Caractéristiques des sols et production de biomasse

Notions fondamentales : notion de biomasse, réseaux trophiques, décomposeurs, cycle de matière.

But de la séance : comprendre comment la fertilité du sol est maintenue naturellement.

TP Sol (sur 2 semaines)

Le sol est un milieu particulier, il fait partie intégrante de l’écosystème.

Les sols permettent le recyclage de la biomasse (.pdf à compléter)

1. L’organisation d’un sol – livre p166-167

Un sol provient initialement d’une roche mère (la roche du sous-sol : calcaire, granite, schiste…) qui subit une désagrégation physique accompagnée d’une altération chimique (processus vus dans L’érosion, processus et conséquences et 1. Le rôle du climat et de la végétation sur l’érosion). Les végétaux apportent de la matière organique au sol.

Un sol est donc formé d’une fraction minérale (provenant de la roche mère) et d’une fraction organique (provenant des végétaux) en proportions variables. Les particules d’argile et les composés humiques forment le complexe argilo-humique qui retient de l’eau et des ions minéraux. Ce CAH est essentiel pour la structure du sol.

L’eau d’infiltration entraîne vers le bas les substances solubles (ions minéraux notamment). Ce lessivage provoque des zones de couleur et de structure différentes : les horizons dont la superposition constitue le profil pédologique.

Les fractions minérales et organiques seront plus pauvres dans un sol agricole que dans un sol forestier. La nature du sol dépend donc de la nature de la végétation. Mais la diversité des sols dépend d’autres facteurs comme le climat (on peut explorer ce fichier kmz dans Google Earth), le temps (qui influe sur le lessivage), ou la nature de la roche mère (acide ou calcaire).

Le sol a donc une double origine :

• La fragmentation de la roche mère située en dessous du sol. La couche la plus basse correspond à cette zone d’altération et d’érosion.
• La décomposition lente de molécules organiques. Celles-ci proviennent d’êtres vivants morts (cadavres, feuilles) et de déjections. La décomposition se fait dans la première couche du sol nommée humus.

2. Le recyclage de la biomasse dans le sol – livre p168-169

L’activité des êtres vivants du sol (présentés sur cette vidéo 4’16 ») permet la minéralisation, la remontée de certains constituants et l’aération des sols (lombrics).

Un agrosystème étant un système très déséquilibré, il faut ajouter de la matière organique afin de préserver la qualité microbienne du sol et conserver les micro-organismes indispensables à une bonne productivité. Trop souvent la « santé » des sols de culture a été négligée, elle est pourtant indispensable à une bonne productivité. Elle repose essentiellement sur la partie organique que constituent la litière, l’humus et les êtres vivants du sol (macrofaune de taille comprise entre 4 mm et 8 cm, mésofaune de taille comprise entre 0,2 et 4 mm, et microfaune d’une taille inférieure à 0,2 mm comme les champignons microscopiques ou les bactéries du sol). Tout cet écosystème autour des plantes, au-delà même de la seule rhizosphère (environnement immédiat autour des racines des plantes), comprenant notamment les décomposeurs et les lombrics, recycle la matière, entretient le sol, aère les parties superficielles et demeure utile aux agriculteurs (voir cette vidéo de 5′ à destination des agriculteurs).

• exercice 7p178 des vers de terre très utiles
• 8p178 intérêt des mycorhizes en agriculture
• 9p179 biodiversité et rôle des bactéries du sol

Il existe une très grande diversité d’êtres vivants dans le sol. Ils forment des réseaux trophiques, des chaînes alimentaires reliées entre elles. Ces réseaux permettent la production de biomasse et la circulation de matières :

• • Production primaire de biomasse (végétale) par photosynthèse en utilisant les minéraux présents dans le sol.
  • Production secondaire de biomasse (animale et fongique) en consommant les matières organiques issues d’êtres vivants morts. Cette production recycle la biomasse et libère des éléments minéraux dans le sol.

Le recyclage de la biomasse dans le sol l’enrichit en matières minérales et augmente donc sa fertilité.

• Les bactéries décomposent les déchets organiques (BD1)
• Les champignons décomposent la cellulose (BD2)
• Les animaux finissent le travail (BD3)

La formation des sols : Francis Hallé explique la formation des sols en 5’13 ».

Un sol se forme lentement à partir d’une roche, cela peut durer des milliers d’années.

