HAL Id: hal-02702955
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Cinétiques de transfert des ions phosphate du sol vers la
solution du sol : paramètres caractéristiques
Christian Morel, Jean-Claude Fardeau, Raymonde Boniface
To cite this version:
Christian Morel, Jean-Claude Fardeau, Raymonde Boniface. Cinétiques de transfert des ions
phos-phate du sol vers la solution du sol : paramètres caractéristiques. Agronomie, EDP Sciences, 1991, 11
(9), pp.787-797. �hal-02702955�
Cin´
etiques de transfert des ions phosphate du sol vers la
solution du sol : param`
etres caract´
eristiques
Jc Fardeau, Cristina Morel, R Boniface
To cite this version:
Jc Fardeau, Cristina Morel, R Boniface. Cin´
etiques de transfert des ions phosphate du sol
vers la solution du sol : param`
etres caract´
eristiques. Agronomie, EDP Sciences, 1991, 11 (9),
pp.787-797. <hal-00885419>
HAL Id: hal-00885419
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recherche fran¸cais ou ´
etrangers, des laboratoires
publics ou priv´
es.
Science du sol
Cinétiques
de transfert des ions
phosphate
du sol
vers
la solution du sol :
paramètres caractéristiques
JC Fardeau
1
,C Morel
R Boniface
1 Centre d’études de
Cadarache, département de physiologie végétale et écosystème, 13108 Saint-Paut-lez-Durance;
2
CNRA, agronomie, route de Saint-Cyr, 78000 Versailles, France
(Reçu le 11 octobre 1990; accepté le 24 août 1991 )
Résumé — La nutrition
phosphatée
des plantes dans un sol peutdépendre
de la vitesse de renouvellement des ionsphosphate
de la solution du sol par des ions de la phase solide. Mais il n’existait pas jusqu’alors de méthodepermet-tant de déterminer ces vitesses de transfert. Grâce à
l’emploi
de méthodesd’échanges isotopiques
dans des sys-tèmes sol-solution en état stationnairecouplées
à uneanalyse stochastique
utilisant la méthode des transformées deLaplace,
il a étépossible
de définir :(i)
une constante moyenne de vitesse de transfert entre laphase
solide et laphase liquide, (ii)
un temps moyen deséjour
des ionsphosphate
dans la solution du sol,(iii)
un flux moyen detrans-fert entre la
phase
solide et laphase liquide.
La détermination de ces variables sur des échantillons de terreprélevés
dans des parcelles de plusieurs
dispositifs expérimentaux
delongue
durée sur la fertilisationphosphatée
a mis enévi-dence que la constante de vitesse et le temps de
séjour
sont peu modifiés par les apports d’engrais; par contre le fluxl’est fortement par ces derniers. La
comparaison
des rendements parcellaires et des flux a montré que le seul facteursusceptible
de limiter la nutritionphosphatée
est bien le flux. L’ensemble de ces résultats conduit àprivilégier
lapré-sence d’eau dans le sol comme facteur
prioritaire
pour assurer une nutritionphosphatée
satisfaisante mêmelorsque
les stricts besoins en eau sont satisfaits.
phosphate
assimilable / solution du sol / flux de transfertSummary — Phosphate
ion transfer from soil to soil solution: kinetic parameters. In a soil, phosphate nutritionof crops depends on the rate at which phosphate ions in the soil solution are renewed from phosphate ions in the solid
phase.
Before the present study, however, no method was available to determine the rate of phosphate ion renewal from soil. Using theisotopic exchange
method of4
PO
32
ions in soil solution systems maintained atsteady
state and the stochasticanalysis
of kinetic data(table II),
3 kinetic parameters weredefined: (i)
the mean renewal rate ofphos-phate ions from soil which
theoretically
can vary to a great extent (table IV),(ii)
the mean time phosphate ions remainin the soil solution, (iii) the mean
exchange
flow between soil and solution. These parameters were determined in soilsamples (table V)
taken fromlong-term experimental designs
where residual effects ofphosphate
fertilization werestudied. The mean
exchange
rate and the mean timephosphate
ions remain in the soil solution werenot greatly
modi-fied
by
cropphosphorus uptake
orphosphorus input
but the meanexchange
flow wasgreatly
modified(table
III).
