Olivier Husson 2016 - 6/10
- Le fonctionnement redox des sols
Observation pratique du fonctionnement redox des sols
On va maintenant regarder en pratique, dans les sols, ce qu’on a compris au cours des derniers mois en multipliant les mesures. L’objectif est de voir comment fonctionne réellement le redox des sols.
Limites des échantillons séchés et tamisés
Les échantillons de sols séchés et tamisés font perdre l’essentiel de l’information utile.
Même quand on corrige un peu les mesures, on voit qu’il reste encore un peu d’information, mais en pratique on perd une très grosse partie de ce qui permet de comprendre le fonctionnement réel du sol.
Ce qu’on mesure encore
Sur des sols séchés et tamisés, on obtient surtout un ordre de grandeur :
- de la conductivité électrique chimique du sol ;
- des ions présents dans la solution du sol.
Ce qu’on perd
En revanche, on perd :
- la compaction ;
- la structure du sol ;
- l’activité biologique ;
- l’organisation physique du sol.
Pour le pH, c’est encore plus problématique, car c’est un paramètre extrêmement variable dans le temps. En séchant et tamisant le sol, on perd donc beaucoup d’information.
Au final, on ne garde plus qu’un redox chimique du sol, presque pur. Le côté physique a disparu, le côté biologique aussi.
Olivier Husson compare cela à une analyse de sang chez un médecin qui commencerait par faire sécher puis tamiser le sang avant de le mesurer : cela paraîtrait absurde, et pourtant c’est souvent ce qu’on fait avec les sols.
Nécessité d’études dynamiques et de mesures au champ
Si l’on veut comprendre les sols, il faut :
- des études dynamiques ;
- suivre les évolutions du sol dans le temps ;
- faire des mesures au champ ;
- ou au minimum travailler sur des échantillons non remaniés.
Sinon, en perdant la structure, on perd une grande partie du fonctionnement réel.
Mesure de la conductivité électrique au champ
Pour mesurer la conductivité électrique, il existe des appareils relativement simples, même s’ils restent coûteux, de l’ordre de 1500 euros.
Ces appareils donnent une lecture instantanée de plusieurs paramètres :
- l’humidité ;
- la conductivité électrique de l’eau des pores ;
- la conductivité électrique globale du sol ;
- la température ;
- la permittivité.
Rôle de la permittivité
La permittivité est le paramètre qui relie l’humidité. Comme l’humidité est le facteur le plus variable, il faut la mesurer. L’appareil envoie une onde, ici autour de 20 MHz, puis mesure la perte d’énergie du signal. À partir de cette perte d’énergie, il calcule :
- la conductivité électrique de l’eau des pores ;
- la conductivité électrique du sol complet.
C’est très pratique, car on peut faire rapidement un grand nombre de mesures, à différentes profondeurs, voire au-dessus du sol dans des dispositifs d’agriculture de précision.
Exemple de cartographie en Côte d’Ivoire
En Côte d’Ivoire, dans la préparation d’un essai de long terme prévu pour 50 à 100 ans, un travail de caractérisation du milieu a été réalisé.
Un essai à blanc a d’abord été mis en place pour observer la variabilité du terrain. Sur une surface d’environ 1,3 hectare, la parcelle a été divisée en carrés de 5 m par 5 m. Trois mesures ont été faites par carré, soit environ 1500 mesures.
Ces mesures ont permis d’établir :
- une carte de l’humidité ;
- une carte de la conductivité de l’eau des pores ;
- une carte de la conductivité électrique globale du sol.
Corrélations observées
Quand on compare la conductivité de l’eau des pores avec l’humidité, on observe une corrélation négative : la conductivité baisse quand l’humidité augmente. Cela s’explique par un phénomène de dilution des ions. La pente est faible, mais avec 1500 mesures elle devient statistiquement significative. Sans un très grand nombre de mesures, on ne verrait presque rien.
En revanche, pour la conductivité globale du sol, la corrélation avec l’humidité est très claire : elle augmente quand l’humidité augmente. Cela correspond à un meilleur contact entre les particules, grâce à l’eau qui fait le lien.
