LES PROPRIÉTÉS CHIMIQUES DU SOL
pH, capacité d’échange cationique, complexe argilo-humique, salinité et éléments minéraux : comprendre la chimie d’un sol vivant
Après avoir étudié la structure physique du sol, il faut maintenant pénétrer dans sa chimie.
L’eau qui circule dans le sol n’est pas de l’eau pure. Elle constitue une solution complexe contenant :
- des ions minéraux ;
- des molécules organiques ;
- des gaz dissous ;
- des acides organiques ;
- des composés issus de l’activité biologique.
Le sol fonctionne ainsi comme un immense réacteur géochimique et biologique, dans lequel les éléments sont continuellement :
- libérés ;
- adsorbés ;
- échangés ;
- transformés ;
- complexés ;
- précipités ;
- dissous ;
- absorbés par les racines ;
- immobilisés par les microorganismes.
La chimie du sol ne doit donc jamais être séparée de sa physique et de sa biologie.
1. Les trois dimensions de la fertilité
La fertilité d’un sol ne peut pas être réduite à une simple quantité d’engrais.
On peut distinguer trois grandes dimensions :
FERTILITÉ DU SOL │ ┌──────────────┼──────────────┐ ↓ ↓ ↓ PHYSIQUE CHIMIQUE BIOLOGIQUE │ │ │ structure pH microbes porosité CEC champignons eau nutriments racines air salinité faune
Ces trois dimensions interagissent en permanence.
Par exemple :
matière organique → agrégation → porosité → eau → activité microbienne → minéralisation → nutriments.
2. Le pH du sol
Le pH mesure l’activité des ions hydrogène dans la solution du sol.
On peut retenir :
- pH < 7 : milieu acide ;
- pH = 7 : neutralité théorique ;
- pH > 7 : milieu alcalin.
Mais le pH d’un sol n’est pas simplement « son acidité ».
Il influence notamment :
- la solubilité des éléments ;
- l’activité microbienne ;
- la disponibilité du phosphore ;
- la mobilité de certains métaux ;
- la nutrition des plantes ;
- les réactions chimiques ;
- la structure dans certains contextes.
3. Le pH n’est pas identique partout dans le sol
Un sol peut avoir plusieurs pH selon :
- la profondeur ;
- l’humidité ;
- la matière organique ;
- les racines ;
- la saison ;
- les apports ;
- la méthode de mesure.
On peut donc distinguer, selon les analyses :
- pH eau ;
- pH KCl ou autre solution saline.
Ces mesures ne donnent pas exactement la même information.
4. Le pH et la disponibilité des nutriments
Le pH influence fortement la disponibilité de nombreux éléments.
Une représentation simplifiée permet de visualiser que chaque élément possède une plage de disponibilité qui lui est propre.
pH acide pH neutre pH alcalin│──────────────────────────────────│────────────────────────│ disponibilité variable des éléments
Il faut toutefois éviter les diagrammes simplifiés présentés comme des lois universelles.
La disponibilité réelle dépend aussi :
- de la minéralogie ;
- de la matière organique ;
- de l’oxygénation ;
- de l’humidité ;
- de l’activité microbienne ;
- des interactions entre éléments.
5. Acidité et pouvoir tampon
Deux sols ayant le même pH peuvent réagir très différemment à un apport acide ou basique.
Pourquoi ?
Parce que leur pouvoir tampon n’est pas le même.
Un sol riche en :
- argiles ;
- matière organique ;
- carbonates ;
peut résister davantage à certaines variations de pH.
On peut donc distinguer :
pH instantané
et
capacité du sol à résister à une modification du pH.
Cette distinction est essentielle pour le pilotage à long terme.
6. La capacité d’échange cationique — CEC
La capacité d’échange cationique (CEC) est l’une des propriétés chimiques fondamentales du sol.
Elle représente la capacité du sol à retenir et échanger des cations.
Parmi eux :
- Ca²⁺ ;
- Mg²⁺ ;
- K⁺ ;
- Na⁺ ;
- NH₄⁺ ;
- H⁺ ;
- Al³⁺.
La CEC est généralement exprimée en :
cmol(+)/kg
7. Pourquoi le sol retient-il des ions ?
Certaines surfaces du sol portent des charges électriques.
