclases Pyroxènes,

amphiboles, Sulfures,

Carbonates.

Sols

Quartz

Illites, smectites et kaolinites,

Oxydes de fer,

Sulfates, chlorures,

nitrates Carbonates.

Le sol un milieu Vivant, poreux dans lequel circule de l’eau

et de l’air et vit la racine et des organismes

Rôle Multifonctionnel du sol

Et Fonctions Eco-systémiques

Sensibilité du sol à ces différents usages(utilisations) : - Agricole, -Forestier- et Anthropisation (activité de l’homme)

Organisation à plusieurs échelles

Le sol s’organise : à partir des particules élémentaires en passant par l’Agrégat (structuration du sol)

jusqu’à la formation des horizons et profils de sol.

La rencontre du minéral et de l’organiqueet Notion de l'association Organo-minérale et le Complexe Argilo-Humique (CAH).

Spécificité du sol : Incorporation de matière organique dans une matriceminérale complexe organo-minéral (CAH)

Le sol : un réacteur bio-géo-chimique

Intervention des microorganismes dans les cycles biogéochimiques des éléments

CarboneAzotePhosphore, Soufre …

Altération microbienne des minéraux

Nutrition des plantes

Dégradation des polluantsPesticidesComposés aromatiques : HAP

‘Bon’ fonctionnement du sol =

Equilibre entre altération et absorption par les plantes

Les fonctions des MO du sol

Dans le sol, les MO assument de nombreuses fonctions agronomiques et environnementales (1) synthétisées dans la Figure ci-dessous.

Elles stockent et fournissent à la plante, par minéralisation,

les éléments nutritifs dont elle a besoin.

Elles stimulent l’activité biologique (étant à la fois source

d’énergie et d’éléments nutritifs).

Leur rôle est important dans la structuration du sol

(stabilité vis-à-vis des agents agresseurs (pluie, tassement…)

en limitant notamment l’érosion hydrique.

Elles favorisent le réchauffement du sol

(Coloration plus sombre des M.O)

Elles contribuent à la perméabilité, l’aération du sol et

la capacité de rétention en eau.

Elles jouent un rôle fondamental dans le maintien de la qualité de l’eau par leur forte capacité de

rétention des polluants organiques (pesticides, hydrocarbures…) et minéraux tels que les ETM (éléments traces métalliques).

Mais elles peuvent être aussi source de polluants potentiels, comme les nitrates (NO3-) et les phosphates (PO4

3-).

Source : (DUPARQUE et P. RIGALLE, 2006) in Les

produits organiques utilisables en agriculture en Languedoc-Roussillon - Tome 1

Les M.O influencent également la qualité de l’air, par le stockage ou l’émission de gaz à effet de serre. Elles ont un rôle de puits

(sol : 2ème réservoir en C après les océans) ou d’émetteur de carbone (principalement sous forme de CO2). Certains

changements d’usage des sols (Recommandations de l’Agriculture de Conservation) favorisent le stockage de C dans les sols 

(conversion de cultures en prairies). Au contraire, la mise en culture de ces prairies entraine une diminution du stock de

carbone.

Chapitre III - Propriétés des sols et Leurs Rôles Multifonctionnels

Dynamiques de L’eau et des Polluants dans le sol

- Risque sur la pollution des nappes superficielles et souterraines

- Risque de Pollution du Sol

Rôles des propriétés et Fonctions du Sol dans les dynamiques de l’eau et le transfert

des polluants

Propriétés des minéraux argileux du sol

- Minéraux phyllosilicatés : définition, importance dans les sols

Leur structure microscopique et exemples de quelques argiles.