Cela conduit à se demander quelle conductivité il faut utiliser. D’après Olivier Husson, c’est probablement la conductivité globale du sol qui est la plus pertinente, car elle est plus intégratrice.
Suivis hebdomadaires au champ
Des mesures ont aussi été faites toutes les semaines, à différents niveaux d’une toposequence et à différentes profondeurs.
On observe clairement que les valeurs bougent beaucoup et qu’elles sont liées :
- aux pluies ;
- à l’humidité du sol.
On retrouve cette relation pour :
- le sol global ;
- l’eau des pores.
Les comportements ne sont pas exactement les mêmes.
Quand on relie ensuite ces mesures à l’humidité, on retrouve les liens entre les différents niveaux du sol. Certaines zones sèchent plus vite que d’autres. Pour Olivier Husson, c’est encore la conductivité globale du sol qui semble la plus importante dans le fonctionnement du système.
Limite des appareils en sol sec
En dessous de 10 % d’humidité, les appareils ne mesurent plus correctement.
Mais à ce niveau-là, le problème n’est de toute façon plus un problème de CO2, de redox ou de conductivité : c’est simplement un problème de manque d’eau. L’eau sort du domaine de mesure, et surtout elle sort du système utilisable par la plante.
Différences entre eau des pores et conductivité globale
Les appareils utilisés calculent séparément ce qui est lié :
- à l’eau des pores ;
- au sol global.
Quand on s’amuse à comparer les deux, on voit qu’elles peuvent évoluer en sens inverse selon la situation.
Sur des sols drainés ou irrigués, la conductivité de l’eau des pores est plus basse quand il y a plus d’eau, parce que les ions sont plus dilués.
À l’inverse, la conductivité globale du sol augmente avec l’eau, parce que le contact entre particules est meilleur.
Cela pose donc de vraies questions sur l’indicateur à privilégier.
Effets de la matière organique, de l’argile et de l’activité biologique sur pH et redox
Pour le pH et le redox, le fonctionnement dépend :
- de la matière organique ;
- de l’argile ;
- de l’activité biologique ;
- de l’eau ;
- de la présence d’air dans le sol.
Quand le sol est à saturation ou en engorgement, le redox chute très vite vers des valeurs trop basses. Cette chute est d’autant plus rapide :
- qu’il y a peu de matière organique ;
- qu’il y a peu d’activité biologique.
Expérience sur sols stérilisés et non stérilisés
Des sols ont été comparés en conditions submergées, avec :
- des échantillons stérilisés ;
- des échantillons non stérilisés ;
- des conditions de surface et de profondeur ;
- des sols drainés et non drainés.
Ce qu’on observe, c’est que dans les sols submergés, le redox s’effondre plus vite en profondeur. En surface, la baisse est plus lente.
Mais surtout, le sol stérilisé chute plus vite que le sol non stérilisé. Le sol vivant tient environ huit jours de plus avant de s’écrouler. Un sol vivant résiste donc plus longtemps à la chute du redox.
Cela montre que l’activité biologique joue un rôle important de tampon.
Effets du niveau de nappe
Quand on compare différentes hauteurs de nappe :
- tout ce qui est submergé tombe trop bas ;
- tout ce qui est complètement drainé peut aussi remonter trop haut ;
- une nappe maintenue vers 12 cm de profondeur donne des valeurs plus proches de la zone correcte.
Cela montre qu’un niveau intermédiaire peut être favorable, alors que l’excès d’eau comme l’excès de drainage peuvent déséquilibrer le système.
Variabilité des mesures en laboratoire selon l’humidité
Sur des sols séchés et tamisés au laboratoire, les mesures varient fortement selon l’humidité apportée.
Quand on met trop peu d’eau, les valeurs sont très basses, en partie à cause de la mauvaise qualité de la mesure. Quand on met trop d’eau, le redox chute au bout de quelques jours.
Même au laboratoire, avec des sols séchés et tamisés censés être plus homogènes, on garde donc une énorme variabilité.
Les valeurs les plus intéressantes sont obtenues à la capacité au champ.
Effet chimique du séchage
Un résultat important est que plus on sèche, puis plus on remet de l’eau pour mesurer, plus la valeur de redox est basse.