Les argiles et la matière organique présentent notamment des charges négatives capables d’attirer des cations.
On peut schématiser :
Surface chargée négativement───────────────────────────── − − − − − − − ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ Ca Mg K NH₄ H
Ces ions ne sont pas simplement « collés ».
Ils participent à un système dynamique d’échange avec la solution du sol.
8. Le complexe adsorbant
On appelle complexe adsorbant l’ensemble des surfaces capables de retenir des ions, notamment :
- argiles ;
- matière organique humifiée ;
- certains oxydes et hydroxydes selon le sol.
C’est un véritable système de stockage chimique.
9. Le complexe argilo-humique
Dans la conception agronomique classique, le complexe argilo-humique désigne l’association entre :
- particules argileuses ;
- matière organique humifiée ;
- cations.
Cette association participe à :
- la stabilité structurale ;
- la rétention de certains nutriments ;
- la capacité d’échange ;
- la formation d’agrégats.
Mais il faut préciser que le fonctionnement réel du sol est plus complexe que le modèle simplifié du « complexe argilo-humique ».
La matière organique du sol comprend de nombreuses fractions et interactions minérales et biologiques.
10. Calcium et structure
Le calcium Ca²⁺ joue plusieurs rôles.
Il est :
- un élément nutritif ;
- un cation majeur du complexe d’échange ;
- important dans certaines interactions structurales.
Dans certains sols, la présence de calcium favorise la floculation des particules argileuses.
À l’inverse, un excès de sodium échangeable peut favoriser leur dispersion.
11. Magnésium
Le magnésium Mg²⁺ est :
- un nutriment essentiel ;
- un constituant central de la chlorophylle ;
- un cation échangeable important.
Mais sa proportion dans le complexe d’échange compte également.
Il ne suffit donc pas de mesurer uniquement la quantité totale de magnésium.
Il faut comprendre :
forme chimique + disponibilité + équilibre ionique.
12. Potassium
Le potassium K⁺ est essentiel au fonctionnement des plantes.
Il intervient notamment dans :
- régulation osmotique ;
- fonctionnement stomatique ;
- activation enzymatique ;
- équilibre hydrique.
Une particularité importante est que le potassium du sol peut exister sous plusieurs formes :
Potassium minéral ↓Potassium fixé ↓Potassium échangeable ↓Potassium en solution ↓Absorption racinaire
Ces compartiments ne sont pas équivalents.
13. Le phosphore
Le phosphore est indispensable notamment pour :
- transfert d’énergie ;
- ADN et ARN ;
- membranes ;
- croissance racinaire.
Mais le phosphore est chimiquement particulier.
Sa disponibilité dépend fortement :
- du pH ;
- du calcium ;
- du fer ;
- de l’aluminium ;
- de la matière organique ;
- des microorganismes.
Dans certains sols acides, il peut être fortement associé à des composés du fer et de l’aluminium.
Dans certains sols calcaires, il peut être immobilisé par des phases riches en calcium.
14. Le phosphore et les mycorhizes
Les champignons mycorhiziens peuvent augmenter considérablement le volume de sol exploré par le système racinaire.
On peut représenter :
Racine ╱ │ ╲ ╱ │ ╲ │ │ │ ───┼─────┼─────┼─── ╲ │ ╱ ╲ │ ╱ réseau mycorhizien
Le rôle des mycorhizes ne consiste pas simplement à « fabriquer du phosphore ».
Elles peuvent améliorer l’acquisition de nutriments peu mobiles, notamment le phosphore, dans certaines associations et conditions.
15. La salinité
La salinité correspond à la présence de sels dissous à des concentrations susceptibles d’affecter le fonctionnement du sol et des plantes.
On rencontre notamment :
- chlorures ;
- sulfates ;
- bicarbonates ;
- sodium ;
- calcium ;
- magnésium.
La salinité est particulièrement importante dans :
- régions arides ;
- zones irriguées ;
- terrains littoraux ;
- zones à drainage insuffisant.
16. Pourquoi le sel est-il problématique ?
Le problème n’est pas seulement la toxicité de certains ions.
Une forte concentration en solutés diminue également le potentiel osmotique de la solution du sol.
La plante doit alors fournir davantage d’énergie pour absorber l’eau.
