Composition et évolution des sols
1.1. Introduction et définitions
1.2. Matériau d’origine :
roche-mère
1.3. Complexe d’altération : les
argiles
2.2. Matière organique fraîche
2.3. Processus biologiques de
l’humification
3.1. Formation et Evolution des sols
3.2. Types d’humus de formations
végétales naturelles (forêts)
1. Fraction minérale
1.1.Introduction et définitions
Le sol contient
des
minéraux primaires, dits hérités, (ex : le Qz) formant les
fractions grossières et moyennes ;
des
minéraux nouveaux par rapport à la roche-mère, dits secondaires
(argiles, oxydes libres) qui constituent l’essentiel de la fraction fine. Ils
résultent de la transformation biochimique et géochimique de certains minéraux
primaires, c’est l’altération
Le complexe d’altération = ensemble des minéraux secondaires dont l’étude est essentielle à la compréhension de la pédogenèse (évolution du sol).
La granulométrie, ou texture, correspond à la répartition des minéraux par catégorie de grosseur, indépendamment de leur nature.
1.2.Matériau d’origine : roche-mère
L’altération dépend d’une part des matériaux d’origine (roche=ensemble minéralogique) et des conditions bioclimatiques.
1.2.1.Minéraux :
Les minéraux primaires (silicatés) caractérisent les roches éruptives. Qz :considéré comme inaltérable (20% max. de dissolution). Les silicates : sont composés d’un assemblage de tétraèdres (silice) et d’octaèdres (alumine) ce qui donne lieu à des structures de différents types :
1. Ilots isolés (olivine, péridots) et silicates en chaînes (pyroxènes, amphiboles) = mx ferromagnésiens. S’altèrent rapidement en libérant beaucoup de Fer, Mg et Ca
2. en feuillets (micas) s’altèrent par transformation (perte de K et de Fe), d’autres sont conservés (ms).
3. à trois dimensions (tectosilicates, Fd) résistance variable à l’altération suivant la teneur en silice. La structure des Fd les rend peu favorables à une transformationèproduits solubles ou amorphes, argiles de néoformation.
Les minéraux des Roches sédimentaires sont d’une part, les mêmes que pour les roches ignées (qz, fd, micas) mais certaines contiennent une quantité importante d’argiles, de carbonate de calcium (calcite), ou mixtes (Ca et Mg).
1.2.2.Roches :
Elles sont classées par le pédologue en fonction de leur aptitude à l’altération et de la nature du complexe d’altération fourni. Le processus d’altération caractéristique des roches éruptives est l’hydrolyse (détaillé après). Les roches sédimentaires s’altèrent très différemment selon qu’il s’agit de roches clastiques (silice, pauvres en carbonates) pour lesquelles les processus d’héritage sont dominants, ou de roches mixtes (silicates et carbonates) pour lesquelles on assiste à un ameublissement mécanique (gel).
1.3.Complexe d’altération : les argiles
Elles se trouvent dans le sol à l’état dispersé (se repoussent car de même signe) ou à l’état floculé (neutralisation des charges négatives de l’argile en présence de charges positives)è rôle dans la formation d’agrégats et de mottes, dont elles constituent avec la MO le ciment.
1.3.1.Structure des feuillets d’argile :
Les argiles sont formées par l’empilement de feuillets élémentaires constitués par deux types de plans. Il s’agit du plan de tétraèdres et du plan d’octaèdres.
Le
plan de tétraèdres, noté T, = tétraèdres d’atomes d’oxygène autour de
chaque atome de silicium. 1 tétraèdre SiO4 partage 3
de ses atomes d’oxygènes avec les 3 tétraèdres adjacents formant ainsi
un réseau plan hexagonal de formule [Si4O10]4-.