Comparison
ofdry
matteryields
in theexperimental designs
with the meanexchange
flow shows that the mean flow could be alimiting
factor inphosphate
nutrition of crops(table III).
These results show that attention should bepaid
tohydric
nutrition in order tosatisfy
phosphorus
nutrition.INTRODUCTION
Les
plantes
cultivées sur des sols oùl’agriculture
est
pratiquée
delongue
date tirent 80-100% deleur
phosphore
dans la réserve assimilable du sol et lecomplément
dans lesengrais
phospha-tés récemment
appliqués (Morel, 1988).
Ainsi lephosphore
du sol assimilable par lesplantes
et lesmicrorganismes,
c’est-à-dire lephosphore
susceptible
d’êtretransféré,
via la solution dusol,
depuis
laphase
solide du sol vers lesvégé-taux, assure presque à lui seul la satisfaction
des besoins des
plantes.
Ce faitexplique
que cette forme dephosphore
ait faitl’objet
detra-vaux de recherche
depuis plus
de 100 ans. Dans les méthodesqui
fontappel
à des extractifschi-miques (Daubeny, 1845)
lephosphore
assimi-lable d’un sol n’est caractérisé que par un fac-teurquantité.
Ilpeut
s’agir
«d’une attitudepragmatique
utile,
mais il serait erroné de laconsidérer comme suffisante»
(Calvet,
1988).
Les limites de cestechniques
sont apparuesavec la
multiplication
desanalyses
de terre(Bo-niface et
Trocmé,
1988).
En
fait,
les chercheurs ontmontré,
depuis
plus
de 30 ans(White
etBeckett,
1964),
qu’une
meilleure connaissance duphosphore
assimi-lable du sol nécessite la détermination de 3pa-ramètres
susceptibles
dequantifier
les facteursintensité,
quantité
etcapacité (Gachon,
1977).
Le
paramètre
intensité doit illustrer l’activitéther-modynamique
des ionsphosphate
dans lasolu-tion du
sol,
phase
danslaquelle
lesplantes
pré-lèvent le
phosphore
indispensable
à leur croissance. Ce facteur estgénéralement
identifiéà la concentration des ions
phosphate
dans lasolution du sol
(Barber,
1984).
Leparamètre
quantité
doit êtrereprésentatif
de laquantité
d’ionsphosphate capables
d’alimenter lasolu-tion du sol
lorsque
celle-ci estexploitée
par les racines. Leparamètre capacité
doit caractériserles variations du facteur intensité
lorsque
le fac-teurquantité
croît sous l’effetd’apports d’engrais
phosphatés
ou diminue sous l’effet desprélève-ments par les
plantes.
Bien que constituant unprogrès
significatif
dans la définition et lacarac-térisation de l’offre alimentaire du sol en
phos-phore,
cetteapproche
restaitcependant
insuffi-sante.
En
effet,
la solution du sol ne contient à uninstant
donné,
dans les cas lesplus
favorables,
que de 2-5% de la
quantité
dephosphore
préle-vé in fine par lesplantes.
Lephosphore
de cettesolution du soil doit donc être renouvelé au
contact des racines un très
grand
nombre de foisdurant la
phase
devégétation.
Ce fait aparfois
été
évoqué,
soit à l’occasion de considérationsthéoriques (Calvet,
1988;
Triboi etGachon,
1988),
soit à l’occasion de considérationsgéné-rales
lorsque
l’offrepotentielle
du sol enphos-phore
est définie «commel’aptitude
du sol à fournir un flux d’ions aux surfaces racinaires»(Gachon, 1988). Cependant
peu de méthodesont été
proposées
pourquantifier
le fluxpotentiel
d’ionsphosphate
entre le sol et la surfaceraci-naire,
via la solution du sol. Les tentatives effec-tuéesportent
essentiellement sur l’utilisation de résinesanioniques
dontl’objet
est de simuler l’action duprélèvement
racinaire(Conesa,
1967;
Sibbessen, 1978; Roche,
1983);
cependant
l’ac-tion des résinesanioniques
sur le sol est très dif-férente de celle des racines notamment parl’am-pleur
des modifications depH qu’elles
induisent dans le sol. Aucune méthodeexpérimentale
nepermettait
deprévoir
letemps
nécessaire pourque le facteur intensité retrouve sa valeur initiale
lorsque
le facteur intensité est modifié par lesprélèvements végétaux
alors que des méthodesexpérimentales
ontpermis
de connaîtrel’évolu-tion de ce facteur à l’issue
d’apports
dephos-phates
(Barrow,
1980; Morel etFardeau,
1990).