On peut avoir :
Sol humide ↓mais solution très salée ↓potentiel osmotique très faible ↓eau difficile à absorber ↓stress hydrique
C’est l’un des paradoxes majeurs des sols salins :
un sol peut contenir beaucoup d’eau et pourtant être physiologiquement sec pour la plante.
17. Mesurer la salinité
La conductivité électrique de l’extrait de sol ou de la solution du sol est couramment utilisée comme indicateur de salinité.
Elle est généralement exprimée en :
dS/m
La mesure doit cependant être interprétée avec :
- la méthode d’extraction ;
- la texture ;
- l’humidité ;
- la culture considérée ;
- la composition ionique.
18. La sodicité
La sodicité concerne spécifiquement l’importance du sodium échangeable et ses effets sur les propriétés du sol.
Un sol sodique peut présenter :
- dispersion des argiles ;
- dégradation structurale ;
- diminution de l’infiltration ;
- augmentation du ruissellement ;
- difficultés d’enracinement.
On doit donc distinguer :
salinité
et
sodicité.
Un sol peut être :
- salin ;
- sodique ;
- salin-sodique ;
- ni salin ni sodique.
19. Sodium et structure
Une simplification utile est :
CALCIUM ↓floculation plus favorableSODIUM ↓dispersion potentielle ↓pores obstrués ↓infiltration réduite
La réalité dépend toutefois de la minéralogie, de la concentration ionique et des propriétés de la solution du sol.
20. Le calcium comme outil de restauration
Dans certains sols sodiques, des amendements calciques, notamment le gypse dans certaines situations, peuvent être utilisés pour favoriser le remplacement du sodium échangeable par du calcium.
Mais cette intervention ne doit jamais être automatique.
Avant toute correction, il faut diagnostiquer :
- EC ;
- sodium échangeable ;
- SAR/ESP selon les méthodes utilisées ;
- CEC ;
- texture ;
- drainage ;
- hydrologie.
On ne traite pas une salinité comme on traite une sodicité.
21. Les oligoéléments
Les plantes ont besoin de nombreux éléments en quantités relativement faibles.
Parmi les principaux oligoéléments :
- fer ;
- manganèse ;
- zinc ;
- cuivre ;
- bore ;
- molybdène ;
- chlore ;
- nickel.
Le fait qu’un élément soit nécessaire en faible quantité ne signifie pas qu’il soit secondaire.
22. Fer et chlorose
Le fer est un excellent exemple.
Un sol peut contenir beaucoup de fer total mais présenter une disponibilité insuffisante pour la plante.
Cela peut conduire à :
chlorose ferrique, notamment dans certaines conditions de pH élevé.
On comprend alors une distinction essentielle :
teneur totale ≠ disponibilité biologique.
23. Manganèse
Le manganèse intervient notamment dans :
- fonctionnement enzymatique ;
- photosynthèse ;
- métabolisme végétal.
Sa disponibilité dépend fortement :
- du pH ;
- de l’oxygénation ;
- de l’état d’oxydoréduction ;
- de l’humidité.
Ainsi, l’hydrologie du sol modifie directement sa chimie.
24. Zinc
Le zinc intervient dans :
- enzymes ;
- régulation de croissance ;
- métabolisme végétal.
Sa disponibilité dépend notamment :
- du pH ;
- de la matière organique ;
- des carbonates ;
- des argiles.
25. Cuivre
Le cuivre est un oligoélément essentiel.
Il peut être fortement retenu par :
- matière organique ;
- argiles ;
- oxydes.
Son accumulation excessive peut cependant devenir toxique pour les organismes du sol.
C’est particulièrement important dans certains systèmes agricoles utilisant historiquement des produits cupriques.
26. Bore
Le bore intervient notamment dans :
- croissance des tissus ;
- développement reproducteur ;
- intégrité des parois cellulaires.
Sa plage entre carence et toxicité peut être relativement étroite dans certaines situations.
Le raisonnement :
« plus d’éléments = plus de fertilité »
est donc faux.
27. Les nutriments : quantité totale contre disponibilité
Pour chaque élément, il faut distinguer :
Réserve minérale ↓formes adsorbées ↓formes dissoutes ↓formes disponibles ↓absorption racinaire
La plante n’accède pas directement à toute la réserve totale.
