Báo cáo khoa học: "Comparaison des eaux liées et des eaux libres des sols de 3 peuplements d’épicéa (Picea abies Karst) des Vosges. Application à l’étude du fonctionnement actuel des sols et conséquences pour l’état sanitaire des peuplements"

Chia sẻ: Nguyễn Minh Thắng | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:20

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Nội dung Text: Báo cáo khoa học: "Comparaison des eaux liées et des eaux libres des sols de 3 peuplements d’épicéa (Picea abies Karst) des Vosges. Application à l’étude du fonctionnement actuel des sols et conséquences pour l’état sanitaire des peuplements"

Article original Comparaison des eaux liées et des eaux libres des sols de 3 peuplements d’épicéa (Picea abies Karst) des Vosges. Application à l’étude du fonctionnement actuel des sols et conséquences pour l’état sanitaire des peuplements J Ranger D Mohamed Ahamed D Discours 1 É Dambrine C Moares D Merlet J Rouiller 1 INRA-CRF-Nancy, unité de recherches sur la microbiologie des sols et le fonctionnement biogéochimique des écosystèmes forestiers, Champenoux, 54280 Seichamps; 2 CNRS-centre de pédologie biologique, BP5, 54501 Vand&oelig;uvre-lès-Nancy cedex, France le 24 décembre 1992; accepté le 17 juin (Reçu 1993) Résumé — Les solutions du sol ont été étudiées pendant un an dans 3 plantations d’épicéa (Picea abies Karst) des Vosges, représentant un gradient quant à leur état sanitaire et leur production : la pessière de Gemaingoutte fortement productive et non dépérissante, celle d’Aubure moyennement productive et dépérissante et celle du Bonhomme, peu productive et fortement dépérissante. Dans cette dernière un amendement calco-magnésien a permis de revitaliser le peuplement; les solutions du sol du peuplement amendé ont également été étudiées. Les eaux gravitaires ont été collectées toutes les 2 semaines à Aubure et 4 semaines dans les autres sites, par les lysimètres-plaques sans tension à différents niveaux dans les sols, tandis que les eaux liées ou capillaires ont été extraites à partir d’échantillons prélevés aux mêmes dates par déplacement sur colonne. Ces 2 types de solu- tions ont des compositions qui peuvent être soit très différentes, soit très semblables en fonction, semble-t-il, des paramètres climatiques et des paramètres physiques des sols qui contrôlent les flux hydro-chimiques. La composition d’une solution peut être expliquée par son temps de contact avec la phase solide et le milieu particulier dans lequel elle circule. Les 2 types de solutions apportent des informations complémentaires sur le fonctionnement actuel des sols : les solutions gravitaires doi- vent être prises en compte pour l’établissement des flux de drainage profond à la base des sols, alors que les solutions «capillaires» rendent compte des équilibres phase solide/phase liquide et du milieu dans lequel les racines effectuent leur prélèvement. Dans ces trois situations étudiées, les données sur les solutions du sol (fig 1 à 5) i) permettent de caractériser le fonctionnement biogéo- chimique moyen du sol (fig 6), ii) de mettre en évidence les effets d’un amendemen calco- magnésien sur la qualité des solutions ou sur la nitrification nette (fig 4) ou iii) de mettre en relation les paramètres édaphiques et l’état sanitaire des peuplements forestiers (fig 7). solutions du sol / eaux gravitaires / lysimètres sans tension 1 capillaires 1 hydrochimie / eaux fonctionnement des sols 1 épicéa commun 1 dépérissement
Summary — Comparison of the gravitational and the capillary water of 3 spruce (Picea abies Karst) stands in the Vosges. Usefulness for the identification of the current soil function and consequences for the health status of the stands. Soil solutions were studied for1 yr in 3 Norway spruce stands (Picea abies Karst) in the Vosges mountains. These stands represent a gradient of production and forest decline symptoms for Spruce in this area: the Gemaingoutte stand has high production and never showed any decline symptoms; the Aubure stand is moderately productive but showed some decline symptoms; and the Bonhomme stand has a low productivity with high decline symptoms. In the latter, a revitalization was obtained by fertilization (Ca and Mg). Gravitational water was collected every 2 weeks in Aubure and every fourth week at the other 2 sites, by zero-tension ly- simeters installed at different depths in the soil profile (15, 30, 60 and 70 cm). Capillary water was ex- tracted from soil samples collected at the same time interval, by displacement in columns. The results showed that these 2 types of solutions could have very different or sometimes similar compositions. It was hypothesized that both soil physical and climatic parameters determining the soil water regime, could explain these differences. The residence time and the water pathways are of paramount impor- tance for the soil solution chemistry. In the studied soils, the observations made on the gravitational and capillary water (fig 1 to 5) allowed us: i) to identify the biogeochemical function of the soils (fig 6); ii) to qualify the transformations of soil biogeochemistry after liming (fig 4); and iii) to correlate the edaphic parameters to the health status of the stands (fig 7). soil solution / gravitational water / zero-tension lysimeter / capillary water / hydrochemistry / soil functioning / Norway spruce / forest decline issues de méthodes d’extractions dont il INTRODUCTION est indispensable de préciser la nature (Adams, 1974). La solution est le paramètre dynamique du fonctionnement du sol, si on la compare à L’objectif principal de ce travail est de la phase solide qui ne donne que des in- montrer l’intérêt des solutions du sol pour formations statiques et le plus souvent la compréhension des mécanismes ac- tuels du fonctionnement des écosystèmes. «cumulatives». Deux types de solutions seront compa- On distingue cependant plusieurs types rées : i) les solutions gravitaires qui circu- de solutions, dont la définition théorique lent rapidement dans la macroporosité du est classique en science du sol : les solu- sol et dont la composition chimique ne cor- tions libres ou gravitaires et les solutions respondra généralement pas à un état liées à la phase solide ou capillaires (De- d’équilibre avec la phase solide, et ii) les molon, 1960; INRA, 1979; Meriaux, solutions liées à la phase solide, assimi- cette terminologie que nous 1979) ; c’est lées aux eaux capillaires correspondant à utiliserons. De nombreuses études ont ré- un certain équilibre entre la phase liquide vélé des différences dans leurs composi- et la phase solide. tions chimiques (Vedy et Bruckert, 1979 ; Bonne et al, 1982; Barbee et Brown, Le suivi de ces 2 types de solutions 1986 ; Gras, 1988 ; Zabowski, 1989 ; Za- cycle annuel complet, dans les pendant un bowski et Ugolini, 1990). Il n’existe pour- sols acides de 3 plantations d’épicéa tant pas de méthode de référence, spécifi- commun (Picea abies Karst) dans les que et fiable pour extraire ces différents Vosges, variant quant à leur croissance et leur état sanitaire, servira de support à types de solutions ; on ne peut actuelle- ment que comparer différentes solutions cette étude.