Les sommets des tétraèdres sont dans le même plan, ainsi que les bases. Chaque
oxygène de la base est lié à 2 atomes de silicium par une liaison
covalente. Les atomes de silicium peuvent être substitués par des atomes
d’aluminium (Si4+ óAl3+), ce qui modifie les propriétés de surface
du plan d’oxygène. Le déficit de charge induit est neutralisé par des cations
de compensation. Ces cations viennent se placer dans les cavités
hexagonales du réseau d’atomes d’oxygène de surface de feuillet.
Le
plan d’octaèdres, noté O, = atomes d’oxygène et des groupements hydroxyles
autour de chaque atome d’aluminium [Al((OH)6)3-]. Ces
octaèdres forment un réseau hexagonal répété infiniment dans le plan du feuillet.
L’association de deux feuillets constitue un empilement compact présentant des cavités octaédriques dans lesquelles peuvent se loger des ions bivalents ou trivalents. L’occupation de la couche octaédrique peut être faite soit par 2 M3+ (Al3+ par exemple), soit par 3 M2+ (Mg2+ par exemple), ce qui conduit à distinguer les phyllites dioctaédriques (deux sites octaédriques sur trois sont occupés), des sites trioctaédriques (tous les sites sont occupés). Les cations peuvent être substitués par des atomes de fer ou de magnésium.
Feuillets
à 2 couches (T-O ou 1/1) ex Kaolinite formé par l’association de 2
couches superposées T (SiO4) et O (Al2O6). Le feuillet est électriquement
neutre [les 12 charges + des Al équilibrent les 6 charges – des feuillets
siliceux, plus 6 (OH)-]
Feuillets
à 3 couches (TOT ou 2/1) ex illites, vermiculites et smectites). Il
comporte 2 couches tétraédriques encadrant une couche octaédrique. La couche O
a une composition différente selon les argiles (on parle de dioctaédrique et de
trioctaédrique).
Feuillets
à 4 couches (chlorite 2/1/1 ou TOTO) un quatrième feuillet de type
octaédrique s’ajoute aux 3 feuillets du type précédent.
1.3.2.Pouvoir gonflant
Les modèles théoriques sont électriquement neutres, mais dans le cas réel, les argiles sont dotées de charges <0 qui résultent de la substitution d’un cation du réseau par un cation de valence moindre (par ex Si4+ óAl3+, ou Al3+ óMg2+) = libération d’une charge négative. Le cas inverse existe aussi (libération d’une charge positive) mais il ne joue qu’un rôle secondaire.
On distingue 3 cas :
1. Absence totale de substitution : kaolinite : aucune charge ne se développe à la surface, les feuillets restent accolés è distance fixe
2. Substitution dans les couches T (Si par Al) : elles engendrent des charges élevées (surface spécifique : mesure par unité de surface des couches T). Les charges provoquent la fixation énergétique d’ions sous forme non échangeable ce qui maintient les feuillets accolés. En même temps, des molécules d’eau peuvent s’insérer dans les espaces interfoliaires, l’épaisseur totale des feuillets peut atteindre 15 angstrœms (correspond à 2 couches d’eau)
3. Substitution dans les couches O : (Al par Mg) elles engendrent des charges négatives moins élevées (si elles sont mesurées à l’unité de surface des couches T) qui ne provoque qu’une fixation temporaire d’ions K+, accompagnée d’un faible resserrement des feuillets. Ils ne sont pas accolés et leur espacement est variable suivant la quantité d’eau présente dans le milieu, l’épaisseur totale des feuillets peut dépasser les 20 Angstrœms suivant le nombre de couches d’eau : tous les ions absorbés, hydratés ou non restent échangeables.
1.3.3.Autre fraction du complexe d’altération :
Les oxyhydroxydes (de fer, d’Al, de Mn, de Si) constituent, avec les argiles, une fraction importante du complexe d’altération. Ces éléments sont libérés au cours de l’altération sous forme soluble ou complexée (en présence de MO). Les cations basiques conservent, lors de leur libération, la forme soluble (échangeable). Les cations lourds et la silice évoluent plus ou moins vite vers des formes insolubles, amorphes ou cristallines ce qui limite les pertes par drainage à restent sur place et s’associent aux autres éléments du complexe, notamment les argiles.
