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Réutilisation des eaux usées

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par Jean-Laurent Bungener
Ecole polytechnique fédérale de Lausanne - Thèse 1996
  

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Première partie:

Les composantes de la fertilité.

Chapitre 1. Définition de la fertilité du sol.

Nous rappelons que notre but est la détermination des principaux facteurs de fertilité qui permettent de mesurer l'impact de l'irrigation par des eaux usées sur la fertilité des sols en condition soudano-sahélienne.

De manière préalable il s'agit de définir les termes de la fertilité d'un sol. Dans une seconde étape on décrira l'ensemble des composantes du milieu dans la zone d'étude et leur influence sur la fertilité du sol. Dans une troisième étape une description des différentes pratiques culturales facilitera l'établissement des caractéristiques propres à la pratique de la réutilisation des eaux usées. L'ensemble de ces constats permettra de définir les objectifs et les hypothèses de travail.

"La notion de fertilité d'un sol ou d'un milieu est familière à tous comme peut l'être celle de la santé d'un individu ou d'une population. Et pourtant, dans un cas comme dans l'autre, on s'aperçoit que ces deux concepts recouvrent des acceptations bien différentes, de la plus restrictive à la plus large" (Pieri, 1989).

Pour préciser le concept, nous commencerons par montrer ce qu'il représente d'un point de vue scientifique. Puis nous étendrons cette présentation avec la définition du terme de milieu en introduisant quelques notions d'écologie générale. Ces quelques notions sont nécessaires car elles permettent de mettre en évidence la notion de sensibilité d'un milieu.

1.1. Les bases physiques, chimiques et biologiques de la fertilité.

La fertilité d'un sol dans le sens agronomique du terme peut se concevoir de deux manières.

En première approche, elle dépend de l'aptitude de l'agriculteur à gérer la fertilité du sol en fonction du type de plantes cultivées.

En seconde approche la fertilité est la capacité d'un sol à mettre à disposition les éléments essentiels à la croissance de la plante, sans qu'aucune concentration d'un élément toxique entrave son bon développement (Foth et Boyd, 1988). Cette mise à disposition est définie pour un contexte pédoclimatique donné.

La notion de fertilité semble ainsi, dans un cas comme dans l'autre, pouvoir être envisagée relativement aux fonctions que le milieu doit remplir dans le processus producteur (Sébillote, 1989). Ces fonctions dépendent des caractéristiques du milieu. Celles-ci appartiennent à des composantes différentes du milieu qui sont le climat, le sol, la végétation, l'activité humaine ou animale, le relief. Chacune de ces composantes peut de façon directe ou indirecte influencer la croissance végétale.

Par la présentation rapide des éléments qui composent une plante, nous allons évaluer la nature des besoins nutritifs de la plante. Bien que la composition chimique varie d'une plante à l'autre il est possible de distinguer trois types d'éléments chimiques dans cette composition.

Tout d'abord le carbone, l'hydrogène et l'oxygène, tirés du gaz carbonique et de l'eau qui permettent la photosynthèse.

Dans des quantités plus faibles, mais d'égale importance pour la plante on trouve des éléments non métalliques, l'azote, le phosphore et le soufre, et des éléments métalliques, tels le magnésium, le potassium, le calcium, et le fer (Richter, 1993).

Les oligoéléments interviennent quant à eux sur la qualité du développement de la plante. Ce sont généralement des métaux tels le zinc, le bore, le molybdène, le cuivre ou le manganèse.

La plante absorbe ces éléments soit par l'intermédiaire de ses organes aériens (feuilles), soit par l'intermédiaire de ses organes souterrains (racines).

Au niveau des organes aériens, les phénomènes d'échanges gazeux et d'absorbtion de la radiation lumineuse permettent à la plante de se procurer l'énergie et les éléments nécessaires à la photosynthèse. Les échanges sont régulés en partie par les stomates, et la capacité d'absorption du rayonnement lumineux dépend de la quantité de chlorophylle disponible.