MATÉRIEL ET MÉTHODES jours de sols acides, richesen matière organi- surface, largement désaturés, sur en assez que lesquels ont été introduits artificiellement des Les sites peuplements d’épicéas communs. Les taux de Ca et Mg échangeables conduisent au gradient de fertilité chimique suivant : Gemaingoutte > Trois sites ont été choisis comme sites pilotes Aubure > Bonhomme non traité. Ce gradient de pour y effectuer des études à moyen terme du fertilité est bien corrélé aux caractéristiques chi- fonctionnement biogéochimique, dans une série miques de la roche-mère du sol et au type de d’écosystèmes représentant un gradient dans sol résultant : sol brun acide à Gemaingoutte et les symptômes de dépérissement : i) celui de à Aubure, sol podzolique au col du Bonhomme. Gemaingoutte où le peuplement d’épicéa de forte production (15 m à 85 ans) ne •an -1 •ha 3 présente aucun signe de dépérissement ; ii) celui d’Aubure où le peuplement moyennement Les méthodes utilisées pour la collecte productif (8 m à 85 ans) montre des •an -1 •ha 3 des solutions du sol signes de dépérissement (jaunissement et défo- liation limités) ; et enfin iii) celui du col du Bohomme où le peuplement peu productif Les gravitaires eaux (6 m à 70 ans) est très dépérissant •an -1 •ha 3 (jaunissement et défoliation intenses). Dans ce Des dispositifs lysimétriques sans tension de dernier site, une expérience d’amendement type Shilova (1955) ont été installés à 10 ou calco-magnésien (mélange de calcaire broyé (1400 kg•ha chaux vive (1100 kg•ha et ), -1 15 cm, 30 cm et 60 ou 70 cm de profondeur en ) -1 magnésie (400 ha a été mise en place en ) -1 fonction des sites. Il s’agit de plaques lysimétri- 1985 (Bonneau et al, 1992). Les résultats très ques, de 40 x 30 cm, en polyéthylène de 1 cm positifs sur la revitalisation des peuplements ont d’épaisseur, enfoncées par pression à la base conduit à développer les études concernant les des horizons pédologiques et parallèlement à la effets de l’amendement sur les sols (Mohamed surface du sol, à l’aide de deux vérins. Le et al, 1993). nombre de plaques par niveau est de 3 par trai- Le tableau I résume la situation géographi- tement au Bonhomme (Mohamed et al, 1993), 4 que et écologique des trois sites vosgiens. Ces à Gemaingoutte (Mohamed, 1992) et 8 à Au- sites ont été étudiés de manière approfondie bure (Probst et al, 1990). Les solutions ont été pendant au moins 4 années, pour ce qui collectées toutes les 2 semaines à Aubure et concerne le fonctionnement biogéochimique de toutes les 4 semaines à Gemaingoutte et au l’écosystème. Bonhomme. Ces solutions sont conservées à Le tableau Il donne les principales caractéris- l’abri de la lumière dans une fosse fermée, s’op- tiques physico-chimiques des sols. Il s’agit tou- posant aux brusques variations de température.