L’objet
de cet article est de :-
proposer une méthode
permettant
de mesurerles flux
potentiels
d’ionsphosphate
entre laphase
liquide
et laphase
solide ainsi que celledes flux
inverses;
-
préciser
l’incidence de la fertilisationphospha-tée sur les variations de tels flux d’ions
phos-phate
dans le sol enappliquant
la méthode à deséchantillons de terre issus de divers
dispositifs
expérimentaux
delongue
durée sur lafertilisa-tion
phosphatée;
- de chercher à savoir
si, au contact avec la
zone
d’absorption
racinaire,
la vitesse derenou-vellement des ions
phosphate
dans laphase
li-quide
par ceux de laphase
solide n’est pas lefacteur limitant essentiel de la nutrition
phospha-tée des
plantes
dans les sols enplace.
MATÉRIEL
ETMÉTHODES
Détermination des
cinétiques d’échanges
isotopiques
des ionsphosphate
dans lessystèmes
sol-solution de solen état stationnaire
La méthode a été décrite en détail
précédemment
consiste, dans son application standard, à
agiter
unmélange
de 10 g de terre et de 99 ml d’eau désionisée durant une nuit; lesystème
atteint alors un étatstation-naire.
À
l’issue de cetteagitation,
la concentration des ions passés en solution demeure constante au coursdu temps.
À
un instant t 0, 1 ml d’une solution conte-nant unequantité
R de radioactivité, voisine de 1 MBqet présente sous forme d’ions
32
PO
4
,
estinjecté
dans lemélange agité,
à 200 tr.min-1 environ, par unbar-reau
magnétique
couvert de téflon.Sept
à 8 ml dumé-lange
sont alorsprélevés
à l’aide d’uneseringue
médi-cale en matièreplastique.
La solution estimmédiatement
séparée
du sol par passage sur filtresà pores calibrés à 0,2 μm. Ces
prélèvements
et filtra-tions sont effectués à des temps connus qui peuventêtre soit 1, 10, 100, 1000 min, soit 1, 10, 40 et 100 min soit encore 1, 3, 7 et 10 min. Les
quantités
deradioac-tivité, rt, restant en solution à l’instant t sont mesurées par comptage en scintillation liquide sur 1 ml des solu-tions filtrées. À l’occasion du dernier prélèvement, le volume de
mélange prélevé
est de 15-18 ml; cemé-lange
est alors filtré sur des membranes à pores de0,01 μm afin de
disposer
d’un volume suffisant (10-12ml)
de solution absolument exempte departicules
desol et permettant le dosage du
phosphore présent
ensolution uniquement sous forme d’ions phosphate. La concentration des ions
32
PO
4
estindépendante
de ladimension des pores des filtres mais celle des ions
PO
4
en dépend parfois : certains sols possèdent desparticules dispersées d’un diamètre inférieur à 0,2 μm,
qui contiennent du
phosphore
etqui
passent à traversles membranes à pores de 0,2 μm
(Fardeau
etJappé,
1988). Ce fait
justifie
d’utilisersystématiquement,
avant tout
dosage
d’ionsphosphate
dans la solution du sol, des filtres dont les pores sont calibrés à 0,01 μm. Lesdosages
sont effectués, leplus
souvent sur un volume de solution de 9 ml, par une méthodecéru-leo-molybdique
avec réduction à froid enprésence
detartrate d’antimoine et de
potassium (John, 1968).
En faisant appel à cette méthode : - la concentration
c
p
duphosphore
en solution estre-présentative
du facteur intensité;- la
quantité
E
piel
de
phosphore isotopiquement
échan-gée
en 1 min estreprésentative
du facteurquantité
(Sen Tran et al,
1988);
- le
rapport
E
piel
/c
p
estadopté
comme facteurcapaci-té. Ce rapport
exprime
le volume apparent d’ionsphos-phate
présent
enphase solide;
ce volume apparentest calculé en faisant
l’hypothèse
que la concentration dans ce volume apparent estégale
à celle des ions dela solution.
