Báo cáo khoa học: "Les minéraux-test, une approche expérimentale in situ de l’altération biologique et du fonctionnement des écosystèmes forestiers. Effets des types de sols et des essences feuillues et résineuses"

Chia sẻ: Nguyễn Minh Thắng | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:22

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Nội dung Text: Báo cáo khoa học: "Les minéraux-test, une approche expérimentale in situ de l’altération biologique et du fonctionnement des écosystèmes forestiers. Effets des types de sols et des essences feuillues et résineuses"

Article original Les minéraux-test, approche expérimentale une in situ de l’altération biologique et du fonctionnement des écosystèmes forestiers. Effets des types de sols et des essences feuillues et résineuses J M Robert P Bonnaud Ranger C Nys LGelhaye,D Gelhaye INRA CRF Nancy, Station de recherches sur le sol, la microbiologie et la nutrition des arbres forestiers, Champenoux, 54280 Seichamps; 2 INRA CRA Versailles, Station de science du sol, 78000 Versailles, France (Reçu le 14 février 1990; accepté le 28 septembre 1990) Résumé — Les modifications du fonctionnement des sols forestiers, liées au changement des prati- ques sylvicoles, sont étudiées par une méthode expérimentale in situ. Cette méthode utilise l’évolu- tion d’un minéral-test inséré dans les sols, comme indicateur des conditions environnementales des sols. Les mécanismes de fonctionnement actuel des sols sont identifiés par référence aux données théoriques, obtenues au laboratoire sur le même minéral. Un minéral interstratifié complexe contenant de la vermiculite a été utilisé dans cette expérience. Ce minéral inséré dans les différents horizons de sols acides est étudié après 3 ans de contact. Sur ces sols sont implantées plusieurs essences forestières dont on pourra comparer les effets. Le mi- néral est analysé quant à son évolution physico-chimique, chimique et minéralogique en comparai- son avec la vermiculite témoin non altérée. Les résultats permettent de caractériser les effets des types de sol et des essences. Par exemple, dans le sol brun acide le minéral test est rapidement et fortement désaturé; l’AI fixé est ra- pidement hydroxylé. L’introduction de conifères et en particulier d’épicéa commun, produit une acidi- fication qui se traduit par une augmentation de l’AI fixé et une hydroxylation intense. Dans le podzol où une quantité supérieure d’AI peut être observée, on ne constate jamais une hydroxylation sem- blable à celle des sols bruns, l’épicéa produit le même effet relatif que dans le sol brun acide. Au plan des mécanismes, l’acidolyse est le mécanisme typique de fonctionnement des sols bruns, alors que l’acidocomplexolyse caractérise les sols podzoliques. L’effet des essences sur ces mécanismes peut également être défini; l’étude de la dynamique de l’aluminium et de l’évolution mi- néralogique de la vermiculite, permet de mettre en évidence le phénomène d’acidification des sols liée à l’introduction de l’épicéa commun, et ceci quelque soit le type de sol; une forte interaction existe avec le milieu qui détermine les traits majeurs de la pédogenèse. Le traitement statistique des données permet de visualiser ces différents effets et de classer les essences selon leur action sur le fonctionnement des sols. Cette méthode, compte tenu de la référence expérimentale unique, et des références théoriques existantes, permet de comparer des situations variées et d’identifier les mécanismes de fonctionne- ment de sols, ce que n’autorise aucune autre méthode simple. * Correspondance et tirés à part
Les fonctionnements mis en évidence correspondent à des spéciations différentes de l’aluminium et des autres cations du complexe d’échange, et par là même, à divers effets sur la nutrition et la croissance des végétaux. forestières / fonctionnement des sols / altération / vermiculite / de dynamique essences l’aluminium / spéclation de l’aluminium Effect of some tree forest species on soils, studied by an In situ experimental Summary — method. The changes in forest soil function due to silvicultural modifications were studied by an in situ experimental method. This method used the evolution of a test-mineral as an indicator of change in the physico-chemical environment of the soil. The processes operating in the soil can be identified with reference to laboratory data obtained on the same mineral. After 3 years in acidic soils, the test-mineral (an interstratified mineral containing vermiculite) was studied; CEC, exchangeable and non exchangeable elements, mineralogy (XRD traces), and com- pared with the control. The results showed that if the chemical data and the mineralogy are studied, one can characterize the effects of soil types, soil horizons and forest species. In the acid brown soils the test mineral is highly desaturated while exchangeable acidity increases. In this soil, AI is rapidly hydroxylated. The change of forest species (spruce versus mixed broadleaved) produces an important mobilization of AI and forms a more shable AI intergrate. In the podzol, the quantity of AI is greater than in the acid brown soil but