placement. Environ 800 g de sol humide sont in- Les eaux liées (solutions capillaires) troduits dans une colonne en PVC de 3 cm de diamètre et de 1,25 m de hauteur. La solution Deux méthodes ont été testées en parallèle pen- du sol est déplacée par une charge correspon- dant cinq mois avant de n’en retenir qu’une dant à 10 cm de solution SCNK à 0,4% mainte- seule pour le travail définitif qui a porté sur 15 nue constante à la partie supérieure de la co- prélèvements espacés de 4 semaines. À cha- lonne de terre. que échantillonnage, le sol est prélevé à partir de 3 profils indépendants, pour les horizons en- tiers 0-10/15 cm, 15-30 cm et 30-60/70 cm. La Remarque limite inférieure de ces horizons correspond aux La comparaison des résultats obtenus par les ly- niveaux d’insertion des plaques lysimétriques. simètres-plaques et le déplacement sur colonne Le sol humide est tamisé à 5 mm pour les ex- ou par centrifugation implique que l’on compare tractions de solutions; son taux d’humidité est les données à la base d’un horizon et celles mesuré. L’extraction est réalisée dans les plus pour l’horizon entier. De plus, les eaux lysimétri- brefs délais sur un échantillon moyen, 2 répéti- ques représentent le cumul d’une collecte sur un tions sont effectuées. mois, alors que les eaux liées sont issues d’un déplacement à un instant donné. La centrifugation Elle a été réalisée à l’aide d’un centrifugeur Les méthodes analytiques «Jouan K110 SX» équipé de pots en polycarbo- nate pouvant recevoir 250 g de sol humide. Ces pots ont été conçus de façon à ce que la solu- Les sols ont été analysés suivant les protocoles tion extraite soit récupérée dans un réceptacle décrits par Bonneau et Souchier (1979); la capa- indépendant, à la base du pot (méthode de cité d’échange cationique (CEC) et les cations Gras et al, 1988; Kugler, 1988); deux centrifuga- échangeables ont été évalués au pH du sol par tions successives sont effectuées : une pre- la méthode de Rouiller et al (1980). mière durant 20 min à 1770 m/s (pF équivalent 2 Les solutions sont analysées par spectropho- 3) qui élimine les eaux gravitaires s/ (à écoule- = tométrie d’émission ICP (Jobin-Yvon JY38+) ment lent en particulier, dans l’acception de Me- pour les cations (Si, Al, Fe, Ca, Mg, K, Na, Mn) riaux, 1979) si elles existent, et une seconde de et P, et par colorimétrie automatique (autoanaly- 20 min à 17 200 m/s (pF équivalent 4), et qui 2 = seur Technicon) pour les anions (N-NO CI -, 3- , est censée extraire les eaux capillaires absor- ). 2- + 44 S-SO et N-NH bables. Deux répétitions sont effectuées par été dosé sur appareil TCM Le carbone total échantillon sur 250 g de sol chacune, en veillant a des échantillons moyens (ERBA Science), à ce que la colonne de sol en fin d’extraction ne sur saisonniers. dépasse pas 5 cm de hauteur afin d’éviter l’ap- parition d’un gradient d’humidité. Celui-ci dimi- Compte tenu du pH des solutions, les nuerait le rendement d’extraction et pourrait charges suivantes ont été attribuées aux ions de conduire à une modification sensible de l’hydro- charge variable : Si P Al ce qui représente ,,, 0 - 3+ chimie qui dépend du pF équivalent. Cette mé- une approximation pour Al (Driscoll, 1984). thode a été très souvent utilisée (Gilman, 1976; Elkhatib et al, 1987; Zabowski et Ugolini, 1990). RÉSULTATS Le déplacement sur colonne Cette méthode décrite par Adams (1974), Adams et al (1980), Calvato de Anta et al (1987) Comparaison des solutions obtenues et Moares et Ranger (1991) consiste à déplacer par déplacement sur colonne la solution du sol par une solution aqueuse et par centrifugation contenant un traceur que l’on identifiera facile- ment. Il s’agit en l’occurrence du sulfo-cyanate de potassium (SCNK) qui, par la réaction colo- La méthode par déplacement, qui corres- rée qu’il produit avec le chlorure ferrique, est uti- à une pression exercée de 0,6 at- pond lisé pour déceler la présence du liquide de dé-
Van Praag et Weissen (1984) adaptè- mosphère environ, extrait paradoxalement rent la méthode d’Adams en utilisant simul- des quantités d’eau significativement plus tanément le traçage à SCNK et un traçage importantes que la centrifugation pour la- à l’eau tritiée. Ils montrèrent qu’il n’y a pas quelle la pression équivalente appliquée de différence de réponse entre ces deux est de 8,5 atmosphères. Les valeurs traçages. Ce résultat indique que la solu- moyennes des quantités extraites par les tion obtenue est bien la solution du sol et deux méthodes sont de 10 ml pour 100 g solution dans laquelle les cations de sol sec pour le déplacement sur co- non une échangeables du sol auraient été déplacés lonne et de 5,3 ml pour la centrifugation; contre K de la solution de déplacement. ces deux variables sont significativement Les rapports Ca/Al et Mg/Al établis pour corrélées (r 0,66 pour 48 données). L’ex- = les éléments échangeables et pour les so- traction par centrifugation est d’autant plus lutions de déplacement montrent d’ailleurs efficace que la teneur en eau du sol est des valeurs totalement différentes et non faible, là où la méthode des colonnes est corrélées. plus difficile à appliquer. Concernant le chimisme des solutions, Ces données, en accord avec les ob- l’analyse statistique des données obtenues servations d’Adams et al (1980), peuvent par les deux méthodes montre (tableau III): s’expliquer par les mécanismes physiques mis en jeu dans les deux types d’extrac- des différences significatives pour Mn , 2+ - tion. La centrifugation conduit à des défor- 4 - 3 2+ 2+ 3+ S-SO CI N-NO Mg Ca et Al , 2- , - , , mations du matériau : le tassement impor- en revanche pas de différences significa- tant de la base de la colonne de sol tives pour Na K H N-NH (le car- ,,,+ +++4 conduit rapidement à une diminution de sa bone organique total en solution n’est pas perméabilité. Le déplacement sur colonne différent entre les deux types de solutions, mais les mesures n’ont été effectuées que se fait par effet piston ne nécessitant pas des pressions importantes. des regroupements par trimestre); sur
