Le sol

AVANT-PROPOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XXI
INTRODUCTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XXIII
Définitions et fonctions des sols : contextes et enjeux de la science du sol . . . . . . . . . . . . . . XXIV
Résumé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XXIV

1. Un peu d'histoire . . . . . . . . . . . . . . . .  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XXV
2. Qu'est-ce que le sol ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XXVII
2.1. Les diverses perceptions du sol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XXVII
2.2. La science du sol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XXXII
2.3. Les fonctions du sol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XXXIV
2.3.1. Fonctions écologiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XXXIV
2.3.1.1. Fonction " milieu biologique " . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XXXIV
2.3.1.2. Fonction environnementale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XXXIV
2.3.1.3. Fonction " puits et sources " dans les cycles biogéochimiques . . . . . . . . . XXXIV
2.3.1.4. Fonction de réservoir biologique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XXXV
2.3.2. Fonctions technologiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XXXV
2.3.2.1. Fonction de support mécanique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XXXV
2.3.2.2. Fonction " source de matériaux " . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XXXV
2.3.3. Fonctions socioéconomiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XXXV
3. Les enjeux de la science du sol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XXXV
3.1. Les sols et l'agriculture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XXXVI
3.1.1. Contraintes physiographiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XXXVII
3.1.2. Contraintes pédologiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XXXVII
3.1.3. Ressources en sols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XXXIX
3.2. Le contexte environnemental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XLI
3.2.1. La place des sols dans l'environnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XLI
3.2.2. Les pressions environnementales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XLI
3.2.2.1. Les fertilisants minéraux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XLI
3.2.2.2. Les pesticides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XLII
3.2.2.3. Eléments en traces et composés organiques divers . . . . . . . . . . . . . . . . . . XLIII
3.2.2.4. Les déchets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XLIII
3.2.3. Les enjeux environnementaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XLIV
3.2.3.1. La qualité de l'air . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XLIV
3.2.3.2. La qualité des eaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XLV
3.2.3.3. La qualité des sols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XLVI
3.3. Enjeux scientifiques et pédagogiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XLVIII
 

PARTIE 1 ' Constitution et structure des sols . . . . . . . . . . . . . . . 1

Chapitre 1 ' Les minéraux dessols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

Résumé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1. Composition de la phase solide minérale des sols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1. Composition élémentaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2. Composition minéralogique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3. Composition granulométrique des sols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3.1. Classes granulométriques des sols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3.2. Distribution pondérale des particules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3.3. Méthodes de détermination de la composition granulométrique . . . . . . . . . . . . 8
1.3.3.1. Prétraitements des matériaux terreux préalables à l'analyse
granulométrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.3.3.2. Procédés de séparation des particules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3.4. Texture et appellations texturales des sols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2. Composition et structure des minéraux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1. Ions, liaisons ioniques et arrangements des ions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2. Les silicates primaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2.1. Les arrangements de base des silicates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2.2. Les micas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.3. Les minéraux argileux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.3.1. L'argile et les minéraux argileux ; définitions et un peu d'histoire . . . . . . . . . . . . . 16
2.3.2. Caractères généraux de la structure des minéraux argileux . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.3.2.1. Edifices phylliteux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.3.2.2. Classification des minéraux argileux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.3.3. Structure des principaux minéraux argileux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.3.3.1. Les kaolinites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.3.3.2. Les smectites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.3.3.3. Les illites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.3.3.4. Les chlorites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.3.3.5. Les vermiculites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.3.4. Structure des minéraux non argileux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.3.4.1. Les oxydes, oxyhydroxydes et hydroxydes métalliques . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.3.4.2. Minéraux amorphes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.3.4.3. Autres minéraux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3. Propriétés des minéraux des sols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.1. Propriétés physiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.1.1. Taille et forme des particules minérales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.1.2. Aire spécifique de surface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.1.2.1. Surfaces concernées et définitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.1.2.2. Principe de la détermination des aires spécifiques de surface . . . . . . . . . 31
3.1.2.3. Valeurs de l'aire spécifique de surface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.2. Propriétés physicochimiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.2.1. Propriétés de dissolution en milieux aqueux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.2.2. Propriétés liées à la présence de surfaces porteuses de charges électriques . . . . 34
3.2.3. Propriétés d'adsorption des molécules non ionisées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

Chapitre 2 ' Constituants organiques des sols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

