Impact de l’humain sur les sols

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Matériaux et organismes étudiés dans le cadre de la thèse

L’objectif de ce chapitre est de présenter l’importance des effets des matériaux parentaux (effets abiotiques), des organismes, en particulier les plantes, les vers de terre et les micro-organismes (effets biotiques), ainsi que de l’interaction entre ces facteurs, sur le sol en général et notamment sur sa structure.

La structure des sols

La structure décrit l’arrangement des particules solides dans le sol (particules élémentaires), notamment leur agrégation, la porosité et la stabilité de l’état agrégé (Stengel and Gelin, 1998). L’organisation et la composition de la phase solide déterminent les caractéristiques d’un sol. Elles définissent le volume, la taille et la forme des pores dans lesquels se déroulent les processus de transfert des flux de l’eau, de l’air et des nutriments dans le sol. En contrôlant l’accès des plantes à l’eau et aux éléments nutritifs du sol, la structure du sol détermine donc dans une large mesure le développement des plantes.
Identifier la structure des sols en général, et en particulier celle des Technosols, est une étape essentielle dans la compréhension de leur fonctionnement et de leur capacité à assurer la vie des organismes.
La structure des sols, quelle que soit l’échelle de temps, est le résultat de processus physiques, chimiques et biologiques (Baize et al., 2013).
Les facteurs biotiques et abiotiques affectent et sont affectés par la structure du sol. Ces facteurs interagissent à travers de nombreux processus physico-chimiques et biologiques, et pour générer de nombreuses caractéristiques et propriétés des sols telles que leur structure, leur matière organique, leur équilibre ionique, etc. (Coleman, 1985, 2008).

Les effets abiotiques

Les caractéristiques physiques et chimiques du sol influent sur la croissance et le développement des organismes, d’une manière plus ou moins favorable. La composition minérale et organique du milieu rend la présence et le développement des organismes possibles, en assurant la nutrition minérale des végétaux, qui a leur tour nourrissent les animaux. Elle détermine la composition chimique de la phase liquide du sol, laquelle joue un rôle majeur sur les activités biologiques. Par ailleurs, la concentration en oxygène détermine les propriétés d’oxydoréduction, qui sont elles aussi primordiales pour les organismes. Elle joue aussi un rôle sur la présence de charges électriques, l’adsorption des molécules non ionisées (telles que l’eau ou des molécules organiques). Enfin, elle définit la constitution minéralogique et la composition granulométrique. Les minéraux les plus fréquemment rencontrés dans le sol sont de deux types (Calvet, 2003; Stengel and Gelin, 1998) :
• Les minéraux primaires : ce sont des minéraux hérités de la roche-mère, qui se trouvent dans le sol sous forme plus ou moins fragmentée, mais peu altérée.
• Les minéraux secondaires : ce sont des matériaux primaires altérés, ou des minéraux issus de leur association (Shipitalo and Protz, 1989).
Les matières minérales constituent l’essentiel de la masse des sols (90-99%), si l’on ne tient pas compte des sols organiques (Calvet, 2003).
La nature des minéraux est déterminée soit par la roche-mère, soit par leur transport (par l’eau, l’air, ou par l’action de la gravité ou de l’homme). Les matières organiques proviennent principalement des résidus végétaux qui subissent diverses transformations physiques et chimiques.
La teneur en matière organique est une caractéristique pédologique influençant largement les processus physiques, chimiques et biologiques. C’est ainsi un paramètre crucial de la qualité du sol (Calvet, 2003).
Dans les Anthroposols construits, les matières organiques proviennent principalement d’ajouts dans le sol (compost de déchets verts, balayures récoltées lors du nettoyage des rues, sous-produits papetiers, boues de stations d’épuration, …). Les effets des différents types de matières organiques sur les propriétés des Technosols ont été étudiés et détaillés par (Rokia et al., 2014) Les compositions minérales et organiques de Technosols en milieu urbain ont fait l’objet d’études récentes dans lesquelles les variations des paramètres physiques et chimiques engendrées par l’usage de 11 types de déchets issus des milieux urbains (organiques et minéraux) sont analysées pour caractériser leur impact sur la fertilité des Technosols, par rapport aux sols naturels (Rokia et al., 2014).

