La dégradation des sols dans le monde

III LA FERTILITE CHIMIQUE D'UN SOL

Pour des étudiants non-scientifiques, cette partie sur les propriétés chimiques se révèlera peut-être un peu toxique pour votre goût. Il faut, cependant, s’avancer en eau profonde car à l’échelle du monde, les propriétés chimiques des sols sont fortement corrélées avec le climat. Plusieurs propriétés peuvent être prises en compte mais nous nous concentrerons sur seulement deux : la Capacité d’Echange Cationique (CEC) et le pH. Nous nous efforcerons de rendre cette description la plus simple et concise possible.

Dans le contexte de ce site web, nous pouvons dire que la fertilité chimique concerne :

• La disponibilité des éléments nutritifs des végétaux
• Les problèmes de toxicité
• Les proportions de cations sur le complexe AH

III.1 La Capacité d’Echange Cationique (CEC)

La CEC est une mesure du nombre de sites électronégatifs sur le complexe argilo-humique (Consulter l'Essentiel sur les Argiles). On l'appelle la « Capacité d’Echange Cationique » (CEC) parce que sur ces sites électronégatifs, des cations s’attachent et se détachent : ils s’échangent entre la particule chargée et la solution du sol. La plupart des éléments nutritifs et autres éléments qui influencent les propriétés du sol sont en forme d’ions. Il y a deux types d’ions : les cations et les anions. Les cations ont une charge positive, les anions ont une charge négative. Ce sont des atomes ou molécules qui ont perdus (cations) ou acquis (anions) 1, 2 ou 3 électrons.

III.1.1 Rappel sur la structure de l’atome

• Noyau : protons et neutrons
• Autour du noyau : nuage d’électrons
• Les protons ont une charge + et donnent à l’élément son numéro atomique
• Les neutrons n’ont pas de charge, mais neutrons + protons = masse atomique
• Les électrons ont une charge – et peuvent passer d’un atome à l’autre

2 types de liens entre atomes : électrostatique, covalent.

III.1.2 Les principaux ions dans le sol

Ils sont les suivants :

CATIONS (+)	ANIONS (-)
H+ : mesure d’acidité du sol	NO3- : élément nutritif ; polluant
K+: élément nutritif ; stabilité structurale	H2PO4- : élément nutritif
NH4+ élément nutritif	HPO42- élément nutritif
Na+ stabilité structurale (-)	PO43- élément nutritif
Ca2+ stabilité structurale (+)	SO42- élément nutritif
Mg2+ stabilité structurale (+)	OH- présent mais sans effet
Al3+ stabilité structurale (+) toxicité
Fe3+ stabilité (+) et toxicité

Plusieurs autres cations et anions existent dans le sol ; certains sont des oligo-éléments et d’autres n’ont pas d’effet sur le sol mais sont présents dans la solution (l’eau) du sol.
Les « bases » sont les suivants : Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺, Na⁺. Le taux de saturation en bases correspond au pourcentage des sites électronégatifs (la CEC) occupé par ces bases.

III.1.3 Le problème des nitrates

Puisque le complexe argilo-humique a une charge négative nette (et une faible charge positive), les cations peuvent être retenus dans le sol et sont moins facilement lessivés par les eaux de percolation. La faible charge positive dans le sol fait que les anions sont plus mobiles. Prenons l’exemple des nitrates (NO₃^-) : ce sont des anions qui provoquent des maladies graves à des teneurs relativement faibles (la limite pour l’eau potable est de 50 mg/L). Ce sont aussi des anions qui présentent un intérêt majeur pour la croissance végétale et les agriculteurs en ajoutent au sol sous forme d’engrais afin de maximiser les rendements. Enfin, ils sont présents en grande quantité dans les déjections animales (fumier, lisier…). Nous avons donc un anion qui est apporté au sol en grandes quantités, qui est très mobile, et qui est toxique pour les humains – une mauvaise combinaison ! Ceci explique les risques de pollution des nappes phréatiques dans plusieurs régions du monde.
En Bretagne, les sols sont formés majoritairement sur des roches cristallines et ils ont tendance à être sableux et à avoir des taux de percolation élevés. C’est aussi une région où il y a une forte concentration d’activités agricoles – cultures et élevage intensif, où beaucoup d’animaux sont élevés sur des surfaces restreintes. Les pluies régulières hivernales et la forte conductivité hydraulique des sols sableux assurent un lessivage facile des nitrates présents dans le sol vers la nappe phréatique. La combinaison du type d’ion (un anion), de l’élevage intensif, des pluies régulières en hiver, et de sols sableux à forte conductivité hydraulique est particulièrement mauvaise pour la qualité des eaux de la nappe phréatique et explique les problèmes de pollution par les nitrates connues dans cette région.