the formation of a very stable AI intergrade mineral was not observed. The change of forest species (spruce versus beech) tends to produce the same relative effect as observed in the acid brown soil. The processes of soil function can be defined as follows: acidolysis is the processes which discriminates the function of acid brown soils; - acido-complexolysis characterizes the A A of the podzolic soils. , horizons 12 - We can identify the mechanisms involved in the effect of species on soil function; for example the spruce increases acidity which mobilizes more AI and which tends to form a more stable AI integrate than the broadleaved species; there is a strong interaction between soil and species. Statistical analy- ses show the level of significance of the effects (soils, species) and allow a clear vizualisation of the results. This method with its unique experimental reference allows us to compare numerous situa- tions and to characterize the mechanisms of soil function in relation to soil type and species. The different processes of soil function that we have recognized, correspond to very different alumin- ium speciation and cation distribution on the CEC, and consequently to different behaviour for the nu- trition and the development of forest species. forest tree species / soil function / weathering / vermiculite / aluminium dynamics / aluminium speciation dégradation caractérisant la podzolisation INTRODUCTION ou intergrades alumineux typiques de la brunification acide (Righi et al, 1988). Le fonctionnement d’un sol est habituelle- La pédogenèse est en général ancienne ment déduit des observations morphologi- climats et ces méthodes ne per- sous nos ques et des analyses de sa phase solide. mettent pas de faire la part entre les phé- Ces analyses permettent de chiffrer des nomènes passés et actuels. indices comme la migration des colloïdes L’approche quantitative des bilans de organiques ou minéraux, la redistribution matière (Nys, 1987) ne donne pas accès des sesquioxydes de fer ou d’aluminium aux mécanismes. L’étude des phases du (Souchier, 1971 ) ou de révéler des méca- sol les plus réactives (argiles fines) n’a pas nismes de la pédogenèse : smectite de
avec les méthodes disponibles, de donné, lées(Razzaghe-Karimi, 1976; Robert et al, résultats très pertinents concernant l’évolu- 1979) permet d’établir une référence pré- tion récente liée aux essences forestières, cise servant à identifier les mécanismes de car les minéraux étudiés ont longuement fonctionnement de sols. évolué dans le sol et n’ont plus qu’une ré- activité limitée. L’étude du complexe adsor- bant peut cependant être un précieux indi- MATÉRIELS ET MÉTHODES (Espiau et Pedro, 1989). cateur Pour étudier les mécanismes de fonc- La méthode des minéraux-test consiste à insé- tionnement des sols, il faut coupler les minéral dans le sol, et à le retirer après rer un analyses de la phase solide à des ana- un contact plus ou moins long. lyses des solutions du sol, généralement Les résultats présentés ici ont été obtenus étudiées par des méthodes lysimétriques avec une vermiculite commerciale provenant du (Driscoll et al, 1985; Mulder, 1988; Hauss Kenya. et Wright, 1986; Probst et al, 1990). Cette La vermiculite du Kenya est un minéral com- dernière méthode a été appliquée à l’étude plexe comprenant des feuillets de mica, de de l’influence de la sylviculture sur les sols pseudo-chlorite (c’est une vermiculite magné- (Nilghard, 1971; Bergvist, 1986; Nys, sienne dont la couche interfoliaire est un hydro- 1987). Elle est cependant beaucoup trop xyde de magnésium relativement organisé) et de vermiculite, organisés en séquences de mica lourde pour être appliquée à l’étude géné- et de vermi- d’interstratifié mica-pseudo-chlorite rale des intéractions sol-végétation. culite. Ces différentes raisons nous ont amené La saturation par le calcium suffit à désorga- à opter pour une méthode expérimentale niser la couche pseudobrucitique, conduisant à in situ se fondant sur l’évolution de miné- un minéral de type mica - mica vermiculite - ver- raux fortement réactifs et donc suscep- miculite. La figure 1 résume les principales ca- tibles d’évoluer suffisamment rapidement ractéristiques du minéral après conditionne- ment. pour que le test puisse caractériser le fonc- tionnement du milieu. La faible CEC indique une proportion non - majoritaire des feuillets de vermiculite (≈ 50%). Cette méthode, dite des minéraux-test, Le taux de K de l’analyse totale atteste O 2 - été appliquée initialement par Sadio a de l’abondance du mica, celui de MgO du carac- (1982) pour mesurer l’altération des miné- tère trioctaédrique du minéral. raux primaires du sol. Les résultats obte- Le minéral de taille centimétrique est purifié, nus ont permis de déterminer les minéraux réduit par broyage, tamisage et lavage succes- les plus réactifs ie les phyllosilicates trioc- sifs à une dimension comprise entre 100 et 200 taédriques de type vermiculite, en particu- minéral et 1 g de μm. Trois grammes de ce lier (Ranger et Robert, 1985; Robert et quartz (250-400 μm) sont insérés dans un sa- chet polyamide inerte (Nytrel II) de porosité 20 