Chapitre I :

Pédologie

1.Notion générale sur le sol

Le sol est un milieu vivant complexe et dynamique, définit comme étant la formation naturelle de surface, à structure meuble et d’épaisseur variable, résultant de la transformation de la roche mère sous-jacente sous l’influence de divers processus : physiques, chimiques et biologiques, au contact de l’atmosphère  et des êtres vivants.  Il est formé d’une fraction minérale et de matière organique. Végétaux et animaux puisent du sol l’eau et les sels minéraux et trouvent l’abri et/ou le support indispensable à leur épanouissement.  Le sol est donc le résultat d’un mélange intime entre des particules minérales et la matière organique morte. Les particules minérales proviennent de la roche mère sous-jacente à la suite de processus de désagrégations physiques et biologiques.  La Roche mère est composée de matériau constitutif de l’écorce terrestre formé de minéraux d’une certaine homogénéité, durs et de grains serré.  On parle de désagrégations physiques dans le cas où les forces dominantes sont principalement mécaniques comme l’action érosive des eaux courantes, l’action érosive des vents et les fluctuations sévères des températures.  On parle de désagrégations biologiques quand les changements produits sont directement ou indirectement liés aux organismes vivants tels que les animaux fouisseurs, les forces de pénétration des racines des plantes, l’action destructive des algues et des bactéries et la production d’acides par les lichens.  La matière organique morte provient généralement de la décomposition des végétaux et des animaux morts. Elle est cependant, le résultat principal de la chute de litière, en provenance de la végétation en place, qui, après décomposition ultime, va redonner une nouvelle matière organique amorphe « l’humus » qui formera, essentiellement avec l’argile, des composés argilohumiques. Ceux-ci sont à la base de la formation des agrégats du sol et donc de la structure du sol.

2. Facteurs de formation du sol

 Le sol est une formation naturelle, un milieu organisé qui se transforme continuellement sous l'influence de processus physiques, chimiques, biologiques et humains. Il évolue dans  le temps et dans l’espace.
    Il se développe et croit à la fois par sa base à partir de la roche mère (matière minérale) et à la fois par sa surface constituée de matière organique (débris d'origine végétale et animale).

Le sol résulte de l’union de la matière minérale provenant de la roche mère décomposée en argiles et de la matière organique fraîche provenant des débris organiques décomposée en humus. La croissance et l'évolution des sols se fait à des vitesses variables selon les zones climatiques.

De nombreux facteurs interfèrent dans la formation des sols, ce qui explique la grande diversité des types de sols rencontrés. Les facteurs les plus importants sont la nature de la roche mère ou matériau d’origine, le climat,  le temps, la végétation. D'autres facteurs comme le relief, la topologie du terrain et l’intervention de l’homme ont également leur importance.  

    Comment influent ces facteurs ?

La roche mère et les formations superficielles
    Le sol se trouve au dessus de sa roche mère, son matériau d'origine. La roche mère affleure à la surface du globe suite à des mécanismes géologiques (tectonique des plaques, volcanisme, glaciation, érosion...). D'origine géologique variée: magmatique, métamorphique ou sédimentaire, la roche initiale, dite roche mère est une roche dure ou meuble qui s'est formée, il y a des millénaires.
    Une roche est constituée d'un assemblage de plusieurs minéraux identiques ou différents. Exemples: le granite est une roche magmatique formée par l'assemblage de minéraux de quartz, de micas et de feldspaths; le calcaire est une roche sédimentaire qui contient en forte proportion un minéral appelé: calcite. Ces minéraux principaux sont appelés: minéraux primaires. Les roches renferment également en faible quantité d'autres minéraux appelés: minéraux accessoires.

