UNIVERSITÉ MOHAMMED V – AGDAL
FACULTÉ DES SCIENCES
Rabat
N° d’ordre……….
THÈSE DE DOCTORAT D’ETAT
Présentée par
Yamina MOUJAHID
Discipline : CHIMIE
Spécialité : CHIMIE DU SOLIDE
PHYSICO-CHIMIE, MINERALOGIE ET DYNAMIQUE
DU PHOSPHORE ET DU POTASSIUM DANS QUELQUES
SOLS MAROCAINS
Soutenue le 27 Juin 2007Devant le jury
Président :
S. BOUHLASSA
: Professeur, Faculté des Sciences, RabatExaminateurs :
M. AHMAMOU : Professeur, Faculté des Sciences, Rabat
M. BADRAOUI : Professeur, Institut Agronomique et Vétérinaire Hassan II, Rabat
R. BOUABID : Professeur, Ecole Nationale d’Agriculture, Meknès
A. EL YAHYAOUI : Professeur, Faculté des Sciences, Rabat
R. MRABET : Directeur de recherche, Institut National de la Recherche
Agronomique, MeknèsREMERCIEMENTS
Le présent travail a été réalisé dans les laboratoires de l’INRA du Maroc et de Versailles, de l’ENA de
Meknès et de l’IAV Hassan II.
Je tiens à exprimer ma sincère gratitude et mes remerciements au Professeur Hamid NARGISSE,
Directeur de l’Institut National de la Recherche Agronomique qui n’a cessé de mettre la formation des
chercheurs parmi les priorités de l’Institut.
Je remercie vivement Monsieur le Doyen de la Faculté des Sciences de Rabat de m’avoir autorisé à
préparer ma thèse de doctorat d’Etat.
Mes vifs remerciements s’adressent au Prof. Saïdati BOUHLASSA, Professeur à la Faculté des Sciences
de Rabat d’avoir accepté de diriger ma thèse. Ses conseils et ses suggestions m’ont été très fructueuses.
Je remercie vivement Prof. Rachid BOUABID, Professeur à l’Ecole Nationale d’Agriculture qui m’a
intégré dans son équipe de recherche et m’a donné l’opportunité d’effectuer des stages à l’INRA de France
et qui m’ont été de grande importance. Je lui exprime ma gratitude pour les encouragements et les efforts
qu’il n’a cessé de me prodiguer durant ces longues années de préparation de thèse.
Que Prof. Mohammed BADRAOUI, Professeur à l’Institut Agronomique et Vétérinaire Hassan II
trouve ici mes remerciements les plus sincères, ses conseils et ses directives m’ont été très utiles.
Je remercie vivement Dr. Rachid MRABET, Directeur de recherche et Chef du Centre Régional de la
Recherche Agronomique de Meknès pour l’intérêt qu’il a témoigné à mon travail en tant que rapporteur.
Je remercie le Professeur Ahmed EL YAHYAOUI d’avoir accépté de juger mon travail.
Je tiens à remercier Dr. Daniel TESSIER, Directeur de recherche et Chef de l’Unité des Sciences du Sol à
l’INRA de Versailles qui a bien voulu m’accueillir dans ses laboratoires pour l’achèvement de mes travaux
de recherche.
Je suis particulièrement reconnaissante à Mesdames : Anne JAULIN, Chantale DUR et Eliane et
Messieurs : Miguel PERNES et Jean Pierre LEYEDECKER pour leurs contributions à la réalisation de
certaines analyses de sols de ce travail.
RESUME
Les études rapportées dans ce travail contribuent à l’étude physico-chimique et minéralogique des différents types de sols représentatifs du Saïs et des argiles de vertisols des régions de la chaouia, Gharb, Zaer, Saïs et Doukkala et les mécanismes de rétention du phosphore et d’échange potassium-calcium dans ces sols et de leur importance dans la fertilité phospho-potassique de ces sols.
La diffraction des rayons X des préparations orientées d’argile a permis l’identification et la quantification des espèces argileuses constituant les fractions argileuses des sols étudiés. Les fractions argileuses des vertisols du Saïs, Chaouia, Zaer, Doukkala et Gharb sont dominées par des smectites. Les smectites du vertisol de la Chaouia sont de nature beidellitique tandisque celles du Gharb, Zaer et Saïs sont des mélanges, à des proportions variables de la beidellitite et la montmorillonite. Les fractions argileuses des sols fersiallitiques de Oued Nja, Sbae Ayoun, Haj Kaddour et Aïn Chgag sont constituées essentiellement d’illite et de kaolinite.
La capacité d’échange cationique (CEC) des sols du Saïs a été déterminée par la méthode classique à l’acétate de sodium 1M à pH 8,2 (CEC8,2) et à la méthode au chlorure de cobaltihexamine aux pHs des sols (CECsol ou CECeffective). Pour ces sols, la CECsol varie entre 0 et 50 cmole (+)/kg alors que la CEC8,2 est comprise entre 24 et 76 cmole(+)/kg. Les valeurs des CECs sont les plus élevées pour les vertisols et les plus faibles pour les sols fersiallitiques sableux.
L’adsorption du phosphore aux sols est bien décrite par les équations de Freundlich et Langmuir. Aux faibles concentrations initiales en phosphore, le phosphore est sélectivement adsorbé par les sites qui lui sont spécifiques. La capacité maximale d’adsorption du phosphore (P) du sol argileux et calcaire de Toulal est la plus élevée (383,1 mg P/kg), ses teneurs en P assimilable et P en solution sont les plus faibles 10,0 mg P/kg de sol et 0.030 mg P/l respectivement. Sa disponibilité du Phosphore pour la culture de blé sous serre a été faible et l’apport de 60 mg P /kg de sol a permis d’augmenter le rendement en matière sèche du blé de 56 % sans atteindre le rendement maximum. La fraction argileuse de ce sol est une smectite pure bien cristallisée. Cependant, la capacité maximale d’adsorption du P du sol sableux de Aïn Taoujdate est la plus faible (56,7 mg P/kg) et sa disponibilité en phosphore est la plus élevée (0,33 mg P/l). Sa fraction argileuse représente 10 %, elle est dominée par la kaolinite. L’apport de phosphore dans ce sol a en traîné une diminution du rendement du blé de 8 %. Ce sol nécessite l’apport de tous les autres éléments nutritifs à l’exception du phosphore.
Les sélectivités des argiles de vertisols de la Chaouia, Gharb, Zaer, Saïs et Doukkala vis-à-vis du potassium ont été établies et quantifiées en utilisant les modèles de Vanselow, Gaines et Thomas et Gapon. Une forte corrélation entre la sélectivité des argiles vis-à-vis de K et les charges tétraedriques et interfoliaires a été mise en évidence. Le mécanisme de la rétention totale de K par les argiles des vertisols est une adsorption de type Langmuir à deux sites. L’échange K-Ca a été bien décrit par le modèle à deux sites. Le K+ est sélectivement adsorbé d’abord par les site 1 ayant une grande affinité vis-à-vis de K, ensuite dans les sites 2 qui le sont moins. Le nombre de sites très sélectifs vis-à-vis de K+ est plus élevé dans la fraction argileuse du vertisol de la Chaouia et il l’est le moins dans l’argile des Doukkala. Les valeurs des constantes thermodynamiques Kéq et ∆G° ont confirmé les conclusions concernant la sélectivité des argiles vis-à-vis de K+.
Mots clés: Sol, argile, smectite, capacité d’échange cationique, phosphore, potassium, adsorption,
échange, sélectivité, site
LISTE DES TABLEAUX
N°
Titre
Page1 Caractéristiques physiques des sols du Saïs: Humidité des sols, teneurs en Argile, Limon, Sable et Capacité de rétention en eau au point de flétrissement 4,2 en %
17 2 Caractéristiques chimiques des sols du Saïs : pHeau, calcaire total (CT), calcaire actif
(CA), azote minéral (Nm), conductivité électrique (CE), fer total (FeT), fer libre (FeL), rapport du fer libre et du fer total (Fel/FeT) et phosphore Olsen (POlsen)
19 3 Valeurs des capacités d’échange cationique à pH 8,2 (CEC8,2), aux pHs des sols
(CECsol), (CEC8,2-CECsol), cations échangeables (Ca2+, Mg2+, Na+, K+)
20 4 Matrice de corrélation des teneurs en argile (A), calcaire total (CA), calcaire actif
(CA), capacité de rétention en eau (CRE), matière organique (MO) et pHeau
21
5 Matrice de corrélation du pH, MO, Argile, CECsol, Ca2+, Mg2+, Na+ et K+ 22 6 Pourcentage en surface des espèces argileuses : smectite, illite, kaolinite, chlorite
constituants les fractions argileuses des sols du Saïs pour les profondeurs : a (0-30) cm, b (30-60) cm et c (60-90) cm et coefficients de détermination du modèle (R2) de
décomposition des spectres de diffraction des rayons X
35 36 7 Matrice de corrélation de Persen entre les teneurs des sols en smectite, illite, kaolinite,
CECsol, pH, Argile et MO
37 8 Distribution en taille des particules argileuses (<2µm) des sols du Saïs 42 43 9 Composition minéralogique des fractions argileuses de cinq vertisols du Maroc. Semi
quantification basée sur l’intensité intégrée des pics de diffraction des rayons X 52 10 Charges totales en mole (-) par demi maille, déterminées par la méthode d’intercalation
des alkylammoniums, des fractions argileuses des vertisols étudiés
58 11 CECtotale et tétraedrique et % de la CEC tétraédrique par rapport à la CE C totale des
argiles étudiées et type de smectite, beidellite (B) ou montmorillonite (M).