Ici, il s’agit d’un comportement purement chimique, car la biologie n’a pas encore redémarré dans ces sols séchés et tamisés. En séchant, on perd de l’eau colloïdale, et cela fait baisser chimiquement le redox.
Donc, sur des sols séchés et tamisés, on mesure en réalité davantage l’effet du séchage que le redox réel du sol.
Utilisation de manchons pour prélever des sols non remaniés
Pour travailler plus correctement, on utilise des manchons de pression en PVC rigide, peu coûteux, d’environ 11 cm de diamètre et une douzaine de centimètres de hauteur.
On les enfonce à la masse dans le sol. Cela permet de prélever des échantillons non remaniés de 2 à 2,5 kg. Ensuite, on les ramène et on simule des pluies de 20 mm toutes les 24 heures, puis on mesure le redox.
Comparaison de plusieurs sols au Bénin
Trois types de sols ont été étudiés :
- un sable très pauvre, utilisé comme référence à Cotonou ;
- un sol de forêt ;
- un sol cultivé en maïs depuis 15 à 20 ans, situé à 10 mètres de la forêt.
À l’origine, le sol sous maïs et le sol de forêt étaient le même.
Résultats
Le sol sableux, très pauvre en matière organique, ne voit presque pas son redox baisser. Il n’y a pratiquement pas d’activité biologique. On reste dans un comportement surtout chimique, avec des niveaux très élevés.
Le sol de forêt, lui, descend jusqu’à des valeurs proches de la zone minimale correcte, autour de la capacité au champ, puis remonte progressivement.
Le sol sous maïs descend aussi un peu, mais reste globalement plus haut. Il tourne plutôt autour de 400 mV, parfois un peu plus bas dans un horizon plus profond.
Au total :
- le sol sableux reste toujours trop oxydé ;
- le sol sous maïs est plutôt un peu oxydé ;
- le sol de forêt fonctionne mieux.
Autre série d’observations sur plusieurs sols
Les mêmes sols ont été replacés dans le temps, avec en plus une forêt très acide sur laquelle quasiment rien ne pousse.
Quand les conditions sont favorables et les pH meilleurs, le sol de forêt peut atteindre des niveaux de redox très intéressants. Le sol sous maïs peut parfois y arriver aussi, mais il reste souvent sévèrement limité juste après les pluies, puis remonte.
Les sols sableux sont une catastrophe : toujours trop hauts, trop oxydés.
Le sol de forêt très acide est aussi une catastrophe : très acide, très oxydé en permanence, ce qui explique qu’il ne soit pas cultivé.
Opposition entre effets chimiques et biologiques de l’humidité
C’est un point difficile à comprendre :
- chimiquement, l’humidité tend à faire monter le redox ;
- biologiquement, l’humidité relance l’activité biologique, qui fait baisser le redox.
Il y a donc deux processus opposés :
- un processus chimique ;
- un processus biologique.
Dans un sol vivant, avec matière organique et activité biologique, l’augmentation d’humidité relance la biologie et finit par faire baisser le redox.
Dans un sol mort, sans vie biologique, l’effet chimique domine, et le redox monte avec l’humidité.
Mesures au champ sur toposequence
Des électrodes permettant des mesures à plusieurs profondeurs sont utilisées au champ.
Sur une toposequence en Côte d’Ivoire, plusieurs positions ont été étudiées :
- un plateau bien structuré ;
- un milieu de pente avec une couche d’argile qui ressort ;
- un bas de pente très argileux et hydromorphe.
Avec des pluies parfois très fortes, jusqu’à 60 mm certains jours, les comportements sont très différents.
Le sol de milieu de toposequence, où la couche d’argile ressort, chute après les grosses pluies et finit par atteindre des niveaux plus corrects, car il était trop haut en permanence.
Le sol de plateau, bien structuré, est beaucoup plus stable que les autres. Il fluctue moins.
= Importance de la stabilité
Ces fluctuations sont un problème pour les plantes. Quand le redox varie trop, la plante ne sait plus s’il faut :
- respirer ;
- faire des réserves ;
- activer des mécanismes de réduction ;
- ou réoxyder.