des corrélations significatives entre les chaulage au Bonhomme est si- l’effet du - - gnificatif pour Ca Al K H+ et N- ,,, 2+ 3+ + concentrations d’un même élément obte- nues par les deux méthodes et ceci pour . - 3 NO tous les éléments sauf Na . + Au total, ces deux méthodes extraient Comparaison des solutions des solutions dont les compositions chimi- de déplacement ques ne sont pas identiques. L’analyse des relations entre les mêmes éléments chimi- Elle montre que : ques des deux solutions conduisent ce- , 2+ Mn les trois sols sont différents pour - pendant à une information voisine, surtout , 2+ Mg K+ et N-NO; - 3 si on les compare aux eaux gravitaires. Ce le sol d’Aubure diffère des deux autres - résultat confirme celui de Van Praag et pour S-SO et Na 2- ; 4+ Weissen (1984). le sol de Gemaingoutte diffère des deux - Nous avons retenu la méthode des co- autres pour Si et Al ; 3+ lonnes qui permet en particulier d’extraire il n’y a pas de différence entre les sols des quantités d’eau plus importantes que - pour N-NH ; + 4 la centrifugation, facilitant le dosage de tous les ions en solution. l’effet du chaulage est significatif pour : - 2+ 2+ + Mg Ca et H , . Données générales sur les eaux Comparaison des 2 types gravitaires et les solutions obtenues de solution pour l’ensemble des 3 sols par déplacement: comparaison des 3 sols Ces solutions sont différentes pour tous les éléments (tableau V). La comparaison effectuée pour chaque type de sol est bien Cette les résul- première analyse concerne évidemment plus intéressante : tats moyens pour les profils des 3 sols et pour tous les prélèvements, pour les eaux pour le sol de Gemaingoutte, tous les - libres et pour les eaux liées (tableau IV). éléments sont significativement différents, Les données portent essentiellement sur sauf Al ; 3+ les cations et anions minéraux; seul le car- pour le sol d’Aubure, les différences sont - bone total a été dosé. les éléments; significatives pour tous pour le sol du col du Bonhomme, la ma- - Comparaison des eaux gravitaires jorité des éléments montre des différences significatives, avec comme exception S- Elle montre que : SO H et à nouveau Al Le chaulage . 3+ , 2- 4+ modifie sensiblement ce schéma puisque , 2+ Ca les trois sols sont différents pour - tous les éléments sont significativement -; 3+ N-NO et K traitement. différents dans ce le sol de Gemaingoutte diffère des deux - Le carbone total présente généralement autres pour Mg Na+ et CI , 2+ ; - des concentrations voisines dans les deux le sol d’Aubure diffère des deux autres - types de solutions quel que soit le type de pour Si et N-NH ; + 4 sol (tableau VI). Une influence significative il n’y a pas de différence significative des anions organiques dans l’équilibre - pour les trois sols pour Mn et S-SO 2+ 4 ; 2- ionique des solutions n’est possible que
dans les 30 premiers centimètres du sol comportement homogène dans chacun ainsi que tendent à le prouver les corréla- des types de sol. tions significatives entre le carbone en so- lution et le déficit de la balance ionique. Analyse canonique Les anions organiques interviennent en Elle permet de visualiser les différents particulier dans la complexation de Al avec groupes et leur proximité, qu’il s’agisse des des taux approximatifs de 20% d’Al com- eaux libres ou des eaux liées (fig 1). plexé dans les 3 sols étudiés (Mohamed, En ce qui concerne les eaux libres, la 1992). discrimination des 4 populations dans le plan des axesI et II est très bonne. Les va- Corrélations entre deux types ces riables corrélées aux axes sont : i) pour de solutions l’axe I, Mg et secondairement Ca (corrélés négativement) et H, CI, Na et Al (corrélés La matrice de corrélation globale établie positivement), et ii) pour l’axe II, Mn et se- pour les 180 données montre qu’à ce ni- condairement Ca (corrélés positivement). veau les solutions gravitaires et liées ne En ce qui concerne les eaux liées, la sont pas strictement indépendantes, pour discrimination dans le plan des axesI et II les concentrations en Mn (r 0,685), en = est également bonne. Les variables corré- Mg (r0,538) ou pour le pH (r=0,458). lées à ces axes sont : i) pour l’axe I, S- Quand on étudie ces relations en fonc- , 2- 4 SO Mn, Na, K, H et CI (corrélés positi- tion des types de sol, peu d’entre elles res- vement) et de Mg (corrélé négativement), tent significatives. On n’a donc pas affaire et ii) pour l’axe II, Mn, Mg, Al et N-NO - 3 à 2 compartiments fixes, conservant un (corrélés positivement).
Comparaison des profils de Variabilité du temps au cours concentrations eaux-libres eaux-liées dans les différents sols La dispersion visualisée par l’analyse ca- nonique, étudiée par la simple analyse de variance, montre que, sur cette seule Le sol de Gemaingoutte année d’étude (15 dates d’échantillon- nage), on ne peut pas attribuer les varia- Les libres (fig 2A) eaux tions observées à un simple effet saison- L’aluminium est toujours l’élément domi- nier : il existe des variations importantes, nant dans les horizons organo-minéraux et indépendantes ou non, en fonction des minéraux. Ca et Mg oscillent autour d’une éléments, mais qui ne sont pas distribuées valeur moyenne de 100 μéq/l. L’acidité de façon homogène. Les différences entre libre se neutralise progressivement mais les deux types de solutions ne seront incomplètement vers la base du sol. Le ni- analysées dans les paragraphes suivants trate est l’anion dominant par rapport au que sur les données moyennes, ce qui sulfate. grande simplification, puis- représente une Le chimisme des solutions gravitaires que à chaque point de mesure les para- est dominé par le nitrate et l’aluminium qui mètres instantanés (climatiques et biologi- sont d’ailleurs très fortement corrélés (r ques) vont modifier le schéma moyen. On = 0,933, n 40). Les corrélations entre le ni- aura cependant une évaluation très cor- = trate et les autres cations sont égalemnt recte de la moyenne et de la variabilité an- très significatives; celles entre sulfate et nuelle.
