Fiche de révision : Matière organique et phases du sol

📋 Plan du Cours

1. Le sol, interface et réservoir vivant
2. Organisation et texture du sol
3. Altération minérale et pédogenèse
4. Origine et minéralisation de la matière organique
5. Minéralisation et humification
6. Complexe argilo-humique et bioturbation
7. Porosité et gaz du sol
8. Eau du sol et réserve utile
9. Réserves en eau du sol
10. Capacité d’échange cationique
11. Succession écologique et pédogenèse
12. Végétation et types d’humus
13. Services écosystémiques des sols
14. Dégradations liées à l’agriculture intensive
15. Artificialisation et dégradation des sols

📖 1. Le sol, interface et réservoir vivant

🔑 Notions clés & Définitions

• Sol : Albert Demolon (1932) définit le sol comme une formation naturelle de surface, meuble et d’épaisseur variable, issue de la transformation de la roche mère sous l’influence de processus physiques, chimiques et biologiques, au contact de l’atmosphère et des êtres vivants.
• Pédogenèse : Ensemble des processus conduisant à la formation d’un sol par transformation de la couche superficielle de la roche mère sous l’action notamment des pluies et des êtres vivants.

★ À maîtriser

• Le sol est un réservoir de biodiversité microbienne, animale et végétale, et les organismes qui y vivent recyclent la matière organique en éléments minéraux nécessaires à la croissance des végétaux.

Compléments

• L’artificialisation des sols peut entraîner pollution, déstockage du carbone, érosion et inondations, et compromettre des services écosystémiques tels que l’épuration des eaux souterraines, le stockage du carbone et la fourniture de substrats aux êtres vivants.

📖 2. Organisation et texture du sol

🔑 Notions clés & Définitions

• Horizons du sol : Les horizons sont les niveaux superposés qui composent le sol ; les horizons superficiels sont les plus riches en matière organique et en organismes vivants, tandis que la fraction minérale augmente en profondeur jusqu’à la roche mère.

★ À maîtriser

• La phase solide constitue en moyenne 40 % à 70 % du volume du sol et est composée à plus de 95 % de fraction minérale ; le volume restant correspond aux phases liquide et gazeuse, dont les proportions dépendent de l’hydratation.

• Dans un brunisol, les niveaux se succèdent de la surface vers la profondeur : horizon organique O, horizon de lessivage A, horizon d’accumulation B, horizon d’altération C, roche mère peu ou pas altérée, parfois notée R

Compléments

• Dans un brunisol, l’horizon A contient des proportions égales d’humus et de matière minérale et constitue la terre arable propice à la nutrition des plantes.

• Les variations latérales du sol peuvent dépendre de : la répartition des organismes aériens et de leurs apports organiques, la présence et les mouvements d’eau, la variation de la roche mère, les microclimats

📖 3. Altération minérale et pédogenèse

★ À maîtriser

• La fraction minérale du sol provient de l’altération de la roche mère, et la texture est déterminée par les proportions de sable, de limon et d’argile.

• Les classes granulométriques sont :

  • les graviers de moins de 2 cm
  • les sables de moins de 2 mm
  • les limons de moins de 50 µm
  • les argiles de moins de 2 µm

Compléments

• Les graviers facilitent l’infiltration de l’eau en profondeur et le drainage, tandis que les sables favorisent la porosité, la perméabilité à l’eau et la circulation de l’air.

• En grande quantité, les limons remplissent les pores et rendent le sol imperméable à l’eau et anoxique.

• Les argiles retiennent l’eau et des ions, notamment K+.

• La texture du sol dépend de la vitesse d’altération de la roche mère par les agents physico-chimiques et de l’activité des organismes présents dans le sol.

💡 Astuce mémo

Racines et biofilms → altération accélérée

📖 4. Origine et minéralisation de la matière organique

★ À maîtriser

• La fraction organique du sol représente généralement 0,4 à 10 % de sa masse et comprend les molécules organiques présentes hors organismes vivants.

• La matière organique du sol comprend :

  • la nécromasse (cadavres)
  • les feuilles mortes
  • les fruits morts
  • le bois mort
  • le mucus
  • les mues
  • les déjections des êtres vivants, dont l’urée

Compléments

• La minéralisation primaire commence par la fragmentation de la matière organique en particules plus petites par les détritivores.

📖 5. Minéralisation et humification

★ À maîtriser

• Les champignons et les bactéries décomposeurs oxydent la matière organique en CO2, H2O, SO42−, NO3− et Fe3+ lors de la minéralisation primaire.

• Les composés phénoliques tels que la lignine et les tanins échappent à la minéralisation primaire et contribuent à former l’humus, constitué de polymères non dégradables par les minéralisateurs.