Au niveau des organes souterrains, c'est principalement l'ensemble des ions , sous forme de sels nutritifs , et l'eau qui sont absorbés.

«Pour beaucoup de plantes, il n'est pas suffisant d'avoir à disposition dans le sol les éléments essentiels sous la forme adéquate d'ions; il faut que les quantités d'ions se trouvent dans un rapport convenable entre elles, sans que la concentration de l'ensemble dépasse une certaine valeur (potentiel osmotique trop bas). Le pH peut aussi avoir une influence durable sur l'absorption»(Richter, 1993).

Selon les organes végétaux concernés, et leur mode d'alimentation, il est possible de définir trois groupes distincts de facteurs de croissance, le groupe des facteurs climatiques, le groupe des facteurs chimiques et le groupe des facteurs biologiques.

Ces facteurs de croissance dépendent des sources nutritives auxquelles la plante s'approvisionne. Ces sources peuvent être divisées en deux catégories : les sources qui dépendent du climat et celles qui dépendent de la composition chimique du milieu. Selon leur origine, ces sources procurent des éléments nutritifs en quantités limitées ou illimitées. Ainsi, deux composantes de la fertilité se dégagent en tant que sources nutritives; il s'agit de la composante climatique et de la composante chimique.

La composante climatique va intervenir en tant que facteur de croissance au niveau de l'ambiance (chaleur et humidité relative) qui va conditionner les échanges et au niveau de la nutrition (rayonnement et précipitations). Les variations climatiques à l'échelle de la planète donnent une première appréciation des possibilités physiologiques de développement végétal. On verra au cours de la description du climat de la zone soudano-sahélienne qu'il peut y avoir des facteurs microclimatiques qui modifient en partie les paramètres mesurés pour une zone climatique. Pour cette raison, la composante climatique n'est décrite que pour la zone qui nous intéresse.

Le sol est la source en éléments chimiques et le support de la croissance végétale. La composante chimique intervient dans la nutrition minérale et hydrique de la plante. La composante physique doit posséder des propriétés qui facilitent la croissance et la respiration des racines.

Le sol est constitué d'éléments minéraux et organiques, de gaz et de liquides. Cette composition dépend du matériau géologique (roche-mère), de l'évolution du sol au cours du temps (pédogenèse), du couvert végétal (matière organique) et du climat. C'est par l'altération de la roche-mère sous l'influence conjuguée de facteurs climatiques et biologiques qu'un sol se construit. Selon la durée et l'intensité des processus pédogénétiques, le sol évolue. Il est possible d'établir une cartographie des sols selon le principe de la zonalité des sols (Duchaufour, 1984). Cette distribution par zones suit grossièrement les zones climatiques. A ces caractères génétiques, on oppose les caractères fonctionnels (profondeur, texture, aération etc..).

Ainsi, quelle que soit son origine, il est possible de classer un sol en fonction de sa granulométrie, ce qui donne une idée de la proportion de chaque fraction minérale selon sa taille.

Ce renseignement permet d'apprécier globalement les caractéristiques physiques du sol (Hénin, 1977). Une étude plus approfondie de sa structure et de sa texture précise la cohérence et la nature des agents de la cohérence de ce matériel. Cette première approche par des paramètres physiques permet d'apprécier les propriétés du sol en tant que filtre. Ces propriétés, telles la porosité qui détermine le mode de circulation de l'eau et la plasticité qui précise le comportement mécanique du sol, vont exercer une grande influence sur les possibilités de croissance végétale.

A cette première approche s'ajoute une approche par l'analyse des caractéristiques chimiques du sol. Celle-ci facilite la détermination de la nature des éléments qui composent le filtre. Ces éléments peuvent être sous trois formes, gazeuse, liquide ou solide.

Ce sont eux qui nous renseignent sur les relations entre la roche-mère et le sol d'une part (formes minérales), et entre le sol et l'atmosphère d'autre part (formes liquides et gazeuses).