Ranger, 1986; Ranger et al, 1986; Hatton μm et de dimension interne 5 x 10 cm. et al, 1987). La vermiculite se comporte Ces sachets sont installés dans le sol, hori- comme puits et source vis-à-vis d’éléments zontalement à partir de fosses pédologiques caractéristiques de la pédogenèse; de que l’on rebouche en respectant les horizons. plus, la valeur relativement forte de sa Dans cette expérience, ils ont été installés à des CEC (capacité d’échange cationique) per- profondeurs systématiques : 5 cm, 15 cm et 40 met de suivre expérimentalement les varia- cm sous la litière correspondant aux horizons tions du taux de saturation et la nature des A A B, (B) ou Bh/Bs selon les types de sol. ,, 11 12 cations constituant le complexe d’echange. II s’agit uniquement de sols acides allant du L’étude de ce minéral en conditions contrô- sol brun lessivé au podzol typique. L’expérience
été installée fin 1980 et a duré 3 ans. La carte ALTÉRATION a BIOCHIMIQUE localise les sites. Quelques détails (fig 2) DE LA VERMICULITE : concernant le contexte écologique et les carac- IDENTIFICATION DES MÉCANISMES téristiques des sols sont consignés dans le ta- bleau I. L’organigramme du tableau II résume Une typologie schématique des principaux les pincipales étapes analytiques permettant de caractériser l’évolution des minéraux. environnements physico-chimiques acides
peut être réalisée grâce aux travaux expé- réalisées par Robert et al, 1979. Trois rimentaux de : Robert, 1970; Huang et Kel- types de milieux se distinguent. Pour des ler, 1970; Razzaghe-Karimi, 1976; Vicente concentrations d’acide (pH < 2,5), élevées et Robert, 1979 et Robert et al, 1979). Les par référence au milieu naturel, quelque résultats ont été obtenus à partir de perco- soit le type d’acide utilisé, les minéraux lations de solutions d’acides organiques de sont détruits par acidolyse forte. Pour des concentrations d’acide plus faibles (= 10 -3 faible poids moléculaire et de concentra- tion variée sur des minéraux trioctaédri- N) conduisant en fonction des acides à ques (dont les vermiculites). La figure 3 des pH compris entre 3 et 5, on observe synthétise les résultats des expériences deux cas de figure :
certains acides à pKc élevé (pKc > 5) lais de transport pour l’aluminium extrait du - entraînent une destruction du minéral par réseau n’est assuré par l’anion com- acidocomplexolyse; il existe une gradation plexant. L’aluminium n’est pas évacué du allant de l’acide complexant (acide galac- système, mais s’accumule en zone interfo- liaire où il évolue par hydroxylation et poly- turonique) pouvant conduire aux smectites de transformation, jusqu’aux complexants mérisation (formation de vermiculite alumi- forts qui détruisent les minéraux; neuse). les acides à pKc < 5 n’entraînent Ce schéma simplifié prend pas en ne - qu’une transformation par acidolyse faible. toutes les conditions expérimen- compte L’action des protons est de même type tales (vitesse de percolation, mélange d’acides dans l’espace ou dans le temps) que dans le cas précédent, mais aucun re-
CARACTÉRISATION DE L’ÉVOLUTION ainsi que toutes les concentrations acides DES MINÉRAUX-TEST IN SITU pouvant conduire à des situations intermé- diaires. Goh et Huang (1984) montrent, par exemple, que la complexation de l’Al Evolution géochimique dépend du rapport citrate/A Vincente et I; Robert (1979) montrent que la concentra- tion en acide fulvique peut conduire à des La capacité d’échange cationique est une systèmes différents. L’interprétation des ré- donnée synthétique dont les variations sultats issus des milieux naturels est plus sont en relation directe avec l’évolution mi- complexe que celle du schéma théorique néralogique caractérisant le fonctionne- qui doit sans cesse être amélioré. ment du sol. Ce paramètre est cependant La couche interfoliaire des vermiculites très global de sorte que deux valeurs iden- à forte CEC représente une interface miné- tiques peuvent avoir des origines très diffé- ral-solution du sol dont la composition per- rentes; ce n’est que l’examen de la garni- met de caractériser le milieu d’altération : ture ionique qui permet de conclure en système acide, le minéral se désature définitivement. et les éléments extraits du réseau, tel la CEC du miné- Dans cette expérience , 3+ I l’A se maintiennent en zone interfoliaire ral, initialement d’environ 55 meq/100 g, tant que celle-ci n’est pas saturée; en sys- est fortement modifiée après le séjour tème complexant, ce sont les cations peu dans les sols; les valeurs extrêmes vont de complexables qui se maintiennent sur le 10 à 60 meq/100 g (valeurs non présen- complexe absorbant. tées dans le détail, le tableau III donne Ces données théoriques servent de l’évolution moyenne de l’échantillon total). base à l’interprétation des évolutions obte- Quelques conclusions se dégagent : nues in situ avec les minéraux-test; elles La CEC diminue en moyenne plus forte- - permettent d’identifier les mécanismes de ment dans les sols bruns que dans les sols de la série podzolique. La variabilité entre fonctionnement des sols et dépassent les horizons de ces mêmes sols bruns est ainsi le simple test comparatif.