brutale des concentrations entre le niveau cations sont nettement moins significatives 0-15 cm et 15-30 cm, puis plus limitée (r 0,234 avec Al ). 3+ = entre 15-30 cm et 30-60 cm pour N-NO - 3 Les fluctuations des concentrations en 2+ 2+ Ca et Mg. tous éléments dans le sol sont singulières et tout particulièrement celles de N-NO - 3 Comparaison des eaux libres et liées et Al valeurs élevées à 15 cm de pro- 3+ : fondeur, diminution à 30 cm et remontée à Les concentrations sont en moyenne plus 60 cm. Ces variations ont été observées élevées pour les eaux liées que pour les au cours de toutes les saisons (Mohamed, eaux libres à 15 et 30 cm de profondeur, 1992). alors qu’elles sont pratiquement identiques à 60 cm. Dans le détail, les différences Les liées (fig 2B) eaux sont les suivantes : Leur chimisme est dominé par le nitrate et à 15 cm de profondeur, les eaux liées - par les cations Al Ca et Mg (les cor- 3+ 2+ 2+ , sont les plus concentrées (sauf pour S- rélations nitrates/cations sont significa- 2- ); 4 3+ SO et Al tives). Le sulfate n’a qu’une influence mo- à 30 cm, les eaux liées restent les plus - dérée. Les fluctuations sont nulles ou concentrées malgré une diminution des faibles pour CI S-SO et Al et essen- - 4 3+ , 2- concentrations de la majorité des éléments tiellement constituées par une diminution dans les deux types de solutions; à 60 cm, la diminution de la concentra- - tion des éléments dans les eaux liées conduit à une homogénéisation remar- quable des deux types de solutions (sauf ). - CI pour Le sol d’Aubure Les libres (fig 3A) eaux de 4,2), Elles sont acides (pH moyen riches en pauvres en cations «basiques», N-NO S-SO et Al qui , 3+ dominent - 2- 34 , 1992). La leur chimisme (Dambrine et al, distribution du nitrate dans le sol présente en 1991 une allure singulière par rapport années, autres augmenta- avec une aux tion continue vers la profondeur du sol, très parallèle à ce que l’on observe pour . 3+ Al L’acidité libre n’est pas neutralisée à la base du sol où elle augmente même par rapport au niveau moyen. liées Les (fig 3B) eaux Il n’y pas réellement d’anion dominant a ou CI En ce qui . - parmi S-SO N-NO , 2- - 43
les cations, Ca a une concen- 2+ Le sol du col du Bonhomme concerne forte que Al et surtout que 3+ tration plus Le traitement témoin Mg2+. libres Les (fig 4A) eaux Les liaisons statistiques les plus fortes existent entre S-SO et Al d’une part 4 3+ 2- Elles se caractérisent par une grande pau- et entre N-NO et Ca d’autre part. 3 2+ - vreté en Ca et Mg par des teneurs éle- 2+ 2+ , vées en cations acides (Al et H et une 3+ + ) relative richesse en N-NO dans les hori- - 3 types d’eaux entre les 2 Comparaison zons superficiels et en S-SO dans les 2- 4 horizons profonds (Mohamed et al, 1993; Outre une charge ionique plus élevée pour Mohamed, 1992). les solutions liées, leur chimisme présente liées Les (fig 4B) des différences notables avec les eaux eaux gravitaires : N-NO domine en surface - 3 Les concentrations des anions N-NO , - 3 mais pas en profondeur où S-SO le 2- 4 S-SO et CI sont remarquablement - 2- 4 remplace et Al bien que ne variant pas , 3+ identiques; elles diminuent régulièrement avec la profondeur. Si on excepte le ni- en valeur absolue, n’est plus le cation do- minant, ce rôle est tenu par Ca . 2+ veau 15 cm, Al est le cation dominant. 3+
et Ca et 2+ DISCUSSION Les corrélations entre - 3 N-NO 2+ Mg par contre la cor- sont significatives, 3+ /Al - 3 N-NO ne rélation l’est pas. La comparaison des solutions libres et liées dans divers types de sols montre Comparaison entre les deux types d’eau que, d’une manière générale, les eaux Les eaux liées sont plus concentrées que liées sont plus concentrées que les eaux les eaux libres à tous les niveaux du sol, libres, mais que les types de sols et les sauf en ce qui concerne Al et S-SO 3+ . 2- 4 comportements des différents horizons Les variations relatives des cations dans doivent être pris en compte. la solution ne sont pas identiques dans les Le chimisme des différentes solutions deux types d’eau en raison de l’augmenta- conduit à un certain nombre d’hypothèses tion des cations «basiques» dans les eaux sur leur mode de transfert, leur vitesse de capillaires et du maintien de Al . 3+ percolation et les conséquences que cela Le nitrate domine plus nettement dans implique sur les réactions chimiques et bio- les eaux liées que dans les eaux gravi- logiques. taires. Ca et Mg plus abondants dans 2+ , 2+ Parmi les horizons étudiés, deux types les eaux capillaires, sont plus fortement de comportement sont identifiables. corrélés au nitrate qu’au sulfate. Le traitement CaMg Les libres (fig 5A) eaux La charge ionique totale est faible puisque la majorité des éléments ont des concen- trations inférieures à 100 μéq/l. Le nitrate est très peu concentré y compris en sur- face. S-SO Al et Mg sont les ions 4 3+ 2+ -, 2 dominants. Les liées (fig 5B) eaux La concentration en nitrate est toujours plus élevée que celle du sulfate et parmi les cations, Mg et Ca dominent tou- 2+ 2+ jours Al N-NO et Mg .- 3+ 3 et Ca sont 2+ 2+ significativement corrélés. Comparaison des deux types de solutions La charge ionique des eaux liées est net- tement plus élevée que celle des eaux libres. Le nitrate notamment y est nette- ment plus concentré ; la concentration en 3+ Al varie peu entre les deux types de so- lutions, mais son importance relative a net- tement diminué dans les eaux liées où les concentrations en Mg et Ca ont nette- 2+ 2+ ment augmenté.
