Le sol - Propriétés et fonctions Tome 1
Constitution et structure, phénomènes aux interfaces

L'ouvrage se compose de deux tomes où l'essentiel des connaissances sur les sols est exposé: constitution, propriétés physiques, chimiques et physico-chimiques, rôle des organismes vivants.

Ces connaissances sont ensuite appliquées à la description des fonctions et de l'évolution des sols en relation avec les problématiques, agronomiques et environnementales.
Synthèse des données scientifiques les plus récentes et du savoir accumulé depuis plusieurs siècles, l'ouvrage est destiné aux étudiants et enseignants du BTS au 3e cycle universitaire et à ceux des grandes Ecoles d'Agriculture. C'est aussi une base pour tous les professionnels de l'agriculture.

Le tome 1 décrit les constituants inorganiques et organiques en donnant leurs principales caractéristiques chimiques et structurales et les propriétés qui en découlent. Une grande partie de ce tome est consacrée aux phénomènes aux interfaces dans le sol (tensions interfaciales, phénomènes d'adsorption/désorption, phénomènes de précipitation /dissolution, phénomènes colloïdaux).

En effet, le sol étant un milieu poreux, les phénomènes qui se déroulent aux interfaces liquide/solide, liquide/gaz ou gaz/solide sont particulièrement importants, ce qui justifie l'intérêt qui leur est porté.