Principe
du calcul des constantes de vitesseset des flux
d’échanges
des ionsphosphate
entre laphase liquide
et la
phase
solide du solLa méthode des
cinétiques d’échange isotopique
desions
phosphate pratiquée
dans dessystèmes
en état stationnaire doit aboutir, en toute théorie, à ladétermi-nation de 2 types de
paramètres permettant
dequan-tifier les transferts d’ions
phosphate
entre diverscom-partiments
constituant l’ensemble des ions mobiles; lepremier type de données doit quantifier les vitesses
de transfert des ions entre compartiments et le
se-cond type doit quantifier les flux d’ions entre comparti-ments
(Sheppard, 1962).
La démarche
expérimentale
utilisée permetd’ob-server directement le devenir de la radioactivité
uni-quement dans la solution du sol, à savoir le
comparti-ment où la radioactivité a été
injectée.
L’ensembledes
compartiments
d’ionsphosphate
de laphase
so-lide du sol où se distribuent les ions
32
PO
4
lorsqu’ilsquittent la solution doit être considéré
provisoirement
comme une «boîte noire». Dans ces conditions expé-rimentales l’analyse des caractéristiques cinétiques des mouvements d’ions dans ce
système
ne peut êtreentreprise que par la méthode stochastique (Shipley
et Clark, 1972). En
désignant
parft
la fonctionrepré-sentative de la cinétique de transfert de la
radioactivi-té depuis le
compartiment
où elle a étéinjectée
àl’in-stant t = 0 vers la «boite noire» contenant les ions
échangeables,
la constante moyenne,K
m
,
de vitessed’échange
des ions entre lecompartiment d’injection
et l’ensemble des autres compartiments est définie
par la relation
(Shipley
et Clark, 1972) :Selon
l’analyse stochastique,
la fonction[f
t
]/R
est latransformée de Laplace d’une fonction
g(ki)
telle que :et dans
laquelle
lesk
i
sont les différentes constantesindividuelles de vitesse
d’échange
entre les ions de laphase solide et ceux de la phase liquide (Sheppard,
1962). La connaissance de la fonction
g(k
i
),
loi de dis-tribution desk
i
, permet
de calculer la constantemoyenne de vitesse de transfert des ions entre phase
solide et
phase liquide.
L’inverse de
K
m
est le temps deséjour
moyen,T
m
,
des ions dans le
compartiment
où lafonction f
t
est
dé-terminée. Cette donnéeT
m
=1/K
m
représente
letemps nécessaire pour qu’une
quantité
de matièreégale
à celleprésente
dans lecompartiment
d’injec-tion entre et sorte de cecompartiment.
Cettedéfini-tion montre que la valeur
numérique
de l’inverse deT
m
,
c’est-à-direK
m
,
représente également
le nombre de fois où, par unité de temps, les ions phosphate de la solution seront renouvelés par ceuxoriginaires
detous les
compartiments
échangeables
de laphase
so-lide.
En
désignant
par Q laquantité
d’élémentprésente
dans lecompartiment d’injection,
le flux moyend’échange
et de transfert,F
m
,
d’ionsphosphate
entrela
phase
solide et laphase liquide
du sol a pourÉchantillons
de terreLes échantillons de terre ont été
prélevés
dans desparcelles de divers
dispositifs expérimentaux
de lon-gue durée sur la fertilisationphosphatée
mis en placepour étudier les effets à
long
terme sur les sols et lescultures
(essentiellement
descéréales)
de différentes doses de phosphoreapporté
sous une formesoluble-eau. On
rappellera
que lesprélèvements
de terre ontété effectués
après
la récolte, c’est-à-dire à despé-riodes suffisamment
éloignées
de celles des apports pour pouvoir considérer que la transformation dans lesol des
phosphates apportés
est pratiquement termi-née. Les essais choisis, au nombre de 7, dont lesré-sultats culturaux ont été publiés antérieurement, ont
été mis en
place
soit par l’INRA pour Bx 21, Bx 23,Bx 24, Bx 33 et Bx 37 (Boniface et Trocmé, 1988) soit par l’ITCF pour Herbisse et Tennie
(Taureau
etCou-rant, 1988; Taureau et al, 1988); ces essais sont
iden-tifiés par les mêmes
symboles
que ceux utilisés à ceteffet dans les
publications précédentes.