Elle ne sait plus quels gènes mobiliser. C’est donc surtout la stabilité du redox qui ressort comme importante.
Lecture combinée du pH, du redox et de l’humidité
Quand on examine les mesures de pH, on voit que certains sols, notamment en milieu de toposequence, ont un pH beaucoup trop bas. Dans ce cas, c’est d’abord le pH qui bloque la croissance.
Si l’on regarde ensuite le redox, beaucoup de situations sont encore trop oxydées.
Si l’on regarde l’humidité au champ, celle-ci devient fondamentale :
- sur les zones sableuses, certaines situations bloquent par manque d’eau ;
- sur d’autres zones, l’argile en profondeur permet des remontées capillaires, ce qui change complètement la disponibilité en eau pour le riz.
La position dans la toposequence est donc déterminante.
Lien entre pH et humidité
Les analyses montrent clairement que le pH baisse quand l’humidité monte.
Cela veut dire que l’analyse de sol faite au laboratoire, en condition standardisée, fait perdre cette relation dynamique.
Conductivité électrique selon les positions
La conductivité électrique de l’eau des pores est forte en bas de toposequence, là où des éléments s’accumulent. Cela peut devenir trop fort par rapport au niveau de redox.
Ailleurs, elle peut être trop basse, et devenir aussi un facteur limitant.
La conductivité globale du sol donne encore une autre image :
- dans certaines zones humides, elle devient trop forte ;
- ailleurs, elle reste trop basse.
Sur quelques dizaines de mètres seulement, les problèmes peuvent donc être complètement différents.
Il faut mesurer tous les paramètres ensemble
Pour comprendre les sols, il faut simultanément prendre en compte :
- le pH ;
- le redox ;
- la conductivité ;
- l’humidité.
Il ne faut surtout pas oublier l’humidité.
L’idée générale est qu’il n’existe pas d’équilibre thermodynamique simple dans les sols. Le fonctionnement est fortement lié à l’humidité, donc aux agrégats, à la structure et à l’agrégation.
Importance fondamentale de la structure du sol
Le paramètre fondamental est une bonne structure du sol.
Dans cette structure :
- les micropores retiennent l’eau ;
- les macropores assurent le drainage et l’aération.
Olivier Husson explique qu’il connaît mal un sol bien structuré qui soit en même temps sans matière organique et sans activité biologique : tout est lié.
S’il fallait retenir un indicateur, ce serait la stabilité structurale, c’est-à-dire les agrégats stables dans l’eau.
Représentation du sol comme mosaïque redox
Olivier Husson propose de voir le sol comme un ensemble d’agrégats ayant chacun des niveaux de redox différents :
- violet : très oxydé ;
- rouge : encore oxydé ;
- vert : niveau correct ;
- en dessous : milieux plus réduits.
Dans le temps, tout cela bouge selon l’humidité, selon que le sol se réhumidifie ou sèche. Même à l’intérieur des agrégats, on peut avoir de fortes différences.
Ce qui est intéressant, c’est de rester globalement autour de 400 mV, avec de la variabilité, mais au-dessus des niveaux trop bas.
Rôle tampon de la matière organique et de l’activité biologique
La matière organique et l’activité biologique permettent de faire baisser le redox et surtout d’en tamponner les fluctuations.
Il faut donc retenir leur rôle de tampon redox.
Quand il y a saturation, engorgement, submersion ou compaction, le redox descend fortement et peut entraîner une asphyxie.
Effets du dessèchement et de la réhumectation
Quand le sol se réoxyde ou sèche, il y a un double effet :
- chimiquement, le séchage fait baisser le redox ;
- biologiquement, quand on remet de l’humidité, on relance la microflore, ce qui fait aussi baisser le redox.
Sur des sols vivants, l’humidité tend donc à faire baisser le redox par relance biologique.
Sur des sols morts, l’humidité tend au contraire à faire monter le redox, car seul l’effet chimique reste visible.
La plante se retrouve alors avec de l’eau, mais dans des conditions de redox élevées qui ne lui conviennent pas forcément.