Horizons pour lesquels le chimisme sées majoritairement dans la microporosi- des solutions libres et liées est différent en particulier la nitrification. té, comme Dans ces conditions, la neutralisation de l’acidité des solutions (transférée ou géné- Ce sont par exemple les horizons de sur- rée localement) se ferait au cours de réac- face de tous les sols (0-15 cm) et les hori- tions d’altération des minéraux (primaires zons moyens et profonds des sols sur gra- ou néoformés); l’échange d’ions ne peut nite du col du Bonhomme et d’Aubure. pas être la réaction privilégiée comme le Dans ces horizons, les eaux gravitaires montre la différence de concentrations en circuleraient rapidement dans une porosité Si entre les eaux gravitaires et capillaires. grossière où les réactions de neutralisation Cette altération libère les cations en solu- de l’acidité ainsi que les réactions tion, en fonction de leur présence et de d’échange entre phase solide et solution leur état cristallochimique : par exemple seraient essentiellement des réactions de dans le sol de Gemaingoutte les réserves déplacement (ne pouvant pas atteindre un totales en Ca et Mg autorisent la libération équilibre par définition). Ces réactions se- de ces éléments dans les eaux liées, alors raient favorisées par des drainages climati- que c’est plus difficilement le cas dans le ques importants, comme c’est le cas dans sol très pauvre développé sur granite leu- les Vosges. cocrate au col du Bonhomme. Dans conditions de sols acides, la ces Les résultats montrent clairement que la macroporosité serait très appauvrie en ca- nitrification a lieu dans la microporosité du tions alcalins et alcalino-terreux les plus la- sol, où les conditions physico-chimiques biles, et considérablement enrichie en ca- sont les plus favorables (Berthelin et Tou- tions acides, en particulier en aluminium. tain, 1979). La présence de nitrates dans L’acidité de ces solutions à faible temps de les eaux gravitaires résulterait principale- contact avec la phase solide du sol n’a pas ment d’un transfert par diffusion à partir le temps de se neutraliser dans des réac- des eaux liées. tions d’altération des minéraux primaires ; la réaction dominante est un échange d’ions avec le complexe d’échange où une partie Horizons pour lesquels le chimisme des protons peut se substituer à l’aluminium des solutions libres et liées est voisin libéré en solution. Ces protons vont rapide- ment diffuser vers le réseau minéral, provo- profond de Ge- C’est le de l’horizon quant par acidolyse une libération équiva- cas maingoutte. lente d’aluminium conduisant, en système acide et non complexant, à la recharge du situation, la percolation des Dans cette complexe absorbant en cet élément (Hetier gravitaires ne se ferait plus dans des eaux et Tardy, 1969; Robert et al, 1979). zones préférentielles, en continuité avec celle des horizons sus-jacents. Elles résul- Les eaux liées, résultant d’une imbibi- teraient plutôt d’un déplacement de la solu- tion au cours du ressuyage, représentent tion du sol par «effet piston», comme on les solutions «réelles» du sol. Leur temps peut facilement le réaliser expérimentale- moyen de résidence est important (en tout ment sur des colonnes de sol (méthode cas toujours supérieur à celui des eaux d’Adams, 1974). Les deux types de solu- libres), et leur composition est le résultat tions sont donc, dans ce cas particulier, d’une part de réactions chimiques en sys- identiques quant à leur «histoire» dans le tème confiné, tendant vers l’équilibre, et sol. d’autre part de réactions biologiques locali-
Cette explication est réductionniste car correspondre soit à des réactions vont basée sur des observations moyennes. strictement de déplacement, soit à des ré- Elle permet cependant de mettre indirecte- actions mixtes de déplacement-équilibre. ment en évidence le rôle de l’hydrodyna- En sol acide, les réactions de déplacement misme dans l’acquisition de la composition caractérisant le fonctionnement des ma- chimique des solutions du sol. cropores, conduisent à des zones très dés- aturées, très appauvries en calcium et ma- gnésium et enrichies en aluminium, ce que Exemples de l’intérêt des études reflète parfaitement la composition des des différentes solutions du sol eaux gravitaires ; la microporosité corres- pond à une zone de réactions pouvant at- teindre un certain équilibre où le complexe Caractérisation du fonctionnement d’échange est beaucoup moins désaturé, biogéochimique moyen de quelques des minéraux altérables sont présents, et types de sols les solutions sont de fait plus riches en cal- cium et magnésium en particulier. À Gemaingoutte, le sol brun acide déve- loppé sur granito-gneiss, est moyenne- Le chimisme des solutions serait donc ment filtrant. Les deux compartiments gra- essentiellement réglé par le temps de vitaire et capillaire montrent une certaine contact des solutions avec la phase solide, indépendance en surface, mais tendent à dépendant des paramètres hydrodynami- s’homogénéiser avec la profondeur, de ques du milieu. Nous n’avons pas de me- sorte qu’à 60 cm leur composition est voi- sures précises de la porosité de ces sols sine. mais les analyses physiques simples, gra- nulométrie et densité apparente, permettent Dans les sols filtrants développés à par- de caractériser grossièrement les milieux. tir d’une arène granitique (le col du Bon- Dans les sols très poreux d’Aubure et du col homme et Aubure), les deux comparti- du Bonhomme, où la pluviométrie est abon- ments tendent à rester individualisés sur tout le profil de sol, les échanges entre les dante et bien répartie au cours de l’année deux compartiments augmentant cepen- (1 100 à 1 500 mm) et l’ETR limitée (ETR dant avec la profondeur. voisine de 0,5 ETP), les eaux gravitaires at- teignent très rapidement la base du profil et Cette interprétation du fonctionnement ont tendance à rester indépendantes des biogéochimique est très schématique ; il eaux capillaires. À Gemaingoutte, le drai- est évident que les eaux capillaires sont