La disponibilité dépend de l’ensemble du système.
28. Le rôle fondamental du pH
Le pH agit comme un véritable régulateur chimique.
Il influence :
- solubilité ;
- adsorption ;
- précipitation ;
- activité microbienne ;
- disponibilité des nutriments ;
- toxicité de certains éléments.
On peut donc représenter :
pH ↓ ┌───────────┼───────────┐ ↓ ↓ ↓ nutriments métaux microbiologie ↓ ↓ ↓ nutrition végétale
29. Le rôle de la matière organique
La matière organique intervient dans :
- CEC ;
- complexation ;
- tamponnement ;
- disponibilité des nutriments ;
- structure ;
- activité microbienne.
Elle constitue donc un véritable interface entre chimie, physique et biologie.
30. Le sol comme échangeur ionique
Une représentation fonctionnelle peut être construite :
PLANTE ↑ │ solution du sol ↑ ↕ ┌──────────────────────┐ │ complexe adsorbant │ │ │ │ Ca²⁺ Mg²⁺ K⁺ │ │ NH₄⁺ Na⁺ H⁺ │ └──────────────────────┘ ↕ minéraux + matière organique
Les ions passent continuellement d’un compartiment à l’autre.
Le sol est donc un système dynamique, pas un stock statique.
31. La CEC n’est pas synonyme de fertilité
Une CEC élevée peut favoriser une bonne capacité de stockage des cations.
Mais elle ne garantit pas :
- une bonne disponibilité du phosphore ;
- un pH adapté ;
- une bonne structure ;
- une activité biologique suffisante ;
- une bonne hydrologie.
On peut avoir une CEC élevée et un sol biologiquement dégradé.
32. Saturation en bases
Pour comprendre la chimie du complexe d’échange, on peut étudier la proportion occupée par certains cations basiques :
- Ca²⁺ ;
- Mg²⁺ ;
- K⁺ ;
- Na⁺.
La saturation en bases permet donc d’affiner l’interprétation de la CEC.
Elle ne doit toutefois pas être utilisée seule pour diagnostiquer la fertilité.
33. Une approche fonctionnelle des propriétés chimiques
Dans la Vision Omakëya™, on peut construire une matrice :
| Paramètre | Question |
|---|---|
| pH | Dans quel environnement chimique vivent les racines ? |
| CEC | Quelle capacité de stockage des cations ? |
| Bases échangeables | Quels cations dominent ? |
| Salinité | Quelle contrainte osmotique ? |
| Sodicité | Quel risque de dégradation structurale ? |
| P | Quelle disponibilité du phosphore ? |
| K | Quelle disponibilité du potassium ? |
| Ca | Quel rôle nutritionnel et structural ? |
| Mg | Quel équilibre avec Ca et K ? |
| Oligoéléments | Quels risques de carence ou toxicité ? |
| Matière organique | Quel potentiel de tamponnement et de complexation ? |
34. Le lien avec l’eau
La chimie du sol ne peut pas être séparée de l’hydrologie.
La pluie et l’irrigation :
→ dissolvent les éléments ;
→ les déplacent ;
→ les concentrent ;
→ les lessivent ;
→ modifient la composition de la solution du sol.
Inversement, l’évaporation :
→ concentre les sels.
On obtient :
PLUIE ↓dissolution ↓mobilisation ↓absorption / échange / lessivage ↓EAU DU SOL ↓évaporation ↓concentration possible des sels
35. Le lien avec le climat
Le changement climatique peut modifier la chimie des sols par :
- augmentation de l’évaporation ;
- modification des précipitations ;
- alternance sécheresse/réhumectation ;
- augmentation des épisodes de ruissellement intense ;
- modification de l’activité biologique.
Dans certaines régions :
sécheresse + irrigation + évaporation
peuvent accroître les risques de salinisation.
36. Le lien avec les racines
La racine n’est pas simplement plongée dans une solution nutritive.
Elle modifie son environnement.
Elle peut libérer :
- protons ;
- composés organiques ;
- enzymes ;
- exsudats.
Ces substances modifient localement :
- pH ;
- solubilité ;
- activité microbienne ;
- disponibilité des nutriments.
On parle de rhizosphère.