Réactions redox instables et analogie chimique
Pour illustrer ces déséquilibres thermodynamiques instables, Olivier Husson évoque les réactions oscillantes de type Belousov-Zhabotinsky.
Dans ces réactions purement chimiques, on observe des variations spatiales et temporelles de couleur qui traduisent des niveaux redox changeants. Pour lui, un sol fonctionne un peu comme cela :
- des agrégats ;
- des gradients de redox ;
- des populations microbiennes différentes selon les micro-environnements ;
- des variations dans le temps.
Parmi les composés utilisés dans ces réactions, il cite notamment :
- la ferroïne, un composé à base de fer ;
- du bromate de potassium ;
- du cérium ammoniacal ;
- de l’acide malonique.
L’idée n’est pas que le sol fonctionne exactement comme cela, mais que l’on ne peut pas comprendre son fonctionnement si l’on ne raisonne pas en dynamique, dans le temps et dans l’espace.
Sols peu tamponnés et sols bien tamponnés
Quand un sol a :
- peu de matière organique ;
- peu d’activité biologique ;
- peu d’argile ;
- une mauvaise structure ;
il a peu de capacité tampon redox. Il subit alors de grosses fluctuations. Les plantes se retrouvent dans des situations extrêmes, parfois à devoir fortement réduire, puis juste après à fortement oxyder. Les systèmes de régulation sont dépassés.
À l’inverse, avec :
- de la matière organique ;
- des micro-organismes ;
- de l’argile ;
- du fer dans l’argile ;
- une structure stable ;
le sol garde des fluctuations, car elles sont normales et nécessaires, mais elles sont beaucoup moins déstabilisantes pour la plante.
Processus d’agrégation du sol
Pour revenir à la structure, Olivier Husson rappelle les grands processus d’agrégation.
Origine organique
Les plantes produisent de la biomasse par photosynthèse. Cette biomasse alimente une litière, comme en forêt.
La litière est ensuite :
- fragmentée ;
- perforée ;
- réduite en éléments de plus en plus petits par la faune.
Puis les vers de terre mélangent cela avec le sol. Ensuite, les champignons et les bactéries prennent le relais :
- les champignons aident à décomposer les fragments ;
- les bactéries minéralisent ;
- différents composés organiques se forment.
On a ainsi un continuum de dégradation et de transformation de la matière organique, qui va jusqu’à la formation d’humus.
Origine minérale
En parallèle, la roche mère s’altère et forme des argiles. Cela peut être rapide sous certains climats, beaucoup plus lent sous d’autres.
Les vers de terre et les organismes du sol mélangent alors :
Cela forme le complexe argilo-humique.
Formation des agrégats
Ensuite :
- le brassage avec les limons ;
- les bactéries ;
- les exsudats racinaires ;
- les champignons ;
permet de former des microagrégats, puis des agrégats de plus en plus gros.
Les microagrégats sont très importants pour la réserve en eau, car ils contiennent les micropores. Les agrégats plus gros sont stabilisés par :
- le mycélium des champignons ;
- les racines ;
- la matière organique ;
- les débris végétaux.
Sans activité biologique ni flux de carbone, tout cela se perd.
Conséquences pratiques
Le processus fondamental, au départ, c’est qu’il faut :
- de la vie ;
- de la matière organique ;
- ne pas casser la structure ;
- maintenir un retour régulier de biomasse.
Si l’on travaille trop le sol, on casse ces structures. Si l’on n’apporte pas un flux continu de biomasse, la structure se dégrade :
- biologiquement ;
- physiquement ;
- chimiquement.
Conclusion sur le fonctionnement des sols
Un système sol-plantes-micro-organismes qui fonctionne bien du point de vue :
- du pH ;
- du redox ;
- de la conductivité ;
repose sur :
- une bonne structure ;
- une matière organique variée ;
- une activité biologique forte et variée ;
- de l’argile ;
- du fer.
En bref, cela correspond à un sol vivant.
Pour Olivier Husson, cela confirme qu’on est globalement sur la bonne voie avec les approches de sols vivants, de semis direct et de couverture, mais cela apporte une lecture redox de ces pratiques.
