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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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1.1.2. Les bases de la fertilité physique du sol.

«Essentiellement, le sol se présente comme un filtre complexe. La circulation des fluides à travers ce filtre va être affectée par les irrégularités qu'il présente, et réciproquement les variations d'humidité et la circulation de l'eau vont en modifier la structure»(Hénin, 1977).

Ce filtre complexe peut, grâce à la propriété des argiles et de la matière organique, retenir l'eau captive. Une forte augmentation des surfaces de contact entre l'eau et son support favorise cette aptitude.

Le complexe organo-minéral est capable d'adsorber l'eau à sa surface par des forces de succion résultantes des forces capillaires et des forces de liaison. Il favorise également la formation d'agrégats de taille variable, ce qui libère des espaces qui formeront la porosité du sol. Ce second mécanisme participe à l'augmentation des surfaces d'échange qui est l'une des bases de la fertilité physique du sol.

Cette augmentation est favorisée à toutes les échelles. Elle commence au niveau des constituants minéraux par la possibilité éventuelle de mettre à disposition les espaces interfeuillets pour les échanges (argiles gonflantes). Cette augmentation se prolonge par la formation de micro-agrégats puis d'agrégats. Par une organisation spatiale de plus en plus complexe, qui est finalement visible à l'échelle d'un solum (profil pédologique), les surfaces disponibles sont multipliées.

La conséquence de cette organisation morphologique est la formation d'une porosité optimale dont la dimension est d'un ordre de grandeur variable. A cette porosité il faut associer une modification de la densité volumique du sol qui sera le reflet de son ameublissement.

Celui-ci est la conséquence d'une propriété mécanique acquise par la formation des agrégats qui est la plasticité du sol. Cette plasticité provient de la capacité des particules à glisser les unes par rapport aux autres lorsque l'on exerce une force de poussée (Hénin, 1978).

L'ensemble des caractéristiques morphologiques ainsi acquises peut être entièrement détruit sous l'impact de l'eau par des processus physiques et/ou chimiques. Selon la résistance des agrégats à la destruction un sol sera plus ou moins sensible à l'érosion. La disparition de la porosité provoquée par la destruction des structures va favoriser la circulation de l'eau en surface qui entraînera alors les particules fines, c'est l'érosion.

L'eau, le complexe organo-minéral et la composition granulométrique et chimique du sol sont les éléments moteurs de ces associations particulaires. Il est possible de définir ces propriétés soit par l'analyse de la morphologie du sol, associée à l'analyse de sa structure et de sa texture, soit par l'analyse de leurs conséquences. On évaluera par exemple la porosité du sol, sa capacité de rétention en eau ou son infiltrabilité.

Relation entre la composition et l'organisation : structure et texture.

La première étape dans l'analyse de la fertilité physique d'un sol va être de déterminer les différentes fractions granulométriques qu'on y rencontre. Cette analyse granulométrique permet de définir au travers de la texture du sol ses propriétés générales. Par exemple, cette évaluation permet de déterminer grossièrement la réserve en eau du sol (Hénin, 1978).

Cette détermination de la texture ne suffit pas pour évaluer précisément le volume et la dimension des pores. Il existe d'une part de multiples possibilités d'arrangements des particules minérales et organiques, d'autre part l'eau a une influence sur la stabilité de ces arrangements. On constate en effet que l'organisation spatiale des arrangements particulaires détermine une

forme précise aux agrégats. Des surfaces de plus faible résistance mécanique permettent de désagréger des mottes de terre en unités structurales de plus en plus petites.

Ce phénomène permet de classer les sols en fonction de leur structure ou de leur surstructure (Lozet et Mathieu, 1990). Celle-ci peut être continue ou fragmentaire. Dans le cas d'une morphologie fragmentaire on trouvera des structures arrondies, lamellaires ou anguleuses.

La formation de liaisons entre la matière organique et les colloïdes d'origine minérale permet d'éviter le lessivage de ces substrats. Ces liaisons dépendent de la présence de cations polyvalents qui permettent d'effectuer un pontage entre les deux particules anioniques (Hayes and Himes, 1986). Cette propriété morphologique va avoir pour conséquence d'amplifier ou de restreindre la porosité du sol. Un sol aura selon sa structure une porosité structurale définie (porosité entre les agrégats et porosité entre les mottes). Selon leur dimension, ces espaces faciliteront la diffusion des gaz, la circulation de l'eau et des racines.