Au  cours du temps, les roches vont être désagrégées par l'érosion, les minéraux primaires vont se séparer  et être altérés par des réaction chimiques provoquées par l'eau de pluie et les solutions acides des matières organiques.
    Les atomes présents dans le minéraux sont dans un premier temps libérés, mis en solution lors de ces réactions chimiques. puis ils se recombinent, recristallisent à partir des éléments en solution pour former de nouveaux minéraux appelés minéraux secondaires. Les principaux minéraux secondaires que l'on trouve dans les sols sont: les argiles au nom de: Illites, vermiculites, montmorillonites ou  kaolinites selon leur composition, les oxyhydroxydes de fer, d'aluminium, de manganèse, de silicium et  dans les sols calcaires constitués de calcite: du gypse. La taille de ces minéraux est très fine souvent inférieure à 2 microns.

   Les formations superficielles* constituées soit d' alluvions anciennes* étagées en terrasses le long des fleuves, soit de colluvions* qui ont glissés le long des pentes,soit de  limons loessiques* déposés par les vents, soit de dépôts glaciaires  peuvent également constituer le matériau d'origine et  selon leur nature et leur ancienneté de dépôt influencer les caractéristiques morphologiques des sols. Au cours du temps, se forment des couches homogènes, superposées, parallèles à la surface, appelées : horizons. Selon le nombre d'horizons, on a des sols plus ou moins diversifiés.

Le climat
    Le climat joue un rôle important dans la formation et les caractéristiques des sols. Il a un impact sur la végétation. La température intervient dans la vitesse d’altération des roches, dans la vitesse de décomposition des matières organiques.
    En climat humide, la pluie dissout les éléments minéraux, provoque des réactions chimiques, lessive,  appauvrit en certains constituants la partie supérieure du sol et entraîne dans les couches inférieures les particules fines.
On a constaté que les climats anciens (époque glaciaires, …) ont eu une influence importante sur les caractéristiques des sols actuels.

Le temps
    Les sols se forment lentement. L' échelle de temps pour la formation d'un sol, pour qu'il arrive  à maturité (développement complet des horizons) se mesure en milliers d'années. Le temps de formation d'un sol dépend du climat.
    Le temps mis par un sol pour arriver à maturité peut aller de dix mille ans dans les zones froides à cent ans dans les zones tropicales. Mais les sols peuvent être rapidement dégradés, et ne sont que très lentement renouvelables.

La végétation, les micro-organismes, le système racinaire.
    La végétation est différente selon les lieux géographiques (montagnes, vallées, …), les climats, les roches du sous-sol ….
    Les débris végétaux  s'étalent sur le sol, forment des litières (couches de matières organiques fraîches) qui se décomposent au fil du temps plus ou moins rapidement selon la zone climatique et se transforment en humus sous l’action des organismes et micro-organismes vivants dans le sol: bactéries, champignons, acariens, vers de terre, limaces, escargots, scarabées, fourmis, larves, taupes, mulots, .... Les matières organiques sont riches en carbone (C), hydrogène (H) et oxygène (O). L'humus et les argiles issues des minéraux de la roche d'origine vont s'associer et former les différents agrégats de particules élémentaires qui composent la terre fine du sol.
    Le sol  est exploité par les racines des végétaux (système racinaire) qui puisent l'eau et les substances nutritives nécessaires à leur développement, en échange, elles redonnent, des substances riches en carbone qui nourrissent certains microbes, elles aèrent  et forment des conduits qui servent au passage de l’eau et des gaz.  Elles jouent un rôle important dans la vie du sol.

Climat, matériau d'origine, végétation entraîne la formation d’un type de sol particulier Les propriétés des sols reflètent les caractéristiques de ces facteurs.

3. Les constituants des sols

 Les principaux constituants du sol sont:
          - les constituants minéraux (matières minérales solides);
          - les constituants organiques (matières organiques solides formées de débris d'origines végétale et animale
            décomposés en humus);
          - les vides emplis de gaz (oxygène, azote, gaz carbonique);
          - la " solution du sol ", formée d'eau et de substances minérales dissoutes.

