UNIVERSITE D’ANTANANARIVO

Ecole Supérieure des Sciences Agronomiques

Tronc Commun- Promotion AMBIOKA (2008-2013)

Exposé de Sciences du Sol

Les différentes formes des trois principaux cations métalliques (ou bases échangeables)

du sol :Calcium, Magnésium et Potassium

Présenté par le groupe J composé de :

- ANDRIAMANAMAMONJY Narindra Angelica- ANDRIAMANDROSO Antsa Miarisoa- RABIBISOA Avo Félicia- RANDRIANANTENAINA Zo Harijaona- RASAMBATRA Elias Romélio- RASOLOFOJAONA Romain

Sous la direction de RAZAFIMBELO-ANDRIAMIFIDY Tantely, Enseignante à l’ESSA

Août 2009

Plan

Introduction

I. Le calcium et le magnésium dans le sol

I. 1. Le calcium dans le sol

I. 1. 1. Le calcaire inactifI. 1. 2. Le calcaire actifI. 1. 3. Le calcium solubleI. 1. 4. Le calcium échangeable

I. 2. Le magnésium dans le sol

I. 3. Formes des réserves calciques et magnésiennes

II. Le potassium dans le solII. 1. Le potassium non échangeableII. 2. Le potassium des minéraux silicatésII. 3. Le potassium échangeableII. 4. Le potassium rétrogradéII. 5. Le potassium associé aux matières organiques

Conclusion

Le sol a été considéré de tout temps comme un support nutritif et, depuis près de deux siècles, l’un des objectifs principaux des agronomes et des chimistes du sol a été de définir et de doser, dans divers sols, des réserves d’éléments présumés assimilables, susceptibles d’alimenter les cultures.

En fait, on peut, schématiquement, distinguer, pour chaque élément, les formes suivantes :- Réserve inaltérée : minéraux intacts de la roche-mère ou des molécules organiques

complexes ;- Formes « mobilisables » : éléments des produits secondaires issus de l’altération des

minéraux (ions adsorbés dans les fissures des cristaux, oxydes, sulfures…) ou dans des combinaisons organiques plus labiles ;

- Forme échangeable : cations ou anions adsorbés sur les colloïdes et susceptibles d’être prélevés par les racines, soit directement, soit après passage dans la solution du sol.

I. Le calcium et le magnésium dans le sol

I. 1. Le calcium dans le sol Le calcium est un élément métallique alcalino-terreux de masse atomique 40,80. Il est présent

dans le sol sous forme de cations, il a deux charges positives. Il peut donc équilibrer deux charges négatives sur les particules de sol et peut parfois aider à maintenir solidaires des particules d'argile. Le calcium présent dans la solution du sol ou fixé par adsorption aux particules de sol ne représente qu'une petite partie du calcium que renferme le sol, particulièrement dans des sols alcalins (pH > 7). Le calcaire (carbonate de calcium) peut représenter plus de 30 % des constituants du sol. Ce carbonate de calcium provient probablement du calcaire que les glaciers ont broyé et laissé derrière eux. Il peut aussi avoir pour origine des ions de calcium qui ont réagi avec l'acide carbonique du sol. Quoi qu'il en soit, il représente une énorme réserve de calcium, ainsi qu'un tampon contre les changements du pH du sol.

Etant bivalent, il a un rôle majeur dans la pédogenèse car il a la propriété de faire floculer les colloïdes électronégatifs comme l’argile et l’humus et ainsi d’assurer une bonne structure au sol ; dans la régulation des phénomènes d'échanges transmembranaires. Il sert également à amender les terres acides. Il doit représenter dans un sol en bon état, 80% des cations fixés sur le complexe colloïdal. La teneur en calcium normale d’un bon sol de culture en région tempérée est de 300mg/100g de terre.

I. 1. 1. Le calcaire inactifLe calcaire inactif (carbonate de calcium) est celui qui se trouve à l'état grossier, c'est-à-dire

celui qui constitue les cailloux, les graviers et les sables. L'action de l'acide carbonique des eaux de pluie est quasi inexistante sur ces matériaux. Il existe une autre forme de calcaire inactif, c'est celle qui correspond au calcium contenu dans des minéraux silicatés comme les feldspaths, les micas, les amphiboles ou les pyroxènes.

I. 1. 2. Le calcaire actifLe calcaire actif est aussi du carbonate de calcium, mais celui-ci est à l'état pulvérulent. Ces

particules sont d'une taille voisine de celle des limons (20 µm) ou de celle des argiles (2 µm). Ces particules sont facilement attaquables par l'acide carbonique des eaux de pluie ou par les acides organiques du sol. Le carbonate de calcium est transformé en bicarbonate de calcium soluble qui va saturer le complexe adsorbant.

On le dose comme la fraction capable de précipiter en oxalate de calcium lors de l’adjonction d’oxalate d’ammonium au sol (on obtient en réalité la somme calcium échangeable + calcium du calcaire actif, le premier étant faible par rapport au second dans les sols calcaires).