Résumé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
1. Données historiques et définitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2. Les matières organiques mortes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.1. Méthodes de séparation des constituants organiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.1.1. Fractionnement physique des constituants organiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.1.1.1. Fractionnement selon le critère dimensionnel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.1.1.2. Fractionnement selon le critère densimétrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.1.2. Méthodes chimiques d'extraction et de séparation des constituants organiques . . . . . . . . . . . . 49
2.1.2.1. Méthodes basées sur la solubilisation de composés organiques . . . . . . . 49
2.1.2.2. Méthodes basées sur la destruction des minéraux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.1.2.3. Méthode utilisant la destruction des micro-organismes . . . . . . . . . . . . . . 51
2.2. Données générales sur les matières organiques des sols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.3. Composition chimique des matières organiques mortes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.3.1. Composition élémentaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.3.1.1. Carbone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.3.1.2. Azote . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.3.1.3. Phosphore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.3.1.4. Soufre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.3.2. Composition moléculaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.3.2.1. Composés organiques individualisés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.3.2.2. Les substances humiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.4. Méthodes d'étude des matières organiques mortes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
2.4.1. Méthodes destructives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
2.4.1.1. Méthodes chimiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
2.4.1.2. Méthodes thermiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.4.2. Méthodes physiques non destructives, méthodes spectroscopiques . . . . . . . . . . 63
2.5. Propriétés des matières organiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
2.5.1. Propriétés physiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
2.5.1.1. Dimensions des particules humiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
2.5.1.2. Masse moléculaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
2.5.2. Propriétés chimiques des matières organiques mortes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
2.5.2.1. Ionisation des groupes chimiques fonctionnels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
2.5.2.2. Complexation des cations métalliques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
2.5.2.3. Propriétés de rétention . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
2.5.2.4. Stabilité chimique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
2.6. Rôles des matières organiques mortes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3. Les organismes vivants du sol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.1. Caractéristiques générales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.1.1. Les facteurs agissant sur les organismes vivants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.1.2. Répartition des organismes vivants dans le sol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.2. Les micro-organismes du sol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.3. La faune du sol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.3.1. La microfaune (taille, 0,2 mm) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.3.2. La mésofaune (0,2 mm, taille, 4 mm) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.3.3. La macrofaune (4 mm, taille, 80 mm) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.3.4. La mégafaune (80 mm, taille) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.4. Les racines vivantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.5. Les rôles des organismes vivants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

Chapitre 3 ' La structure des sols . . . . .  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

Résumé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
1. Description de la structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
1.1. Arrangements de la phase solide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
1.1.1. Description macroscopique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
1.1.1.1. Classification de l'USDA (1951) ' Déterminisme pédogénétique . . . . . . . . 85
1.1.1.2. Classification agronomique ' Déterminisme cultural . . . . . . . . . . . . . . . . 86
1.1.2. Description aux échelles microscopiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
1.1.2.1. Microscopie optique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
1.1.2.2. Microscopie électronique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
1.1.3. Description des assemblages des constituants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
1.1.3.1. Les différents niveaux d'association . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
1.1.3.2. Agents de liaison à l'origine des assemblages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
1.1.3.3. Stabilité des assemblages (ou des agrégats) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
1.2. Espace poral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
1.2.1. Morphologie des pores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
1.2.2. Porosité du sol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
1.2.2.1. Porosité totale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
1.2.2.2. Partition de l'espace poral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
1.2.2.3. Distribution des tailles de pores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
2. Genèse et évolution de la structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
2.1. Facteurs et phénomènes de formation des assemblages (agrégats) . . . . . . . . . . 105
2.1.1. Facteurs physiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
2.1.1.1. Influence des régimes hydriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
2.1.1.2. Influence des régimes thermiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
2.1.2. Facteurs physicochimiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
2.1.2.1. Nature des minéraux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
2.1.2.2. Composition ionique de la solution du sol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
2.1.2.3. Composés organiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
2.1.3. Facteurs biologiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
2.1.3.1. Les micro-organismes et l'agrégation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
2.1.3.2. La pédofaune et l'agrégation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
2.1.3.3. Les végétaux et l'agrégation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
2.2. Processus de dégradation de la structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
2.2.1. La destruction des agrégats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
2.2.1.1. Mécanismes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
2.2.1.2. Conséquences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
2.2.2. La cohésion des matériaux terreux et le comportement mécanique des sols . . . 114
2.2.2.1. Limites de consistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
2.2.2.2. Limite de retrait . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
2.2.2.3. Résistance à une contrainte mécanique externe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
2.3. Structure du sol et pratiques culturales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
2.3.1. Le travail du sol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
2.3.2. La gestion du stock de carbone organique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
2.3.3. Les apports d'éléments chimiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

PARTIE 2 ' Les phénomènes dans les sols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

Chapitre 1 ' Physicochimie desint erfac es dansl essols . . . . . . . . . . . . . . . . 128