3.1 La fraction minérale

Les sols minéraux proviennent d'une roche originelle appelée roche mère. Ils évoluent avec le temps, à mesure que la roche mère se dégrade sous l'effet de différents phénomènes, physiques, chimiques et biologiques, dus à l'action du climat, du drainage, du lessivage, de l'érosion, de la végétation et des organismes vivants. C'est ce qu'on appelle altération. Ainsi, des températures élevées du sol fragmentent les roches en petits morceaux, sous l'effet d'une alternance de réchauffements et de refroidissements. La roche mère se divise progressivement en particules; des surfaces plus importantes entrent en contact avec l'eau, et la composition chimique des minéraux en présence se modifie. Les éléments chimiques solubles partent avec l'eau (ils sont lessivés dans les profondeurs du sol, tandis que les produits moins solubles restent dans les couches supérieures du sol. L'altération se poursuit et, avec le temps, les sols minéraux évoluent pour devenir ce qu'ils sont aujourd'hui.

a) Altération mécanique

       -      Fragmentation tectoniques  diaclases

       -     Alternances gel-dégel (en climat suffisamment humide) =cryoclastie ou gélifraction.

-          Variations répétées de température (40-50°C d'amplitude journalière dans le Sahara) = alternance dilatation/rétractation thermique

-          Décompression : survient lorsque des roches ayant subit un enfouissement sont       libérées de la pression lithostatique --> formation de joints de décompression pratiquement parallèles à la surface

b) Altération biogéochimique

* Solubilisation – dissolution

Réaction la plus simple, faisant intervenir de l'eau, ou un acide. Certains minéraux (halite, calcite) sont dissous totalement et leurs ions sont évacués en solution.

•solubilisation du quartz : SiO₂ + 2 H₂O  H₄SiO₄ (acide silicique) (solubilité faible)

* Hydratation et déshydratation

minéral+eau=nouveau minéral hydraté; la déshydratation étant le processus inverse.

• déshydratation du gypse pour produire de l'anhydrite: CaSO₄.2H₂O  CaSO4+ 2 H₂O;

* Hydrolyse

Cation d'un minéral remplacé par le H+ d'une solution acide

•Hydrolyse de l’olivine --> dissolution complète : Mg₂SiO₄+ 4 H+  2 Mg²⁺ + H₄SiO₄

* Oxydation-réduction

Oxydation (transfert d’électron du réducteur vers l’oxydant)

 4 FeS₂+ 15 O₂ + 8 H₂O  2 Fe₂O₃+ 8 H₂SO₄

Réduction

Fe(OH)₃ + 3 H⁺ + e^-  Fe²⁺ + 3 H₂O

c) Les facteurs de l'altération

Le climat = facteur le plus important

     une température élevée favorise la cinétique des réactions chimiques.

     Précipitations : beaucoup de réactions se passent en milieu aqueux.

     Solubilité des roches : les roches sédimentaires sont composés d’espèces minérales solubles (CaCO3, CaMg(CO3)2 ou dolomite, CaSO₄ · 2 H₂O ou gypse, …) ; les roches basaltiques et métamorphiques sont composées d’espèces minérales insolubles  (hydrolyse, hydratation, oxydoréduction). 

     Structure de la roche: abondance, taille et forme de la fracturation des roches (sédimentaire ≠ métamorphique)

     Présence de sol et de végétation : altération biochimique

     Durée d’exposition

d) Les produits de l’altération

1/ structure d'un de la roche dont la forme est conservée = minéral primaire

2/ La partie jaune clair figure un plasma argileux dérivé du minéral = minéral secondaire

3/ La ligne brun rouge montre du fer libéré lors de l'altération de ce minéral = minéral secondaire

4/ Quartz = minéral primaire

5/ plasma argile-fer en place = complexe d’altération

- Particules granulométriques et minéraux primaires

On peut classer les constituants minéraux par diamètres en :