• Quel que soit son mode de formation, l’humus s’oxyde spontanément mais très lentement lors de la minéralisation secondaire.

• Une bonne minéralisation nécessite un rapport C/N assez faible, autour de 15, car les détritivores et les décomposeurs ont besoin de carbone comme source d’énergie et d’azote pour synthétiser leurs protéines.

Compléments

• Les détritivores se répartissent en :

  • nécrophages
  • saprophages
  • coprophages
  • géophages

• La pédofaune comprend la macrofaune visible à l’œil nu, la mésofaune de 200 µm à 2 mm visible à la loupe binoculaire et la microfaune de moins de 200 µm, notamment les protozoaires et les nématodes.

• L’humification se fait par héritage lorsque des polymères sont peu transformés et persistent sous forme d’humines résiduelles.

• Lors de l’humification par polycondensation, des polymères libérés par la digestion extracellulaire des minéralisateurs se recombinent spontanément avec des monomères d’oses et d’acides aminés pour former des molécules de plus en plus ramifiées.

• Les acides fulviques sont brun-jaune clair et solubles à tout pH grâce à leurs groupements alcools et acides carboxyliques.

• Les acides humiques sont marron et solubles en milieu basique grâce à leurs groupements COO−.

• L’humification par néosynthèse bactérienne microbienne produit des humines provenant des parois de bactéries mortes.

📌 Si le carbone ou l’azote manque, la minéralisation ralentit ou s’arrête, ce qui prive les végétaux d’éléments nutritifs et peut dégrader la structure du sol.

• Un rapport C/N voisin de 100 caractérise une matière végétale riche en lignine, dépourvue d’azote et difficilement dégradable.

💡 Astuce mémo

Minéralisation : la matière organique devient minérale ; humification : elle forme de l’humus.

📖 6. Complexe argilo-humique et bioturbation

🔑 Notions clés & Définitions

• Complexe argilo-humique : Association d’acides humiques et d’argiles liées par des ions Ca2+, Fe2+ ou Fe3+, qui forment un pont entre ces constituants électronégatifs.
• Espèce ingénieure : Espèce qui modifie la structure de son écosystème ; les lombrics en sont un exemple.

★ À maîtriser

• Le complexe argilo-humique fixe de manière réversible les cations de la solution du sol et contribue ainsi à la nutrition des plantes.

• Dans l’intestin des animaux géophages, le calcium sécrété par les glandes digestives favorise l’association étroite des argiles et de l’humus et la formation du complexe argilo-humique ; dans le sol, la glomaline, glycoprotéine produite par des champignons mycorhiziens à arbuscules, contribue à la stabilité des agrégats.

Compléments

• Les micelles d’humus empêchent la dispersion des argiles et stabilisent le sol.

• En creusant des galeries verticales, les lombriciens enfouissent la litière et forment des turricules en surface.

• Les galeries de bioturbation améliorent l’écoulement de l’eau et l’aération du sol, favorisent la pénétration profonde des racines et améliorent ainsi l’ancrage et la nutrition des végétaux, tout en enrichissant le sol en matière organique et en favorisant la multiplication des bactéries.

• En sol acide, les bactéries sont peu nombreuses et les lombriciens qui s’en nourrissent sont absents, tandis que des enchytrides mycétophages sont présents mais ont une capacité de bioturbation limitée en raison de leur petite taille.

💡 Astuce mémo

Galeries et calcium → mélange de litière et d’argiles, puis formation du CAH.

📖 7. Porosité et gaz du sol

★ À maîtriser

📌 La porosité texturale résulte de l’agglomération des composants du sol, tandis que la porosité structurale résulte de l’action des organismes, notamment la bioturbation animale et la croissance des racines.

Compléments

• Les gaz sont contenus et circulent dans les pores du sol, qui sont plus ou moins interconnectés et comprennent des macropores et des micropores.

• La porosité du sol dépend notamment de sa granulométrie et influence l’importance de la fraction gazeuse.

• Un sol non tassé présente une porosité d’environ 40 %.

• Les échanges entre les gaz du sol et ceux de l’atmosphère sont relativement réduits, ce qui permet au sol d’agir comme un isolant thermique et favorise le passage de l’hiver par de nombreux animaux et végétaux.

• La respiration des organismes du sol consomme de l’O2 et produit du CO2 ; les racines végétales représentent la moitié de la respiration du sol.

• En respiration anaérobie, les bactéries méthanogènes produisent du CH4 et les bactéries dénitrifiantes produisent du N2O.

