Chapitre 5. Caractéristiques des sols et production de biomasse

A la fin de cette séance, j’ai compris

• les notions suivantes : biomasse, réseaux trophiques, décomposeurs, cycle de matière.
• 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. Qu’est-ce qu’un sol ?

Le sol est la partie superficielle des continents, issue de l’altération des roches sous l’effet du climat et des organismes vivants (processus vus dans L’érosion, processus et conséquences et 1. Le rôle du climat et de la végétation sur l’érosion).

Il se caractérise par la succession de 3 horizons (3 couches). 

1. L’horizon proche de la surface est en général riche en matière organique provenant des végétaux.
2. L’horizon intermédiaire est formé à la fois de matière organique provenant de l’horizon de surface et de matière minérale provenant de la roche mère. 
3. Le dernier horizon est composé de la roche mère (la roche du sous-sol : calcaire, granite, schiste…) en cours de dégradation. 

La formation du sol est très lente. On estime qu’il se forme entre 0,02 et 0,1 mm d’épaisseur de sol par an.

2. Formation d’un sol cultivable

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

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).

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.

3. Influence du climat sur l’évolution des sols

Le climat, à travers ses différentes composantes (la chaleur favorise les réactions chimiques, l’eau solubilise les ions, le gel fait éclater les roches et les mottes de terre), influe fortement sur l’altération des roches du sous-sol.

Sur ce graphique, on visualise (en haut) les biomes, de la toundra à 90° de latitude (c’est à dire le pôle) à la forêt équatoriale à 0° de latitude (c’est à dire l’équateur).

En parallèle, on observe l’épaisseur du sol (en bas), c’est à dire de la couche concernée par l’altération. Elle est directement proportionnelle à la pluviométrie (plus les précipitations sont élevées, plus le sol est épais) et à la limite savane/forêt on constate également que la température favorise l’altération.

 

4. Le recyclage de la biomasse dans le sol

L’agrosystème nécessite l’apport d’intrants (énergie, engrais) pour « conserver » la fertilité du sol et compenser l’exportation de la biomasse végétale. Alors que dans l’écosystème, la matière minérale est renouvelée naturellement.

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

1. macrofaune de taille comprise entre 4 mm et 8 cm,
2. mésofaune de taille comprise entre 0,2 et 4 mm, et
3. microfaune d’une taille inférieure à 0,2 mm comme les champignons microscopiques ou les bactéries du sol.

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).

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

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

Un sol provient initialement d’une roche qui subit une désagrégation physique suivie d’une altération chimique. Les végétaux apportent de la matière organique au sol.

Un sol est donc formé d’une fraction minérale et d’une fraction organique en proportions variables.

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.

L’activité des êtres vivants du sol permet la minéralisation, la remontée de certains constituants et l’aération des sols (lombrics).

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 aussi de 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).

Un sol résulte d’une longue interaction entre les roches et la biosphère, conditionnée par la présence d’eau et la température.

Le sol a une donc 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.

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 par photosynthèse en utilisant les minéraux présents dans le sol.
• Production secondaire de biomasse 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.

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

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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.