Eléments grossiers 0,2-20 cm

Blocs >20 cm

Pierres 5-20 cm

Cailloux 2-5 cm

Graviers 0,2-2 cm

 Terre fine <0,2 cm

Sables grossiers 200-2000 µm

Sables fins 50-200 µm

Limons grossiers 20-50 µm

Limons fins 2-20 µm

Argiles  granulométrique <2µm

Les particules dont le diamètre supérieur à deux micromètres (les graviers et cailloux, les sables, les limons) constituent le squelette du sol (élément sableux). Cette fraction est sans intérêt immédiat pour les plantes, mais est primordiale pour la porosité. Elle finira par se transformer en fraction fine par altération. Les particules dont le diamètre inférieur à 2 μm (argile et oxyde de fer et d’alumine) sont biologiquement et chimiquement actives. Elle est constituent les colloïdes minéraux du sol. La texture du sol : La texture est définie par les proportions relatives (%) de particules argileuses, limoneuses et sableuses qui constituent la terre fine du sol. Elle peut être appréciée au toucher sur terrain ou déterminée au laboratoire (analyse granulométrique) où l'échantillon de sol subit divers traitements : - Tamisage afin d'éliminer le squelette (fractions > 2 mm), - Destruction de la matière organique, - Destruction du calcaire, - Dispersion et agitation afin de démonter les agrégats, - Sédimentation différentielle et séparation des différentes fractions, - Dessiccation, tamisage et pesée des différentes fractions. Les classes de texture peuvent être délimitées graphiquement dans un triangle dont chaque côté soutient une échelle graduée (argile, limon ou sable).

Qualité minéralogique

Sables (quartz, feldspath, micas, plagioclases, calcite) et très peu de minéraux secondaires

Limons  provenant de la désagrégation physique contiennent des quartz, des silicates  altérables (micas, feldspaths…), de grandes argiles et minéraux carbonatés

Argiles  granulométriques formées d’argiles minéralogiques, oxydes métalliques et gels colloïdaux (minéraux secondaires)

Il y a deux sortes de sols minéraux

Certains sols minéraux se forment à partir d'un matériau d'origine qui se décompose sur place en petites particules par suite de l'altération. On les appelle sols résiduels.

D'autres sols minéraux se forment à partir de petites particules provenant de sols minéraux situés ailleurs, qui ont été transportées sur une certaine distance et qui se sont déposées. On les appelle sols sédimentaires.

Sols formés à partir d'un matériau originel local: sols résiduels

Les sols résiduels se trouvent généralement dans les collines; ils s'étendent jusqu'au bas des versants, le long des bords des vallées. Il est rare que l'on trouve des sols résiduels sur de grandes étendues planes. Ils se situent le plus souvent dans des zones allant de la pente douce aux escarpements abrupts. La présence de roches entières ou de débris rocheux partiellement décomposés dans le sous-sol indique que le sol résiduel s'est formé sur place.

Sols provenant d'un matériau originel transporté: sols sédimentaires

3.2 La fraction organique

  Les végétaux sont composés de molécules organiques. Les  débris de végétaux et d'animaux déposés sur le sol tout au long de l'année forment la première couche du sol, appelée litière ou matière organique fraîche. 
    La matière organique fraîche est formée de détritus d'origines végétale et animale de nature différente selon le lieu. Ce sont: les feuilles mortes, les écorces, les bois morts, les cadavres d'animaux qui recouvrent le sol  des sous-bois et forment la litière forestière; ce sont: la paille, les herbes, les résidus de cultures,  dans les champs, les prairies et  les milieux cultivés qui restent sur le sol après la récolte et les moissons.
    La matière organique fraîche est constituée: de matières composées de carbone (C) et d'éléments minéraux. Peu ou pas transformée, la matière organique fraîche constitue la matière première de l'humus.
    La décomposition des matières organiques va  libérer des ions H⁺  et interférer sur le PH (acidité) du sol.

Décomposition de la matière organique fraîche - Humus
    Déposée sur le sol la matière organique fraîche  va être progressivement décomposée. Le mécanisme de décomposition   va transformer la matière organique en gaz carbonique (CO²) et libérer les éléments minéraux organiques quelle renferme.
    Le sol renferme un grande quantité d'organismes vivants (bactéries, champignons, acariens, vers de terre, limaces, escargots, scarabées, fourmis, larves, taupes, mulots, ...).  Ce sont ces organismes qui vont décomposer la matière organique fraîche , libérer ses composés qui vont subir un processus de minéralisation  ou d'humification.  