Les effets biotiques

Les organismes sont un des cinq facteurs interactifs de formation des sols (matériaux parentaux, climat, organismes, relief, et temps) (Jenny, 1941).
Le sol contient une grande diversité d’organismes à la dynamique et au rôle variés (Coleman, 2008; Lavelle and Spain, 2001). Leur taille est variée, allant des micro-organismes invisibles à l’œil nu (bactéries et champignons) à la macrofaune (termites, vers de terre, etc.) en passant par les organismes de taille intermédiaire comme la microfaune (protozoaires, nématodes, etc.) et la mésofaune (microarthropodes, enchytréides, etc.).

Effets des vers de terre sur la structure du sol

L’effet des vers de terre sur la fertilité des sols a été largement documenté (Edwards, 2004; Edwards and Bohlen, 1996). Les vers de terre représentent la majorité de la biomasse animale, particulièrement dans l’écosystème productif comme les prairies tempérées, les pâturages tropicaux, les forêts à feuilles caduques : leur densité peut atteindre 500 individus par m2 (Bardgett, 2005). Le milieu urbain n’est pas en reste car on a recensé différentes espèces de vers de terre dans les espaces verts et les jardins, pour une densité pouvant s’élever à 450 individus par m² (Glasstetter, 2012).
Les vers de terre présentent des effets intéressants sur les milieux urbains, ce qui a amené (Morales et al., 2013; Scullion and Malik, 2000) à les considérer comme une solution d’éco-restauration pour les sols dégradés, et plus particulièrement contaminés. Le ver de terre Lumbricus terrestris (espèce anécique) a un effet sur la macroporosité et la décomposition de la matière organique des Technosols construits (Pey, 2010). Il a également mis en évidence dans cette étude que la faune du sol est un facteur d’évolution de la pédogenèse du Technosol construit.
Les vers de terre sont souvent regroupés en trois catégories fonctionnelles basées sur leur morphologie, leur comportement, leur écologie alimentaire, et leur micro habitat dans le sol (Bouché, 1977). La première catégorie de vers appelés épigés regroupe les espèces qui vivent et se nourrissent à la surface du sol ou dans la litière. Ensuite, les endogés, se nourrissent de la matière organique et minérale du sol et créent des terriers subhorizontaux dans le sol. Enfin, les anéciques exploitent à la fois la surface et la litière comme une source de nourriture qu’ils redistribuent en profondeur grâce aux galeries verticales qu’ils creusent.
Les vers de terre sont les ingénieurs de leur écosystème (Jones et al., 1994). Leur rôle est fondamental sur la structure du sol et sa teneur en éléments nutritifs. En créant une structure biogénique (galeries, turricules) (Blanchart et al., 1997; Lavelle, 1988), les vers de terre participent grandement aux fonctions du sol, en influençant les processus physiques, chimiques et biologiques de celui-ci (Edwards, 2004; Lavelle and Spain, 2001), avec des conséquences sur les services écosystémiques (Blouin et al., 2013).
L’effet mécanique sur le sol par l’activité fouisseuse (Edwards, 2004), se traduit par la création de chambres d’estivation et par le transport de matériel (sol et environnent). Les vers modifient la porosité, en la réorganisant au niveau macroporal (Capowiez et al., 2001; Jégou et al., 1997; Milleret et al., 2009) et microporal (Jégou et al., 2001), l’agrégation (Six et al., 2004), la stabilité structurale, l’aération et la conductivité hydrique (Edwards, 2004; Edwards and Bohlen, 1996; Shipitalo and Protz, 1989).
L’augmentation de la macroporosité a un effet direct sur les transferts d’eau et de solutés (Edwards et al., 1990; Lee, 1985). Les vers de terre modifient la structure du sol, par l’ingestion de particules fines qui se retrouvent excrétées en surface du sol ou à d’autres profondeurs dans les structures biogéniques organo-minérales (turricules). Ces turricules sont des macro-agrégats plus stables que le milieu qui les entoure (Six et al., 2004), mais cette stabilité dépend de la quantité et de la qualité de la matière organique ingérée (Buck et al., 1999).
Les vers de terre produisent aussi des micro-agrégats, soit directement par la production digestive, soit indirectement par le truchement des activités microbiennes (Barois et al., 1993). Ils influencent aussi les propriétés biologiques du sol en ingérant pour se nourrir les particules de matière organique, qui sont alors modifiées par le passage dans leur tube digestif (Brown, 2000). Il a été démontré que les turricules qui en résultent sont très favorables à l’accueil des communautés bactériennes, avec une structure spécifique (Amador and Görres, 2007; Savin et al., 2004).
La concentration du carbone organique dans les turricules est plus élevée que dans le milieu qui l’entoure (Barois et al., 1993). Par ailleurs, la minéralisation du carbone organique diminue dans les turricules, du fait de leur stabilité accrue (Ayuke et al., 2011).