59 12 Constituants des sols de Aïn Taoujdate (S’1, S’2), Toulal (S’3) et Haj Kaddour (S’4,
S’5) en %.
65 13 Teneurs en smectite, illite, kaolinite et chlorite des fractions argileuses des sols de Aïn
Taoujdate (S’1, S’2), Toulal (S’3) et Haj Kaddour (S’4, S’5) en % de surface et coefficients de détermination du modèle (R2)
65
14 Etat physico-chimique des sols de Aïn Taoujdate (S’1, S’2), Toulal (S’3) et Haj Kaddour (S’4, S’5)
68 15 Coefficients de corrélation des rehgressions simples des formes lineaires des isothermes
de Freundlich et Langmuir pour les intervales de concentrations initiales (0,5-50,0) mgP/l et (0,5-30,0) mgP/l des sols de Aïn Taoujdate (S’1, S’2), Toulal (S’3) et Haj Kaddour (S’4, S’5)
69
16 Capacité maximale d’adsorption du phosphore (Q), constante liée à l’énergie
d’adsorption (W) et pouvoir tampon maximum (PTM) des sols de Aïn Taoujdate (S’1, S’2), Toulal (S’3) et Haj Kaddour (S’4, S’5)
72 17 Exportations du phosphore des sols de Aïn Taoujdate (S’1, S’2), de Toulal (S’3) et de
Haj Kaddour (S’4, S’5) par le blé tendre et pour les quatre apports de P et taux d’utilisation des apports phosphatés par le blé en %
74
18 Coefficients de sélectivité de Vanselow (KV) correspondant à l’échange K-Ca dans les argiles de sols et la montmorillonite de Wyoming à 25°C
19 Coefficients de corrélation (r) des régressions linéaires KV=b (CECtotale) + a, KV= b (CECtétra) + a et KV= b (X) + a pour les fractions équivalentes en solution initiales égales à 0,1 ; 0,4 et 1
88 20 Coefficients de corrélation (r) de la régression linéaire de l’équation de Freundlich à
25°C et constantes n et A
92 21 Coefficients de corrélations r1 et r2 des régressions linéaires des équations de
Langmuir du K adsorbé par les sites 1 et 2, capacités maximales d’adsorption du K par les deux sites (Qk1 et Qk2) et constantes de Langmuir (W1 et W2) à 25°C
94 22 Coefficients de corrélation des régressions non linéaires, donnant les paramètres α,
Kv1, Kv2 et N0 de l’échange K-Ca dans les argiles de sols et la montmorillonite
95 23 Valeurs des paramètres du modèle à deux sites de l’échange K-Ca pour les argiles de
sols et la montmorillonite à 25°C 97
24 Constante d’équilibre (Kéq), enthalpie libre (∆G°) en KJ/éq de l’échange K-Ca et coefficients d’activité de K+ et ca2+ dans les argiles de sols et la montmorillonite à 25°C
LISTE DES FIGURES
N° Titre Page
1 Localisation des sites d’échantillonnage des sols du Saïs 15 2 Diffractogrammes de rayons X du sol calcimagnésique de la route d’Imouzer S4 pour les
traitements Ca-air, Ca-EG, Ca-200°C et Ca-550°C
28 3 Diffractogrammes de rayons X du sol de Oued Nja S2, pour les traitements air, EG,
Ca-200°C et Ca-550°C
28 4 Diffractogrammes de rayons X du sol de Meknès S10, pour les traitements air, EG,
Ca-200°C et Ca-550°C
30 5 Diffractogrammes de rayons X du sol de Douyet S3, pour les traitements air, EG,
Ca-200°C et Ca-550°C
30 6 Diffractogrammes de rayons X des sols de Aïn Taoujdate (S1, S7, S8), Douyet (S3), route
d’Imouzer (S4) et de Meknès (S10) pour le traitement Ca-air 31 7 Diffractogrammes de rayons X du sol de Aïn Chgag S5, pour les traitements Ca-air, Ca-EG,
Ca-200°C et Ca-550°C 32
8 Diffractogrammes de rayons X des sols de Oued Nja S2, Aïn Chgag S5, Sbae Ayoun S9 et Haj Kadour S11 pour le traitement Ca-air
32 9 Diffractogrammes de rayons X des sols de Aïn Taoujdate S’2 et de Sbae Ayoun S14 pour le
traitement Ca-air
33 10 Diffractogrammes de rayons X modélisés de la fraction argileuse du sol de Meknès S10 saturée
au Ca et séchée à l’air (Ca-Air), (a) : Raies élémentaires, smectite et kaolinite, (b) : Ca-Air Expérimental et Ca-Air modélisé
37 11 Diffractogrammes de rayons X modélisés de la fraction argileuse du sol de la route d’Imouzer
S4 saturée au Ca et séchée à l’air (Ca-air), (a) : Raies élémentaires, smectite, chlorite, illite et kaolinite, (b) : Ca-Air Expérimental et Ca-Air modélisé
38 12 Diffractogrammes de rayons X modélisés de la fraction argileuse du sol de Oued Nja S2
saturée au Ca et séchée à l’air (Ca-air), (a) : Raies élémentaires, smectite, illite et kaolinite, (b) : Ca-air Expérimental et Ca-air modélisé
39 13 Diffractogrammes de rayons X modélisés de la fraction argileuse du sol de Sbae Ayoun S14
saturée au Ca et séchée à l’air (Ca-air), (a) : Raies élémentaires, smectite, illite et kaolinite, (b) : Ca-air Expérimental et Ca-air modélisé
40 14 Distribution en taille des fractions argileuses des vertisols de Haj Kadour S11, Douyet S3 et
Meknès S10 41
15 Distribution en taille des fractions argileuses des sols fersiallitiques de Oued Nja S2, Aïn
Chgag S5 et Haj Kadour S11 43
16 Distribution en taille des fractions argileuses du profil du Sol fersiallitique de Sbae Ayoun S14 pour les cinq profondeurs : a, b, c, d et e
44 17 Localisation des vertisols échantillonnés dans les régions de Chaouia, Zaer, Doukkala, Saïs et
Gharb
48 18 Diffractogrammes de rayons X de la fraction argileuse du vertisol de la Chaouia (M1) 51 19 Diffractogrammes de rayons X des argiles de vertisols des Zaer (ZR) et des Doukkala (DK)
saturées au Li, chauffées à 300°C et solvatées au glycol 53 20 Diffractogrammes de rayons X des argiles du sol de Doukkala (DK) après une intercalation des
ions alkylammoniums 54
21 Tracé de la distance réticulaired001 de l’argile des Doukkala (DK) en fonction du nombre de carbone des chaines d’alkylammoniums
56 22 Diffractogrammes de rayons X de la fraction argileuse du vertisol des Zaer après intercalation
des ions alkylammoniums
23 Tracé de la distance réticulaired001 de l’argile des Zaer (ZR) en fonction du nombre de carbone des chaines d’alkylammoniums
58 24 Diffractogrammes de rayons X des sols de Aïn Taoujdate (S’1, S’2), de Toulal (S’3) et Haj
Kaddour (S’4, S’5)
66 25 Distribution en taille des fractions argileuses des sols de Aïn Taoujdate (S’1, S’2), Toulal (S’3)
et Haj Kaddour (S’4, S’5) 67
26 Isothermes d’adsorption du phosphore dans les sols de Aïn Taoujdate (S’1, S’2), Toulal (S’3)
et Haj Kaddour (S’4, S’5) 70
27 Formes linéaires des isothermes de Langmuir pour les sols de Taoujdate (S’1, S’2), de Toulal (S’3) et de Haj Kaddour (S’4, S’5) pour l’intervalle de concentrations initiales en P
de (0,5-50) mg P/l
71 28 Variation du rendement moyen en matière sèche du blé en fonction des apports de phosphore
dans les sols de Aïn Taoujdate (S’1, S’2), Toulal (S’3) et Haj Kaddour (S’4, S’5) 73 29 Variation des concentrations en phosphore de la matière sèche du blé en fonction des apports
phosphatés de Aïn Taoujdate (S’1, S’2), Toulal (S’3) et Haj Kaddour (S’4, S’5)
74 30 Isothermes d’échange K-Ca dans les argiles des sols de la Chaouia (M1), Zaer (ZR), Saïs (S),
Gharb (M16), Doukkala (DK) et la montmorillonite (SWY-1) à 25°C
85 31 Coefficients de sélectivité de Vanselow (KV), de Gaines et Thomas (KGT) et de Gapon (KG)
de l’échange K-Ca dans les argiles des sols de la Chaouia (M1), Zaer (ZR), Saïs (S), Gharb (M16), Doukkala (DK) et la montmorillonite (SWY-1) à 25°C
87 32 Tracés de la régression linéaire KVA= b (CECtotale + a) pour les fractions équivalentes en K
des solutions initiales Ek égales à 0,1 ; 0,4 et 1 à 25°C
89 33 Tracés de la régression linéaire KVA= b (CECtétra + a) pour les fractions équivalentes en K
des solutions initiales Ek égales à 0,1 ; 0,4 et 1 à 25°C
89 34 Tracés de la régression linéaire KVA= b (X + a) pour les fractions équivalentes en K des
solutions initiales Ek égales à 0,1 ; 0,4 et 1 à 25°C
90 35 Tracés des isothermes de Freundlich de l’adsorption du K par les argiles de sols de Chaouia
(M1), Zaer (ZR), Gharb (M16), Saïs (S) et Doukkala (DK) et la montmorillonite (SWY-1) à 25°C
91 36 Tracés des isothermes de Langmuir correspondant au K adsoré par les sites 1 et 2 des argiles