Minéralisation
   Une partie des composés subit un processus de minéralisation en libérant des composés minéraux solubles:  sulfates (^SO₄^2-), phosphates (^PO₄^3-),  ammonium ₍NH₄⁺⁾ _,  nitrates (NO₃⁻⁾ ou gazeux: gaz carbonique (CO²),

Humification.
   Une autre partie donne des molécules nouvelles complexes, de nature colloïdales* qui vont constituées l'humus: c'est le processus d'humification.
   L'humus est composé de plusieurs composés humiques, les principaux sont les acides fulviques, les acides humiques et l'humine.
   Par la suite les composés humiques qui forment l'humus, vont se minéraliser lentement à leur tour. C'est la minéralisation secondaire:  ils se transforment en minéraux solubles ou gazeux : (CO², SO₄^2- , PO₄3-  , NH₄⁺ _, NO₃⁻,

Les principaux types d’humus : selon le milieu et le type de végétation, nous distinguons :

- Le mor : En milieu peu actif, la décomposition des litières est lente, l'horizon organique est épais, brun noir, fibreux et acide.

 - Le moder : En milieu biologiquement plus actif mais sans bioturbation, l'horizon organique est moins épais et constitue un moder.

- Le mull : En milieu biologiquement très actif, la décomposition est très rapide, l'horizon organique disparaît et apparaît un horizon A (horizon de surface) grumeleux, composé d'agrégats argilo-humiques à fer et aluminium.

1.3Les complexes colloïdaux

Les colloïdes sont des macromolécules organiques ou minérales qui, placées dans l'eau, ne forment pas une solution, mais forment une suspension colloïdale. 

La formation de cette pseudo solution s'explique par le fait que la taille de ces macromolécules est plus grande que celle des " vides " offerts dans le maillage des molécules d'eau, vides qui accueillent les petites molécules dont on dit qu'elles sont dissoutes dès lors qu'elles sont " cachées " dans ce maillage. 

Dans le milieu aqueux, les micelles colloïdales sont animées de mouvements de types browniens. Ces mouvements sont dus, au moins en partie, au fait que les colloïdes adsorbent des charges électriques négatives ou positives qui entraînent des mouvements de répulsion entre les micelles. 

Dans la nature, les colloïdes peuvent être, soit électronégatifs (argiles, humus, complexe fer - silice), soit électropositifs (oxydes de fer, oxydes d'alumine, amidon).

La présence d'une couche d'adsorption de charges électriques de même signe à la surface d'une substance colloïdale explique que des charges électriques de signe contraire soient attirées, plus ou moins fortement, par les micelles. Par exemple, autour des colloïdes électronégatifs comme les argiles ou les humus, se forme un nuage de charge positives constitué essentiellement par des ions hydrogène (H⁺ ou H₃O⁺) et des cations métalliques (Ca⁺⁺, Mg⁺⁺, K⁺, Na⁺, Fe⁺⁺⁺ ou Fe⁺⁺, Al⁺⁺⁺) ou de l'ammoniac (NH₄⁺).

Lorsque le nuage de charges positives autour d'une micelle électronégative est très lâche, souvent parce que les charges positives sont en petite quantité, les micelles, de même signe, se repoussent mutuellement, ne peuvent se déposer et occupent tout le volume du liquide. On dit que les colloïdes sont dans l'état dispersé.

Si le nuage de charges positives est dense autour des colloïdes, soit parce qu'on en a rajouté, soit parce que la richesse en cations du sol permet cette densité du nuage dans la solution du sol, les micelles ne peuvent plus se repousser. La neutralisation des charges négatives par les charges positives permet de surcroît aux colloïdes de s'agglomérer et de former un floc. On dit que les colloïdes sont dans l'état floculé. 

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