Sommaire


TOME 1

INTRODUCTION 27

1 QU'EST-CE QUE LE SOL? 27

1-1 Les différentes perceptions du sol 27

1-2 La conception actuelle du sol 28

Il APERÇU HISTORIQUE 31

11-1 La période avant 1870 31

11-2 La période 1870-1900 33

11-3 La Période 1900-1940/50 34

11-4 Depuis 1950 34

III QUELLE APPELLATION POUR LA SCIENCE QUI ETUDIE LES SOLS? .36

IV LES ENJEUX DE LA SCIENCE DU SOL 39

IV-1 Sols et civilisations 39

IV-2 Les fonctions du sol .41

IV-21 Fonctions écologiques .41

IV-22 Fonctions technologiques .43

IV-23 Fonction socio-économique .43

IV-3 Le contexte de la science du sol .44

IV-31 Les sols et l'agriculture .44

IV-311 Contraintes pédologiques .45

IV-312 Contraintes physiographiques .49

IV-313 Ressources globales en sols 50

IV-32 Le contexte environnemental 52

IV-321 Les substances polluantes 52

IV-322 Les sols et la qualité de l'air 56

IV-323 Les sols et la qualité des eaux 57

IV-4 Enjeux scientifiques et pédagogiques 59

V PRESENTATION DE L'OUVRAGE 61

CONSTITUTION ET STRUCTURE DU SOL 81

Chapitre 1

LE SOL, MILIEU A TROIS PHASES 82

1 IMPORTANCE RELATIVE DES TROIS PHASES 82

Il CARACTERISTIQUES GENERALES DES PHASES DU SOL 84

11-1 La phase solide du sol 84

11-2 La phase liquide du sol 86

11-3 La phase gazeuse du sol 87

III LES ORGANISMES VIVANTS DU SOL 88

IV LE SYSTEME « SOL» 89

Chapitre 2

CONSTITUANTS INORGANIQUES 94

1 COMPOSITION DE LA PHASE SOLIDE INORGANIQUE DES SOLS .. .94

1-1 Composition élémentaire 94

1-2 Composition minéralogique 96

1-3 Composition granulomètrique ; 97

1-31 Composition granulomètrique des sols 98

1-311 Classes granulométriques 98

1-312 Distribution pondérale des particules 99

1-32 Méthodes de détermination de la composition granulomètrique 101

1-321 Prétraitements des matériaux terreux 101

1-3211 Tri des matériaux grossiers 102

1-3212 Séparation des particules inorganiques 102

1-322 Séparation des particules 102

1-3221 Tamisage 103

1-3222 Séparation par sédimentation 103

1-33 Texture et appellations texturales des sols 103

Il COMPOSITION ET STRUCTURE DES MINERAUX 105

11-1 Données générales sur les solides ioniques 105

11-11 Ions et liaisons ioniques 105

11-12 Arrangement des ions 107

11-2 Les silicates primaires 107

1/-21 Les arrangements de base 108

/1-22 Les micas 109

11-3 Les minéraux argileux 114

1/-31 L'argile et les minéraux argileux,
définitions et un peu d'histoire 114

1/-32 Caractères généraux de la structure des minéraux argileux 116

111-321 Edifices phylliteux 116

111-3211 Structure des feuillets 116

111-3212 Empilements des feuillets 118

11I-322 Classification des minéraux argileux 119

1/-33 Structure des principaux minéraux argileux 121

11-331 Kaolinites 121

11-332 Les smectites 122

11-333 lIIites 124

11-334 Les chlorites 124

11-335 Les vermiculites 124

1/-34 Structure des minéraux non argileux 125

11-341 Les oxydes, oxyhydroxydes et hydroxydes 126

11-3411 La goethite 126

11-3412 La gibbsite 127

11-3413 La silice 127

11-342 Minéraux amorphes 127

11-3421 Gel de silice, l'opale 127

11-3422 Oxydes et hydroxydes de fer et d'aluminium 128

11-3423 Oxydes et hydroxydes de fer et d'aluminium amorphes 128

11-3424 Autres minéraux 128

III PROPRIETES DES MINERAUX DES SOLS 128

111-1 Propriétés physiques 129

II/-Il Taille et forme des particules minérales 129

11/-12 Aire spécifique de surface 130

111-121 Surfaces concernées et Définitions 130

111-122 Valeurs de l'aire spécifique de surface 132

111-123 Principe de détermination des aires spécifiques
de surface 133

11I-2 Propriétés physico-chimiques 134

/11-21 Propriétés de dissolution en milieux aqueux 134

/11-22 Propriétés liées à la présence de surfaces porteuses
de charges électriques 135