is- nage rapide des eaux gravitaires en surface sues des eaux gravitaires par imbibition. se trouve rapidement limité en profondeur La distribution de Ca et Mg dans les solu- par la diminution de la porosité du sol, et tions du traitement de chaulage matéria- par le drainage climatique (1 000 mm de lise les échanges entre compartiments. pluviométrie, ETR estimée à une valeur Les paramètres hydrodynamiques du comprise entre 0,7 et 0,8 ETP). milieu ont une importance considérable Un facteur intensité est bien entendu le chimisme des solutions. sur déterminé par l’activité biologique du milieu Les eaux liées caractérisent en général et par la quantité de minéraux altérables. mieux le fonctionnement réel du sol, et Dans les sols étudiés, la prise en l’équilibre phase solide/phase liquide. Les libres des solutions compte simultanée des deux solutions per- sont eaux «d’exclusion» qui, en fonction des para- met de proposer le schéma de fonctionne- mètres hydrodynamiques du matériau, ment biogéochimique de la figure 6 qui ne
pourrait être définitivement validé que par l’amendement : l’acidité est neutralisée une étude détaillée des paramètres physi- efficacement que dans le beaucoup plus ques des sols. traitement témoin, les concentrations en 2+ Ca et Mg augmentent tandis que celle 2+ de Al diminue. Cette observation est va- 3+ Effet des manipulations d’écosystème lable pour les 2 types de solutions, mais le fonctionnement biogéochimique sur tout particulièrement pour les solutions du sol liées. Dans ce cas précis, l’origine de la neutralisation de l’acidité se serait opérée L’amendement dans l’ex- calco-magnésien par 2 mécanismes successifs : dans un périence du col de Bonhomme modifie premier temps, dissolution des particules à considérablement la composition des solu- la surface du sol et recharge du complexe tions du sol plusieurs années après absorbant, puis à l’inverse, quand les parti- cules ont disparu, échange de protons entre la phase solide et la solution condui- sant à une désaturation en Ca et Mg 2+ , 2+ avec une tendance à la dé-saturation pré- férentielle en Mg dans les échanges ra- 2+ pides (eaux gravitaires). Il est en effet exclu que les réactions d’altération puis- sent libérer plus de calcium et de magné- sium que dans le traitement témoin. La diminution des concentrations en N- NO des eaux gravitaires du traitement - 3 amendé par rapport au traitement témoin amène à conclure, soit que la nitrification serait ralentie par le chaulage, soit que les arbres revitalisés absorberaient plus effica- cement les nitrates produits. La composi- tion des solutions capillaires conduit à des conclusions différentes puisqu’elles mon- trent des concentrations en N-NO tou- - 3 jours nettement plus élevées que celles des solutions comparables du témoin. La question se pose alors de savoir pourquoi les nitrates qui diffusent en prin- cipe assez rapidement entre les 2 compar- timents macro- et microporosité dans les autres sols étudiés ne le feraient pas ici. Ces solutions ne sont certes pas «contemporaines», et il faut admettre que la nitrification brute est importante, qu’elle est plutôt stimulée qu’inhibée par l’amen- dement, mais que le transfert des nitrates entre les phases capillaire et gravitaire est entravé. On ne peut que faire l’hypothèse d’une immobilisation biologique entre ces 2
On observe que les 2 types de solutions il s’agirait là d’un effet de compartiments ; conduisent au même classement relatif l’amendement sur la biologie des sols que pour le rapport Mg/Al, mais qu’un facteur les seules études des solutions ne permet- intensité très net distingue les solutions tent pas d’identifier. Malgré toutes les pré- libres des solutions liées ; c’est cette va- cautions prises lors des manipulations leur absolue qui doit être en cause dans la (conservation en chambre froide et extrac- différence d’état sanitaire observée pour tions dans les plus brefs délais), on ne les différents peuplements. La taille de peut exclure certains artéfacts liés à la mé- l’échantillon réduit bien évidemment la por- thode (aération lors du tamisage des tée des conclusions. échantillons, température du laboratoire pouvant stimuler la nitrification). Une solu- tion serait d’effectuer les extractions sur le CONCLUSIONS terrain, ce qui pose des problèmes maté- riels non négligeables. Les solutions du sol sont très hétérogènes On a là un exemple caractéristique de quant à leur composition chimique. Les 2 la complémentarité des investigations sur types de solutions étudiées montrent que les différents types de solutions dont les la distinction physique entre solution gravi- compositions ne reflètent généralement taire et solution liée (ou capillaire) est perti- pas le fonctionnement de sites identiques nente au plan de leur composition. Chaque au sein du sol. méthode d’extraction des eaux liées ap- porte des résultats spécifiques bien que la Valeur indicatrice des solutions du sol ou le déplacement sur co- centrifugation pour la production et l’état sanitaire lonne conduisent à des informations voi- des peuplements forestiers sines, surtout si l’on compare ces résultats à ceux des eaux gravitaires collectées par Il existe des relations évidentes entre pro- des lysimètres sans tension. ductivité des écosystèmes forestiers et ri- chesse du sol comme l’a démontré le dé- pouillement des enquêtes de terrain (citons par exemple Le Tacon et Millier, 1970): c’est le cas dans cette étude de la relation simple entre les cations Ca et Mg échangeables et la production globale des écosystèmes non traités. Dans le cas des sols acides, Hutter- et Ulrich (1984) ont montré l’impor- mann tance de la valeur absolue des rapports Ca/Al et Mg/Al dans l’aptitude des arbres à se nourrir dans un sol donné, en liaison avec les problèmes de toxicité aluminique. La figure de synthèse (fig 7) concernant les trois sites étudiés montre l’intérêt de la prise en compte simultanée des caracté- ristiques de la phase solide et celles des solutions du sol, dans la discrimination des résultats.