Dans un sol riche en sodium et pauvre en calcium, on observe en présence d'eau une hydrolysation des argiles qui libèrent l'ion Na en solution. Le pH dépasse 9 ce qui provoque une dispersion des argiles. Celles-ci peuvent alors être lessivées et le sol perd sa structure avec la disparition des argiles. La destructuration est alors d'origine chimique.

Dans les cas de destructuration des sols liée à l'action de l'eau, la destruction des agrégats est provoquée par la compression des gaz contenus dans les micropores du sol au niveau de la porosité de l'agrégat (Casenave et Valentin, 1989). C'est l'effet de «splash» des gouttes de pluies. La destructuration est alors d'origine physique.

Un sol dont la structure est altérée, ne pourra plus assurer sa fonction de milieu poreux, sauf s'il s'agit d'un sol à texture grossière. Du fait de la destruction des agrégats au contact de l'eau, ce qui a pour effet de limiter l'infiltrabilité du sol, l'érosion hydrique est rendue possible.

L'indice d'instabilité structurale d'un sol permet de mesurer sa sensibilité à l'eau et par conséquent de définir sa capacité à préserver les espaces poraux de la destruction. Elle dépend des forces de cohésion entre les particules de sol. Ces forces doivent résister aux modifications d'équilibre provoquées par la présence de l'eau. A cette condition, le sol pourra alors exercer pleinement sa fonction de support poreux mais stable

Fonction de stockage de l'eau: la capacité de rétention en eau.

L'augmentation de la surface disponible pour les échanges a, comme nous l'avons vu, un effet sur la quantité et la dimension des volumes poraux. Les colloïdes qui tapissent ces espaces ont un pouvoir de succion sur l'eau qui est proportionnel à la concentration d'éléments adsorbés sur leurs surfaces. Enfin, certaines argiles (argiles gonflantes) peuvent absorber l'eau dans les espaces interfeuillets.

Il en résulte une limitation de l'influence des forces gravifiques sur les mouvements de l'eau. Le stock qui se constitue sera disponible pour la plante dans la mesure où les forces de succion qui retiennent l'eau dans le substrat sont inférieures aux forces de succion de la racine. La capacité de rétention en eau peut être appréciée au travers du stock disponible et du stock inaccessible à la plante pour les raisons précédemment invoquées.

On peut estimer dans une première approche la capacité de rétention en eau d'un sol directement à partir de la détermination de sa texture. On peut également par des mesures en laboratoire déterminer la quantité d'eau réellement disponible pour la plante. Ces mesures conduisent à la détermination de la quantité d'eau présente dans le sol avant le point de flétrissement.

Fonction de capteur des précipitations: l'infiltrabilité du sol.

La mesure de la vitesse d'infiltration au champ ou en laboratoire nous permet de déterminer quel volume d'eau pourra s'infiltrer dans le sol en fonction du temps. Cette mesure permet d'estimer le risque de ruissellement et de déterminer l'efficacité d'un arrosage naturel ou artificiel.

Les définitions physiques et chimiques nous ont appris que pour qu'un sol soit fertile, il lui faut être poreux, riche en éléments minéraux et organiques et enfin, capable de retenir l'eau.

Les facteurs principaux de cette fertilité sont les argiles et la matière organique qui permettent à la fois de réguler les échanges et de maintenir les structures.

On dispose d'indicateurs qui permettent d'évaluer ces différentes propriétés du sol. La capacité d'échange cationique nous permet d'évaluer globalement les concentrations des cations présents sur le complexe adsorbant et l'activité des argiles du sol. La mesure du pH nous donne une indication sur les risques d'apparition d'une toxicité aluminique. La mesure du taux de matière organique et de substances humiques nous renseigne sur les réserves nutritives et sur la nature des échanges dans le sol. La mesure de l'infiltration permet d'évaluer la porosité du sol et le risque d'érosion. Il existe ainsi de nombreux indicateurs dont certains, tels le sodium ou le calcium, permettent de prévoir l'impact d'une technique d'irrigation sur la fertilité chimique et physique du sol.

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"Là où il n'y a pas d'espoir, nous devons l'inventer"   Albert Camus