I. 1. 3. Le calcium solubleLe calcium soluble est celui qui se trouve ou est apporté sous forme de bicarbonate Ca(CO3H)2,

de chaux Ca(OH)2, de nitrate de calcium Ca(NO3)2 ou de phosphate monocalcique Ca(H2PO4)2.

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Toutes ces formes libèrent du calcium dans la solution du sol et participent à saturer le complexe adsorbant.

I. 1. 4. Le calcium échangeableLe calcium échangeable est représenté par le calcium adsorbé sur les colloïdes argilo-humiques

et plus généralement sur les complexes adsorbants. Généralement, il s'établit un équilibre entre les ions Ca++ adsorbés et les ions Ca++ libres dans la solution du sol. Contrairement à certains ions qui peuvent être immobilisés durablement, voire définitivement (K, NH4) sur les complexes adsorbants, les ions calcium restent toujours échangeables. Le calcium solubilisé dans la solution du sol, toujours plus abondant que le calcium adsorbé, et ce dernier, constituent la totalité du calcium échangeable.

I. 2. Le magnésium dans le solLe magnésium est un métal alcalino-terreux de masse atomique 25, il est presque toujours

associé au calcium et se trouve dans les sols sous les mêmes formes. Le magnésium se trouve sous des formes insolubles, en particulier, dans les matériaux grossiers en dolomie. La dolomie est une roche composée de carbonate double de calcium et de magnésium. La dolomie est moins soluble par les acides carboniques de la pluie ou les acides organiques des sols que le calcaire. Les sols dolomitiques ont presque toujours une texture sableuse.

Lorsque la dolomie est pulvérulente, elle est mieux attaquée par les acides. Le magnésium libéré vient saturer le complexe adsorbant du sol, mais toujours en moindre proportion que le calcium.

Pour le magnésium, on a le fractionnement suivant :- Magnésium total : attaque par l’acide perchlorique (HClO4) à 70% suivant la méthode

proposée par Jackson en 1968 (« Soil chimical analysis »).- Magnésium échangeable : extraction à l’acétate d’ammonium normal et neutre (20ml de

réactif par gramme de sol pendant 40 à 80 minutes).- Magnésium complexé avec la matière organique : on oxyde avec de l’eau oxygénée à 10%,

le résidu de l’extraction précédente et on mesure, après centrifugation, le magnésium solubilisé après une nouvelle extraction à l’acétate d’ammoniac.

- Magnésium acido-soluble : le résidu est repris, en ébullition douce, par de l’acide nitrique N (30ml par gramme de sol) pendant 15 minutes, et on lave ensuite le résidu par de l’acide nitrique 0,2N.

- Magnésium minéral : le résidu, transféré dans un bécher, est mis à digérer à chaud dans un mélange d’acides forts (nitrique, chlorhydrique, phosphorique). On reprend ensuite par HCl 5N.

Pour être complet, il faudrait ajouter le magnésium contenu dans la solution du sol ; comme il est toujours en équilibre plus ou moins instantané avec le magnésium échangeable, on a l’habitude de le confondre avec ce dernier.

I. 3. Formes des réserves calciques et magnésiennesLorsqu’il s’agit de sols jeunes peu profonds où il reste encore des minéraux de la roche-mère

dans le profil, les quantités de calcium et de magnésium sont très supérieures aux valeurs de ces cations sous forme échangeable. Il en est de même si le sol contient des montmorillonites et vermiculites dont certaines sont magnésiennes.

Si l’on passe aux sols très évolués souvent profonds, on distingue quelques minéraux magnésiens primaires qui résistent fort bien à l’altération, le talc par exemple, ou la serpentine.

Quant aux formes secondaires de réserve de ces deux éléments, la matière organique peut complexer le magnésium sous forme non échangeable. Le magnésium peut également former des hydroxydes mixtes avec l’aluminium. L’ion silicique est aussi capable d’insolubiliser le magnésium sous forme de silicates insolubles, mais cette combinaison se produit essentiellement à des pH allant de 7,5 à 9.

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II. Le potassium dans le sol

Le potassium est un métal alcalin de masse atomique 38. Par rapport à sa disponibilité pour les plantes, le potassium disponible renferme principalement le potassium disponible et une partie du potassium lentement disponible.

- Potassium disponible : il représente moins de 2% du potassium total du sol et inclut le potassium de la solution du sol et la plupart du potassium échangeable. Le potassium échangeable (adsorbé sur les sites d’échange) contribue beaucoup au potassium disponible pour la plante en réapprovisionnant la solution du sol en potassium. Les analyses de sol donnent des valeurs comprises généralement entre 100 ppm et  >300 ppm.

- Potassium lentement disponible : il représente 1 à 10% du potassium total du sol et inclut surtout le potassium fixé ou non échangeable. Il est lentement mis à la disposition de la plante.

- Le potassium contenu dans les minéraux du sol, par exemple micas et feldspaths, et qui représente près de 90 à 98% du potassium dans le sol n’est presque pas disponible pour la plante.