A l'aide de ces renseignements, il est possible d'obtenir une définition pratique du sol et d'en évaluer la fertilité. Celle-ci correspond tout d'abord à l'aptitude du sol à mettre à disposition en temps utile c'est-à-dire en fonction des besoins des plantes (Anderson et Ingram, 1993) les éléments nutritifs précédemment cités. Cette intervention se fait proportionnellement à la richesse initiale du milieu associée à sa capacité de stockage et de redistribution des éléments nutritifs.

Il faut également que le sol en tant que substrat donne à la plante des conditions environnementales favorables à son développement. Ce qui implique que le filtre doit être suffisamment poreux pour maintenir une libre circulation de l'eau et des gaz provenant de la surface tout en étant apte à retenir l'eau dans des espaces non confinés. Le maintien de cette structure doit être à la fois solide et plastique de manière à garantir la stabilité des édifices constitués.

Il apparaît maintenant deux caractéristiques principales du sol qui le rendent apte à remplir ses fonctions dans le processus de production, des caractéristiques physiques et des caractéristiques chimiques. Pour cette raison, on parlera ici de la fertilité physique et de la fertilité chimique du sol et des indicateurs qui permettent de les évaluer.

Du fait de sa grande complexité, le sol est le lieu de nombreuses interactions chimiques, biologiques et physiques qui vont être à l'origine de son fonctionnement.

Des particules minérales, les argiles, et des macromolécules organiques, les substances humiques, sont réunies sous la forme d'une entité particulière, le complexe argilo-humique. Ce complexe dispose de propriétés spécifiques qui lui confèrent une importance capitale dans les mécanismes d'échanges et de mise en réserves des éléments nutritifs.

1.1.1. Les bases de la fertilité chimique du sol.

Un sol acquiert sa fertilité chimique par deux processus. Par un premier processus qui est l'altération des minéraux primaires issus de la roche-mère ou du complexe d'altération d'une part, et par la minéralisation de la matière organique d'autre part.

Trois formes de mise de réserve des éléments nutritifs sont possibles. Sous forme de minéraux sains nous trouvons les réserves stables. Les réserves assimilables peuvent quant à elles être sous forme de minéraux et d'éléments chimiques solubles ou de matières organiques en voie de décomposition. Ces réserves libèrent dans la solution du sol les éléments nutritifs, ce qui constitue les réserves directement assimilables. C'est la disponibilité des ions contenus sous chacune des formes de mise en réserve qui est ainsi hiérachisée, allant des formes les moins disponibles dans les réserves stables aux formes directement assimilables (ions de la solution du sol) (Chamayou et Legros, 1989).

Le complexe d'altération, issu de la désagrégation de la roche-mère, a une composition minéralogique spécifique. Il est lui-même soumis à des transformations qui vont le conduire à s'appauvrir au cours du temps par l'entraînement successif de ses composants. Cet appauvrissement est d'autant plus fort que le climat sera chaud et humide. Il est aussi fonction d'un gradient de profondeur qui va de la zone de contact avec la roche-mère à la surface du sol. Plus un sol sera évolué, plus sa composition minérale sera simplifiée en surface. Dans le cas de sols évolués tels les sols ferralitiques des climats tropicaux humides, l'appauvrissement en surface est compensé par le dépôt de matières organiques. Cette litière évolue progressivement sous l'action des micro-organismes pour libérer en définitive les éléments chimiques fixés par la biomasse.

En conséquence, il existe en parallèle un cycle biologique spécifique aux éléments nutritifs et un cycle géochimique dans lequel est impliqué l'ensemble des éléments minéraux issus de la rochemère.

L'appauvrissement en surface du sol est ainsi compensé par cet apport d'origine biologique.