de sols de Chaouia (M1), Zaer (ZR), Gharb (M16), Saïs (S) et Doukkala (DK) et la montmorillonite (SWY-1) à 25°C
93 37 Isothermes (iso.) d’échange K-Ca des argiles de sols de la Chaouia (M1) et du Gharb (M16)
expérimentales (exp.) et modélisées (mod.) à deux sites à 25°C et isotherme de non préférence (INP)
96 38 Coefficients de sélectivité de l’échange K-Ca des argiles de sols de la Chaouia (M1) et du
Gharb (M16) correspondant aux points expérimentaux (exp.) et ceux du modèle (mod.) à deux sites à 25°C
SOMMAIRE
INTRODUCTION GENERALE………...9
I. PREMIRE PARTIE : PHYSICO-CHIMIE ET MINERALOGIE DES SOLS ET ARGILES DES SOLS MAROCAINS……….12
CHAPITRE I.1 : PHYSICO-CHIMIE DES SOLS DU SAIS………...12
I.1.1. Introduction………12
I.1.2. Matériel et méthodes………..13
I.1.2.1.Echantillonnage ... 13
I.1.2.2. Désignation des profils ... 13
I.1.2.3. Techniques utilisées... 14
I.1.3. Résultats et discussion ... 16
I.1.3.1. Constituants physiques des sols... 16
I.1.3.2. Etat physico-chimique des sols : du pH à la capacité d’échange cationique... 16
I.1.4. Conclusion ... 22
I.1.5. Références... 23
CHAPITRE I.2 : MINERALOGIE DES ARGILES DES SOLS DU SAIS………...24
I.2.1. Introduction……… ....25
I.2.2. Matériel et méthodes ... 25
I.2.2.1. Echantillonnage ... 25
I.2.2.2. Méthodes de préparation et d’analyse des argiles de sols ... 26
I.2.3. Résultats et discussion ... 26
I.2.3.1. Identification des minéraux argileux des sols... 26
I.2.3.2. Typologie des minéraux argileux des sols... 27
I.2.3.2.1. Argiles de sols à dominance smectitique... 27
I.2.3.3.Modélisation des spectres de diffraction X des argiles de sols. ... 34
I.2.3.4. Variation des teneurs en smectite, illite et kaolinite dans les profils de sols... 36
I.2.3.5. Distribution en taille des fractions argileuses des sols ... 41
I.2.4. Conclusion ... 44
I.2.5. Références... 45
CHAPITRE I.3. MINERALOGIE ET CHARGE DES SMECTITES DES VERTISOLS DEQUELQUES REGIONS DU MAROC……….……….46
I.3.1. Introduction... 46
I.3.2. Matériel et méthodes ... 47
I.3.2.1. Les sols étudiés... 47
I.3.2.2.Technique sutilisées... 49
I.3.2.2.1. Séparation de la fraction argileuse des sols ... 49
I.3.2.2.2. Etude minéralogique des argiles... 49
I.3.3. Résultats et discussion ... 50
I.3.3.1. Détermination qualitative et semi quantitative des espèces minérales constituants la fraction argileuse des vertisols des cinq régions étudiées………49
I.3.3.2. Nature des argiles gonflantes... 53
I.3.3.3. Quantification de la charge interfoliaire des smectites... 54
I.3.3.4. Détermination de la capacité d’échange cationique des argiles étudiées ... 59
I.3.4. Conclusion ... 60
II. DEUXIEME PARTIE : ETUDE DE LA DYNAMIQUE DU PHOSPHORE DANS QUELQUES
SOLS DU SAIS……….62
II.1 Introduction ... 62
II. 2. Equations de l’adsorption du phosphore ... 63
II.3. Matériel et méthodes ... 64
II. 4. Résultats et discussion... 64
II.4.1. Constituants des sols ... 64
II.4.2. Etat physico-chimiques des sols... 67
II.4.3. Isothermes d’adsorption du phosphore dans les sols du Saïs... 68
II.4.4. Disponibilité du phosphore des sols... 72
II. 5. Conclusion... 75
II. 6. Références ... 76
III. TROISIEME PARTIE : ECHANGE POTASSIUM-CALCIUM DANS LES ARGILES DE VERTISOLS MAROCAINS………...78
III.1.Introduction... 78
III.2. Eléments de la théorie d’échange K-Ca... 79
III.2.1. Coefficients de séléctivité de l’échange K-Ca dans les argiles... 79
III.2.2. Considérations théoriques du modèle à deux sites... 81
III.3. Matériel et méthodes... 82
III.3.1. Argiles utilisées... 82
III.3.2. Méthodes utilisées... 83
III.3.2.1. Séparation des fractions argileuse des sols ... 83
III.3.2.2. Réalisation de l’échange K-Ca dans les argiles de sols ... 83
III.4. Résultats et discussion ... 84
III.4.1. Isothermes d’échange à 25°C... 84
III.4.2. Sélectivité de l’échange K-Ca à 25°C... 84
III.4.3. Relation entre la sélectivité de la rétention de K+ par les argiles de sols et la montmorillonite de référence et leurs charges ... 86
III.4.4. Equations de Freundlich et Langmuir de l’adsorption du K... 90
III.4.4.1. Iothermes d’adsorption de Freundlich ... 91
III.4.4.2. Isothermes d’adsorption de Langmuir ... 92
III.4.5. Modélisation de l’échange K-Ca dans les argiles ... 94
III.5. Conclusion ... 99
III.6. Références... 100
INTRODUCTION GENERALE
Le sol est une ressource naturelle qui remplit plusieurs fonctions vitales pour l’homme. Il constitue un pole important du compartiment eau-sol-plante-atmosphere. Son rôle et ses fonctions dépendent étroitement de la nature et de la quantité de ces constituants minéraux et organiques qui conditionnent ses propriétés et comportements physiques, physico-chimiques, minéralogiques et biologiques.
Les argiles, les matières organiques et les oxydes sont les constituants les plus fins des sols. Ils contribuent tous, à des degrés divers, à la dynamique des éléments minéraux dans les sols. Les argiles sont les minéraux les plus actifs dans ce cadre. Cette activité est dûe essentiellement à leur faible taille (< 2µm) qui conduit à une grande surface spécifique et à leur structure cristallochimique qui est caractérisée par un déficit de charge, exprimé par les capacités d’échanges cationiques et anioniques responsables des échanges vis-à-vis des ions de la solution du sol. Ces paramètres physico-chimiques sont considérés comme des indicateurs de la qualité physique et chimique des sols (Tessier, 1999 ; Debeyser, 2003 ; Rahoui et al., 2001).
Les argiles et la matière organique sont les deux principaux constituants impliqués dans la dynamique des éléments nutritifs essentiels pour les plantes, dont notamment le potassium et le phosphore. Ces éléments existent en quantités variables dans trois états principaux : l’état ionique dans la solution du sol, directement disponible aux plantes, la forme adsorbée sur les constituants minéraux et organiques des sols et l’état fixé, ou ils deviennent peu ou pas disponibles aux plantes. Ces trois états sont continuellement en équilibre à travers des processus d’échange plus ou moins réversibles entre la solution du sol et la phase solide.
La dynamique du phosphore dans les sols met en jeu les réactions d’adsorption, désorption, fixation, précipitation et dissolution. Moughli et al. (1993) ont montré que l’adsorption du phosphore dans les sols du Gharb, Chaouia, Zaer et Tadla est significativement corrélée aux teneurs des sols en argile, matière organique et calcaire total et que l’estimation des besoins des plantes en phosphore dans ces sols a été améliorée par l’introduction du pouvoir tampon qui n’a été significativement corrélé qu’aux teneurs des sols en argile. Par contre dans les sols calcimagnésiques des régions de Chaouia, Abda et Ben Slimane la disponibilité du phosphore est négativement corrélée à sa capacité d’adsorption et le taux de disponibilité du phosphore apporté aux sols est élevé dans les sols sableux et faible dans les sols argileux (Amrani 1997).
Pour le potassium, les réactions physico-chimiques qui ont lieu dans les sols sont l’adsorption, la désorption, l’échange cationique, la fixation et la dissociation. Le degré d’importance de l’une ou de l’autre
de ces réactions est étroitement lié à la quantité et la nature des minéraux argileux des sols. La disponibilité du potassium pour les plantes est liée à sa concentration dans la solution du sol. Cette concentration dépend de l’échange du potassium en solution avec un ou plusieurs cations échangeables (Na+, Mg2+, Ca2+). Dans les sols marocains généralement neutres à basiques, le calcium est le cation dominant. Ainsi, l’échange potassium-calcium est de première importance dans la compréhension de la dynamique du potassium dans le sol. Cet échange dépend des propriétés physico-chimiques de la solution du sol et de la nature des minéraux argileux présents dans le sol.