plus grande que dans la série podzolique. Parmi ces relations, celle qui concerne Les échantillons issus des sols à pH > 5 l’aluminium échangeable est la plus impor- peuvent également montrer cette ten- tante (fig 4). Elle montre que tant que le dance car ils évoluent faiblement. pH d’équilibre avec le sol n’atteint pas 5,5, la fixation d’A n’est pas possible. La fixa- 3+ I Les résineux, et en particulier l’épicéa - tion semble ensuite linéaire jusqu’à pH 4,3 commun, concourent à une baisse plus grande de la CEC par rapport aux feuillus puis elle croît très rapidement; Juste situés dans les mêmes conditions. (1965) avait fait la même observation dans son étude sur les sols des landes de Gas- Ces deux points avaient déjà été obser- cogne. La variabilité montre que l’effet des vés dans une expérience préliminaire horizons, des sols, des espèces, d’où pro- (Ranger et Robert, 1985). viennent les échantillons est à considérer. La garniture ionique de l’espace interfo- De façon réciproque, la liaison entre le liaire a été largement modifiée après 3 an- du minéral et le Ca montre les 2O H pH ech nées de contact dans les sols acides; ceci mêmes points singuliers avec une désatu- est très net quand on compare les valeurs ration acide mais également une com- moyennes par horizon sur l’ensemble des plexation forte. Malgré la forte acidité, le échantillons étudiés (120), au témoin, re- cation le moins complexable dans cette présentant la saturation initiale de ces mi- gamme de pH (Ca ou Mg) sature la CEC. néraux (tableau III). Le magnésium, pratiquement absent du On établit des relations statistiques témoin, augmente nettement sous les li- entre les divers paramètres physico- tières en liaison avec le cycle biologique, chimiques simples mesurés sur le minéral, de façon à préciser les mécanismes inter- et dans les sols de la série podzolique où il venant dans son évolution. s’accumule compte tenu de sa faible apti- tude à la complexation (dans les condi- La désaturation et l’apparition conco- tions expérimentales). mittante d’acidité d’échange sont claire- ment mises en évidence par les rela- Nous sélectionné dans la figure 5 avons tions entre acidité d’échange et calcium quelques exemples représentatifs de l’effet échangé (Ca (r -0,862, n = 120) et ) ech du type de sol, de l’horizon et de l’espèce = entre acidité d’échange et saturation en bases échangeables (r=-0,790, n = 120), l’ion calcium saturant initialement le miné- ral domine toujours la garniture ionique to- tale (r 0,926, n 120, pour la relation = = CEC-Ca bien que quantitativement in- ); ech férieure à celle du Ca, la participation de l’acidité d’échange est constante (r= -0,632 entre CEC et acidité). Le pH du minéral, 7,2 à l’origine, a été notablement modifié; cette mesure simple renseigne sur l’évolution du minéral, comme le montre la forte liaison entre le pH et les éléments échangeables :
Évolution minéralogique végétale, sur la CEC et les cations échangeables. Ces trois effets sont très si- gnificatifs et en forte interaction. L’évolution minéralogique étudiée par la Quelque soit la station, l’effet horizon - diffraction des rayons X complète les résul- est le plus marqué opposant la litière au tats de l’évolution de la CEC. reste du profil. Les résultats sont basés sur le compor- L’effet type de sol est important, mais pics à 14 Å de la vermiculite et - tement des en forte interaction avec celui de la végé- du pic à 12 Å de l’interstratifié mica/ tation : dans le sol brun acide des Ar- vermiculite, qui reviennent vers 10 Å après dennes, l’effet épicéa est nettement mar- saturation par le potassium : c’est effecti- qué par la forte désaturation et la forte vement le comportement du minéral initial diminution de la CEC à horizon compa- (10,5 Å au traitement K et 10,1 Å après rable; dans le podzol où l’on rencontre les traitement thermique à 200 °C). mêmes espèces, on a la même dynami- Après séjour dans le sol on constate que relative entre les feuillus et l’épicéa, que pour tous les échantillons issus des li- avec cependant un maintien de la CEC tières ce comportement n’est guère modi- beaucoup plus net. L’apparition du Mg fié. échangeable dans les échantillons issus Le comportement des échantillons pla- des horizons organo-minéraux et miné- cés dans les horizons organo-minéraux raux du podzol montre que la désaturation Aet As’est par contre fortement modi- 11 12 acide n’intervient pas seule, mais que l’ap- fié. titude à la complexation des éléments est également en cause dans ce type de sol. Dans les sols bruns, quelle que soit - L’élément le moins complexable par les le traitement au K ne provoque l’espèce, anions organiques se maintient dans l’es- pas de fermeture des feuillets qui restent bloqués vers 12 Å pour l’interstratifié (de pace interfoliaire. 