• Des bactéries libres ou symbiotiques fixent le N2 ; Rhizobium est un exemple de bactérie symbiotique des Fabacées.

💡 Astuce mémo

Macropores : circulation ; micropores : pores moins interconnectés.

📖 8. Eau du sol et réserve utile

🔑 Notions clés & Définitions

• Perméabilité du sol : Aptitude à laisser passer l’eau, caractérisée par une vitesse et rendue possible seulement par la macroporosité, ou porosité efficace.
• Réserve utile : Fraction d’eau du sol que les plantes peuvent prélever entre la capacité au champ et le point de flétrissement permanent.
• Teneur en eau à saturation : Teneur maximale en eau du sol lorsque tous ses pores sont remplis.
• Potentiel hydrique : Résultante des forces qui retiennent l’eau dans les pores ; il est toujours négatif et exprimé en unités de pression.
• Capacité au champ : Maximum d’eau liée présent dans le sol après ressuyage ; l’eau capillaire est alors aisément mobilisable par la plante.
• Point de flétrissement permanent : Situation où l’eau n’est plus mobilisable par les plantes et où toute l’eau liée est de l’eau non disponible, c’est-à-dire de constitution ou de rétention.

★ À maîtriser

• L’eau capillaire, retenue par tension superficielle dans les interstices entre les particules, est la seule fraction réellement disponible pour les végétaux, qui peuvent vaincre les forces capillaires.

Compléments

• L’eau du sol provient de la pluie, mais seule une partie est utilisable par les plantes.

📌 L’eau de gravité circule librement dans les pores sans être retenue par le sol et percole quelques heures ou quelques jours après un arrosage ou des précipitations lors du ressuyage ; elle est pratiquement inutilisée par les végétaux.

📌 L’eau de rétention est fortement adsorbée par les particules du sol et l’eau de constitution est emprisonnée dans des particules hydrophiles comme les argiles ; ces deux formes d’eau liée ne sont pas disponibles pour les végétaux.

💡 Astuce mémo

Gravité → percolation ; capillarité → disponibilité ; rétention et constitution → indisponibilité.

📖 9. Réserves en eau du sol

🔑 Notions clés & Définitions

• Flétrissement : Perte de rigidité d’une plante herbacée due à un manque d’eau qui affecte sa turgescence et le maintien du végétal.

★ À maîtriser

📌 Dans un sol sableux, les grosses particules forment de grands pores, ce qui réduit les forces capillaires et facilite l’absorption d’eau, mais accroît le ressuyage et diminue la capacité au champ.

• La réserve utile augmente lorsque la taille des particules diminue, comme dans un sol limono-argileux.

• La matière organique du sol peut retenir jusqu’à 90 % de son poids en eau grâce aux liaisons hydrogène qu’elle forme avec l’eau.

Compléments

• Un sol sableux nécessite une irrigation régulière en raison de sa faible capacité de rétention en eau.

💡 Astuce mémo

Grosses particules → grands pores → ressuyage accru

📖 10. Capacité d’échange cationique

🔑 Notions clés & Définitions

• Capacité d’échange cationique : Quantité maximale de cations de la solution du sol qu’un sol peut fixer à un pH donné.

★ À maîtriser

• Les colloïdes négativement chargés du sol, notamment les argiles et les acides humiques et fulviques, retiennent les cations ; en l’absence de cations, les argiles se repoussent et restent dispersées, tandis qu’en présence de calcium ou de fer elles s’associent par flocculation.

• Le complexe argilo-humique limite la lixiviation des cations, qui peuvent ensuite être libérés dans la solution du sol et absorbés par les plantes, ce qui augmente la fertilité du sol.

Compléments

• La solution du sol contient des ions issus de l’altération des roches, comme K⁺, et du recyclage de la matière organique, comme NH₄⁺, NO₃⁻ et PO₄³⁻.

• En pratique, la CEC est mesurée à partir des quantités de Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺ et Na⁺, qui représentent 99 % des cations fixés dans un sol.

• Les substances humiques peuvent fixer 5 à 10 fois plus de cations que les argiles, car elles portent davantage de charges négatives.

• La CEC est élevée dans les sols argileux et faible dans les sols sableux.

• Dans un sol acide, les protons occupent des sites du complexe d’échange et diminuent fortement la CEC ; la croissance des plantes est réduite et la minéralisation de la nécromasse ralentit, ce qui appauvrit la solution en cations et diminue la fertilité.

• Les nitrates et les phosphates ne sont globalement pas retenus par le sol, subissent la lixiviation et peuvent polluer les cours d’eau et provoquer leur eutrophisation par prolifération d’algues.