Lescaracté-ristiques physico-chimiques principales
des échan-tillons de terreprélevés
au début desexpérimenta-tions et quelques précisions sur les essais sont
présentées
dans le tableau I.Au vu et au su des résultats de ces
analyses
deroutine, les échantillons couvrent une large gamme de
types de sol et de fertilités phosphoriques. Un
accrois-sement
significatif
de rendement relativement àl’ab-sence continue
d’apport
a été observé dans 2 essais(Bx
21 et Bx24)
dont les sols étaientcependant
con-sidérés, selon l’analyse de routine, comme très
large-ment pourvus
d’après
leur teneur initiale ainsi quecelle observée
après
10 ans de culture sans apport; àl’opposé,
aucun accroissement de rendement n’a étéenregistré
dans l’essai Bx 33malgré
le classement de sol comme pauvre àl’origine (Boniface
et Trocmé, 1988). Ces données suffisent à illustrer les difficultésrencontrées pour raisonner la fertilisation
phosphatée
sur la seule base des résultats des analyses chimi-ques de terre couramment
pratiquées
pourcaractéri-ser le statut
phosphaté
du sol.RÉSULTATS
ET DISCUSSIONSExpression mathématique
descinétiques
de transferts des ionsphosphate
dans les
systèmes
sol-solutionPour illustrer les relations
pouvant
caractériserles
cinétiques
de transfert des ionsphosphate
dans les
systèmes
sol-solution,
on aprésenté,
àtitre
d’exemple,
les résultats obtenus sur un des échantillons de terreprélevés
à Herbisse en1981 avant
l’implantation
de l’essai delongue
durée. Les déterminations ont été réalisées icisur un
mélange
de 30 g de terre et 300 ml deso-lution. La fraction de la radioactivité
injectée
res-tant en solution en fonction du
temps
d’échange
Le calcul de la
régression
linéaire entre lesva-leurs de
log
(r
t
/R)
et celles delog
t montre queces données sont très hautement
corrélées,
r2 =0,99.
La relation
statistique
liant les valeurs delog
(r
t
/R)
et celles delog
t est donc de la formegéné-rale :
Les résultats observés sur cet échantillon de terre sont en accord avec ceux
précédemment
publiés (Wiklander,
1950;Larsen,
1967;Far-deau,
1981).
Cette fonction établie
empiriquement
etstatisti-quement
éprouvée :
- est utilisable dans la
majorité
des sols(Far-deau et
al,
1985)
pour des intervalles[1
min-4mois],
la limite de 4 mois étant liée à lapériode
du 32P et non à une éventuelle modification dumécanisme
d’échange
isotopique;
- résulte de la
simplification
de la fonctionthéori-que suivante :
Les valeurs
numériques
déduites de la formulethéorique
(6)
sontcompatibles
avec les faitsex-périmentaux,
même pour les duréesd’échange
particulières,
t = 0 et t = ∞, alorsqu’elles
nel’étaient pas avec la formule
empirique (5).
Constante moyenne de vitesse
d’échange
des ions
phosphate
entrephase
solide etphase liquide
Calcul
théorique
En
analyse stochastique,
la fonction(6)
est latransformée de
Laplace
d’une fonctiong(k
i
).
Larecherche de la fonction
g(k
i
)
estlargement
faci-litée par l’examen de tables de fonctions et de leurs transformées(Sheppard, 1962).