/11-23 Propriétés d'adsorption des molécules non ionisées 137

Chapitre 3

CONSTITUANTS ORGANIQUES 1••••••••••••159
1 NATURE DES CONSTITUANTS ORGANIQUES DES SOLS 159

1-1 Définitions 159

1-2 Obtention des constituants organiques 163

1-21 Fractionnement physique des constituants organiques 163

1-211 Fractionnement selon le critère dimensionnel 163

1-212 Fractionnement selon le critère densimétrique 164

1-22 Séparation des constituants organiques moléculaires 165

1-221 Extraction des constituants organiques 165

1-222 Fractionnement chimique 166

1-2221 Fractionnement des substances humiques 166

1-2222 Fractionnement des substances dissoutes 167

1-3 Quantité et composition globale de la matière organique des sols 168

1-31 Carbone 170

1-32 Azote 172

1-33 Phosphore 173

1-34 Soufre 173

' SUBSTANCE NON HUMIQUES 174

11-1 Composés azotés 174

11-11 Acides aminés 174

11-12 Sucres aminés 174

11-2 Hydrates de carbone 176

11-3 Les lipides 179

'' SUBSTANCES HUMIQUES 180

111-1 Les acides humiques 181

11I-Il Composition 181

11I-12 Structure des substances humiques 183

111-2 L'Humine 185

111-3 Méthodes d'étude des substances humiques 187

11I-31 Méthodes destructives appliquées aux acides fulviques et humiques .187

111-311 Méthodes chimiques 187

111-3111 Méthodes basées sur des réactions d'hydrolyse 187

111-3112 Méthodes basées sur des réactions de réduction 188

111-3113 Méthodes basées sur des réactions d'oxydation 188

11/-312 Méthodes thermiques 188

111-3121 Méthode thermogravimétrique 188

111-3122 Méthode couplant la pyrolyse et la spectrométrie de masse .189

111·32 Méthodes physiques non destructives 189

11I-321 Spectroscopie UV-Visible 189

111-322 Spectro~copie par absorption infrarouge 191

111-323 Spectroscopie par résonance électronique de spin 191

111-324 Spectroscopie par résonance magnétique nucléaire 192

11I-4 Propriétés des substances humiques 193

11I-41 Propriétés physiques 193

111-411 Dimensions des particules humiques 193

111-412 Masse moléculaire 194

111-42 Propriétés chimiques ' 195

111-421 Ionisation des groupes fonctionnels 195

11I-422 Complexation des cations métalliques 196

111-423 Propriétés d'adsorption 197

111-424 Stabilité chimique 197

IV ROLES DES MATIERES ORGANIQUES 197

Chapitre 4

STRUCTURE DES SOLS., . ., .. .,., .. ., .. ., . ., .... ., . ., .. .,219
1DESCRIPTION DE LA STRUCTURE
: LA PHASE' SOLIDE 220

1-1 Le concept d'assemblage des constituants du sol;
les agrégats et les mottes 220

1-2 Description morphologique de la structure 221

1-21 Macromorpho/ogie des sols 221

1-211 Classification de l'USDA (1951) ­
déterminisme pédogénétique 221

1-212 Classification agronomique-déterminisme cultural 223

1-22 Description micromorpho/ogique de la structure 225

1-3 Les liaisons impliquées dans les assemblages 226

1-31 Les différents niveaux d'association 227

1-32 Origine des différentes liaisons 231

1-321 Interactions entre les particules de minéraux argileux .. , .231

1-322 Interactions avec la matière organique 231

1-3221 Les micro-organismes et l'agrégation 232

1-3222 Les végétaux et l'agrégation 232

1-3223 Les animaux et l'agrégation 233

1-323 Interactions avec les sesquioxydes métalliques 233

Il DESCRIPTION DE LA STRUCTURE
: L'ESPACE PORAL 233

11-1 Morphologie des pores 233
11-2212 Division selon l'origine des pores; porosité
11-2213 Division selon la rétention de l'eau; porosité capillaire

11-2 Porosité du sol 235

1/-21-Porosité totale 235

11-211 Définitions 235

11-212 Valeurs de la porosité totale et facteurs de variation 236

11-213 Méthodes de détermination 237

11-2131 Détermination de la porosité au laboratoire 237

11-2132 Détermination de la porosité sur le terrain 237

1/-22-Partition de l'espace porai 238

11-221 Division de l'espace poral en plusieurs parties 238

11-2211 Division selon un critère dimensionnel 238

texturale et structurale 239

et non capillaire 241

1/-23-Distribution des tailles de pores 242

11-231 Analogie capillaire 242

11-232 Exemples de distribution et facteurs de variations 243

III METHODES D'ETUDE DE LA STRUCTURE 245

11I-1 Les différents types de méthodes 245

111-2 L'analyse d'agrégats 246

IV LES PROFILS DE SOL 247

IV-1 Profils de sol pédogénétiques 249

IV-2 Profil cultural 250

V LES DIFFERENTS SOLS ET LES CLASSIFICATIONS DES SOLS 251

LES PHENOMENES DANS LE SOL 269

Chapitre 5

PHENOMENES PHYSICO-CHIMIQUES
AUX INTERFACES DANS LE SOL 270

1PHENOMENES AUX INTERFACES 270

1-1 Définitions et nature des phénomènes; notion d'interface,
phénomène d'adsorption 271

1-2 Inventaire des phénomènes aux interfaces dans le sol 274

11-INTERFACE LIQUIDE/GAZ 275

11-1 Tensions interfaciales et énergies de surface 275

1/-11-Aspects moléculaires 276

1/-12 Aspectthermodynamique 278

1/-13 Valeurs des tensions interfaciales liquide/gaz 280

11-131 Influence de la nature chimique de la phase liquide 281

11-132 Influence de la température 281

11-133 Influence des solutés 282

11-134 Tension interfaciale eau/air dans les sols 284

11-2 Conséquences des tensions interfaciales 284

1/-21 Energies d'adhésion et de cohésion 284

11-211 Equilibre d'une goutte d'eau sur une surface solide 284

11-212 Définition de l'énergie d'adhésion 285

11-213 Définition de l'énergie de cohésion 287

1/-22-Energie d'un liquide en présence d'un ménisque
à l'interface liquide/gaz 287