L’étude des propriétés physiques, physico-chimiques et minéralogiques des sols est certes une nécessité, non seulement pour appréhender leurs qualités et leurs comportements vis-à-vis des différentes utilisations (agricoles ou non agricoles), mais aussi pour assurer leur préservation face aux facteurs qui menacent leur durabilité.
Dans ce sens, le présent travail, se veut une contribution à l’enrichissement et l’approfondissement des connaissances sur la dynamique de certains éléments nutritifs essentiels des plantes dans quelques sols des principales régions agricoles du Maroc ( Saïs, Chaouia, Gharb, Zaer et Doukkala ) et se faisant à la définition de certains critères de qualité de ces sols. Il examine et analyse, d’une part, les propriétés physico-chimiques, la quantité et la nature minéralogique des fractions argileuses, et d’autre part, les mécanismes de rétention et de disponibilité du potassium et du phosphore dans ces sols. Le mémoire subdivisé en trois parties, rapporte la synthèse analytique, des études entreprises sur les sols précités.
La première partie est consacrée à l’étude des caractéristiques physico-chimiques et minéralogiques des sols et argiles de sols : trois chapitres en donnent la quintessence.
o le premier porte sur la détermination des caractéristiques physiques et chimiques, la quantification de la capacité d’échange cationique et les cations échangeables des sols représentatifs du Saïs. o Le deuxième chapitre présente une identification et quantification des espèces argileuses
constituant les fractions argileuses des sols du Saïs et l’étude de leur granulométrie laser.
o Le troisième est consacré à la minéralogie et aux charges totales, tétraédrique et interfoliaire des smectites de cinq vertisols marocains (Sais, Chaouia, Gharb, Zaer et Doukkala)
La deuxième partie est dédiée à l’étude de la dynamique du phosphore dans quelques sols de la région du Saïs. La troisième partie formée d’un seul chapitre a été réservée à l’étude de l’échange potassium-calcium dans les argiles de cinq vertisols marocains (Sais, Chaouia, Gharb, Zaer et Doukkala).
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I. PREMIRE PARTIE : PHYSICO-CHIMIE ET MINERALOGIE DES SOLS ET
ARGILES DES SOLS MAROCAINS
CHAPITRE I.1 : PHYSICO-CHIMIE DES SOLS DU SAIS
I.1.1. Introduction
Le Saïs est une des grandes régions agricoles du Maroc intérieur ayant connue une intensification
importante des cultures liée à sa richesse hydrique, circulant dans les formations superficielles. C’est un ensemble de plaines et de plateaux qui s’étend sur près de 2700 km2 et situé à une altitude moyenne de 600 m. Le plateau de Meknès constitue les 2/3 de la superficie totale du Saïs. La géologie du Saïs se caractérise par la complexité des sédiments calcaires (Moustaoui, 1990). Brund (1984) a montré la présence de calcaire dur et tendre. Ces formations reposent sur des sables et des marnes (Fassi, 1993 ; Ben Abdellah, 1986 et El Idrissi, 1992). Le climat du Saïs est semi aride à hiver tempéré. Les sols représentatifs du Saïs sont groupés dans les classes suivantes : les sols isohumiques, les sols calcimagnésiques et les sols à sesquioxydes (Brund, 1984). El Idrissi (1992) a montré que les sols calcimagnésiques, les sols fersiallitiques, les vertisols et les sols isohumiques représentent 63%, 15%, 11% et 7% de la superficie totale du plateau de Meknès respectivement (carte pédologique au 1/100.000 de la région de Meknès).
La qualité des sols et leur fertilité dépendent de la nature et de la quantité de leurs constituants minéraux et organiques. Les constituants les plus fins des sols sont les argiles, les matières organiques et les oxydes. Ces constituants présentent des surfaces électriquement chargées. La valeur de la capacité d’échange cationique (CEC) d’un sol varie en fonction de la méthode de mesure choisie laquelle se doit de présiser la nature du cation échangé, la force ionique de la solution d’échange et le pH de la suspension. Les méthodes couramment utilisées sont celles utilisant des solutions d’échange tamponnées d’acétate d’ammonium à pH 7 (Metson, 1956) et d’acétate de sodium à pH 8,2 (Bower et al., 1952). Ces dérnières années, la mesure de la CEC effective des sols au chlorure de cobaltihexamine a connu une grande importance (Tessier, 1999 et Debeyser et al., 2003). Elle a été normalisée, ses conditions de mise en œuvre revues et redéfinies. Ses avantages ont été démontrés par plusieurs auteurs (Orsini et Remy, 1976 ; Guadalix et al., 1988 et Cieseilsky et al.,1997a, 1997b) : l’échange est réalisé à des conditions de pH et de force ionique équivalentes à celles des suspensions de sols en milieu naturel, et la technique est simple, rapide et à moindre coût, ne necessitant qu’une simple extraction au lieu de 3 saturations, 3 lavages et 3 extractions dans le cas des acétates. Dans ce travail deux méthodes de mesure de la CEC des sols représentatifs du Saïs ont été utilisées et comparées. La première utilisant l’acétate de sodium à pH 8,2 et la seconde utilisant le chlorure de cobaltihexamine aux pHs des sols. La relation entre les constituants minéraux et organiques des sols du Saïs et leurs prorpiétés physiques et physico-chimiques est étudiée.
I.1.2. Matériel et méthodes
I.1.2.1.Echantillonnage
L’échantillonnage a été effectué dans douze sites dans les régions de Fès et Meknès (figure 1). En fonction de la profondeur du profil, le nombre d’échantillons prélevés varie entre 1 et 3, avec les limites de profondeurs suivantes : (0-30) cm, (30-60) cm et (60-90) cm.
Les échantillons de sols prélevés ont été séchés à l’air, broyés et tamisés à 2 mm.
I.1.2.2. Désignation des profils
Profil 1 (S1) - Situé à Aïn Taoujdate, sol isohumique, moyennement profond, dominance de calcaire en congloméra jaunâtre à partir de 60 cm de profondeur (P). Trois échantillons ont été prélevés, S1a (0-30) cm, S1b (30-60) cm et S1c (60-90) cm.
Profil 2 (S2) - Sur la route Meknès-Fès, marron, calcimagnésique, moyennement profond, présence de congloméra de calcaire à P> 60 cm, S2a (0-30) cm, S2b (30-60) cm et S2c (60-90) cm.
Profil 3 (S3)- Douyet, domaine INRA, gris, profond, vertisol. S3a (0-30) cm, S3b (30-60) cm et S3c (60-90) cm.
Profil 4 (S4) - Sur la route d’Immouzer, peu profond, calcimagnésique, S4a (0-30) cm.
Profil 5 (S5) - Situé à Aïn chgag, marron, profond, présence de calcaire dur en lapiez, S5a (0-30) cm, S5b (30-60) cm et S5c (60-90) cm.
Profil 6 (S6) - à Sbae ayoun, peu profond, rendzine, caillouteux, formé sur congloméra de calcaire, S6a (0-25) cm.
Profil 7 (S7) – Aïn Taoujdate, domaine INRA, profond, vertisol, colza, marron, S7a (0-30) cm, S7b (30-60) cm et S7c (60-90) cm.
Profil 8 (S8) – Aïn Taoujdate, domaine INRA, moyennement profond, calcimagnésique, S8a, S8b et S8c.
Profil 9 (S9) - Sbae ayoun, rouge, profond, fersiallitique, S9a, S9b et S9c.
Profil 9’ (S9’) - Même site que le profil 9, parcelle voisine, en pente, avec affleurement de calcaire tuffeux, moyennement profond, calcimagnésique, S9’a et S9’b.
Profil 10 (S10) - Situé au sud de la ville de Meknès, Tirs noir, profond, vertisol, sur calcaire blanc et tendre, S10a, S10b et S10c.
Profil 11 (S11) - Haj Kaddour, rouge foncé, sableux, moyennement profond, fersiallitique, sur sable fauve, S11a, S11b et S11c.
Profil 12 (S12) - Route d’Agouray, rouge foncé, sableux, fersiallitique, formé sur sable jaune, S12a, S12b et S12c.
I.1.2.3. Techniques utilisées
Les caractéristiques étudiées ont été déterminées à l’aide des techniques suivantes :
L’analyse granulométrique des échantillons de sols a été effectuée à la pipette Robinson, après destruction de la matière organique à l’eau oxygénée, du calcaire total à l’acétate de sodium 1N, lavage à l’eau distillée et dispersion au carbonate de sodium (Robert et Tessier, 1974).
La capacité de rétention en eau au point de flétrissement (pF 4,2) a été déterminée à la presse à membrane
Le pH a été déterminé avec un rapport sol : eau de 1 : 2,5 à l’électrode de verre. La matière organique a été quantifiée par la méthode Walkley-Black.
Les calcaires total et actif ont été déterminés au calcimètre Bernard et la méthode de Drouineau-Galet respectivement.
La conductivité électrique est déterminée dans les extraits de sols de rapport sol : eau égal à 1 :5 Le phosphore assimilable est dosé par la méthode Olsen.