2. Fraction organique
2.1.Agents de l’humification
La biomasse microbienne ( microflore et faune) joue un rôle essentiel dans l’humification :
Direct :
transformation de la biomasse morte ;
Indirect :
action enzymatique exercée au cours des différentes étapes de l’humification.
En fonction de la vitesse de disparition : humus peu actifs, mor Humus actifs mull
2.2.Matière organique fraîche
2.2.1.Origine :
Dans les sols forestiers on a vu l’apport annuel de litières (la décomposition annuelle des racines de graminées contribue aussi à l’humification du sol en profondeur). Dans un sol agricole, l’apport de MOF (matière organique forestière) devient discontinu et dépend de l’homme (fumier, paille, engrais etc.).
2.2.2.Composition de la MOF :
On dit que la MO est plus ou moins biodégradable. En forêt, on distingue les litières améliorantes (apport pour les bactéries de N) et les litières acidifiantes qui se décomposent difficilement.
Certains composants activent la vie microbienne :
1. Facteurs positifs : richesse en azote, traduite par le rapport C/N, d’autant plus favorable qu’il est plus bas, haute teneur en éléments énergétiques (cellulose) è Frêne, Orme, Charme, Tilleul
2. Facteurs négatifs : faible teneur en azote et C/N élevé ; forte teneur en lignine (décomposition lente), en lipides (résines, cires) , qui jouent un rôle toxique à l’égard des agents de décomposition, faible teneur en composés fermentescibles è résineux, bruyère
2.3.Processus biologiques de l’humification
Si l’humification intervient très rapidement, le processus
normal est la néoformation de molécules nouvelles. Dans le cas inverse,
il se forme des produits intermédiaires entre MOF et composés humiques, par
héritage ou transformation. On retrouve donc pour l’évolution de la MO, les
mêmes processus définis à propos des argiles.
2.3.1.Néoformation
On distingue les composés humiques s.s. (AF, AH et humines évoluée) des biomolécules (seule une fraction minoritaire est intégrée dans les composés humiques alors que la fraction majoritaire, non extractible constitue les humines microbiennes).
1. Composés humiques : Les précurseurs phénoliques résultent de la dégradation de la lignine, une partie est synthétisée par des micro-organismes. Sous l’action d’enzymes les précurseurs évoluent en polymères à molécules de plus en plus grosses
è insolubilisation et grossissement des molécules qui dépend de l’activité biologique du milieu mais aussi de la présence de certains cations : Ca2+ provoque l’insolubilisation des précurseurs
è ralentit la minéralisation des AF et des AH – Fe3+ et Al3+ (forme hydroxylée )
è insolubilisation, polymérisation et « accrochage » aux molécules d’argile (cation de liaison) – l’abondance de Fer diminue la solubilité des composés humiques. Si ces cations sont en quantité insuffisante les précurseurs restent solubles et sont emportés par l’eau (podzolisation).
2. Humines microbiennes : Il s’agit de bio-molécules. Abondantes en milieu peu acide et riche en éléments énergétiques très biodégradables.
2.3.2.Héritage et transformation :
Il s’agit de la formation d’humine héritée, encore proche de certains composés présents dans la MOF (lignine, résine, cire) qui sont particulièrement résistants.
2.3.3.Stabilisation et maturation
Même dans les milieux à forte activité biologique, le « turnover » des composés humiques est variable en fonction des conditions physico-chimiques de l’humification. Le milieu minéral exerce une action immédiate de « protection » à l’égard des agents de minéralisation è phase de stabilisation physico-chimique rapide, suivie par une maturation lente des composés humiques formés en fonction du climat et de la présence d’argiles gonflantes.