Les effets des plantes sur la structure du sol

Les plantes sont le principal producteur de carbone entrant dans le sol, et en déterminent la quantité (Wardle, 2002).
Dans le sol, les racines des plantes influencent grandement les propriétés du sol, principalement dans la zone du sol immédiatement adjacente aux racines, appelée rhizosphère (Hiltner, 1904).
La rhizosphère constitue une zone d’échange d’ions, de par l’absorption sélective de certains ions et la libération d’autres par la plante. Ce double échange modifie le pH. La concentration des ions dans la rhizosphère est différente de ce qu’on observe dans la zone non-rhizosphérique. Par exemple, on remarque une faible concentration de phosphore et de potassium dans cette zone. Cette différence s’explique par l’absorption rapide de ces éléments, ainsi que par leur faible diffusion dans le sol. A l’inverse, le calcium, qui est un ion mobile, a tendance à s’accumuler dans la rhizosphère (Stengel and Gelin, 1998). C’est aussi une zone de compétition pour l’oxygène (Dacey and Howes, 1984) et de libération de composés organiques comme les exsudats, les sécrétions, les lysats, les mucilages, et finalement le mucigel (Stengel and Gelin, 1998).
Les systèmes racinaires participent à la formation du sol, les fractions minérales se liant aux molécules organiques libérées par les plantes. Ils participent à la formation du complexe organo-minéral (Cheshire, 1979; Dorioz et al., 1993; Tisdall and Oades, 1982). De plus, les plantes et les micro-organismes du sol jouent un rôle majeur dans l’altération des minéraux et des roches mères (Lambers et al., 2009).
La rhizosphère constitue une zone de sol où les échanges et la diffusion de l’eau sont modifiés, le système racinaire exerçant de fortes pressions sur les agglomérats du sol (Gerke and Kuchenbuch, 2007). Il a également été rapporté que les exsudats des racines peuvent obstruer les pores ou devenir hydrophobes à la surface des particules du sol, donc modifier localement les propriétés hydrodynamiques des sols (Hallett et al., 2003), et augmenter la conductivité à saturation (Rasse et al., 2000). L’effet sur l’agrégation qui en découle est encore renforcé par la dessiccation subséquente à l’absorption d’eau par les racines (Nguyen, 2003).
Bien que variable selon le type de sol, ces procédés conduisent à un effet général d’emballage autour des racines en cours de croissance (Bruand et al., 1996), qui est à l’origine de la formation de certains macropores (Young et al., 1998). D’autres études ont montré que le système racinaire améliore considérablement la macroporosité du sol (Cresswell and Kirkegaard, 1995).
La rhizosphère une zone de sol où l’activité et la densité microbienne sont stimulées par la libération de composés organiques (Bardgett, 2005; Coleman, 2008; Wardle, 2002). Ces relations affectent l’écosystème du sol (Coleman, 2008; Van der Putten et al., 2001; Wardle, 2002). Cet effet impacte la population microbienne non seulement de manière quantitative, mais aussi qualitative. De plus, les racines influencent l’agrégation physiquement, à la fois en exerçant des pressions latérales induisant un tassement et la cohésion des particules du sol autour des racines pendant leur croissance, mais aussi en retirant continuellement l’eau pendant la transpiration des plantes, ou encore en conduisant à l’assèchement du sol. Ce processus est susceptible d’être amélioré ou intensifié par des hyphes mycorhiziens associés aux racines des plantes (Ritz, 2011). Les exsudats des racines jouent un rôle majeur dans l’agrégation du sol et, par conséquent, dans l’amélioration de la fertilité physique (Materechera et al., 1992). Les racines augmentent la proportion d’agrégats, ainsi que la qualité des agrégats existants (Materechera et al., 1994). Elles sont responsables d’une augmentation de la teneur en matières organiques du sol et ont un effet important sur le stockage du carbone (Blanchart et al., 2004). Enfin, la structure du sol est également influencée par l’enchevêtrement des racines avec les particules du sol (Six et al., 2004; Tisdall and Oades, 1982).