L’azote minéral a été extrait au chlororede potassium et dosé par distillation à la méthode kgeldhal. Le fer libre est extrait au citrate-bicarbonate-dithionite de sodium et dosé par colorimétrie.
Le fer total, extrait à l’acide chlorhydrique à chaud et dosage colorimétrique
La capacité d’échange cationique (CEC) a été déterminée par deux méthodes : la 1ère dite de Bower et al. (1952) au pH 8,2 et la 2ème au pH du sol dont la saturation du Complexe d’échange a été effectuée au chlorure de cobaltihexamine (Ciesielsky et Stecherman, 1997a et 1997b).
I.1.3. Résultats et discussion
I.1.3.1. Constituants physiques des sols
Les sols étudiés ont des textures variant entre argileuse, argilo-sableuse et sableuse (tableau 1). Les sols situés à Oued Nja S2, à Douyet S3, sur la route d’Imouzer S4, à Aïn Chgag S5, à Aïn Taoujdate S7, dans la région de Sbae Ayoun S9 et S9’ et au sud ouest de la ville de Meknès S10 sont de texture argileuse, avec des teneurs en argiles variant entre 40 % et 67 %. A l’exception du sol S5 qui est formé sur du calcaire lacustre dur et lapiasé, ces sols sont formés sur du calcaire lacustre tendre. Les sols situés à Aïn Taoujdate S1, à Haj Kadour S11 et sur la route d’Agouray S12 sont sableux, avec des teneurs en sable variant entre 57 % et 75 %. Le sol S1 est formé sur du calcaire lacustre en congloméra jaunâtre, situé en dépression, la présence de sable ne peut être que apportée des sols sableux voisins. Les sols S11 (Haj Kaddour) et S12 (Agouray) sont formés sur des sables jaunes. Les textures de ces sols sont en accord avec la carte pédologique du Saïs présentée par Schoen (1969). Les sols situés à Sbae Ayoun S6 et à Aïn Taoujdate S8 sont de texture argilo-sableuse. La capacité de rétention en eau au point de flétrissement de ces sols varie entre 2 %, cas du sol sableux de Haj Kaddour (S11b) et 24 %, vertisol de Meknès (S10).
I.1.3.2. Etat physico-chimique des sols : du pH à la capacité d’échange cationique
Dans les horizons de surface, le pH dans l’eau des sols varie entre 6,1 (sol fersiallitique sableux de Haj Kaddour, S11) et 8,3 (vertisol de Douyet, S3) (tableau 2). A l’exception du sol S11, qui est légèrement acide, tous les sols ont des pHs neutres à basiques. Le sol fersiallitique de Aïn chgag (S5) formé sur du calcaire dur lapiazé et les deux sols sableux de Haj Kaddour (S11) et d’Agouray (S12) ont présenté des teneurs nulles en calcaire total le long de leur profil. Cependant, le profil du vertisol de Douyet (S3) a présenté la teneur la plus élevée en calcaire total dans les horizons de surface (26 %) laquelle augmente avec la profondeur (30 %). Les teneurs en matière organique (MO) des horizons de surface des profils étudiés varient entre 1,1 % et 4,5 %. Dans tous les profils, les teneurs en matière organique des horizons de sols diminuent avec l’augmentation de leurs profondeurs. Les sols étudiés ne sont pas salés, leurs conductivités électriques varient entre 0,064 mmho/cm et 0,174 mmho/cm. Les teneurs des sols en phosphore assimilable (Pass) varient entre 10 ppm (S4a) et 88 ppm (S11a). Les valeurs des rapports en fer libre et fer total (R= FeL/FeT) varient entre 0,2 % et 0,9 %. Bruand (1984) a montré que pour des sols fersiallitiques du Saïs, ce rapport varie entre 0,6 et 0,9. El Idrissi (1992) a rapporté que pour les sols fersiallitiques du plateau de Meknès, ce rapport est supérieur à 0,5.
Tableau 1. Humidité des sols, Teneurs en argile, Limon et sable et capacité de rétention en eau au point de flétrissement 4,2 en %.
Ech. Humidité % Argile % Limon % Sable % Capacité de rétention en eau (%) S1a 1,9 26,7 3,8 58,0 7,0 S1b 1,6 27,7 3,5 56,4 7,4 S1a 3,8 33,5 5,9 37,6 9,8 S2a 5,2 63,8 18,1 12,1 15,9 S2b 5,6 67,2 14,4 6,1 16,5 S2c 5,0 54,1 12,4 4,4 15,5 S3a 5,7 47,0 17,5 7,5 17,9 S3b 6,4 54,0 6,7 10,2 17,8 S3c 5,4 52,9 9,4 5,4 17,2 S4a 5,4 41,2 23,6 19,0 16,2 S5a 5,2 52,7 18,3 25,0 13,4 S5b 6,3 66,3 15,4 15,4 19,5 S5c 5,7 59,5 17,2 21,4 18,6 S6a 3,3 34,7 13,3 29,9 10,9 S7a 3,9 41,4 11,8 40,3 11,1 S7b 4,0 39,9 11,0 43,8 11,2 S7c 4,5 42,9 7,6 44,3 12,4 S8a 3,9 37,5 11,2 32,2 10,9 S8b 3,6 36,1 7,8 40,2 9,7 S8c 5,5 32,8 6,4 45,6 9,8 S9a 5,0 49,9 11,7 33,4 15,0 S9b 8,0 58,2 9,6 27,4 17,8 S9c 3,6 43,8 4,9 18,1 16,1 S9’a 4,3 43,2 10,1 34,7 13,5 S9’b 2,7 25,9 3,3 25,6 11,4 S10a 7,9 64,5 14,5 16,1 24,2 S10b 8,1 69,3 10,6 15,0 22,4 S10c 5,1 43,2 6,4 3,8 16,4 S11a 1,2 13,7 7,3 75,2 4,9 S11b 0,3 7,4 2,9 76,5 2,0 S12a 2,0 25,4 3,4 57,2 8,9 S12b 1,0 17,3 0,3 73,8 5,6 S12c 2,7 39,6 0,9 56,1 14,1
Les valeurs des capacités d’échange cationiques aux phs 8,2 des sols (CEC8,2) des horizons de surface des sols varient entre 24 et 76 cmole (+)/kg de sol (tableau 3). Elles sont supérieures aux valeurs des capacités
d’échange cationiques effectives (mesurées aux pHs des sols, CECsol) de ces sols et qui varient entre 0 et 50 cmole (+)/kg de sol. Ces valeurs des CECsol sont en accord avec celles rapportées par Billaux et al. (1967), Ben Abdellah (1986), El Idrissi (1992), Fassi (1993) et Rahoui et al. (2001). Pour tous les sols, la différence des CEC8,2 et CECsol est positive et comprise entre 5 et 41 cmole (+)/kg. Donc, la méthode de mesure de la CEC à pH 8,2 surestime le nombre de charge négative des complexes adsorbants des sols. Cette surestimation des valeurs de la CEC est la plus élevée dans les sols fersiallitiques sableux et légèrement acides. Par contre, la méthode au chlorure de cobaltihexamine dont le pH est neutre permet la quantification de la charge négative totale et effective des sols. L’importance de cette méthode dans la mesure de la CEC des sols de France a été démontrée par Tessier (1999) et Debeyser (2003). Les sols étudiés ont des complexes d’échange saturés. Le calcium est le cation dominant. A l’exception des sols de Douyet S3 et de Aïn Chgag S5 qui ont présentés les teneurs les plus élevées en magnésium ; les teneurs en calcium échangeable des sols supérieures aux valeurs des CECsols dues probablement à la dissolution des carbonates de calcium. Les teneurs des sols en magnésium varient entre (2 et 36) % de la CECsol. Les teneurs les plus élevées sont présentes dans le profil de Aïn Chgag S5 et les plus faibles dans le profil de Sbae Ayoun S6. Les quantités de sodium échangeable des sols varient entre (0 et 5) % de la CECsol. Les teneurs des sols en potassium échangeable varient entre 105,2 ppm et 488,0 ppm. Le sol sableux de Haj Kadour S11 de teneur en argile de 13,7 % a présenté la teneur la plus élevée en potassium échangeable. Sa fraction par rapport à la CECsol est de 30 %. Cependant le sol de la route d’Imouzer S4 dont la teneur en argile est de 41,2 % a présenté la teneur la plus faible en potassium échangeable de 105,2 ppm. Donc, l’idée courante que la richesse des sols en potassium est étroitement liée à leur richesse en argile n’est pas toujours vrai et que ce sont les sols sableux qui présentent souvent une déficience en potassium et répondent souvent à l’apport potassique. En effet, ce sol sableux présente surtout une déficience en calcium et magnésium.
La capacité de rétention en eau (CRE) au point de flétrissement est hautement corrélée à la teneur des sols en argile (R= 0,916). Le pH des sols est significativement corrélé aux teneurs des sols en calcaires total et actif (tableau 4).