Le sol est ici considéré comme un réservoir, dont il s'agit de déterminer les paramètres de fonctionnement. Ce fonctionnement peut favoriser soit le stockage, soit la mise en solution des éléments nutritifs. Ce sont ces transferts qui déterminent la fertilité chimique du sol.

Transferts d'éléments nutritifs du sol à la plante.

La fertilité chimique du sol dépend principalement de la nature de la roche-mère dont il est issu, de la quantité de colloïdes présents et de son pouvoir tampon.

La phase solide du sol (complexe adsorbant) échange de façon permanente des ions avec la phase liquide du sol (eau, ions, molécules organiques solubles). C'est par l'intermédiaire de cette solution du sol que s'effectue l'ensemble des échanges d'éléments minéraux du sol vers la plante.Ces transferts s'effectuent en trois étapes, tout d'abord l'élément nutritif est isolé du minéral primaire auquel il appartient, ce qui le libère dans la solution du sol. Il peut alors être adsorbé à la surface d'un colloïde, jusqu'à ce qu'il en soit libéré pour être absorbé par la plante.

Il existe deux formes de réserves, une forme minérale et une forme organique. Dans les deux cas, les éléments nutritifs doivent être isolés puis solubilisés. Ils seront libérés dans le milieu sous formes d'ions soit de charge positives (K, Ca, Mg etc...), soit de charge négative ( P, S). Ces formes solubles se trouvent soit en solution, soit adsorbées sur un colloïde qui forme le complexe adsorbant (Chamayou et Legros, 1989).

La proportion de chaque élément présent est variable. Sur roche calcique par exemple, il est évident que la proportion de calcium disponible sera plus importante que sur une roche-mère granitique. Il peut également arriver que pour des raisons hydriques (remontées de nappes salines) le sodium ou un autre élément soit dominant. Enfin dans les sols qui ont subi une longue évolution, le fer et l'aluminium sous forme de sesquioxydes sont dominants.

Deuxième étape: fixation sur le complexe adsorbant.

Le complexe adsorbant est constitué d'une particule colloïdale ( argiles, matières organiques, oxydes ou hydroxydes) dont la surface est chargée. La fixation des ions minéraux présents dans la solution du sol à ces colloïdes se fera en fonction de leur concentration respective, et du pH qui influence la charge globale des argiles (Chamayou et Legros, 1989) et la solubilité des ions (ex: phosphore).

La quantité d'éléments adsorbés à la surface des colloïdes dépend de l'activité des argiles (Lozet et Mathieu, 1990) et de la nature des matières organiques. L'influence des eaux de ruissellement qui diluent la solution du sol est également un facteur dont dépend la quantité de cations fixés (lixiviation).

La qualité dépend de la nature des cations présents qui ont des affinités plus ou moins fortes avec le complexe adsorbant. Certains cations peuvent ainsi "monopoliser" les sites d'adsorption (Na , Mg ou Al par ex.), soit en raison de leur importante concentration (Na et/ou Mg) soit en raison d'un faible pH (Al). Dans ces cas particuliers, le sol ne peut plus assurer normalement les échanges et on observe les signes d'une toxicité liée à l'excès de certains éléments (ex: toxicité aluminique). Cette rupture des échanges entre la solution du sol et les colloïdes affecte les possibiltés d'accès de la plante aux nutriments.

Troisième étape : absorption par la plante.

Bien que la plante assimile les éléments nutritifs sous forme soluble, leur absorption à la surface d'un colloïde ne limite pas leur disponibilité.

Cette adsorption dépend d'une constante d'équilibre entre la concentration en éléments chimiques de la solution du sol hors de l'influence des colloïdes et celle dans la zone d'influence des forces de rétention du complexe adsorbant. Par exemple lorsqu'il y a lixiviation des éléments nutritifs par les eaux de ruissellement, la baisse de leur concentration dans la solution du sol provoque une désaturation proportionnelle du complexe adsorbant.

La racine peut favoriser la remise en solution des éléments nutritifs en créant localement des variations du pH associées à une force de succion. L'eau ainsi chargée des nutriments remis en solution, sera absorbée par la plante.