Les effets des microorganismes

Les communautés microbiennes agissent comme des agents efficaces de l’altération, de la transformation et de la formation des minéraux (Stengel and Gelin, 1998). De nombreux services fournis par les écosystèmes, y compris la production végétale, la protection de l’eau potable ou la séquestration du carbone sont étroitement liés aux activités microbiennes et à leurs traits fonctionnels (Torsvik and Øvreås, 2002). Les caractéristiques chimiques et physiques des sols, telles que la qualité et la quantité de matière organique, le pH et les conditions d’oxydo-réduction ont une influence marquée sur la dynamique de la structure de la communauté microbienne dans les sols (Lombard et al., 2011)
Les activités des micro-organismes ont en général un effet positif sur les nutriments du sol (Mikola, J., R. D et al., 2002), en améliorant la minéralisation du carbone et de l’azote (Kuikman et al., 1990), et du phosphore (Smith and Read, 2010).
Les microbes sont considérés comme des agents de la structure du sol depuis longtemps (Allison, 1968). Des corrélations positives entre la biomasse microbienne et la stabilité des agrégats ont été reconnues par la plupart des études (Rillig et al., 2014; Staddon et al., 2003).
On peut diviser les effets des microorganismes sur l’agrégation en effets directs et indirects. Les effets directs sont en majorité causés par des champignons, qui lient les agrégats, et dans une moindre mesure par les bactéries. Les effets indirects proviennent des matières organiques produites par les micro-organismes, qui favorisent les liaisons inter-particulaires (Calvet, 2003).

Conclusion 

La formation du sol est un processus se déroulant sur le long terme, parfois sur plus de 1000 ans (Harrison and Strahm, 2008). Les humains influent sur ce processus, positivement ou négativement. Négativement car l’homme a une grande part de responsabilité dans la dégradation de nombreux sols, mais aussi positivement par sa volonté de construire et reconstruire des sols (Séré, 2007). Fabriquer un Technosol dans une période limitée (durée de temps très brève) est un des principaux objectifs de cette thèse. Les propriétés physiques des sols naturels sont le résultat des nombreuses interactions entre les organismes du sol et leur milieu abiotique. Il est intéressant de savoir si ce principe est aussi vrai pour les Technosols.
Il est difficile d’isoler les effets des facteurs biotiques et abiotiques en raison de leurs nombreuses interactions. En effet, certains auteurs estiment que ni les matières organiques seules, ni les organismes du sol seuls n’ont d’effet significatif sur la structure de sol ; pourtant, les uns et les autres ont des effets importants quand ils sont en interaction (Paul, 2006). Les interactions et rétroactions entre les sous-systèmes des sols et des plantes jouent un rôle fondamental dans la régulation de la structure des communautés et dans le fonctionnement de l’écosystème (Bardgett and van der Putten, 2014; Bever et al., 1997, 2010; Wardle et al., 2004, 2004).
Les interactions entre les vers de terre et les plantes sont aussi connues, par exemple les effets sur la disponibilité des nutriments comme le phosphore (Coulis et al., 2014), et les effets sur la stabilité des agrégats (Fonte et al., 2012).
Un Technosol construit est un milieu qui devrait permettre de mieux comprendre les effets des organismes, car il ne contient pas encore d’héritage biologique (absence de macrofaune et de plantes dans le passé).
Hypothèses et questions générales de cette thèse
• Hypothèse 1 : les organismes et la matière organique ont un effet significatif sur les processus pédogénétiques dans les Technosols construits.
• Hypothèse 2 : les effets des interactions entre organismes sont plus importants que les effets de ces organismes individuellement.
Afin de valider ou infirmer ces hypothèses, la présente étude répond aux questions suivantes :
• Question 1 : Peut-on appliquer les méthodes d’évaluation des propriétés des sols naturels aux Technosols ?
• Question 2 : Quels sont les facteurs abiotiques ou biotiques qui jouent le rôle le plus important sur la structure du sol ?
• Question 3 : Les effets biotiques sont-ils plus importants que les effets abiotiques ?
• Question 4 : Dans quelle mesure la composition minérale/organique change-t-elle les propriétés physiques des Technosol construits ?
• Question 5 : Comment les effets de la composition minérale/organique évoluent-ils avec le temps (effets physiques et chimiques) ?
• Question 6 : Pourquoi la proportion organique/minérale (effet abiotique) joue-t-elle un rôle sur les activités des organismes ?
• Question 7 : Comment les effets biotiques et abiotiques influencent-ils la structure des sols, ainsi que les activités et la diversité microbienne ?