Tableau 2. Caractéristiques chimiques des sols : pH dans l’eau, calcaire total (CT), calcaire actif
(CA), matière organique (MO), azote minéral (Nm), conductivité électrique (CE), fer total (FeT), fer libre (Fe L), rapport du fer libre et fer total (FeL/FeT) et phosphore assimilable (P Olsen)
Ech. pH (eau) CT % CA % MO % Nm % CE mmho/cm FeL % FeT % Fe L/Fe T P Olsen ppm S1a 8,05 8,7 3,9 2,7 0,010 0,072 2,0 2,5 0,8 43,1 S1b 8,13 11,0 2,6 1,4 0,010 0,086 1,7 2,6 0,7 15,6 S1c 8,34 21,8 5,5 1,4 0,008 0,087 1,5 2,2 0,7 6,3 S2a 7,60 3,3 1,4 2,9 0,013 0,174 2,4 14,4 0,2 27,3 S2b 7,81 9,9 3,6 2,4 0,015 0,268 2,3 1,4 1,6 9,9 S2c 7,95 27,0 5,3 2,3 0,015 0,269 2,2 2,8 0,8 19,8 S3a 8,27 26,0 13,7 2,0 0,012 0,116 0,7 2,6 0,3 25,5 S3b 8,51 26,6 14,6 3,1 0,012 0,102 0,9 1,6 0,6 28,6 S3c 8,42 30,5 14,6 2,2 0,010 0,112 0,5 1,3 0,4 8,9 S4a 8,17 13,1 10,0 3,7 0,006 0,123 2,6 6,8 0,4 10,2 S5a 7,70 0,7 0,6 2,5 0,008 0,064 2,1 6,4 0,3 13,5 S5b 8,08 1,2 2,5 1,9 0,011 0,083 2,5 6,8 0,4 32,8 S5c 7,90 0,3 1,2 1,8 0,007 0,097 3,8 6,8 0,6 3,4 S6a 8,18 17,6 6,0 4,5 0,007 0,091 3,2 1,6 2,0 52,2 S7a 8,06 4,1 1,6 3,1 0,008 0,088 2,4 2,8 0,9 27,0 S7b 8,14 3,6 2,0 1,9 0,012 0,101 2,5 1,2 2,1 3,7 S7c 8,33 3,7 2,5 1,5 0,010 0,087 2,2 1,5 1,5 6,9 S8a 8,19 16,1 6,8 3,9 0,010 0,103 2,0 1,9 1,1 41,8 S8b 8,31 13,7 4,7 2,6 0,010 0,083 2,1 1,0 2,1 95,1 S8c 8,31 13,1 6,1 2,5 0,010 0,086 1,3 1,5 1,1 38,7 S9a 7,65 1,6 1,4 3,8 0,006 0,072 2,9 6,3 0,5 68,5 S9b 7,50 2,5 1,7 2,9 0,010 0,108 3,3 11,3 0,3 22,4 S9c 8,32 31,6 15,2 1,8 0,010 0,098 3,1 11,2 0,3 55,6 S9’a 8,16 8,8 3,7 3,7 0,006 0,106 1,2 4,4 0,3 60,3 S9’b 8,31 44,9 19,1 1,2 0,010 0,102 2,0 2,6 0,8 26,8 S10a 7,63 2,1 2,2 2,8 0,010 0,093 2,1 2,8 0,8 43,9 S10b 7,89 2,9 2,1 2,6 0,010 0,119 2,7 4,1 0,7 18,0 S10c 8,50 44,2 15,6 3,3 0,010 0,089 1,9 2,7 0,7 0,3 S11a 6,14 1,9 0,0 2,5 0,011 0,114 1,7 1,6 1,1 87,8 S11b 7,77 0,7 0,1 0,6 0,008 0,024 1,1 0,7 1,6 84,7 S12a 6,74 0,8 0,1 1,1 0,010 0,119 2,3 0,8 2,9 32,5 S12b 6,90 0,3 0,1 0,6 0,006 0,045 2,1 1,4 1,5 30,4 S12c 7,42 3,2 0,6 0,6 0,006 0,124 2,6 2,0 1,3 56,1
Tableau 3. Valeurs des Capacités d’échange cationique à pH 8,2 (CEC8,2) et aux pHs des sols (CECsol), de la différence (CEC8,2-CECsol), des cations échangeables(Ca2+, Mg2+, Na+, K+) et leurs pourcentages par
rapport à la CECsol
Ech. CEC8,2 (1) cmole+/kg CECsol(2) cmole+/kg (1) - (2) cmole+/kg Ca2+sol cmole+/kg Mg2+sol cmole+/kg Na+sol Cmole+/kg K+sol cmole+/kg Ca2+/(2) % Mg2+/ (2) % Na+/(2) % K+/ (2) % S1a 24,0 13,04 11,0 15,43 1,290 0,074 0,325 118,5 10,0 0,8 2,3 S1b 14,4 9,37 5,0 12,99 1,115 0,093 0,131 138,3 11,7 1,1 1,1 S1c 17,4 12,29 5,1 15,53 1,542 0,162 0,141 126,0 12,2 1,6 0,8 S2a 39,2 21,47 17,0 23,13 2,605 0,233 0,380 107,4 12,1 0,9 1,9 S2b 36,0 25,24 10,8 26,61 1,690 0,253 0,142 105,6 6,7 1,2 0,4 S2c 27,3 19,44 7,9 23,63 1,319 0,225 0,150 121,6 6,7 1,0 1,0 S3a 45,8 29,48 16,3 28,33 4,381 0,188 0,983 95,9 14,9 0,7 3,4 S3b 38,2 31,99 6,2 18,17 6,791 0,349 0,363 56,9 21,3 1,3 1,3 S3c 49,1 30,77 18,3 24,88 7,620 0,519 0,474 80,8 24,7 1,6 1,6 S4a 48,0 33,98 14,0 37,57 1,403 0,177 0,269 110,6 4,1 0,6 0,9 S5a 48,0 18,48 29,5 14,64 6,742 0,148 0,281 78,9 36,2 0,5 1,6 S5b 43,6 26,35 17,3 19,20 8,409 0,296 0,294 72,7 31,8 1,1 1,1 S5c 52,3 27,78 24,5 21,16 7,963 0,198 0,195 76,3 28,8 0,7 0,7 S6a 27,3 19,18 8,1 25,82 0,512 0,184 0,300 134,4 2,6 1,0 1,6 S7a 29,4 17,98 11,4 21,74 2,784 0,153 0,472 120,6 15,6 1,1 2,8 S7b 52,3 18,88 33,4 21,52 3,060 0,238 0,216 113,8 16,4 1,1 1,1 S7c 43,6 19,83 23,8 21,68 3,084 0,348 0,214 109,6 15,7 1,5 1,0 S8a 40,3 20,83 19,5 22,9 2,119 0,306 0,899 110,1 10,1 1,4 4,3 S8b 39,2 18,63 21,4 21,73 1,772 0,140 0,192 116,7 9,7 0,5 1,1 S8c 39,2 17,85 24,4 21,05 1,780 0,156 0,232 117,9 10,1 1,1 1,1 S9a 48,0 21,41 26,6 22,00 2,020 0,159 0,685 102,8 9,3 0,9 3,3 S9b 51,2 25,56 25,6 24,85 2,021 0,246 0,163 97,3 7,8 0,8 0,8 S9c 42,5 20,11 22,4 22,73 1,230 0,205 0,187 112,9 6,0 1,0 1,0 S9’a 61,0 24,22 36,8 24,98 1,101 0,130 0,684 103,3 4,5 0,4 2,9 S9’b 29,4 20,62 8,8 14,65 0,518 0,127 0,122 71,4 2,4 0,5 0,5 S10a 76,3 49,23 27,1 42,87 2,977 0,175 0,391 87,2 6,1 0,4 0,8 S10b 91,6 50,38 41,2 45,27 2,627 0,198 0,258 89,9 5,2 0,4 0,6 S10c 71,9 31,01 40,9 31,18 1,857 0,204 0,217 100,6 6,1 0,6 0,6 S11a 41,4 3,99 37,4 6,22 0,820 0,174 1,248 155,0 20,0 5,0 30,0 S11b 30,5 0,00 30,5 2,98 0,388 0,027 0,224 - - - - S12a 44,7 11,71 33,0 10,88 2,218 0,159 0,660 93,2 18,8 1,7 6,0 S12b 39,2 3,50 35,7 5,28 0,945 0,049 0,098 151,4 25,7 2,9 2,9 S12c 51,2 15,29 35,9 15,09 2,897 0,096 0,124 98,7 19,0 0,7 0,7
Tableau 4. Matrice de corrélation des teneurs en argile, en calcaires total (CT), actif (CA),
en capacité de rétention en eau (CRE), en matière organique (MO) et pH eau. Argile CT CA CRE MO pH Argile 1,000 CT NS 1,000 CA NS 0,934** 1,000 CRE 0,916** NS NS 1,000 MO NS NS NS NS 1,000 pH NS 0,617* 0,585* NS NS 1,000
NS : Non significatif * : Significatif à un seuil de 5% ** : Significatif à un seuil de 0.1%
La matrice de corrélation du pH, MO, CECsol, Ca2+, Mg2+, Na+ et K+ est donnée dans le tableau 5. La capacité d’échange cationique des sols (CECsol) est hautement corrélée à leurs teneurs en argile et calcium échangeable (Ca2+) et significativement corrélée au pH (R= 0,366) et à la teneur des sols en matière organique (MO) (R= 0,434). La teneur des sols en argile est hautement corrélée au calcium échangeable et positivement corrélée au sodium (Na+) et magnésium (Mg2+) échangeables. La modélisation de la capacité d’échange cationique (CECsol) par la méthode de la regression lineaire multiple a donnée l’équation suivante :
CECsol = 0,385 Argile + 2,64 MO, avec R2= 0,955
Cette équation montre que la capacité d’échange cationique des sols déterminée à leurs pHs effectifs est la somme des charges cationiques permanentes des argiles et des charges cationiques variables localisées dans les composés organiques et minéraux (argile) des sols. Cette équation montre aussi que le nombre de charge positive organique est 7 fois plus élevé que le nombre de charge positive des argiles de sols. Cependant, les teneurs des sols en matière organique sont généralement inférieures à 5% et de ce fait, les CECdes sols sont attribuées à leurs teneurs en argile. Ceci a été démontré par la corrélation hautement significative entre la CEC des sols et leurs teneurs en argile. On peut donc conclure que la CECsol et les teneurs en cations échangeables des sols sont des indicateurs de qualité et de fertilité des sols. Elles nous renseignent sur la texture des sols et par conséquent, leurs capacités de rétention en eau.