Ces variations sont liées à l'échange de protons (H+ et HCO3-) de la racine, avec les anions et

cations de sels minéraux. La racine peut également par l'excrétion de composés organiques (exsudats racinaires) chélater les métaux lourds qui sont alors assimilables ( Richter, 1988).

Les mesures de la réserve minérale du sol.

Le dosage global des éléments qui permet de déterminer la quantité d'éléments nutritifs du milieu ne permet pas d'estimer leur disponibilité. Cette évaluation de la réserve totale est complétée par une appréciation des réserves directement assimilables présentes dans la solution du sol et à la surface des colloïdes.

Par la mesure de la capacité d'échange cationique (CEC), il est possible d'estimer le taux de saturation du complexe adsorbant en cation. Cette CEC mesurée en me/100 g de sol sera considérée selon un point de vue agronomique comme très faible lorsqu'elle est inférieure à 10me/100 g, faible entre 10 et 15 me/100 g, moyenne entre 15 et 25 me/100 g, élevée de 20à 25 me/100 g et très élevée lorsqu'elle dépasse 25 me/ 100 g (Chamayou et Legros, 1989).

Cette disponibilité sera d'autant plus importante pour la plante que les variations de pH seront faibles et localisées. Un sol chimiquement fertile doit en conséquence disposer d'un pouvoir tampon.

Les argiles et la matière organique sous la forme de substances humiques participent au pouvoir tampon du sol. Un dosage de la matière organique est donc nécessaire pour estimer la forme sous laquelle les éléments minéraux sont présents. Cette mesure est d'autant plus nécessaire que l'azote et le phosphore sont stockés en grande partie dans la matière organique.

Enfin, la détermination du type et de la quantité d'argile permet d'estimer les surfaces d'adsorption disponible. Ces surfaces dépendent de l'architecture des minéraux argileux. On pourra ainsi rapidement classer un sol comme ayant une forte ou faible activité d'échange.

Nous avons vu jusqu'ici l'aspect chimique de la fertilité du sol pour l'ensemble des cations.

Les formes solubles du phosphore (phosphate) ou du soufre (sulfate) sont des anions qui peuvent également se fixer sur les colloïdes (Chamayou et Legros, 1989). Mais la mesure de cette capacité d'échange anionique est difficile, car ces liaisons sont plus lâches.

L'azote également présent sous forme d'anions ne dépend pas directement de la nature des minéraux primaires. Il provient généralement de la dégradation des résidus organiques. Sa disponibilité est dépendante de l'action des micro-organismes dont les métabolismes sont très différents en fonction du milieu et des espèces. Des dosages spécifiques sont nécessaires pour en évaluer la concentration dans les sols.

Ainsi, nous voyons que la composition minéralogique et chimique d'un sol intervient non seulement au niveau de la richesse nutritive du milieu mais également sur la disponibilité et la capacité de mettre en réserve les éléments nutritifs.

Ces deux caractéristiques d'un sol, richesse naturelle et capacité de stockage et de redistribution, constituent la fertilité chimique du sol.

L'eau est le vecteur du transfert des éléments minéraux d'un compartiment à l'autre et des racines vers les parties aériennes. Selon son pH elle pourra influencer le sens des transferts chimiques.

Cette fertilité chimique qui est la mieux connue des agronomes permet d'établir des normes de fertilité sur la base d'analyses de laboratoire. Ces normes fixent, en fonction du type de sol et du type de végétal cultivé ,les doses d'engrais minéraux et d'amendements de complément(ex: chaulage) à effectuer pour garantir une production agricole satisfaisante. Par la mesure de la CEC on obtient directement une estimation de la garniture cationique du complexe absorbant et une indication sur le type d'argiles présentes dans le sol. Les kaolinites ont par exemple une très faible capacité d'échange (Chamayou et Legros, 1989).

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