11,6 à 12,3 Å) et vers 14 Å pour la vermi- L’augmentation de l’Al échangeable culite (de 13,8 à 14 Å). Le chauffage à épicéa est importante quelque que sous 200 °C accentue cette fermeture et provo- soit le type de sol. que une migration des pics vers 11 Å. Dans le sol podzolique la dynamique Dans le sol podzolique les échan- des éléments est intermédiaire entre sol - tillons du A se ferment à 11 Å et ceux de 11 brun acide et podzol. On note une inver- l’horizon A sont bloqués à 11,7 et 13,7 Å. 12 sion en ce qui concerne l’effet des es- pèces : les feuillus dans cette station se En ce qui concerne l’horizon B, le blo- rapprochent des épicéas du sol brun acide cage de la vermiculite est général quelque soit le type de sol (pic entre 11 et 12 Å et et le pin sylvestre se rapproche du feuillu entre 13,5 et 14 Å). Seuls les sols pour les- sur podzol. Tout se passe comme si le pin sylvestre (l’épicéa n’existe pas dans cette quels le pH est supérieur à 5,5 ne mon- station) accentuait la podzolisation, celle-ci trent pas d’évolution minéralogique no- table. s’interprêtant par un approfondissement du profil pédologique. Le comportement des échantillons issus La discrimination des effets des sols et des horisons B (structuraux, texturaux ou des espèces est déjà grande à cette spodiques) est comparable. L’hypothèse échelle, elle sera formalisée in fine par les d’un blocage des sites d’échange par l’alu- conduit à effectuer des minium statistiques. tests nous ex-
tractions chimiques sélectives, couplées à l’ensemble des échantillons. Par exemple, investigation minéralogique. la liaison AI du minéral, non présen- -pH TRI une tée ici (r -0,441 pour 120 données) Les éléments extraits par le KCI sont = montre que la loi valable pour les sols considérés comme étant facilement échan- bruns et les sols podzoliques est inappli- geables et ne participent donc pas à ce cable au podzol, et qu’en outre le taux blocage (Rouiller et al, 1980). ne varie pas de façon simple avec TRI I d’A Les extractions suivantes permettent de le type de sol; il est même parmi les va- suivre la dynamique de Si, AI et Fe; elles leurs les plus élevées dans le podzol. ne sont pas réalisées en séquence, mais à En rapprochant ces résultats de ceux partir du minéral séché à 40 °C, afin d’éli- obtenus avec l’AI échangeable, on 3+ miner l’effet propre des réactifs sur l’évolu- le rapport AI ECH 3+ /AI TRI tion du minéral : s’aperçoit que varie considérablement avec le type de l’extraction pyrophosphate de Na (Mc au - sol. Ce rapport est beaucoup plus élevé al, 1971) donne les éléments Keague et dans les sols bruns que dans les sols pod- liés à la matière organique (éléments zoliques : le degré d’hydroxylation et de notés E PYRO l ); polymérisation de l’Al interfoliaire est donc - l’extraction avec le tampon oxalique à pH beaucoup plus fort dans les sols bruns. =3 (Tamm, 1922) donne les fractions Le test minéralogique effectué après amorphes (éléments notés EI ); OX l’extraction au tricitrate et saturation K des l’extraction citrate-bicarbonate-dithionite - échantillons donne les résultats suivants. (CBD), Mehra et Jackson 1960 (éléments notés EI et l’extraction au tricitrate de ), CBD Dans les sols bruns, quand le blocage - Na, Tamura 1957, (éléments notés EI ) TRI existe (A A B) le retour au comporte- ,, 11 12 donne les éléments libres. ment initial est amélioré sans que la ferme- ture ne soit complète : pic à 11,3 - 11,4 Å Ces extractions sont ici classées par ordre d’efficacité croissante (Jeanroy, dans le cas général (quelques échantillons issus des horizons B ferment dès 10,6 Å). 1983). Seul le chauffage à 400 °C permet une fer- Les résultats de différents traite- ces meture à 10 Å. chimiques et minéralogiques sont ments présentés dans la figure 6. Dans le podzol, tous les échantillons - Quelque soit la méthode utilisée, c’est issus des horizons A et A ferment 12 11 entre 10,3 et 10,7 Å. Les horizons B l’aluminium qui discrimine un effet horizon S /B h avec des valeurs maximum dans les ex- ont un comportement intermédiaire entre traits du A et du A le type de sol inter- 11 ; 12 horizon B de sol brun et A de podzol (fer- agit largement. Le fer est peu discriminant meture à 10,8 Å). et tend à isoler les litières des autres hori- Les échantillons provenant des hori- - zons. C’est donc l’aluminium qui semble en du sol podzolique ont un comporte- zons cause dans le blocage de la CEC. On peut ment intermédiaire entre ceux du sol brun mettre en évidence une relation statistique et ceux du podzol. négative significative entre AI et CEC (r TRI L’ensemble de résultats montre que ces -0,743, n 120). L’intervention de l’Al = = l’AI n’a pas du tout la même signification TRI dans le blocage de la CEC est d’ailleurs pour les différents types de sol. très connue en sol acide (Jackson 1962, 1963; Hsu, 1977; Barnhisel, 1977). Les résultats du test Mehra-Jackson Il est indispensable de séparer l’effet du (CBD) sont intéressants dans la mesure type de sol dans ces liaisons obtenues sur où ce réactif peu spécifique de l’Al conduit