Les étapes de formation d’un sol sont toujours les mêmes :

1. La roche-mère s’altère sous la contrainte physico-chimique de l’environnement (pluies, vent, alternance gel-dégel et fracturation que l’on appelle gélifraction ou cryoclastie…) et les premiers végétaux appelés végétaux pionniers commencent à s’installer (algues et lichens pour commencer puis mousses et autres plantes non vasculaires).
2. Ces derniers développent la première biomasse qui servira à enrichir et développer le sol en formation. Les micro-organismes et les premiers animaux du sol apparaissent et transforment cette biomasse.
3. Au fur et à mesure, le sol s’épaissit et la végétation passe successivement du stade herbacé au stade arbustif pour finir au stade arborescent qui est l’évolution ultime d’un écosystème quand toutes les conditions sont réunies (ce qu’on appelle le climax, ou stade climacique).

3. La fertilité des sols – livre p170-171

La composition minérale du sol

Le sol est toujours composé d’une fraction minérale et d’une fraction organique : la partie minérale est composée

• d’argiles (taille < 2 µm),
• de limons (taille comprise entre 2 et 20 µm) et
• de sables (taille comprise entre 20 µm et 2 mm) ou
• d’autres fractions à granulométrie plus importante (graviers, cailloux…).

Il y a également de nombreux éléments chimiques (ions N, P, K, Ca, Mg etc…).

La proportion des argiles, limons et sables a une incidence sur la texture du sol et donc sur ses propriétés. La particularité des argiles et de l’humus est qu’ils peuvent s’associer en complexes appelés complexes argilo-humiques, chargés négativement et qu’ils jouent ainsi un rôle extrêmement important dans la fertilité du sol.

exercice 6p177 (attention, le schéma du livre est faux : il faut intervertir « Pourcentage de limon » et « Pourcentage de sable »)

L’eau et le sol

Sous nos climats, l’apport d’eau au sol est varié (pluie, neige, rosée et brouillard). L’eau au sol pénètre en partie selon la porosité (capacité à s’imprégner) et la perméabilité (capacité à être traversé) du terrain (une vidéo de 8’26 -qu’on peut accélérer parfois- pour montrer comment on mesure cette perméabilité sur le terrain), puis ruisselle quand le sol est saturé et que tous ses interstices sont remplis.

Le volume maximal d’eau qu’un sol peut retenir est la capacité de rétention du sol qui dépend essentiellement de la granulométrie du sol. Lorsque la surface du sol est imperméable (roche imperméable, route ou zone urbaine bitumée), le ruissellement apparaît sitôt que les dépressions du sol ont été remplies.

• vidéo sur le problème des bassines d’irrigation face aux sécheresses (arrêter la vidéo à 8’24 »)

La végétation favorise l’infiltration et s’oppose ainsi au ruissellement. Le ruissellement superficiel peut entraîner les particules du sol. Pour les cultures, un sol ne doit être ni trop poreux, ni trop perméable ni trop lourd (pas trop d’argiles). Il faut un bon compromis entre les différents composants du sol avec une bonne quantité de complexes argilo-humiques qui améliorent sa perméabilité. Les sols de champs cultivés sont souvent très argileux et contiennent peu de complexes argilo-humiques, ce sont donc de mauvais sols potentiellement. Le sol idéal reste le sol de forêt mais une forêt exploitée pour des cultures n’est plus une forêt, cela devient… un champ (sauf peut-être en agroforesterie) !

Pour aller plus loin : un podcast 40′ Time to Shift #Rentrée du climat: les sols, pompiers du carbone? Un cours particulier avec le professeur Marc-André Selosse

Connaissances En dehors des agents érosifs, la nature et la composition des sols résultent aussi de l’interaction entre les roches et la biosphère, par le biais de plantes, d’animaux et de microbes. La biosphère prélève dans les sols des éléments minéraux participant à la production de biomasse. En consommant localement la biomasse morte, les êtres vivants du sol recyclent cette biomasse en éléments minéraux, assurant la fertilité des sols.

Notions fondamentales : notion de biomasse ; réseaux trophiques ; décomposeurs ; cycle de matière. Objectifs : l’organisation, la composition et l’origine des sols sont étudiées à partir d’un exemple local. L’influence de la nature du sous-sol sur les caractéristiques du sol est établie.

Capacités

– Comprendre (manipulation, extraction, organisation d’informations) les modalités de la formation des sols.

– Utiliser des outils simples de détermination d’espèces pour découvrir la diversité des êtres vivants du sol et leur organisation en réseaux trophiques.

– Expérimenter pour comprendre (à partir de la composition des engrais) l’importance des éléments minéraux du sol dans la production de biomasse.

– Concevoir et mener des expériences pour comprendre le recyclage de la biomasse du sol. Précisions : l’étude exhaustive des conditions de formation des sols n’est pas attendue.