L’examen de cellesproposées
dans la littératurespéciali-sée la
plus
récente(Cranck, 1975)
faitappa-raître que,
parmi
les fonctionsrépertoriées,
seule une fonctiong(k
i
), représentative
d’une fonction de densité deprobabilité
y semble pou-voircorrespondre
à celle recherchée.La constante moyenne des vitesses
d’échange, K
m
,
moyennemathématique
desdif-férents
K
i
distribués selon la fonction deprobabi-lité y a pour valeur
(Feller, 1966) :
Discussion
La mesure des transferts d’ions
32
PO
4
de laphase
liquide
à laphase
solide dans les sys-tèmes sol-solution en état stationnairepermet
de connaître avec certitude les transferts exis-tant en sens inverse. Cefait,
qui justifie
l’utilisa-tion des
cinétiques d’échanges isotopiques
réali-sées sans addition d’entraîneur pour
quantifier
les
possibilités
de passage duphosphore
du solvers la
solution,
est suffisammentimportant
pourqu’il
soit redémontré brièvement ici dans le casde son
application
aux ionsphosphate
échangeables
des sols.Il n’est pas
possible
d’observer dediscrimina-tions
isotopiques
entre les ions32
PO
4
et les ions31
PO
4
dans les mécanismes mis enjeu
dans lessystèmes sol-solution-plante.
Certes,
cettedis-crimination existe certainement mais elle est in-férieure à la
précision
qu’il
estpossible
d’obtenir pour les mesures dequantité
de radioactivité.En
effet,
les variations de teneurisotopique
dues à la discriminationisotopique
pour un élé-ment tel queN,
plus
léger
queP,
ne sont, dans le meilleur des cas, que de l’ordre de 1/1 000(Mariotti, 1982);
dans le mêmetemps,
lapréci-sion sur la mesure d’une
quantité
deradioactivi-té ne
peut
guère
êtresupérieure
au 1%(Coulter,
1969)
enraison,
entre autres, du caractèrealéa-toire des
désintégrations
radioactives;
on est donc en droit d’admettre que, dans lessystèmes
sol-solution-plante,
les ions32
PO
4
et les ions31
PO
4
ont le même devenir.C’est
pourquoi,
lorsqu’au
cours des mesuresd’échanges isotopiques
entre sol etsolution,
desphase
solide,
des ions31
PO
4
lesaccompagnent
et
gagnent
aussi laphase
solide, le devenir du traceur étantidentique
au devenir du tracé(Shi-pley
etClark,
1972).
Ce transfert d’ions32
PO
4
accompagnés
d’ions31
PO
4
s’effectue avecconservation du
rapport
32
PO
4
/
31
PO
4
des ionsprésents
dans la solution. Si le transfert d’ionsPO
4
n’avait lieu que dans le sensliquide
->so-lide,
la concentration des ionsPO
4
présents
ensolution diminuerait au cours du
temps;
or cetteconcentration reste constante. Ce résultat
expé-rimental ne
peut
êtreexpliqué
que par letrans-fert,
depuis
laphase
solidejusqu’à
laphase
li-quide,
d’unequantité
d’ions 31PO
4
égale
à cellequittant
au même instant la solution.La mesure des flux d’ions
32
PO
4
dans le sensliquide
-> soliderenseigne
donc bien sur lesflux d’ions
phosphate
dans le sens solide ->li-quide.
Les flux ainsi déterminés en état stationnaire
ne seront
représentatifs
de ceux du sol étudié que si les mesures sont effectuées sans additiond’entraîneur,
ce dernier modifiant bienévidem-ment, dès
qu’il
est introduit dans lemélange
sol-solution,
tous les flux d’ions. Cette observationexclut donc tout
protocole
expérimental
faisant intervenir des additionsplus
ou moins massives d’entraîneurayant
pourobjectif
de faciliter le do-sage duphosphore présent
en solution ou extrait par des résinesanioniques (Triboi
etGachon,
1988).
Application
à la détermination desK
m
,
T
m
etF
m
des ionsphosphate
d’échantillonsde terre différenciés par leur
régime
de fertilisationphosphatée
Résultats
Ils sont
regroupés
dans le tableau III.Discussion
Variations des facteurs
intensité,
quantité
etcapacité
Les variations de cP,
E
Piel
et
E
Piel
/c
P
en fonction des différents traitements sont semblables à celles observées antérieurement à l’occasion del’analyse
d’échantillonsprélevés
dans d’autresessais
comportant
desprotocoles
semblables. Les facteurs intensité etquantité
croissent avecles
quantités
dephosphore
accumulées alors que le facteurcapacité
diminue;
les variationsre-latives de cPet de
E
Piel
sontsupérieures
à celles deE
Piel
/c
P
.