Difficulté pour la recherche
Le problème pour la recherche, c’est qu’on ne sait pas facilement séparer les paramètres.
On ne sait pas fabriquer simplement un sol bien structuré sans matière organique ni activité biologique. Tout est lié.
Synthèse générale des facteurs abiotiques et biotiques
Pour résumer, on peut distinguer :
Facteurs abiotiques
Le climat, la dilution, les pluies et certains effets chimiques ont tendance globalement à faire remonter le redox.
Mais la saturation fait chuter le redox, car l’oxygène circule mal dans l’eau.
La sécheresse, elle, provoque aussi des effets chimiques particuliers qui modifient le redox.
Facteurs biotiques
La photosynthèse acidifie et réduit fortement.
L’activité biologique fait baisser le redox et joue un rôle tampon.
Rôle du soleil
Le soleil oxyde le sol nu.
Mais sur une plante, il fournit l’énergie nécessaire à la photosynthèse, qui permet de fixer des électrons et de les ramener dans le sol.
Cela conduit à une idée importante : un sol nu est en train de s’oxyder. À l’inverse, un sol couvert avec des plantes en croissance est dans un fonctionnement beaucoup plus réducteur et vivant.
En plus :
- les UV stérilisent davantage la surface nue ;
- le sol nu chauffe plus vite ;
- il sèche plus vite.
Variations saisonnières
Selon les régions et les climats, on peut avoir une trajectoire saisonnière générale :
- au printemps, avec le démarrage fort de la photosynthèse, on va vers des conditions plus favorables ;
- en été, avec le dessèchement, on peut remonter vers des niveaux plus oxydés.
Ces trajectoires dépendent toujours :
- de l’humidité ;
- de la température ;
- de l’activité biologique.
Redox et humidité : différence entre sol mort et sol vivant
Sur un sol mort, quand l’humidité augmente, le redox a tendance à augmenter jusqu’à la saturation, puis à chuter fortement.
Sur un sol vivant, l’activité biologique augmente avec l’humidité et fait baisser le redox. On obtient donc une courbe de sens opposé ou au moins très différente.
Dans un sol vivant bien structuré et bien tamponné, on se rapproche d’un comportement idéal.
En dessous d’un certain seuil d’humidité
En dessous d’un certain niveau d’humidité, le problème n’est plus le redox : c’est l’eau. La plante manque simplement d’eau.
Cela explique qu’un sol couvert et un sol labouré puissent avoir des redox comparables au moment de la mesure, alors que leurs fonctionnements sont très différents. Sous couvert, il reste plus d’humidité, donc la plante continue à fonctionner. Dans le sol labouré, elle s’est arrêtée.
Il faut donc comparer les sols à humidité constante ou à humidité équivalente.
Schéma global d’interactions
La synthèse proposée est la suivante :
- les micro-organismes du sol ;
- la structure ;
- la matière organique ;
- l’argile ;
interagissent entre eux.
Tout cela agit sur :
- les propriétés pH, redox et conductivité ;
- l’eau ;
- les éléments nutritifs.
L’eau est un facteur principal, car elle influence :
- les micro-organismes ;
- les propriétés physico-chimiques ;
- la dynamique des éléments nutritifs.
Ces éléments agissent ensuite sur les plantes, en lien avec :
- la photosynthèse ;
- les espèces ;
- les variétés ;
- l’âge des organes ;
- la température ;
- la lumière ;
- les stress.
Les plantes, en retour, agissent sur le sol.
Ces dynamiques s’expriment :
- à l’échelle de la rhizosphère ;
- des agrégats ;
- du sol ;
- de la parcelle ;
- du territoire ;
- des régions ;
- jusqu’à l’échelle planétaire.
Elles jouent sur des échelles de temps :
- du jour ;
- du mois ;
- de l’année ;
- voire plus.
Enfin, ces fonctionnements influencent aussi les maladies et les bioagresseurs.
Ouverture vers la suite
Il reste maintenant à voir comment :
- le travail du sol ;
- les systèmes de culture ;
agissent sur l’ensemble de ces processus, et comment ils peuvent permettre de corriger ou d’améliorer ce fonctionnement.