11-221 loi de laplace-Young 11-223 loi de Kelvin, énergie potentielle de l'eau contenue
287

11-222 loi de Jurin, ascension capillaire 288

dans un tube capillaire 290

III ADSORPTION A L'INTERFACE GAZ/SOLIDE 291

111-1 Isothermes d'adsorption 291

II/-Il Obtention des isothermes d'adsorption 292

11/-12 Types d'isothermes d'adsorption 292

11I-2 Energies d'adsorption -quelques éléments de thermodynamique .294

11I-3 Formulation des isothermes d'adsorption 295

11/-31 Milieux non poreux , , ,,, 295

111-311 Surfaces homogènes-couche adsorbée monomoléculaire 295

111-312 Surface homogène-couche adsorbée plurimoléculaire ., .297

111-313 Surfaces hétérogènes , , , ' , .299

11/-32 Milieux poreux, ,,, 300

111-4 Adsorption de l'eau par les minéraux argileux ., , , 302
111-412 Distance interfeuillets .' , , , , ,307
111-421 Interactions mises en jeu dans l'adsorption

11/-41 Observations expérimentales .., ,, 302

111-411 Isothermes d'adsorption et de désorption , , ..303

11/-42 Etapes et mécanismes de l'adsorption ,..,, ,, , 309

des molécules d'eau .. , ... ' .. ' ... , ... , .... , 309

111-422 Energies mises en jeu par le processus d'hydratation 310

111-423 les étapes de l'hydratation . , , , . , . , , 311

IV INTERFACE LIQUIDE/SOLIDE 313 IV-l Adsorption à l'interface liquide/solide 313 IV-ll Caractéristiques générales de l'adsorption à l'interface liquide/solide 31 3 IV-lll Méthodes d'étude de l'adsorption 314 IV-1111 Description des méthodes 314 IV-' 12 Facteurs expérimentaux 31 7 IV-l12 Cinétiques de l'adsorption et de la désorption 318 IV-1121 Cinétiques et différents types de systèmes 319 IV-1122 Approche des lois des cinétiques d'adsorption et de désorption 320 IV-] ] 22] Théorie de Langmuir 320 IV-] ] 222 Limitation des vitesses d'adsorption et de désorption en milieux hétérogènes 321 IV-1123 Modélisation des cinétiques de sorption 323 IV-]] 23] modèles basés sur l'énergétique des liaisons 324 /V-]] 232 Modèles basés sur la composition des milieux 324 IV-] ] 233 Modèles basés sur la diffusion moléculaire 324 IV-l13 Aspects énergétiques de l'adsorption 325 IV-12 Adsorption des petites molécules non ionisées 328 IV-121 Surfaces adsorbantes et nature des interactions molécules-surface 328 IV-122 Isothermes d'adsorption et de désorption 329 IV-1221 Types d'isothermes 329 IV-1222 Modélisation des isothermes 332 IV-] 222] Relation de Langmuir 332 IV-] 2222 Relation de van Bemmelen-Freundlich 332 IV-] 2223 Equation de Langmuir généralisée 333 IV-] 2224 ApproXImation linéaire 334 IV-1223 Modélisation des isothermes de désorption 335 IV-]223] Extension de la formulation de Freundlich 335 /V-] 2232 Formulation basée sur l'existence de deux populations de molécules adsorbées 335 IV-123 Facteurs de variation des quantités adsorbées 335 IV-1231 Conditions physico-chimiques 335 IV-1232 Propriétés des molécules 336 IV-1233 Composition des sols 337 IV-13 Adsorption des ions 338 IV-131 Les ions du sol et les mécanismes d'adsorption 338 IV-132 Les charges électriques portées par les surfaces 341 IV-l321 Origines des charges électriques des surfaces 341 IV-1322 Nombre et bilans des charges électriques 342 IV-1323 Les points de charge nulle 343 IV-1324 Concept de double couche électrique 344 IV-] 324] Base du concept de double couche électrique 344 /V-73242 Distribution des ions-Théorie de Gouy Chapman 346
IV-133 Données expérimentales 348
1V-13322 Distance de séparation entre les cations compensateurs
IV-l 3512 Valeurs de la capacité d'échange cationique des sols
IV-333 Partition entre les solvants organiques et l'eau ­
IV-1331 L'appréhension expérimentale de l'adsorption des ions 348