III.1.4 Résumé de la CEC

Pour terminer avec la CEC, elle est aussi une indication de la fertilité du sol. Plus la CEC est élevée, plus elle peut retenir des cations dans le sol – ces cations peuvent servir à améliorer la structure du sol (Ca²⁺, par exemple) ou à alimenter les végétaux (NH⁴⁺, par exemple). La CEC est une propriété fondamentale du sol qui dépend de la teneur en argile et matière organique, d’une part, et du type d’argile présent dans le sol d’autre part (Consulter l'Essentiel sur les Argiles). Le type d’argile varie en partie en fonction du climat, sauf pour des zones où la roche mère est relativement jeune (zones volcaniques, roches calcaires en zones côtières...). Il y a donc une relation entre CEC et climat que nous verrons dans la quatrième partie de ce module (La répartition des sols dans le monde).

III.2 Le pH du sol

La première propriété d’un sol d’importance est la texture ; la deuxième propriété d’importance est le pH.

La texture donne une indication sur les propriétés physiques du sol et de la CEC. Le pH donne des informations sur les éléments nutritifs et les risques de toxicité. Connaissant ces deux propriétés (texture et pH) il est possible de tracer les grandes lignes de la fertilité d’un sol et de son comportement. De plus, la texture et le pH sont relativement faciles à mesurer en laboratoire. (Il est assez rare que des informations soient à la fois importantes à connaître et faciles à mesurer !)

Le pH est une mesure de la concentration en ions H⁺ dans le sol. Plus formellement :

pH = - log [H⁺] = log 1/[H⁺]

III.2.1 L’évolution du pH

Comme la texture, le pH du sol est hérité du matériau d’origine dans le court-moyen terme. Avec le temps, tous les sols ont tendance à s’acidifier par :

• Le lessivage par les eaux de pluie : plus il pleut, plus le lessivage est important et plus le pH a tendance à être neutre. Le matériau d’origine, s’il possède beaucoup de bases, peut servir de « tampon » à cette tendance en re-éjectant des cations dans le sol. Le matériau d’origine a un impact important sur le pH du sol dans le court terme. Sur le long terme, c’est le climat qui domine et il y a une relation nette entre pluie annuelle et pH du sol : plus la pluie est importante, plus le sol est acide.
• L’apport des acides présents dans les pluies. La combustion de combustibles fossiles éjecte de l’azote (N) et du souffre (S) dans l’atmosphère. Ces éléments se combinent avec l’eau pour donner des acides. L’impact des pluies acides est plus important en proximité de grandes régions industrielles (le NE des Etats-Unis, la vallée du Rhin…).
• La décomposition de la matière organique. La décomposition de la matière organique libère des H⁺ qui acidifient le sol.
• L’apport de certains engrais acidifie le sol (ex. l’ammonitrate – NH₄⁺ NO₃^-) pour les sols agricoles.

Valeurs typiques de pH du sol

Acidité		<============			Neutralité	=======>	Alcalinité
	très fort	forte	modéré	faible	faible	modéré	forte	très fort
pH 3	4	5	6	7	8	9	10	11
sols organ.			régions humides		régions sèches				sols alkalins

III.2.2 L'importance du pH

Le pH est important pour plusieurs raisons :

III.2.2.1) La disponibilité des éléments nutritifs

Tous les éléments du sol sont plus assimilables dans des pH qui s’approchent de la neutralité. Le meilleur exemple est le phosphore. Dans les sols acides, le phosphore se complexe avec le Fer et devient insoluble. Dans les sols basiques, il se complexe avec le calcaire. Il peut donc avoir du phosphore dans le sol, mais ce phosphore est non-prélevable. Il devient soluble et donc assimilable dès que le pH est ajusté vers la neutralité. Faire un apport de phosphates sur un sol acide ou basique est donc une perte puisque les phosphates se rétrogradent assez rapidement. Il est impossible de gérer la fertilité chimique d’un sol sans gérer le pH en même temps.

III.2.2.2) Les problèmes de toxicité

Contrairement aux éléments nutritifs, les métaux sont plus solubles et donc assimilables à des pH acides. L’exemple le plus courant est une toxicité par l’Aluminium. Dans les pH plus élevés, l’Aluminium est non soluble et donc n’entre pas dans la solution du sol. Dès qu’il est en solution, il est prélevé avec les autres cations/anions et peut être toxique.

III.3 Les proportions de cations sur le complexe AH

Le pH du sol est une mesure de la concentration en H⁺ dans le sol. Puisqu’il n’y a pas un nombre infini de sites d’échanges, plus il y a de H⁺, moins il peut y avoir d’autres cations. Les cations – Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺, et Na⁺ - sont considérés comme étant des bases. Plus le sol est acide, moins il y a de bases. Le pourcentage de bases qui occupent les sites de la CEC est défini comme étant :

On peut diviser les cations sur les sites échangeables en deux groupes : d’une part H⁺ et Al³⁺ et d’autre part les bases échangeables. Les H⁺ n’ont pas d’effets négatifs particuliers, les Al³⁺ par contre peuvent être toxiques.

Le type de cation sur les sites échangeables est très important. Plus le pH est faible, plus les H⁺ et Al³⁺ sont sur les sites échangeables et plus le risque de toxicité est important. Egalement, il y aurait moins de Ca²⁺ qui sont très favorables à une bonne structure. Donc la stabilité structurale est meilleure vers un pH neutre.