à un taux d’extraction d’A l Al est très supérieur à l’extrait identique dans l’extrait OX avec, par contre, la fermeture aux tous les sols et par ailleurs plus faible que , CBD Al RX nettement plus mauvaise après extrac- l’extraction au tricitrate (il s’agit des valeurs tion au tampon oxalique (après le même nettes, obtenues en déduisant des valeurs traitement K). Celui-ci n’extrait pas la brutes de l’extraction les valeurs de l’extrait phase hydroxylée destabilisée par le réac- KCI; les valeurs brutes sont présentées sur tif CBD et par le tricitrate. Cette phase alu- la figure 6). Le test de minéralogie montre, mineuse est située en position externe sur par contre, que cette extraction suffit dans les podzols pour destabiliser l’Al interfo- les feuillets de vermiculite, et ne produit liaire et provoquer la fermeture à 10,4 Å ainsi aucune réaction minéralogique. Il dans les horizons A et A alors que pourrait s’agir de composés de type protoi- 11 , 12 mogolite identifiés par Tait et al, 1978 et dans les sols bruns cette extraction est to- talement inefficace. Wang et al, 1986; les analyses du silicium ne confirment cependant pas l’existence Le couplage géochimie-minéralogie est de cette protoimogolite, car Si « Si OX CBD donc nécessaire pour mettre en évidence (Farmer, 1979). les évolutions différentielles du minéral en fonction des paramètres sols et essences Dans le sol podzolique (où l’épicéa est on constate un effet sol entre les forestières. absent) deux cas précédents : stabilité assez limi- Dans le sol brun acide des Ardennes, tée des intergrades alumineux et présence l’aluminisation du réseau est importante, en position externe d’un composé minéral l’Al est difficile à destabiliser. La substitu- instable qui pourrait être proche de la pro- tion d’espèce a un effet spectaculaire en toimogolite. Ces deux caractères lui don- augmentant, dès la surface du sol, la nent une filiation podzolique incontestable. quantité d’Al extrait par les différents réac- A l’inverse de l’épicéa, le pin sylvestre qui tifs. En surface, cet accroissement de la n’entraîne pas d’augmentation spectacu- quantité d’Al extrait ne conduit pas à une laire de la quantité d’Al, induit dans les intensification de la fixation (test RX) ce échantillons provenant des horizons A et 12 qui n’est pas le cas en profondeur A et 12 B une stabilité plus faible que les S /B h B. feuillus pour les composés Al interfoliaires. Les extraits AI sont faibles, l’alumi- PYRO nium amorphe Al est le plus souvent in- OX férieur à l’AI . CBD Identification des mécanismes Dans le podzol, outre le fort taux d’Al de fonctionnement des sols : extrait par tous les réactifs et sa relative la- rôle des essences forestières ECH 3+ (Al bilité majoritaire) on constate comme dans le sol brun acide un effet Les références expérimentales décrites spectaculaire de l’épicéa qui mobilise des dans le paragraphe Altération biochimique quantités très importantes d’Al sur tout le de la vermiculite permettent d’interpréter profil. La faiblesse de l’Al montre que PYRO les résultats en termes de mécanismes de la phase organo-minérale n’est pas majori- fonctionnement des sols en liaison avec taire dans ce type de sol. L’Al peut dé- OX l’essence présente. La figure 7 schématise passer en valeur absolue l’Al traduisant CBD les résultats obtenus in situ. ainsi la présence d’une liaison minérale de Dans le contexte acide des sols étudiés, l’Al. Le contrôle minéralogique montre ceci à un pH < pKa de l’Al, les deux systèmes, très nettement dans l’échantillon prélevé acide et, acide et complexant, sont identi- dans l’horizon A du podzol sous épicéa; 12
fiables. La garniture ionique de l’espace in- L’exemple de l’épicéa est le plus typi- que. Dans les deux stations extrêmes, terfoliaire, la spéciation de l’Al couplée à cette espèce produit toujours une désatu- l’analyse minéralogique permettent cette identification. ration et une fixation d’Al plus importante que le feuillu substitué. L’hydroxylation de En système acide, correspondant typi- l’Al est relativement plus forte que sous aux horizons organo-minéraux quement feuillu dans les deux situations (si on en des sols bruns (A A et aux horizons ,) 11 12 juge par la stabilité de l’intergrade) : en se minéraux (B), l’acidité domine : elle en- rapportant au schéma théorique, cela si- traîne une désaturation du minéral et un gnifie que cette espèce agit par l’intermé- confinement du milieu vis-à-vis de l’alumi- diaire d’une acidité organique faible ou nium (provenant du minéral lui-même, même d’une acidité minérale; le pouvoir c’est l’exoaluminisation, et/ou du milieu, complexant des matières organiques sous c’est l’endoaluminisation définies par He- épicéa serait peu élevé et le piégeage des tier et Tardy, 1969); ce dernier évolue rapi- dépôts secs acides ou générateurs d’acidi- dement par hydroxylation et polymérisation té, caractéristiques de cette espèce, pour- pour former une véritable vermiculite alu- rait apparaître à ce niveau. La présence mineuse très stable après un contact du d’Al dans les échantillons issus des litières minéral de 3 ans seulement dans ces mi- montre que cette espèce recycle bien cet lieux. élément. En présence d’agents complexants de Le pin sylvestre à l’inverse semble agir l’aluminium (pKc > 5) celui-ci a tendance à augmentation du pouvoir com- par une moins s’accumuler dans l’espace interfo- plexant, ne provoquant ni une fixation in- liaire