37. La rhizosphère : un laboratoire chimique
On peut représenter :
RACINE ─────────────── / │ \ / │ \ ↓ ↓ ↓ exsudats H⁺ enzymes ↓ ↓ ↓ ───────────────────────── RHIZOSPHÈRE ───────────────────────── ↓ ↓ ↓ nutriments microbes minéraux
La chimie d’un sol n’est donc pas homogène.
Elle varie à l’échelle du millimètre autour des racines.
38. Le rôle des microorganismes
Les microorganismes peuvent :
- minéraliser la matière organique ;
- immobiliser temporairement des nutriments ;
- solubiliser certains phosphates ;
- transformer l’azote ;
- produire des molécules complexantes ;
- modifier localement le pH.
La chimie du sol est donc en grande partie pilotée biologiquement.
39. Le sol comme réacteur biogéochimique
Une représentation plus complète serait :
ATMOSPHÈRE ↕ CO₂ / O₂ / N₂ ↕ VÉGÉTATION ↕ RACINES ↕ RHIZOSPHÈRE ↕ ┌────────────────────┐ │ SOL │ │ │ │ minéraux │ │ matière organique │ │ eau │ │ microorganismes │ └────────────────────┘ ↕ NAPPE
Les éléments chimiques circulent entre ces compartiments.
40. Pourquoi fertiliser n’est pas toujours la solution
Si une plante présente une carence apparente, plusieurs causes sont possibles :
- manque réel de l’élément ;
- pH inadapté ;
- élément immobilisé ;
- excès d’un autre élément ;
- mauvaise aération ;
- sécheresse ;
- asphyxie ;
- racines mal développées ;
- mycorhization insuffisante ;
- maladie racinaire.
Une analyse correcte doit donc rechercher la cause, pas seulement le symptôme.
41. Diagnostic chimique Omakëya™
Pour un diagnostic complet, on pourra établir une fiche comprenant :
Paramètres généraux
- pH ;
- matière organique ;
- carbone organique ;
- CEC ;
- saturation en bases.
Éléments majeurs
- Ca ;
- Mg ;
- K ;
- P ;
- S ;
- N selon le protocole.
Contraintes
- salinité ;
- sodicité ;
- acidité ;
- calcaire actif selon le contexte.
Oligoéléments
- Fe ;
- Mn ;
- Zn ;
- Cu ;
- B ;
- Mo ;
- Ni selon les besoins.
42. Ne pas confondre analyse totale et analyse agronomique
C’est un point essentiel.
Une analyse peut mesurer :
combien d’un élément est présent
alors que l’ingénieur agronome cherche plutôt à savoir :
combien est réellement disponible pour la plante ?
Entre les deux se trouvent :
- adsorption ;
- précipitation ;
- complexation ;
- échanges ioniques ;
- microbiologie ;
- pH ;
- humidité.
43. La matrice chimique Omakëya™
Pour aller vers une modélisation plus avancée, chaque élément peut être considéré comme appartenant à plusieurs compartiments :
MINÉRAL ↓RÉSERVE ↕ÉCHANGE ↕SOLUTION ↓RACINE ↓PLANTE
Les flux entre ces compartiments peuvent être modélisés.
C’est le début d’une modélisation biogéochimique du sol.
44. Tableau général des principaux paramètres
| Paramètre | Fonction principale | Risque en cas de déséquilibre |
|---|---|---|
| pH | environnement chimique | blocage ou toxicité |
| CEC | stockage des cations | faible rétention |
| Ca | nutrition + équilibre ionique | déséquilibre possible |
| Mg | nutrition + chlorophylle | carence/excès |
| K | osmose + enzymes | carence/excès |
| P | énergie + croissance | immobilisation |
| Salinité | contrainte osmotique | stress hydrique |
| Sodicité | équilibre structural | dispersion |
| Fe | métabolisme | chlorose/carence |
| Mn | enzymes/photosynthèse | carence/toxicité |
| Zn | enzymes/croissance | carence |
| Cu | enzymes | carence/toxicité |
| B | croissance/reproduction | carence/toxicité |
| Mo | métabolisme de l’azote | carence |
45. Le grand principe : disponibilité ≠ présence
C’est probablement l’un des principes les plus importants de ce chapitre.