C’est dire que les facteurs intensitéet
quantité
peuvent
être modifiés de manièresi-gnificative
par l’homme alors que le facteurcapa-cité
apparaît
comme unecaractéristique
forte du sol.Les résultats les
plus originaux
concernent les essais de Tennie et d’Herbisse pourlesquels
les échantillonsprélevés
en débutd’expérimentation
étaientdisponibles.
Dans ces 2sols,
les valeursdes
paramètres
caractérisant la fertilitéphospho-rique
nepeuvent
être maintenues à leurs valeursinitiales que
moyennant
desapports
dephos-phore significativement plus
élevés que lesquan-tités
exportées
avec les récoltes soitrespective-ment 2 fois et
1,8
fois lesexportations.
Dans ces2
sols,
le maintien de la fertilité à son niveauini-tial,
acquis
d’ailleurs à la suite de fertilisationsphosphatées
importantes,
ne peut être obtenuqu’en
maintenant un bilan F-E » 0.L’analyse
des résultats des rendements culturaux montre que, pour le
système
actuel deproduction,
unetelle
pratique
ne semble pasjustifiée
dans le casde l’essai de Tennie : les rendements des cul-tures de blé et de maïs, dans ce sol
profond
oùl’alimentation en eau n’est pas un facteur
limi-tant, ont été
indépendants
du niveau defertilisa-tion,
comme le laissaientprévoir
les caractéristi-ques initiales et finales de dilutionisotopique
(tableau III).
Ainsi en 9 ansd’expérimentation,
les indices moyens de rendement relativement à
P
0
(8,4
t.ha
-1
en maïs et8,28
t.ha-1 enblé)
s’établissent pour
P
1
(59
kg.ha
-1
.2
ans-1 sur lemaïs)
à98,6
et94,3
pour le maïs et le bléres-pectivement,
et pourP
2
(118
kg.ha
-1
.2
ans
-1
)
à99,0
et99,1.
Variations des constantes moyennes de vitesse
d’échange
Les variations des
K
m
d’un sol donné(tableau
III,colonne
8)
en fonction des traitements fertilisants antérieurs sont inférieures aux différences obser-vées entreK
m
de sol différents. Le rôle descons-tituants du sol a
donc,
dans la valeur duK
m
d’unsol,
plus d’importance
que les fertilisationsphos-phatées
utilisées parl’agriculteur.
Onpeut
ad-mettre que le
phosphore
d’un sol donnépossède
une constance moyenne de vitesse
d’échange
des ionsphosphate
que, ni lesprélèvements
par lesplantes,
ni les traitements fertilisants ne sonten mesure de modifier durablement à un coût
compatible
avec l’économieagricole.
Dans lamesure où ces constantes,
qui
caractérisent lesconstituants
phosphatés
du sol, ne sont que peusolubles dans
l’eau,
onpeut
conclure que lescomposés phosphatés qui
se forment à l’issuedes
apports
répétés pluri-annuels
sont de mêmenature que ceux
préexistant
dans le sol. Ceré-sultat confirme des informations obtenues par
ex-traction
chimique
séquentielle
de différentscom-posés phosphatés
des sols(Chang
etJackson,
1957).
L’utilisation de cetteméthode,
pratiquée
sur des échantillons de terre
prélevés
dans desdispositifs
delongue
durée,
avait faitapparaître
qu’à
l’issued’apports
d’engrais
phosphatés
so-lubles dans
l’eau,
la distribution duphosphore
apporté,
dans les différentscomposés
phospha-tés du
sol, s’effectuait,
infine,
àl’image
de celledes formes
préexistantes.
Ce résultat doit être confronté à ceux
obser-vés immédiatement
après
des additions dephosphate :
dans ces dernièrescirconstances,
les constantes de vitesse diffèrent
significative-ment de celles des échantillons de
départ
(Far-deau,
1981);
ce résultatillustre,
par la voie descaractéristiques
cinétiques,
la transformationsouvent
rapide
descomposés phosphatés
néo-formés
(Barrow, 1980).
Pour les ions
phosphate
présents
dans desde 0,8 à 0,01 et le
paramètre
n de 0,1 à 0,5. Les valeurs deK
m
ont été calculées dans les inter-vallesindiqués
pourr
1
/R
et n(tableau
IV).