Résumé . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
1. Notions générales . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
2. Interface liquide/gaz (L/G) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
2.1. Tension interfaciale liquide/gaz et énergies de surface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
2.2. Aspects moléculaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
2.3. Expression et valeurs de la tension interfaciale liquide/gaz . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
2.3.1. Influence de la nature chimique du liquide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
2.3.2. Influence de la température . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
2.3.3. Influence des solutés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
2.4. Conséquences des tensions interfaciales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
2.4.1. Energies d'adhésion et de cohésion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
2.4.1.1. Equilibre d'une goutte d'eau sur une surface solide . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
2.4.1.2. Expressions des énergies d'adhésion et de cohésion . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
2.4.2. Energies d'un liquide à l'interface liquide/gaz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
2.4.2.1. Loi de Young-Laplace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
2.4.2.2. Loi de Jurin, ascension capillaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
2.4.2.3. Loi de Kelvin, énergie potentielle de l'eau contenue dans un tube capillaire . . . . . . . . . . . . . . 139
3. Adsorption à l'interface solide/gaz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
3.1. Isothermes d'adsorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
3.1.1. Obtention des isothermes d'adsorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
3.1.2. Types d'isothermes d'adsorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
3.2. Energies d'adsorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
3.3. Formulation des isothermes d'adsorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
3.3.1. Milieux non poreux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
3.3.1.1. Surfaces homogènes, couche adsorbée monomoléculaire . . . . . . . . . . . . 143
3.3.1.2. Surface homogène, couche adsorbée plurimoléculaire . . . . . . . . . . . . . . . 144
3.3.1.3. Surfaces hétérogènes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
3.3.2. Milieux poreux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
3.4. Adsorption de l'eau par les minéraux argileux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
3.4.1. Observations expérimentales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
3.4.1.1. Influence de la nature minéralogique des solides
sur l'adsorption et la désorption de l'eau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
3.4.1.2. Influence de la nature des cations compensateurs
sur l'adsorption et la désorption de l'eau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
3.4.2. Etapes et mécanismes de l'adsorption de l'eau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
3.4.2.1. Interactions responsables de l'adsorption des molécules d'eau . . . . . . . . 152
3.4.2.2. Energies mises en jeu par le processus d'hydratation des minéraux argileux . .  . . . . 152
4. Interface liquide/solide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
4.1. Adsorption à l'interface liquide/solide (L/S) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
4.1.1. Généralités sur l'adsorption des solutés à l'interface liquide/solide . . . . . . . . . . . 155
4.1.2. Caractéristiques générales de l'adsorption des solutés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
4.1.2.1. Description des méthodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
4.1.2.2. Facteurs expérimentaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
4.1.2.3. Cinétiques de l'adsorption et de la désorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
4.1.2.4. Aspects énergétiques de l'adsorption des solutés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
4.1.3. Adsorption des petites molécules non ionisées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
4.1.3.1. Surfaces adsorbantes et nature des interactions molécules/surface . . . 169
4.1.3.2. Isothermes d'adsorption et de désorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
4.1.3.3. Facteurs de variation des quantités adsorbées des molécules
organiques non ionisées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
4.1.4. Adsorption des ions . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
4.1.4.1. Les ions du sol et les mécanismes d'adsorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
4.1.4.2. Les charges électriques portées par les surfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
4.1.4.3. Concept de double couche électrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
4.1.4.4. Données expérimentales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
4.1.4.5. Modélisation des échanges de cations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
4.1.4.6. Le complexe adsorbant des sols et sa composition ionique . . . . . . . . . . . . 201
4.2. Phénomènes colloïdaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
4.2.1. Caractéristiques générales des colloïdes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
4.2.2. Agrégation des colloïdes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
4.2.2.1. Forces interparticulaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
4.2.2.2. Modélisation de la stabilité colloïdale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
4.2.2.3. Effet de l'adsorption sur la stabilité colloïdale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
4.3. Phénomènes de précipitation et de dissolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
4.3.1. Nature des phénomènes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
4.3.2. Dissolution et précipitation des minéraux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
4.3.2.1. Caractéristiques générales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
4.3.2.2. Solubilité des oxydes et des hydroxydes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
4.3.2.3. Solubilité des carbonates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
4.3.2.4. Précipitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
4.3.3. Dissolution et précipitation des composés organiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
4.3.3.1. Dissolution d'un liquide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
4.3.3.2. Dissolution d'un gaz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
4.3.3.3. Dissolution d'un solide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
4.3.3.4. Caractéristiques thermodynamiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
4.3.3.5. Dissolution des gaz, partition air/eau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
4.3.3.6. Partition entre les solvants organiques et l'eau, coefficient
de partage octanol/eau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229