Un élément peut être abondant dans le sol et pourtant peu disponible pour la plante.
Et inversement, une quantité totale relativement faible peut suffire si les flux biologiques et chimiques sont efficaces.
La fertilité est donc une propriété dynamique du système.
46. Vers un modèle intégré du sol
Nous pouvons maintenant réunir les chapitres précédents.
CLIMAT ↓ PRÉCIPITATIONS ↓ ┌───────────┐ │ SOL │ └───────────┘ ↙ ↓ ↘ PHYSIQUE CHIMIE BIOLOGIE ↓ ↓ ↓ eau nutriments vivant ↘ ↓ ↙ RACINES ↓ PLANTES ↓ TRANSPIRATION ↓ ATMOSPHÈRE
C’est précisément cette boucle qui intéresse l’agroclimatologie.
47. Vers la biologie des sols
Nous savons maintenant que le sol possède :
- une architecture physique ;
- une chimie complexe ;
- une activité biologique.
Ces trois dimensions sont indissociables.
La matière organique influence la CEC.
La CEC influence la disponibilité des cations.
Le pH influence les réactions chimiques.
L’eau transporte les ions.
Les racines modifient la rhizosphère.
Les microorganismes transforment les nutriments.
La structure contrôle l’eau et l’oxygène.
Et l’ensemble détermine la capacité du sol à nourrir les plantes.
Le sol vivant n’est donc ni un simple réservoir d’eau, ni un sac d’engrais : c’est un réacteur physico-chimique et biologique auto-organisé.
Le chapitre suivant peut logiquement entrer dans le cœur vivant de ce système :
CHAPITRE 7 — LA MATIÈRE ORGANIQUE, L’HUMUS ET LE CARBONE DU SOL
Nous y étudierons :
- matière organique fraîche ;
- matière organique particulaire ;
- biomasse microbienne ;
- humification ;
- décomposition ;
- stabilisation du carbone ;
- humus ;
- complexes organo-minéraux ;
- stockage du carbone ;
- respiration du sol ;
- priming effect ;
- carbone stable et carbone labile ;
- rôle des racines et des exsudats ;
- lien entre carbone, structure, eau et fertilité.
Ce chapitre sera particulièrement important pour faire le lien entre sol vivant, hydrologie régénérative et lutte contre le changement climatique.
- TOME « SUPP » AGROCLIMATOLOGIE : pour aller plus loin …
- TOME 15 AGROCLIMATOLOGIE : Le Grand Traité de l’Agroclimatologie
- TOME 14 AGROCLIMATOLOGIE : Économie, Gouvernance et Transition Écologique
- TOME 13 AGROCLIMATOLOGIE ! Les Retours d’Expérience
- TOME 12 AGROCLIMATOLOGIE : Mesurer, Diagnostiquer et Piloter les Écosystèmes
- TOME 11 AGROCLIMATOLOGIE ; Les Territoires Résilients
- TOME 10 AGROCLIMATOLOGIE : Modélisation, Simulation et Intelligence Artificielle
- TOME 9 AGROCLIMATOLOGIE : Concevoir les Jardins, Vergers et Fermes Résilients
- TOME 8 AGROCLIMATOLOGIE : Les Plantes du Climat de Demain
- TOME 7 AGROCLIMATOLOGIE : Les Sols Vivants et l’Hydrologie Régénérative
- AGROCLIMATOLOGIE : TOME 6 – Les applications : mise en œuvre de la méthode Omakëya™ à toutes les échelles, du balcon au territoire.
- AGROCLIMATOLOGIE : TOME 5 – L’Ingénierie des Écosystèmes
- AGROCLIMATOLOGIE : TOME 4 – Les Fondements Scientifiques de l’Agroclimatologie (un peu plus loin !)
- AGROCLIMATOLOGIE : TOME 3 – Les Applications de la Vision Omakëya™
- AGROCLIMATOLOGIE : TOME 2 – L’Ingénierie des Écosystèmes Résilients
- AGROCLIMATOLOGIE : TOME 1 – Les fondements scientifiques (initial)
- AGROCLIMATOLOGIE : De la biologie des sols à l’intelligence artificielle, comprendre, concevoir et faire évoluer les jardins, vergers, fermes et paysages capables de résister au climat du futur.