IV-1 332 Ions adsorbés sans complexation 351

1V-l 3321 Influence de la charge des cations 351

et la surface adsorbante 352

IV-1 333 Ions adsorbés avec complexation 355

IV-13331 Mise en évidence des deux mécanismes 355

1V-13332 Influence du pH 356

IV-13333 Influence de la nature de l'adsorbant 359

IV-134 Modélisation des échanges d'ions 361

IV-1341 Définition des constantes d'échange 361

IV-1342 Modélisation de l'adsorption des ions 363

IV-13421 Approche macroscopique 363

1V-13422 Approche moléculaire 364

IV-135 Le complexe adsorbant des sols et sa composition ionique .364

IV-1351 Définition du complexe adsorbant 364

IV-1 352 capacité d'échange cationique (CEC) 365

IV-13521 Définition 365

et de leurs constituants 366

IV-1353 Taux de saturation de la capacité d'échange cationique 369

IV-2 Phénomènes colloïdaux 371

IV-2I Caractéristiques générales des colloïdes 371

IV-22 Agrégation des colloides 372

IV-221 Forces interparticulaires 373

IV-222 Modélisation de la stabilité colloïdale 374

IV-223 Effet de l'adsorption sur la stabilité colloïdale 375

IV-3 Phénomènes de précipitation et de dissolution 378

IV-3I Nature des phénomènes 378

IV-32 Dissolution et précipitation des minéraux 379

IV-321 Caractéristiques générales 379

IV-3211 Mécanismes de dissolution 379

IV-3212 Constante de dissolution et produit de solubilité 381

IV-3213 Diagramme des rapports d'activités 382

IV-3214 Facteurs influençant la dissolution 385

IV-322 Solubilité des oxydes et des hydroxydes 386

IV-323 Solubilité des carbonates 387

IV-3231 Systèmes clos 387

IV-3232 Systèmes ouverts 388

IV-324 Précipitation 389

IV-33 Dissolution et précipitation des composés organiques 391

IV-331 Caractéristiques thermodynamiques 392

IV-332 Dissolution des gaz-partition air/eau 395

coefficient de partage octanol/eau 396

Contenu du TOME Il

LES PHENOMENES DANS LE SOL 23

Chapitre 6

PHENOMENES CHIMIQUES 24

1 REACTIONS 0 'IONISATION 25

Il REACTIONS DE COMPLEXATION DES METAUX 31

III PHENOMENES D'OXYDO-REDUCTION 37

IV TRANSfORMATIONS CHIMIQUES DES COMPOSES ORGANIQUES 46

V ASPECTS CINETIQUES 55

Chapitre 7

PHENOMENES PHYSIQUES 97

1 STOCKAGE ET CIRCULATION DES fLUIDES 99

Il TRANSPORT DES SOLUTES 158

LES PROCESSUS PEDOLOGIQUES
ET LEURS APPLICATIONS 247

Chapitre 8

LA FONCTION MILIEU BIOLOGIQUE DES SOLS 249

1 PHYSIQUES DE LA fONCTION MILIEU BIOLOGIQUE 249

Il PHYSICO-CHIMIE DE LA fONCTION MILIEU BIOLOGIQUE 276

III BIODISPONIBILITE DES SUBSTANCES DANS LE SOL ' 298

Chapitre 9

LA fONCTION ENVIRONNEMENTALE DES SOLS 365

1LES SOLS, DETERMINANTS DE LA QUALITE CHIMIQUE
DES MILIEUX 366

'fONCTION DES SOLS DANS LES CYCLES BIOGEOCHIM/QUES 399

Chapitre 10

LES PROCESSUS D'EVOLUTION DES SOLS .445

1PROCESSUS DE PEDOGENESE .447

' DEGRADATION DES SOLS .462