Tableau 5. Matrice de corrélation de pH, MO, Argile, CECsol, Ca2+, Mg2+, Na+ et K+
NS : Non significatif * : Significatif à un seuil de 5% ** : Significatif à un seuil de 0,1%
I.1.4. Conclusion
Les sols étudiés sont de texture argileuse, argilo-sableuse et sableuse. Les sols sableux (S11a et S12a) ont des capacités de rétention en eau au point de flétrissement de 5% et 9%, respectivement, des pHs de 6,1 et 6,7, respectivement et des CECsols de (4 et 11,7) cmole (+)/kg les plus faibles. Cependant, les sols argileux ont des pHs compris entre 7,5 et 8,5, leurs teneurs en CECsols varient entre (18,5 et 50) cmole (+)/kg, leurs teneurs en cations échangeables (CEsols) et en capacités de rétention en eau sont les plus élevées et sont hautement corrélées aux teneurs des sols en argile. La capacité d’échange cationique déterminée aux pHs des sols a été modélisée par l’équation :
CECsol = 0,385 Argile + 2,64 MO, avec R2 = 0,955
Cette relation montre l’importance des teneurs en argile et en MO des sols dans la rétention de l’eau et de cations échangeables. La qualité physique et physico-chimique des sols est étroitement liée à leurs teneurs en argile et en matière organique.
Le facteur de contribution de la MO à la CEC des sols est très élevé par rapport à celui des argiles. Cependant, les teneurs en MO dans les sols marocains sont généralement faibles. Donc la fertilité des sols et le raisonnement de leur fertilisation sont attribués à la quantité d’argile et sa nature dans les sols. D’où le grand intérêt d’identifier et quantifier les différentes espèces argileuses formant les fractions argileuses des différents types de sols par la diffraction aux rayons X.
Argile MO pH CECsol Ca2+ Mg2+ Na+ K+
Argile 1,000 MO NS 1,000 pH NS NS 1,000 CECsol 0,789** 0,434* 0,366* 1,000 Ca2+ 0,702** 0,544* 0,425* 0,916** 1,000 Mg2+ 0,556* NS NS NS NS 1,000 Na+ 0,543* NS NS NS NS NS 1,000 K+ NS NS NS NS NS NS NS 1,000
I.1.5. Références
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CHAPITRE I.2 : MINERALOGIE DES ARGILES DES SOLS DU SAIS
I.2.1. Introduction
Dans le chapitre précédent nous avons pu démontrer que les capacités d’échange cationique (CEC) et les capacités de rétention en eau au point de flétrissement (CRE) des sols du Saïs sont hautement corrélées aux teneurs de ces sols en argile. Cependant, les sols de Oued Nja S2 et de Meknès S10 de même texture argileuse (64%) ont présenté des CEC (21,5 cmole+/kg et 49,2 cmole/kg) et des CRE assez différentes (16% et 24%) respectivement. Ceci nous amène à penser que les espèces argileuses constituants les fractions argileuses de ces deux sols argileux sont de natures différentes et possèdent donc des propriétés physiques et physico-chimiques différentes.
Les argiles représentent la composante fine la plus active du sol. Au sens minéralogique, ce sont des phyllosilicates résultant de l’empilement de feuillets. Trois types de feuillets existent : les feuillets 1/1, 2/1 et 2/1/1. Les smectites, les illites et les vermiculites appartiènnent au groupe d’argile à feuillet 2/1, de charge négative comprise entre 0,2 et 0,6 mole (-) par demi maille et d’espace interfoliaire plus au moins hydraté et facilitant l’échange ou la fixation de cations tels que le calcium, le magnésium, le sodium, le potassium et l’ammonium. La famille des Kaolinites possède des feuillets de type 1/1 de charge nulle. Cette charge des feuillets résultant de substitution isomorphique de cations du minéral argileux par des atomes de valences inférieures confère aux argiles des propriétés physiques et physico-chimiques de grande importance dont la stabilité structurale des sols, la rétention et la disponibilité de l’eau, de molécules organiques et des ions échangeables.
Les objectifs de ce travail sont: la détermination qualitative et quantitative des espèces argileuses des sols du Saïs par diffraction des rayons X et l’étude des distributions en taille et en quantité des fractions argileuses des sols par granulométrie laser.
I.2.2. Matériel et méthodes
I.2.2.1. Echantillonnage
Les échantillons des douze profils décrits dans le chapitre I.1 sont utilisés. Deux autres profils sont étudiés. Le profil S13 situé dans la région de Haj Kaddour à la ferme de l’ENA. C’est un vertisol profond, situé en dépression et échantillonné à trois profondeurs : a (0-30) cm, b (30-60) cm et c (60-90) cm. Le profil S14 situé à Sbae Ayoun à côté de la carrière de basalte, est un sol fersiallitique argileux. Ce profil a été échantillonné à cinq profondeurs : a (0-25) cm, b (25-50) cm, c (50-75) cm, d (75-90) cm et e (90-100) cm.
Les horizons de surface (0-20) cm de cinq sols situés à Taoujdate (S’1 et S’2), Toulal (S’3) et à Haj Kaddour et dans la ferme de l’ENA (S’4 et S’5) ont été analysés. Les échantillons de sols ont été séchés à l’air ambiant, broyés et tamisés à 2 mm.
I.2.2.2. Méthodes de préparation et d’analyse des argiles de sols
Les échantillons de sols ont subis les prétraitements de destruction de la matière organique à l’eau oxygénée et du calcaire à l’acétate de sodium 1 N (Robert et Tessier, 1974). Les fractions argileuses des sols sont séparées par centrifugation. Elles sont ensuite lavées, saturées au calcium, préparées en lames orientées et séchées à l’air ambiant. Les préparations orientées des argiles de sols sont analysées à l’état naturel, après solvation à l’éthylène glycol, chauffage à 200°C et/ou à 550°C au diffractomètre de rayons X de type Siemens D500, utilisant la radiation Kα du cobalt. Les spectres de diffraction sont convertis en fichiers numériques par le logiciel Diffrac AT (SOCABIM, France) et décomposés après élimination du bruit de fond par le logiciel DECOMPXR (Lanson, 1997). Ce logiciel permet la quantification des minéraux argileux composant les fractions argileuses des sols à partir des surfaces des raies élémentaires. L’analyse granulométrique des fractions argileuses des sols a été réalisée au granulomètre laser de type Coulter LS 230, après dispersion des suspensions argileuses dans l’hexamétaphosphate de sodium 0,01 M aux ultrasons pendant 5 minutes.
I.2.3. Résultats et discussion
I.2.3.1. Identification des minéraux argileux des sols
Les diffractogrammes de rayons X de la fraction argileuse, saturée au Ca, orientée et séchée à l’air ambiant, des vertisols de Douyet (S3), du domaine Taoujdate (S7) et de Meknès (S10) et des sols calcimagnésiques de Taoujdate (S1), de la route d’Imouzer (S4) et du domaine Taoujdate (S8) présentent une raie intense caractéristique des smectites entre 1,4 nm et 1,6 nm. Après solvatation à l’éthylène glycol, il y a gonflement de la smectite, qui se traduit par l’apparition d’une raie entre 1,7 nm et 1,8 nm. Le chauffage à 200°C et /ou à 550°C de la smectite calcique perd la totalité de ses couches interfoliaires et présente une raie à 1,0 nm. La figure 2 présente à titre indicatif les diffractogrammes de rayons X correspondant à l’analyse de la fraction argileuse de l’horizon de surface du sol calcimagnésique de la route d’Imouzer (S4) saturée au calcium, séchée à l’air Air), solvatée à l’éthylène glycol EG) et chauffée à 200°C (Ca-200°C) et à 550°C (Ca-550°C). La raie correspondant à la smectite est large et asymétrique, dûe à sa faible dimension (diamètre < 0,2µm), à son mauvais état de cristallisation et à ses espacements interreticulaires très variables, ajoutés au fort bruit de fond aux petits angles de diffraction. Cette fraction argileuse de sol
est dominée par la smectite avec la présence de faibles quantités d’illite (raie à 1,0 nm), de kaolinite (raie à 0,715 nm) et des traces de chlorite (raie à 1,4 nm pour les trois traitements).