💡 Astuce mémo

Les cations sont retenus par le CAH, les anions sont lixiviés

📖 11. Succession écologique et pédogenèse

🔑 Notions clés & Définitions

• Effet Janzen-Connell : Rétroaction négative d’une espèce sur ses propres descendants par l’intermédiaire de micro-organismes pathogènes du sol.

★ À maîtriser

• La pédogenèse permet la formation d’un sol et accompagne une succession écologique primaire depuis la roche mère jusqu’au stade climacique.

• 🔄 La formation du lithosol suit ces étapes :

  1. Des biofilms de cyanobactéries et de lichens colonisent la roche nue.
  2. Les débris de ces organismes nourrissent des biofilms de bactéries et de mycètes hétérotrophes.
  3. Les biofilms retiennent l’eau et des éléments minéraux et organiques, s’ancrent au substrat et attaquent la roche
  4. Le sol formé constitue un lithosol.

• Les plantes pionnières favorisent des pathogènes du sol spécifiques qui nuisent aux plantules de la même espèce ; leur mort et leur décomposition enrichissent et épaississent le sol, tandis que de nouvelles espèces colonisent l’espace libéré.

• 🔄 La succession des formations végétales est :

  1. lande à chaméphytes buissonnantes
  2. jeune forêt à phanérophytes arborescents
  3. forêt mature du stade climacique

• Avec le temps, la dégradation de l’humus et la lixiviation du calcium, tandis que le fer s’oxyde, brunissent le sol ; le sol brun s’épaissit jusqu’à ce que sa vitesse de formation égale sa vitesse d’érosion.

• Après plusieurs dizaines d’années de pluie, le calcium est lixivié et les argiles, moins retenues par le fer, migrent vers les horizons profonds où elles reforment des complexes stables avec le calcium issu de l’altération de la roche mère, produisant un sol brun lessivé.

Compléments

• Les lichens et biofilms facilitent l’installation de mousses et de petites plantes pionnières herbacées annuelles sur le lithosol, dont l’épaisseur n’est alors que de quelques centimètres.

• Les plantes pionnières annuelles sont des stratèges r et se dispersent efficacement grâce à une production abondante de graines.

• Au stade prairie, des herbacées bisannuelles ou vivaces, souvent cryptophytes passant l’hiver sous forme de bulbes, tubercules ou rhizomes, se développent tôt à la fin de l’hiver et supplantent les annuelles ; leur multiplication végétative favorise la colonisation et la fermeture horizontale de l’espace.

• Dans les forêts tempérées climaciques, une espèce végétale dominante bénéficie de rétroactions positives de micro-organismes du sol sur ses descendants, phénomène appelé effet Janzen-Connell inversé.

• Dans une forêt climacique tempérée, la biodiversité animale est maximale et les réseaux trophiques sont très complexes malgré la dominance d’une espèce arborescente.

• L’altération de la roche mère et les apports de matière organique épaississent le sol jusqu’à environ un mètre, tandis que le calcium ou le fer libéré participe à la formation du complexe argilo-humique et que l’humus rend sombres les horizons superficiels du jeune sol.

• Le sol brun lessivé constitue le stade final de la pédogenèse sous une forêt caducifoliée en milieu tempéré, appelé pédoclimax.

💡 Astuce mémo

Lithosol → pelouse → prairie → lande → forêt climacique

📖 12. Végétation et types d’humus

🔑 Notions clés & Définitions

• Humus moder : Humus caractérisé par une très faible minéralisation, une humification essentiellement par héritage et une forte présence d’acides fulviques.

★ À maîtriser

• Dans une prairie, les herbacées pauvres en tissus secondaires et en lignine ont un rapport C/N inférieur à 15.

• Dans les prairies, les lombrics se nourrissent des bactéries du sol ; la matière organique est rapidement enfouie et dégradée par les bactéries, la minéralisation est rapide et l’humification se fait surtout par néosynthèse bactérienne et polycondensation sans modifier le pH, contribuant à un sol fertile à CEC importante et à un recyclage rapide de la matière organique.

• Dans une forêt climacique composée de chênes, de hêtres ou de pins, la matière organique riche en lignine présente un rapport C/N compris entre 20 et 100.

• Les mycètes produisent des acides qui abaissent le pH du sol de 5,5 à 4 et inhibent la croissance des bactéries concurrentes.

• La CEC est deux fois plus faible en forêt qu’en prairie, notamment parce que l’acidité du sol la réduit.

Compléments

• Les bactéries du sol ont un rapport C/N compris entre 5 et 10.

• L’humus de prairie est de type mull, aussi appelé humus doux.

• L’humus de forêt climacique est de type moder.