3. Evolution des sols
3.1.Formation et Evolution des sols
La formation d’un sol à partir d’une roche (roche-mère) fait intervenir 2 processus
L’altération
de la roche
L’apport
de matière organique par les êtres vivants
3.1.1.Altération de la roche mère
La roche subit une altération qui diffère selon sa nature è Composition chimique et structure liées à l’origine (magmatique= granite, basalte etc. ; sédimentaire = calcaire, grès, sable etc.). Les agents de l’altération : eau atmosphérique, température et organismes vivants
On distingue :
La
désagrégation résultant de phénomènes physiques : éclatement,
fissuration (gel), élargissement de fissures par des racines.
La
décomposition résultant de phénomènes chimiques : dissolution,
hydrolyse des roches siliceuses, actions corrosives de végétaux pionniers
(lichens, mousse)
Le résultat irréversible
Fragmentation
fine de la roche-mère
Transformation
des composants initiaux en minéraux simples
H+ est très mobile et
est donc le plus rapide à rompre les liaisons dans les cristaux rôle de l’intensité du drainage dans l’entretien des réactions
(déséquilibre chimique)
3.1.2.Apport de matière organique (Fig.12)
La végétation : colonise progressivement la roche-mère en voie de désagrégation. Elle produit des débris divers aériens (feuilles, rameaux, écorces, fruits) è litière, et débris souterrains (racines mortes) è quantité croissante de M.O. (4 tonnes/ha dans les forêts des régions tempérées, jusqu’à 15 tonnes/ha dans les forêts équatoriales).
La faune suit directement l’implantation de la végétation. Production (en moins grande quantité) de MO (cadavres et déchets du métabolisme = dégradation ou édification de molécules complexes, digestion etc.).
3.2.Types d’humus de formations végétales naturelles (forêts)
Les plus faciles à définir se trouvent en forêt (pas de modification due à l'homme.
Classification en fonction de caractères morphologiques liés à l'activité biologique (vitesse de décomposition de la MOF, turnover de la fraction humifiée) et aux liaisons organo-minérales contractées par acides humiques (origine d'une structure caractéristique de l'horizon A1 ou Ah.
humus
peu actifs, mor: (moder à moindre degré): horizons L et Ao avec MOF
peu transformée: Ao divisé en couche F (fragmentation: débris végétaux
grossiers), couche H noire (MO. fine: débris végétaux très fins et boulettes
fécales de Ø. > 100 µm): Humification faible pas d'agrégats argilo-humiques
en A1(Ah).
Dysmoder
entre mor et moder
Humus
actifs: mull: décomposition très rapide des litières (pas d'accumulation en
surface)=: pas de A0. Humification importante, liens organo-minéraux stables à
structure aérée, en agrégats de taille diff. horizon A1. turnover très variable
suivant la nature des liens organo-minéraux et le pH.
mull acide (pH<5.5) sol brunifié acide, turnover rapide, A1 peu épais, peu coloré, structure en grumeaux moyens.
mull eutrophe (calcique) à complexe saturé, non calcaire, turnover plus lent, bonne structure stable,
mull carbonaté (mull calcaire) milieu calcaire: turnover lent A1 foncé et épais, structure à gros grumeaux stables
mull andique: sur cendres volcaniques, turnover très lent, A1 très épais et très foncé, structure en agrégats fins. En milieu mal aéré: minéralisation I ralentie à MOF s'accumule: humus caractéristiques: tourbes en anaérobiose permanente et anmoor quand existe courtes phases d'anaérobiose.
Associations organo-minérales:
rôle considérable dans structure du sol à oriente la pédogenèse
conditionné par 3 facteurs: type d'humus, composition du matériau minéral et pédoclimat.
si composés . organiques solubles ou petites molécules à lessivage , dispersion ou entraînement de composés organo-métalliques
si composés insolubles AH et biomolécules: Ciment entre particules (agrégats argilo-humiques: s'opposent aux processus d'entraînement).