- Les Oxyhydroxydes de Fe et Al (Sesquioxydes) :

Définition et importance dans les sols  

- Quatre propriétés physiques des minéraux microdivisés

Texture – Structure – Porosité - L’eau dans le sol

- Association fraction minérale-fraction organique et Notion du Complexe Argilo-

Humique (CAH). (Voir détails dans le Chapitre II)

- Propriétés chimiques et Phénomène d’Echange Cationique- CEC et taux de

saturation - Fertilité des sols

Dynamiques de l’eau et des Polluants dans le Sol

Du fait de sa position d’interface le sol est un élément clé du transfert de

polluants vers les eaux de surface et souterraines

Rôle des argiles dans la rétention et lesl

transferts de polluants

Prélèvement par les plantes

Le sol n’est pas un filtre inerte

Porosité : taux des Vides dans le sol ; les portes interviennent dans le Transfert en solution / transfert en suspension

Polluant

colloïde

Sol =

Réseaude pores

Les argiles : un rôle essentiel dans le sol

2 Définitions : a) Fraction minéralogique du sol dont la ø moyennedes particules est ≤ 2 µm

b) Petits cristaux en plaquette constitués d’un empilement de feuillets (phyllosilicates) eux-mêmes constitués de couches d’octaèdres Al(OH)3

et de tétraèdres SiO4 .

Microstructure des Argiles

Tétraèdre Couche tétraédrique Octaèdre

Couche octaédrique

Quelques exemples d’Argiles

On distingue les argiles par le nombre de couches dans la structure du feuillet

Argiles 1/1 : Kaolinite

Equidistance des feuillets stables à 7 Å ou 7.15 Å : Kaolinite (minéral argileux ou argile de type 1/1 : 1Te/1Oc),Equidistance variable passe de 7 Å à 10 Å après intercalation H2O : Halloysite (minéral argileux possédant un espace d’hydratation).Capacité d’échange faible (peu de substitution dans les feuillets), charge en périphérieAbondante dans les sols à altération poussée (très avancée) : sols ferrallitiques

La figure à droite

représente le

résultat du

traitement X-

Ray (rayons X).

Le pic 7.15 Å

montre la

présence de la

Kaolinite dans ce

sol.

On peut y

trouver la

formule

chimique

Théorique de

quelques types

(Tétraèdre/Octaèdre/Tétraèdre)

cation entre les feuillets

pas d’eau entre

eau entre

les feuilletsles feuillets

Argiles 2/1 : Mica - Illites

Equidistance des feuillets stables à 10 Å,Substitution d’un Si4+ par Al3+ pour les illitesCapacité d’échange Cationique (CEC) faible 25-35 meq / 100 g (rétrogradation K+)Minéraux hérités des micas de la roche mère avec peu de transformation (ouverture des feuillets)Muscovite peu altérable, Biotite Phlogopite très altérables.

Notion de

Milliéquivalent (méq)

Lors du phénomène

d’échange cationique,

les cations adsorbés sur

le Complexe Argilo-

Humique (CAH) peuvent

être déplacés vers la

Solution du Sol par des

cations de même

valence ou moins.

Ex : 1 meq de Ca2+ est

égal à la masse

atomique en mg de

l’élément divisée par 2.

1 méq Ca2+ 40/2= 20 mg

1 méq K+= 39/1= 39 mg

Ou Sesquioxydes

Fe3+

Fe3+

Extraits de la charte Universelle MunsellPour la distinction de la couleur du sol

Sol tempéré contenant de la goethite

Hématite en sol tropical (photos) et en sols rouges Méditerranéens « Terra Rossa », ex : Algérie.

Sol hydromorphe (Fe2+)Conditions d'excès d'eau(mauvais drainage ouabsence d'évacuation d'eauet réduction des minérauxtels que le fer et Soufre par ex)

Oxyhydroxydes d’aluminium

Al3+ soluble et échangeable abondant dans les sols acides Al3+ abondant à pH < 5

Formes hydroxylées Al(OH) 2+

, Al(OH) 2+ et polymériques à pH > 5

Formes toxiques pour la végétation et les microorganismes du solFormes libérées dans les processus d’acidification des sols (hémisphère nord) Formes exportées vers les cours d’eau : toxicité aluminique

Al3+ joue un important dans la liaison entre particules minérales et M.O (Matière Organique)

La forme cristalline gibbsite (Al(OH)3) présente dans les sols très altérés avec exportation de silice Sols ferrallitiques ou latéritiques (sols des régions tropicales).Formation de Cuirasses bauxitiques البوكسيت لمعدن قبعة exploitées comme minerai Al.