• Dans les sols forestiers, les mycètes ont un rapport C/N compris entre 20 et 100 et sont moins exigeants en azote que les bactéries.

• Les tanins abondants dans les feuilles provoquent des troubles digestifs chez les détritivores phytophages.

• Les acides fulviques contribuent peu à la formation du complexe argilo-humique, et l’absence de lombriciens entraîne une très faible quantité de ce complexe dans les sols forestiers concernés.

• Dans ces sols forestiers acides et pauvres en ions, les arbres poussent lentement, la productivité est faible et le recyclage de la matière organique est lent.

💡 Astuce mémo

Prairie : C/N faible et mull ; forêt : C/N élevé et moder

📖 13. Services écosystémiques des sols

★ À maîtriser

• Les services écosystémiques rendus par les sols se répartissent en trois groupes :

  • services d’approvisionnement
  • services de régulation
  • services culturels

• La fertilité des sols permet de produire de la biomasse destinée à l’alimentation, aux fibres textiles, au papier, aux matériaux de construction comme le bois et à l’énergie comme le biogaz ou le bois de chauffage.

• Les détritivores et les décomposeurs minéralisent les déchets biologiques, ce qui reconstitue la fertilité du sol et limite la prolifération des agents pathogènes.

• Les sols filtrent l’eau de pluie en retenant notamment les métaux lourds comme le cuivre, les pesticides et les polluants industriels, mais ils peuvent accumuler ces polluants à long terme.

Compléments

• La portance du sol fournit un substrat nécessaire à la vie et aux activités humaines, mais elle peut diminuer sur les sols argileux pluvieux lorsque les argiles floculées se dispersent et rendent le sol boueux.

• En zone humide, la rétention d’eau par les sols contribue à éviter les inondations.

📌 Les sols jouent un double rôle climatique : ils fixent du carbone, mais produisent aussi du N₂O et du CH₄ dans les zones humides.

• Le projet 4 % vise à faire fixer chaque année par les sols le CO₂ produit par les activités humaines en augmentant la matière organique des sols.

• Les services culturels des sols sont immatériels et comprennent le patrimoine archéologique et l’esthétique des paysages.

📖 14. Dégradations liées à l’agriculture intensive

★ À maîtriser

📌 Un sol se développe lorsque son érosion est inférieure à sa genèse.

• L’érosion des sols varie selon :

  • la topographie
  • le climat
  • le couvert végétal

• En France, les territoires agricoles perdent environ 1 mm de sol par an, alors que la ressource se forme à un taux de 0,02 à 0,1 mm par an.

• Le passage d’engins agricoles lourds tasse le sol et réduit sa porosité, ce qui limite le passage de l’eau et de l’air ainsi que la présence de la faune recycleuse, notamment des vers de terre.

• L’usage intensif d’engrais de synthèse et de produits phytosanitaires peut polluer les sols par des molécules non dégradables, qui y persistent ou sont transférées vers les eaux, les plantes, les animaux et l’être humain.

Compléments

• Aujourd’hui, 12 % des terres émergées dans le monde sont cultivées.

• Le travail excessif ou trop profond du sol et l’absence de couvert végétal favorisent l’érosion liée à l’agriculture intensive.

• La planète perd environ 7 millions d’hectares de forêt par an, et la déforestation comme le remembrement peuvent supprimer le couvert végétal et déstabiliser les sols.

• Le chlordécone, insecticide organochloré utilisé jusqu’en 1993 dans les plantations de bananiers aux Antilles contre le charançon du bananier, reste présent dans les sols et est reconnu comme à l’origine de prématurités et de cancers.

📖 15. Artificialisation et dégradation des sols

★ À maîtriser

• L’artificialisation rend les sols imperméables, empêche l’infiltration de l’eau et favorise le ruissellement intense, les inondations et les crues.

• Les dégradations des sols menacent notamment la production alimentaire, la filtration et le stockage des eaux souterraines, qui constituent la principale source d’eau potable.

• Près de la moitié des sols du monde sont déjà dégradés en conséquence des activités humaines, et cette dégradation pourrait s’aggraver avec les changements climatiques. - FAO

Compléments

• L’artificialisation accompagne l’extension :

  • des habitations
  • des industries
  • des infrastructures routières
  • des zones commerciales ou de loisirs

• La mise en décharge et l’épandage de déchets, notamment de boues de stations d’épuration et de composts urbains, ont contaminé les sols avant l’instauration de réglementations contraignantes.

• Les sites industriels anciens ou actuels rejettent des polluants organiques et des métaux susceptibles de contaminer les sols.

📊 Tableaux de synthèse

Prairie et forêt climacique