et à ne pas y évoluer par hydroxyla- terne d’Al sur le minéral ni une évolution tion. Les cations peu complexables s’y des composés insolubles. vers maintiennent (Ca et Mg) malgré l’acidité du milieu. Le cas des minéraux-test issus des litières (quel que soit le type de sol) corres- APPLICATION DE LA MÉTHODE pond parfaitement à ce mécanisme À LA RÉALISATION D’UN TEST d’acido-complexolyse. Les échantillons provenant des horizons organo-minéraux des podzols se rattachent également à ce L’ensemble des mesures effectuées sur cas. les minéraux-test permet une approche statistique de l’effet des principaux para- Toutefois la d’un présence intergrade mètres à tester : le type de sol et l’espèce certes instable, fait penser à un sys- Al, forestière. L’effet propre de ces para- tème intermédiaire. Ce dernier se ren- mètres devrait pouvoir être traité statisti- contre le plus nettement dans les horizons quement dans un plan expérimental ortho- B du sol podzolique; le mélange S /B h gonal où toute espèce serait présente d’acides organiques, complexants ou non, dans chaque type de sol, et ou plusieurs leur concentration, l’acidité minérale éven- répétitions seraient effectuées. tuelle et/ou les phases saisonnières com- pliquent le système de référence. L’intervention dans le milieu naturel ne permet pas, dans la majorité des cas, de La substitution d’espèces forestières en place ce plan expérimental idéal. produit des modifications sensibles du mettre Le traitement statistique des données fonctionnement des sols que la méthode consiste en une analyse de variance à expérimentale permet de bien mettre en évidence. deux facteurs contrôlés (sol et espèce) en
modèle non orthogonal, suivi d’une ana- Les variables correlées aux axes, lyse factorielle discriminante (AFD) effec- Mg Al pour l’axe I, Al H ech ech , ech TRI + , , tuée à partir du modèle global de l’analyse Ca pourl’axe II ont permis de définir les ech mécanismes de fonctionnement des diffé- de variance. rents milieux. L’étude préalable de ces mé- Ce test statistique permet une visualisa- canismes permet de comprendre l’effet tion des positions relatives des points ex- des paramètres sol et espèce végétale. périmentaux dans le plan d’axes significa- Seule l’analyse séparée des répétitions tifs auxquels sont correlées des variables mises en place, permettrait un analyse de initiales. l’effet réel des sols et des essences et de Ces traitements de données ont été ef- leur interaction éventuelle; au plan maté- fectués en prenant en compte tout ou par- riel, la charge analytique n’est pas suppor- tie des horizons de sol, afin de mieux cer- table (seuls des tests de variabilité ont été ner l’effet espèce dans la mesure où il effectués). serait plus important en surface que sur le profil total. Les résultats de l’analyse de variance CONCLUSION montrent que l’effet type de sol est très im- portant, toutes les variables concernant Les premiers résultats de Sadio (1982) l’évolution de la zone interfoliaire sont montrent que les phyllosilicates trioctaédri- concernées; l’effet espèce, plus ténu, ap- ques et particulièrement la vermiculite sont paraît plus clairement sur les échantillons les minéraux les plus réactifs dans l’envi- issus des horizons superficiels; des va- ronnement acide des sols. La composition riables importantes telles l’aluminium du feuillet, mais aussi l’existence d’un es- échangeable, le calcium échangeable ou pace interfoliaire réactif (forte CEC) font l’acidité d’échange participent à la discrimi- que ce minéral se comporte à la fois nation de cet effet. puits (échange d’ions) et comme comme L’ensemble des analyses factorielles d’éléments (dissolution); une des source discriminantes (AFD) correspondant aux difficultés dans les expériences in situ est différents horizons considérés, conduit à de quantifier ces deux fonctions. des figures comparables. Le plan des L’étude des solutions du sol par une deux premiers axes significatifs de l’AFD méthode simple à mettre en &oelig;uvre (utilisa- prenant en compte le profil total entraîne tion des résines échangeuses d’ions) de- une discrimination assez nette des types vrait nous apporter quelques éléments de de sol (fig 8) sur l’axe I; le podzol est oppo- réponse, au moins sur le plan qualitatif. sé aux sols bruns (lessivés et acides), les Par souci de simplification nous n’avons sols podzoliques ont une position intermé- que les résultats d’une expé- présenté diaire plus proche des sols bruns. L’axe II rience in situ utilisant la vermiculite du participe à la discrimination d’un effet es- Kenya. Plusieurs autres expérimentations pèce déterminé par la position relative utilisant les vermiculites-test ont fait l’objet moyenne des espèces introduites épicéa- de publications (Ranger et Robert, 1985; douglas-pin sylvestre par rapport à l’es- Ranger et al, 1986; Bonnaud et al, 1985; pèce feuillue autochtone. La position des Hatton et al, 1987). peuplements mixtes semble plus liée à Les résultats obtenus permettent, en ré- l’espèce résineuse qu’à l’espèce feuillue férence aux expérimentations en condi- du mélange.