Table des matières

CHAPITRE 1.
1.1.1. Impact de l’humain sur les sols
1.1.2. Anthroposols/Technosols dans la classification française
1.1.3. Le sol est une ressource menacée et la construction de sols est une alternative à sa dégradation
1.1.4. L’Anthroposol construit pour assurer la sécurité alimentaire
1.1.5. La construction de sol comme solution pour le recyclage des déchets urbains
1.1.6. Le Technosol construit est un système idéal pour comprendre la pédogenèse
Conclusion du chapitre 1
CHAPITRE 2.
1.2.1. Matériaux et organismes étudiés dans le cadre de la thèse
1.2.2. La structure des sols
1.2.3. Les effets abiotiques
1.2.4. Les effets biotiques
Conclusion du chapitre 2
Hypothèses et questions générales de cette thèse
DEUXIÈME PARTIE MATÉRIELS ET MÉTHODES
2.1. Choix des matériaux
2.2. Caractérisation des déchets purs
2.3. Préparation du mélange
2.4. Expérimentation en laboratoire menée sur le sol à son état initial
2.5. Choix des organismes
2.6. Expérimentation en laboratoire n°2 en phytotrons
2.7. Démontage de l’expérimentation n°2
2.8. Analyses physiques
2.9. Mesures structurales des Technosols
2.9.1. Densité apparente
2.9.2. Densité réelle
2.9.3. Description de la méthode d’identification des agrégats
2.9.4. Stabilité structurale
2.9.5. Porosité du sol et distribution des pores
2.9.6. Micromorphologie des sols par l’analyse d’image
2.9.7. Courbe de retrait
2.9.8. Courbes de rétention
2.9.9. Modélisation des propriétés hydriques et structurales
2.10. Analyses chimiques
2.11. Analyses biologiques
Mode opératoire pour l’obtention des biomasses foliaire et racinaire (différentes classes de racines)
TROISIÈME PARTIE RÉSULTATS
CHAPITRE 1. Les effets de différentes proportions de matières organiques sur les propriétés hydro-structurales de Technosols construits
Influence of Organic Matter Content on Hydro-structural Properties for Constructed Technosols
Abstract
Introduction
Materials and methods
Technosol parent materials
Soil Shrinkage Curve measurement
Water retention curve measurements
Expression of results of void and moisture ratios
Statistical analysis
Results
Hydro-structural properties of parent materials
Hydro-structural properties of Technosols
Statistical analysis of hydro-structural parameters
Variations in water types according to the percentage of GWC
Water retention curve and pore sizes at points L, M and N
Discussion
Hydro-structural properties derived from the mixtures
Influence of organic matter on hydro-structural properties
Combining data from shrinkage and retention curves
Constructed Technosols as a tool for studying the influence of specific soil components on shrinkage
Conclusions
Acknowledgements
Conclusion du chapitre 1
CHAPITRE 2. Les effets des racines, des vers de terre et de la matière organique sur les propriétés physiques des Technosols construits
Interactions between organisms and parent materials of a constructed Technosol shape its hydrostructural properties
Abstract
Introduction
Materials and methods
Results
Discussion
Conclusions
Acknowledgements
Supplementary information
Conclusion du chapitre 2
CHAPITRE 3. Evolution des propriétés hydrostructurales des Technosols après plusieurs cycles d’humectation et dessiccation
Discussions chapitre 3
Conclusion du chapitre 3
CHAPITRE 4. Les effets de différentes proportions de matières organiques, de plantes et de vers de terre sur les agrégations (leurs tailles, stabilités, et leur teneur en carbone organique) dans les Technosols construits.
Interactive effects of plants, earthworms and organic matter on aggregates size, stability and carbon content of Technosols
Introduction
Materials and methods
Parent materials
Experimental setup
Morphological size distribution of aggregates
Organic carbon content in the different size fractions
Aggregate water stability
Statistical analyses
Results
Aggregates size distribution
Soil organic carbon content and distribution in aggregates
Aggregate stability
Discussion
Organisms has a higher impact on aggregation than compost
Contrasted effect of plant and earthworm on C distribution in aggregates
Organisms effects are greater than compost on aggregate stability
Conclusion
Acknowledgements
Supplementary information
QUATRIÈME PARTIE DISCUSSION GÉNÉRALE
4.1. Effet des organismes
4.2. Effet des organismes en interaction avec la dose de compost
4.3. Conséquences sur le fonctionnement du sol et sur les services écosystémiques
4.4. Les Technosols construits : des circuits courts s’appuyant sur des matériaux industriels et des processus naturels
PERSPECTIVES
RÉFÉRENCES

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