L’étude simultanée des solutions libres REMERCIEMENTS et liées permet d’élaborer un schéma de fonctionnement hydrochimique des diffé- Nous remercions vivement D Gelhaye, G Nour- rents types de sol. Ce schéma reste ce- risson et B Pollier pour leur collaboration techni- pendant spéculatif tant que les paramètres que. hydrodynamiques des matériaux, détermi- nant le temps moyen de résidence des dif- férents types de solutions, n’ont pas été RÉFÉRENCES précisés. Un début d’explication aux fluc- tuations verticales des teneurs en nitrates Adams F (1974) Soil selection. In: Soil evolution (et des cations associés) observées dans in the plant-root and its environment (EW les eaux libres du sol de Gemaingoutte en Carson, ed). University Press of Virginia, 1991 (observé également dans les autres 441-481 sites, en particulier en 1989 au Bon- Adams F, Burmester C, Hue NV, Long FL homme) est apporté. Dans ce cas particu- (1980) A comparison of column-displacement lier, l’identité des concentrations des 2 and centrifuge methods for obtaining soil so- lutions. Soil Sci Soc Am J 44, 733-735 types de solutions à la base du sol ne se- rait pas à relier à des mécanismes biologi- Barbee GC, Brown KW (1986) Comparison bet- ween suction and free drainage soil solution ques particuliers à ce niveau, mais résulte- samplers. Soil Sci (141) 2, 149-154 rait plutôt de mécanismes physiques de Berthelin J, Toutain E (1979) Biologie des sols. transfert de soluté pour un matériau et un In: Pédologie, 2. Constituants et Propriétés climat donnés. du Sol (M Bonneau, B Souchier, eds) ch VIII, L’information issue de l’étude des solu- Masson, Paris, 123-160 tions libres et liées peut être très différente Bonne M, Andreux F, Vedy JC, Souchier B de sorte que, dans le cas général, leur (1982) Étude hydrochimique saisonnière spécificité peut se définir ainsi : dans trois sols acides : composition des eaux gravitaires et des solutions extraites à pF 4,4. les eaux gravitaires doivent être utilisées - AFES N° 4, 275-292 pour l’étude quantitative des bilans en- trées-sorties des écosystèmes; Bonneau M, Souchier B (1979) Pédologie 2 : Constituants et propriétés des sols. Masson, les solutions liées apportent une informa- - Paris, 459 p tion plus nette que les eaux gravitaires en Bonneau M, Landmann G, Adrian M (1992) La ce qui concerne i) les équilibres phase so- fertilisation comme remède au dépérisse- lide/phase liquide, ii) la localisation des ment des forêts en sol acide : essais dans mécanismes (altération, chimiques les Vosges. RFF, XLIV, 3, 207-224 échange) ou biologiques (sites de nitrifica- Calveto de Anta R, Fernandez Marcos ML, tion, nitrification dans les différents hori- Veiga Vila MA (1987) Estabilidad mineral de zons, y compris les horizons profonds du suelos desarrollados a partir de rocas basi- sol) et iii) la nutrition des plantes puisque cas y ultrabasicas de Galicia. An Edafol les racines absorbantes et leur symbiotes Agrobiol 46, 643-665 mycorhiziens ne sont vraisemblablement Dambrine É, Ranger J, Pollier B, Bonneau M, pas installés dans la porosité grossière du Granier A, Carisey N, Lu P, Probst A, Viville sol où les stress hydriques sont maximum D, Biron P, Garbaye J, Devevre O (1992) In- fluence of various stress on Ca and Mg nutri- en période de végétation. tion of a spruce stand developped on acidic des eaux liées pourrait L’analyse soil. In: Proc EC Congress "1st European être facilement considérée d’ailleurs Symposium on Terrestrial Eocsystems: Fo- comme un outil courant de diagnostic de rests and Woodland" (A Teller, P Mathy, JNR l’état de fertilité du sol. Jeffers, eds), p 465-472
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