Les diffractogrammes de la fraction argileuse, saturée au Ca, orientée et séchée à l’air ambiant du sol calcimagnésique de la région de oued Nja (S2) et celles des sols fersiallitiques de Aïn Chgag (S5), Sbae Ayoun (S9) et de Haj Kaddour (S11) présentent une raie intense caractéristique de l’illite à 1,0 nm. Les traitements de solvatation à l’éthylène glycol et de chauffage à 550°C n’ont aucun effet sur l’illite qui possède un espace interfeuillet fermé et anhydre et qui se traduit par la persistance de la raie à 1,0 nm. La raie de l’illite présente un épaulement à 1,15 nm qui pourrait être dûe à une légère ouverture de son espace interfeuillet ou à la variation de sa taille. La figure 3 présente les diffractogrammes de rayons X correspondant à la fraction argileuse du sol calcimagnésique de oued Nja (S2) saturée au calcium et pour les traitements: Ca-Air, Ca-EG, Ca-200°C et Ca-550°C. Cette fraction argileuse de sol est dominée par l’illite avec la présence de la kaolinite en quantité plus faible. La raie caractéristique de la Kaolinite apparaît à 0,715 nm pour les traitements de séchage à l’air et de solvatation à l’éthylène glycol qui n’a pas d’effet sur les kaolinites qui possèdent un espace interfeuillet fermé, anhydre et à charge nulle. D’où la persistance de la raie à 0,715 nm. Le chauffage à 550°C entraîne la destruction de kaolinite et donc la disparition de sa raie caractéristique à 0,715 nm.
I.2.3.2. Typologie des minéraux argileux des sols
I.2.3.2.1. Argiles de sols à dominance smectitique
La figure 4 présente les diffractogrammes de la fraction argileuse du vertisol de Meknès S10. Le spectre présente une raie très intense et assez symétrique à 1,55 nm correspondant à une smectite pure et bien cristallisée. La kaolinite est présente en trace par la raie à 0,715 nm. Le vertisol de Meknès S10 est formé sur du calcaire lacustre tuffeux. Fassi (1993) a montré par l’étude de la minéralogie d’un profil à Douyet que les smectites de ces sols gris sont néoformées à partir de calcaire marneux du miocène et sont de nature montmorillonitique.
Sol d'Imouzer S4 0 200 400 600 800 1000 1200 0 5 10 15 20 25 Degré 2 theta Inte nsi té (c ps)
Figure 2. Diffractogrammes de RX du sol calcimagnésique de la route d’Imouzer S4 pour les
traitements Ca-air, Ca-EG, Ca-200°C et Ca-550°C
Sol de oued Nja S2
0 400 800 1200 1600 2 7 12 17 22 Degré 2 théta Inte nsi té ( cps)
Figure 3.Diffractogrammes de RX du sol de Oued Nja S2, pour les traitements Ca-air, Ca-EG,
Ca-200°C et Ca-550°C Ca-air Ca-EG Ca-200°C Ca-550°C 1.0 nm 0.715 nm 1.527 nm 1.717 nm Ca-air Ca-EG Ca-200°C Ca-550°C 1.0 nm 0.715 nm
La figure 5 présente les diffractogrammes de rayons x de la fraction argileuse du vertisol de Douyet S3. La raie correspondant à la smectite est située à 1,68 nm pour le traitement Ca-air, puis à 1,98 nm pour la solvatation à l’éthylène glycol. Cette raie est moins intense et plus asymétrique que celle du vertisol de Meknès S10. La fraction argileuse du vertisol de Douyet contient des traces d’illite et des très faibles quantités de kaolinite et de chlorite. La différence de l’état de cristallinité des smectites des deux vertisols pourrait être dûe à la nature de leur roche mère et des mécanismes de leurs formations. Faraj (1967) a montré que les sols formés sur du calcaire tendre sont le résultat d’une transformation pédologique. La capacités d’échange cationique effective (chapitre I.1) du vertisol de Meknès S10 est la plus élevée (49 cmole+/kg), celle du vertisol de Douyet est plus faible (29,5 cmole+/kg). Les fractions argileuses des vertisols de douyet (S3), Meknès (S10) et domaine Aïn Taoujdate (S7), du sol isohumique de Aïn Taoujdate (S1) et deux sols calcimagnésiques de la route d’Imouzer (S4) et du domaine Aïn Taoujdate (S8) sont dominées par des smectites, avec la présence de l’illite et de la kaolinite en quantités beaucoup plus faibles (figure 6). La raie correspondant aux smectites est la plus intense pour le vertisol de Meknès (S10) et la plus faible, plus large et moins symétrique pour le sol isohumique de Taoujdate (S1). Ces sols sont développés sur du calcaire tendre. Schoen (1969) a montré que les sols dont les fractions argileuses sont dominées par des smectites sont développés sur matériaux tendres et tufeux et ressemblent quand à leurs minéraux argileux aux formations lacustres. Ces sols sont autochtones et ont des pHs élevés, des teneurs en Ca, Mg et SiO2 élevées et des fractions argileuses de nature montmorillonitique.
I.2.3.2.2. Argiles de sols à dominance Illitique et kaolinitique
Les diffractogrammes de rayons X des fractions argileuses de deux sols argileux situés dans la région ouest de Fès, à oued Nja (S2) et à Aïn chgag (S5) sont donnés dans les figures 3 et 7. Elles présentent une raie intense, fine et symétrique à 1,0 nm pour les traitements de séchage à l’air (Ca-air), de solvatation à l’éthylène glycol (Ca-EG) et de chauffage à 200°C (Ca-200°C) et 550°C (Ca-550°C) indiquant la dominance de l’illite, avec un état de cristallinité généralement meilleur que celui des smectites. La kaolinite est présente dans les fractions argileuses des sols S2 et S5 en quantité plus faible que l’illite par la raie à 0,715 nm pour les traitements Ca-air, Ca-EG et chauffage à 200°C. Le chauffage à 550°C détruit la kaolinite et entraîne la disparition de sa raie. Ces diffractogrammes présentent un épaulement à 1,4 nm correspondant à la présence d’un interstratifié gonflant. Le sol S2 est formé sur une dalle calcaire et le sol S5 est formé sur du calcaire dur lapiazé.
Sol de Meknès S10 0 500 1000 1500 2000 2500 2 8 14 20 Degré 2 theta In te nsi té ( cps)
Figure 4. Diffractogrammes de RX du sol de Meknès S10
pour les traitements Ca-air, Ca-EG, Ca-200°C et Ca-550°C
Sol de Douyet S3 0 500 1000 1500 2000 2 5 8 11 14 17 20 23 26 Degré 2 theta Int ensi té ( cps)
Figure 5. Diffractogrammes de RX du sol de Douyet S3 pour les traitements Ca-air, Ca-EG et Ca-200°C
Ca-air Ca-EG Ca-200°C Ca-550°C 1.55 nm 1.8 nm 0.715 nm Ca-air Ca-EG Ca-200°C 1.4 nm
0 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2 6 10 14 Degré 2 théta Inte nsi té (c ps)
Figure 6. Diffractogrammes de RX des sols de Taoujdate (S1, S7, S8), Douyet (S3),
route d’Imouzer (S4) et de Meknès (S10) pour le traitement Ca-air
Schoen (1969) a montré la dominance de l’illite dans les sols formés sur du calcaire dur en lapièz. Ben Abdellah (1986) a montré la dominance de la kaolinite et la présence de l’illite dans la fraction argileuse d’un sol rouge sur la route d’Agouray formé dans les lapiazs des calcaires lacustres. Faraj et Schoen (1969) et El Idrissi (1992) ont montré que les sols sans smectites se rencontrent sur du calcaire dur et des sables et possèdent un type d’argile qui est différent de celui des formations lacustres. La discontinuité de leurs minéraux argileux entre le substra et le sol prouve leur origine diffèrent. Ce sont des sols d’apport. Le sol S2 reçoit une irrigation gravitaire et une fertilisation continue en azote, phosphore et potassium. Ces pratiques culturales pourraient être à l’origine des lessivages horizontal et vertical des smectites, en plus de la possibilité de transformation des smectites en illites par la fixation du K (Badraoui et al., 1992 et Debuyser, 2003).
La figure 8 présente les diffractogrammes de RX correspondant aux fractions argileuses saturées au Ca et séchées à l’air, des sols fersiallitiques des régions Oued Nja (S2), Aïn Chgag (S5) , Sbae Ayoun (S9) et Haj Kaddour (S11). Sol S10 Sol S3 Sol S8 Sol S1 Sol S4 Sol S7
Sol de Aïn Chgag S5 0 500 1000 1500 2000 2500 2 5 8 11 14 17 20 23 Degré 2 théta In te ns it é (c ps )
Figure 7. Diffractogrammes de RX du sol de Aïn Chgag S5 pour Ca-air, Ca-EG et Ca-200°C
0 400 800 1200 1600 2 7 12 17 22 Degré 2 théta In te ns it é (c ps )
Figure 8. Diffractogrammes de RX des sols de Oued Nja S2, Aïn Chgag S5,
Sbae Ayoun S9 et Haj Kadour S11 pour le traitement Ca-air
Ca-air Ca-EG Ca-200°C 1.47 nm 1.0 nm 0.715 nm 1.77 nm Sol S5 Sol S11 Sol S9 Sol S2 1.0 nm 0.715 nm
