Propriétés Physico-Chimiques et Écologie du Sol

Propriétés physico-chimiques du sol

La capacité d'échange ionique, liée à l'argile et au limon dans la fraction minérale, est l'une des propriétés les plus importantes du sol. Elle se réfère à un échange réversible de cations et d'anions entre les minéraux, la surface des particules organiques hautement spécifiques, et les ions.

L'adsorption des ions est d'une grande importance pour :

• Les réactions dans le sol (pH)
• La structure du sol
• L'offre en éléments nutritifs
• Les processus de formation du sol

Les ions échangeables sont ceux qui peuvent être échangés, dans une période limitée, par d'autres ions de concentration normalisée (comme l'ammonium à l'acétate à pH 7,0, le sodium à l'acétate à pH 8,2, etc.). Les ions non échangeables sont ceux enfermés dans des sites inaccessibles ou chimiquement liés aux colloïdes d'échange de cations.

La capacité d'échange cationique (CEC), à laquelle contribuent les colloïdes organiques et inorganiques, représente la somme totale des charges négatives ou le montant total de cations adsorbés.

Origine des charges négatives

1. Substitution isomorphe (indépendante du pH) : génère une charge négative nette non compensée lorsqu'un cation est substitué (par exemple, le remplacement du Si⁴⁺ par l'Al³⁺ dans les positions tétraédriques, ou le remplacement du Mg²⁺ ou du Fe²⁺).
2. Bords cassés ou faces exposées (dépendante du pH) : un pH élevé favorise la dissociation de H⁺ des groupements hydroxyle et carboxyle.
3. Ionisation des groupes -OH et -COOH : présents sur les colloïdes organiques et inorganiques, ces groupes génèrent une charge très importante dans les sols à forte teneur en matière organique ou issus de cendres volcaniques.

Concernant les mécanismes d'échange, l'échange se produit entre la phase solide (colloïdale) et la phase liquide (solution du sol). Les cations sont attirés par les sites chargés négativement, et ce mécanisme réversible tend toujours à atteindre un équilibre.

La capacité d'échange d'anions (CEA) est généralement plus faible dans les sols que la capacité d'échange de cations. Cependant, les sols de cendres volcaniques et les sols à charges variables ont tendance à développer des charges positives sur les minéraux argileux, les hydroxydes et les substances organiques.

Origine des charges positives (à pH faible)

• Protonation des minéraux argileux, des hydroxydes de fer et d'aluminium, ainsi que des groupes =NH et -NH₂ des substances humiques.
• Dissociation et remplacement des ions OH^- échangeables des groupes Al-OH situés sur les bords brisés de la matière minérale.

Le pourcentage de saturation en bases indique la proportion de la CEC occupée par les bases échangeables. Les bases qui dominent dans la plupart des sols sont le Ca²⁺ et le Mg²⁺.

La réaction et le pH du sol

Cette propriété très importante est liée à la CEC et influence la fonction physiologique de la solution du sol. Elle est mesurée par l'activité des ions H⁺ en solution et s'exprime en unités de pH, indiquant l'acidité ou l'alcalinité du sol.

• Causes de l'acidité : facteurs climatiques, nature du matériau parental, production de CO₂ par l'activité des organismes du sol, production de H⁺ par les racines des plantes, humification de la matière organique et processus d'oxydation.
• Importance du pH : il intervient dans les processus de formation et de développement des sols, la disponibilité et l'absorption des nutriments, l'activité des organismes du sol et la décomposition de la matière organique.
• Acidité du sol : causée par la prédominance d'ions H⁺ dans la solution du sol (acidité active).
• Pouvoir tampon du sol : capacité du sol à résister aux variations de pH de sa solution. Ce pouvoir tampon varie selon les sols et dépend fortement des colloïdes organiques et inorganiques. Les variations du pH du sol sont régulées en recourant au mécanisme d'échange d'ions.

Sols affectés par la salinité

Les sols affectés par les sels se caractérisent par leur teneur en sels solubles, le pourcentage de sodium échangeable (ESP), le rapport d'adsorption du sodium (SAR) et la teneur en éléments toxiques (bore, chlorure, sodium, etc.).

La salinité est l'une des contraintes les plus graves associées aux climats arides et semi-arides. Dans ces sols, les cultures présentent des tolérances variables.

• Effets de la salinité : mauvaise germination, croissance restreinte des plantes, disponibilité limitée de l'eau en raison de l'excès d'ions dissous, et risques de toxicité (bore, sodium, chlorure).
• Origine des sels dans le sol : ils s'accumulent lorsqu'ils sont apportés par l'eau d'irrigation, proviennent de matériaux parentaux riches en sels, ou résultent d'un climat aride où la lixiviation est limitée.
• Effets du sodium (Na) : les cultures diffèrent dans leur sensibilité à la teneur en sodium du sol. Le sodium induit des conditions chimiques et nutritionnelles spécifiques et peut devenir l'ion dominant dans la solution du sol en raison de sa nature.

Écologie et biologie des sols

Un sol fertile est une entité biologique où les processus biologiques ont un impact majeur.

La matière organique est un mélange de :

1. Micro-organismes, petits animaux et débris en décomposition.
2. Produits issus de la décomposition des plantes et des animaux.
3. Substances synthétisées biologiquement et/ou chimiquement (substances humiques et non humiques).

Importance de la faune du sol : elle assure la macération et la fragmentation des restes de plantes, leur distribution, et contribue à l'aération et au drainage du sol.

Importance des vers de terre : ils accélèrent la décomposition des débris organiques, exercent un effet de labour qui améliore l'aération et le drainage, et contribuent à structurer et stabiliser le sol.

La microflore du sol : bien qu'elle n'occupe jamais un volume supérieur à 0,0001 % du volume total du sol et que sa répartition soit hétérogène, son importance globale est capitale : décomposition des restes organiques, humification, minéralisation de la matière organique et association avec les plantes supérieures. La microflore est directement responsable de la synthèse des substances humiques et du transfert des substances organiques.

Composition élémentaire des substances humiques :

• Carbone (C) : 45 à 65 %
• Oxygène (O) : 30 à 48 %
• Azote (N) : 2 à 6 %
• Hydrogène (H) : environ 5 %

La teneur en matière organique des sols varie selon le climat, la végétation, la topographie, le matériau d'origine, l'âge du sol et l'action de l'homme (gestion).

• Effets sur les propriétés chimiques : augmentation de la capacité d'échange cationique (CEC) et de la résistance aux variations de pH (pouvoir tampon).
• Effets sur les propriétés biologiques : favorise le développement des organismes du sol.
• Pertes d'azote (N) : immobilisation par les micro-organismes, érosion, combustion, processus biologiques et dénitrification.

Associations plantes-microorganismes

1. Association au niveau de la rhizosphère : la rhizosphère est la zone du sol influencée par les exsudats racinaires des plantes (par exemple, les bactéries du genre Azospirillum associées aux graminées).
2. Associations mycorhiziennes : les mycorhizes (du grec myco = champignon, rhiza = racine) sont des associations symbiotiques entre champignons et racines. Elles peuvent être ectotrophes, endotrophes ou ectendotrophes (propriétés intermédiaires). Ces trois types améliorent principalement la nutrition phosphatée.
3. Symbiose Rhizobium-Légumineuses : cette association permet à la plante d'être autosuffisante en azote, de fournir de l'azote à d'autres cultures (comme dans les prairies mixtes graminées-légumineuses) et de laisser de l'azote dans le sol pour les cultures suivantes dans la rotation.