II. 1. Potassium non échangeableIl s'agit de potassium qui est fixé entre les feuillets des argiles. Ce phénomène est prédominant

dans les sols à teneur élevée en argiles de type 2:1, spécialement l'illite. Cette fixation n'est pas un facteur sérieux qui limite la réponse des cultures au potassium, mais si un sol est fortement appauvri en potassium, il y aura un temps de latence entre l'apport de potassium et la réponse des cultures. On a besoin d'occuper les sites de fixation des argiles par K+ avant que la plante puisse en consommer.

La fixation du potassium par les argiles de type 2:1 (exemple de l'illite) réduit l'efficacité des engrais potassique. La conduite de la fertilisation potassique est plus difficile sur les sols fixateurs de potassium. La solution consiste à diminuer le contact de l'engrais avec le sol :

- en faisant des apports localisés du potassium plutôt que des épandages généralisés- injection dans systèmes de goutte à goutte.

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II. 2. Le potassium des minéraux silicatésLes micas, les feldspaths et certaines argiles comme les illites sont très riches en potassium.

Cette forme de potassium constituant des matériaux silicatés représente 98 % du poids total de cet élément dans les sols. Naturellement, ce potassium n'est pas directement disponible. Cette disponibilité sera acquise, le plus souvent, au terme d'une activité biologique plus ou moins longue, quand elle aboutira à l'altération des matériaux silicatés.

II. 3. Le potassium échangeableLa valeur de potassium échangeable rapportée dans les bulletins d’analyse de sol, extrait par

l'acétate d'ammonium, contient aussi bien le potassium de la solution du sol ou potassium solubilisé que le potassium adsorbé sur les colloïdes argilo-humiques. Le potassium adsorbé représente 90 % ou plus du potassium échangeable, le potassium dissous dans la solution du sol représente au maximum les 10 % restant et bien souvent beaucoup moins (1 %).

Les plantes peuvent utiliser aussi bien le potassium libre de la solution du sol que le potassium adsorbé sur le complexe adsorbant. Le potassium, sous sa forme soluble et échangeable, est donc un aliment des plantes. Mais cette forme ne représente qu'une infime part du potassium total contenu dans les sols (entre 1 et 5 %).

En général, le potassium échangeable présente des valeurs élevées dans les sols à texture fine et plus basses dans les sols sableux et pauvres en matière organique.

II. 4. Le potassium rétrogradéOn dit que le potassium est rétrogradé quand les ions K+ passent de la surface externe des

argiles pour s'insinuer à l'intérieur, entre les feuillets d'argile (surtout les montmorillonites et les illites).

La rétrogradation des ions K+ rend leur mobilisation difficile. Cette rétrogradation se fait quand le pH du sol augmente, en période de dessiccation et lorsque la présence d'ions calcium augmente dans la solution du sol.

Mais ce processus n'est pas irréversible. La libération des ions K+ peut se faire en période d'humectation et surtout aussitôt que la réserve d'ions K+ pour les plantes diminue.

II. 5. Le potassium associé aux matières organiquesLorsque le potassium est lié aux matières organiques, il est particulièrement facile à utiliser par

les végétaux. Une liaison particulière du potassium avec les matières organiques existe lorsque le K+ est adsorbé sur la paroi bactérienne ou encore lorsque les bactéries intègrent cet élément au cours de leur métabolisme. À leur mort, ces bactéries restituent le potassium sous une forme particulièrement utilisable.

Le calcium et le magnésium sont adsorbés au même titre que les autres cations sur la surface des colloïdes minéraux et organiques ; ils s’y fixent en y neutralisant les charges négatives. Calcium et magnésium forment habituellement dans les sols entre 70 et 95% des bases dites échangeables (sauf s’il y a accident de salure).

En ce qui concerne le potassium, cet élément occupe préférentiellement certains sites d’échange réservés à lui seul. Le même phénomène se produirait pour le magnésium qui ne pourrait guère se fixer que sur une quantité limitée de situations d’échange propres à ce cation. Par contre, le calcium serait adsorbé sur une très large gamme de position.

Il y a équilibre des éléments minéraux entre le complexe absorbant et la solution du sol ; tout appauvrissement relatif de cette dernière (par exemple à la suite d’un prélèvement par les racines) entraîne la libération d’une quantité correspondante de cations ; inversement, son enrichissement (après apport par fumure) provoque une fixation supplémentaire sur les colloïdes du sol.

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REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES

Ouvrages

BONNEAU M., SOUCHIER B. (1979). Pédologie : constituants et propriétés du sol, Tome II. Edition MASSON.

BOYER J. (1978). Le calcium et le magnésium dans les sols des régions tropicales humides et subhumides. Office de la Recherche Scientifique et Technique Outre-mer (ORSTOM).

DONAHUE R. L. (1958). « Nature des sols et croissance végétale ». Les éditions d’organisation Paris, France.

GEORGES A., BOULAINE J. (1967). La pédologie. Edition ABREGE.

LOZET J. (1990). Dictionnaire de Sciences du Sol.

Internet

http : //fr.wikipédia.org/wiki/Somme_des_bases_echangeables

http : //horizon.documentation.ird.fr/exl-doc/pleins_textes/pleins_te

http://www.pnae.mg/ie/tbe/anosy/sol/données/classification_sols

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