Rôles du pH, de la CEC effective et des cations échangeables sur la stabilité structurale et l’affinité pour l’eau du sol

Résumé :

Les agronomes font souvent état d’un lien entre le pH des sols et leur structure, deux caractéristiques du sol très différentes. Dans cet article, l’objectif est d’identifier ce lien, puis, à partir de résultats d’essais, d’exposer les mécanismes en jeu de la manière la plus pédagogique possible. Les données prises en compte reposent sur le dispositif des 42 parcelles de Versailles mis en place en 1929, reprises et enrichies. Dans le sol étudié, les argiles présentent essentiellement une charge négative permanente, quel que soit le pH, alors que pour les matières organiques leur charge négative s’accroît avec l’augmentation du pH. La hausse du pH est donc à l’origine de l’augmentation de la CEC effective du sol. Pour expliquer les relations entre la CEC effective, l’affinité du sol pour l’eau et la stabilité des agrégats, il est nécessaire d’étudier le sol à plusieurs échelles, du nanomètre au millimètre. L’augmentation de la CEC effective permet d’augmenter la densité de cations hydratés, notamment Ca2+ adsorbés sur les surfaces des constituants (échelle nanométrique) et à rendre le sol plus hydrophile en raison de la nature polaire des molécules d’eau. Les interactions entre les cations hydratés et la surface des constituants modifient la relation sol-eau, augmentant la vitesse d’humectation et développant une microstructure (échelle inférieure au micromètre) en volume plus importante. Ces interactions modifient aussi, au niveau de la microstructure, la nature et le nombre des liaisons entre les argiles et la matière organique. Ces liaisons, dues à des forces électrostatiques, assurent une plus grane stabilité des agrégats. Par essence, la microstructure se développe dans un milieu saturé d’eau, dit biphasique solide/eau liée. La macrostructure est en revanche un milieu triphasique solide/eau libre/air où les forces capillaires sont aussi modifiées par l’augmentation de la CEC effective et des cations adsorbés : le caractère hydrophile des parois des pores est accru. Au total le rôle des matières organiques sur la stabilité des agrégats apparaît essentiellement dû à leur CEC effective qui est proche de zéro lorsque le pH est bas. Par ailleurs, dans le mécanisme d’hydratation, l’effet spécifique de K+ et Na+ a pu être identifié, d’une part dans la réduction de la vitesse d’humectation de la microstructure et, d’autre part, pour les plus fortes teneurs en eau finales obtenues, par le développement de la couche diffuse en solution diluée. Cet article démontre l’importance de préserver les sols de leur acidification, voire de maintenir un pH plus élevé que préconisé par de nombreux agronomes. Cette démarche vise à préserver les sols sur le long terme et à optimiser leur fonctionnement tant pour leurs cycles biogéochimiques que pour les aspects physiques et mécaniques. Des perspectives sont avancées pour la recherche agronomique et pour les pratiques agricoles en intégrant le contexte physico-chimique du sol, en particulier la CEC effective.