Importance des constituants microdivisésPropriétés physiques : Structure & texture des sols

Ils retiennent l’eau,

Ils changent de volume (gonflement - retrait)Hydratation ou Humectation (période de pluie) Dessiccation (période sèche)La présence de constituants associés : carbonates fins, matières organiques (M.O), oxydes oriente les propriétés physiques et chimiques et contribuent à la fertilité du sol

Propriétés physico-chimiquesIls retiennent essentiellement des cations et des anions (CAH)

Ils jouent donc un rôle déterminant dans la nutrition minérale des plantes (Ca, Mg, K, Zn, Cu, Fe, Mn, Co, NO3

-, NH4+…)

Les constituants eux-mêmes ainsi que les cations et les anions retenus à leur surface peuvent être des polluants.

Les sols riches en éléments fins et très fins (Limons et argile) ont tendance à retenir des teneurs importantes en eau et en éléments nutritifs.Les sols + ou – riches en sables sont susceptibles de laisser passer l’eau rapidement (perméabilité élevée) et leur rétention en H2O est faible.L’abondance relative des éléments Argile (ø<2 µm), Limon fin (2-20µm), Limon grossier (20-50µm), Sable fin (50-200µm) et

Limon grossier (200-2000 µm) définit la texture du sol. ø : diamètre moyen des particules minéralogiques (A, LF, LG, SF et

SG) du sol.

La structure se définit par le mode d’agencement (assemblage) des particules organo-minérales (fractions texturales +

M.O). Chaque mode de structuration du sol traduit un mode de répartition des vides (porosité) bien déterminé au niveau de

l’agrégat du sol. Ce système poral est responsable des échanges gazeux, de la circulation et rétention de H2O et de la vie

Propriétés des constituants microdivisés

Hydratation - gonflement

Floculation - Dispersion

Ca Fe

Al

Mg

K Na

Cation en solution Stabilité dela suspension

Ca Fe Al Mg K Na

PouvoirCation fixé

floculant

Phénomène réversible

Dispersion: milieu sodique Floculation : milieu calciqueLe Na traduit un mauvais état

structural du sol (Sols salés où

pH>8.5).

Milieu naturel :

Présence de Ca en abondance peut favoriser la bonne structuration du sol (Sols + ou – riches en CaCO3.

Argiles floculées : Ca, Mg, Fe Al, MO : Bonne structuration du sol (Aspect favorable)Argiles dispersées : structure massive, mauvaises propriétés physiques et

agronomiques, lessivage. Cet aspect est défavorable dans les sols.

Propriétés des constituants microdivisés : charge

Distribution non localisée des charges

Substitutions

isomorphiques dans la Mg2+

Al3+

couche octaédrique

Substitution Isomorphique

dans la couche Tétraédrique +

Chargespermanentes

Site de bordure

Groupe OH de bordure

Charge = -0.5

Chargesvariables

Al3+ en position octaédrique

Al3+

remplace

Si4+

Rôle des charges dans le Phénomène d’échange Cationique et

Capacité d’échange cationique (CEC)

Capacité d’échange cationique, CEC

CEC :Quantité totale de cations libres pour l’échange avec la solution du solCette capacité d’échange traduit le potentiel de fertilité chimique du sol.

L’illite La Smectite

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Une partie des cations n’est pas échangeableTous les cations sont

échangeables

Exemple de comportement chimique des argiles Illite et Smectite lors de l’échange des cations.