tions contrôlées, d’accéder aux méca- biologique qui leur est propre et la qualité nismes de fonctionnement des sols qui ne de leur humus est facilement qualifiable. concordent pas toujours avec ceux de la L’acidification des sols liée à l’introduction pédologie descriptive. L’effet des traite- de l’épicéa commun a pu être démontrée. ments sylvicoles et particulièrement des L’effet d’une espèce végétale dépend substitutions d’espèce peut être abordé du sol sur lequel elle se développe. Cette par cette méthode. dans la approche expérimentale permet, Dans la mesure où le contrôle minéralo- où les situations existent sur le ter- mesure rain, de réaliser rapidement un test compa- gique est effectué, la CEC, sa garniture io- ratif simple, la référence expérimentale nique, la spéciation de l’aluminium (en sol acide) caractérisent le fonctionnement des étant unique. Les résultats du test sont sta- sols. L’effet des espèces par le recyclage tistiquement visualisés, ce qui met en évi-
RÉFÉRENCES dence l’effet des paramètres type de sol - espèce forestière - traitement sylvicole dans les dispositifs équilibrés. Ayant préa- (1977) Chlorite and hydroxyl-. Barnishel RI lablement déterminé les mécanismes im- interlayered vermiculite and smectite. In: Mi- pliqués dans l’évolution des minéraux, en nerals in Soil Environments (Dinauer, ed) terme de fonctionnement des sols, on peut Soil Science Society of America, 331-350 interpréter les résultats du test statitisque. Bergvist B (1986) Metal fluxes in spruce of beech forest ecosystems of South Sweden. L’effet observé est un effet cumulé, Doctoral dissertation 1 vol, University of d’autres résultats tendant à montrer que Lund, 88 p l’on peut, par cette méthode, caractériser Bonnaud P, Hatton A, Nys C, Ranger J, Robert les fonctionnements saisonniers (Dam- M (1985) Soil physico-chemical studied by brine et al, 1989; Ranger et al, 1990 à pa- the in situ weathering of an introduced prima- raître). ry mineral. Colloque IUFRO Birmensdorf de cette méthode font Les (Switzerland), sept 85 potentialités largement diffusée est maintenant qu’elle CPCS (1967) Classification française des sols. par des études très variées de fonctionne- Pédologie ENSA Grignon, 50 p ment dans divers types de sols (sols Dambrine C, Robert M, Ranger J (1989) La pod- salés, sols ferralitiques, différenciation zolisation à l’étage subalpin : un processus typiquement hivernal. CR Acad Sci Paris Sér podzols, latosols en climat tropical, sols II 308, 1797-1802 sulfatés acides) ou des études d’in- Driscoll C, Van Breemen N, Mulder I (1985) Alu- fluences externes sur le fonctionnement minium chemistry in a forested spodosol. Soil des sols (sylviculture, apports externes). Sci Soc Am J 49, 437-444 Cette méthode devrait permettre d’une Espiau P, Pedro G (1989) Caractérisation du part de prévoir les risques de toxicité alu- complexe adsorbant des sols acides : capaci- minique (mise en cause, par exemple, té d’échange effective et taux d’acidité dans le dépérissement des forêts), et échangeable. (Amiet Y, ed) CR colloque d’autre part, de prévoir l’état des réserves, Caen 1987, AFES-Chambre Agriculture en particulier celles du complexe adsor- Basse Normandie 129-153 bant. En dessous d’un pH 5,5, là où les = (1979) Possible roles of mobile hy- Farmer VC risques de phytotoxicité de l’Al existent, droxyaluminium orthosilicate complex (protoi- plusieurs cas de distinguent : celui où mogolite) and other hydroxyaluminium, and 3+ l’Al est abondant et pour lequel c’est le hydroxy iron species in podzolisation. Collo- que Migrations organominérales en sols tem- rapport entre Al et Ca ou Mg qui déter- 3+ pérés, Nancy 4-7 sept, 278-279 mine la phytotoxicité, et celui où l’Al, bien Goh TB, Huang EM (1984) Formation of hydro- qu’abondant, est présent sous forme hy- xy-Al montmorillonite complexes as influen- droxylée, donc non phytotoxique. Dans les ced by citric acid. Can J Soil Sci 64, 411-421 sols bruns acides à réserves en alcalino- Hatton A, Ranger J, Robert M, Nys C, Bonnaud terreux, la toxicité de l’Al est réduite par P (1987) Weathering of a mica introduced l’hydroxylation et n’apparaît que lorsque into four acid forest soils. J Soil Science 38, l’acidification réduit fortement les réserves 179-190 en Ca et Mg qui sont alors remplacés par. Hauhs M, Wright RF (1986) Relationships bet- l’Al; dans les podzols où l’Al est complexé, ween forest decline and soil and water acidifi- sa phytotoxicité serait plus limitée. cation in Scandinavia and Northern Germa- L’étude approfondie de la dynamique ny. Proceedings of Mid South Symposium on acid deposition, little Rock AR, April 15-26 des échanges ioniques sol-solution devrait apporter des éléments de réponse à ces Hetier JM, Tardy Y (1969) Présence de vermicu- lite Al montmorillonite Al et chlorite Al et leur différentes questions.