Des valeurségales
deK
m
sont obtenues pour descouples r
1
/R et
n très différents, c’est-à-dire pourdes sols contenant des constituants très
diffé-rents. Cette observation
d’origine théorique
pour-rait
expliquer
l’absencequasi
générale
de rela-tions entre les informationspédologiques
et la fertilitéphosphorique
des sols(Morel
etFar-deau,
1987).
Alors que rien n’interdit en toute théoriequelque
combinaison que ce soit entrer
1
/R
et n, seules certaines semblent exister dansles sols
portant
desplantes :
ellesapparaissent
dans la zone centrale encadrée du tableau IV. Les valeurs situées en haut et àgauche
de cetableau concernent des sols tels que Bx 24 où le sable est dominant et les valeurs situées en bas et à droite de ce tableau sont
représentatives
des sols dont les teneurs en
argiles
sontsupé-rieures à 40%.
Variations du
temps
moyen deséjour
des ionsphosphate
dans la solution du solCe
paramètre (tableau
III,
colonne9)
estl’in-verse du
précédent;
à sonimage,
il est peuin-fluencé,
pour un soldonné,
par les différentstrai-tements
phosphatés.
L’informationoriginale
estque ce
temps
moyen deséjour,
qui
représente
letemps
nécessaire pour que laquantité
d’ionsphosphate présente
en solution soit renouvelée en totalité par unequantité égale
en provenancede la
phase
solide,
est très court; il est inférieurà la minute dans tous les sols
analysés
pourtant
très différents les uns des autres.Variations des flux moyens de transfert des ions
phosphate
de laphase
solide à laphase liquide
Comme les constantes de vitesse et lestemps
deséjour,
les flux moyens diffèrentsignificative-ment entre
sols;
mais à la différence despre-miers,
ils varient dans uneplus grande amplitude
pour un sol donné avec les traitements
phospha-tés. Le résultat le
plus
inattendu concerne lava-leur absolue élevée de ces flux d’ions
PO
4
entrephase
solide etphase
liquide qui,
dans leséchantillons de terre
étudiés,
n’estjamais
infé-rieure à 30
mg(P).min
-1
.kg(sol)
-1
.
Dans les meilleures conditions de croissance(climat,
ca-ractéristiques
physiques
dusol,
conditionsphyto-sanitaires),
F
m
,
c’est-à-dire le flux de renouvelle-ment des ionsPO
4
dans lasolution,
nesemblerait donc pas
pouvoir
constituerl’unique
facteur limitantl’absorption
racinaire duphos-phore
et parlà,
le rendement des cultures. Lali-mitation des rendements en relation avec la
nu-trition
phosphatée
aurait donc pourorigine
les conditionsrégnant
dans les solsqui
rendraientimpossible
la réalisation effective de ce fluxpo-tentiel.
Variations de rendement des cultures et des valeurs des
paramètres K
m
etF
m
en fonction de la fertilisation
phosphatée
Ces relations sont établies en
comparant
lesdonnées du tableau I colonne 10, et celles du ta-bleau III, colonnes 8 et 10.
Il a été
souligné
que les valeurs deK
m
sontpeu affectées par le
régime
de fertilisationphos-phatée;
la date deprélèvement
des échantillonsde terre
analysés
en est la raison vraisemblable :les
engrais phosphatés
solubles dans l’eauappli-qués
ayant
suffisamment vieilli au contact dusol,
pendant
la durée d’un an etplus
qui sépare
la date de leurapplication
de celle duprélèvement
de terre effectuégénéralement après
la récolte. C’estpourquoi,
leparamètre K
m
nepeut
per-mettre de rendre
compte
des variations pos-sibles du rendement des cultures avec lafertili-sation
phosphatée. Cependant,
les modificationsde
K
m
observables sur des échantillons de terreprélevés
très peu detemps
après l’incorporation
des
engrais phosphatés
dans le solpourraient
expliquer
les effets immédiats desapports
dephosphore
sur laproduction
végétale.
Quant auxflux
d’échange, F
m
,
c’est dans les sols où ils sontles
plus
faibles(Bx
21,
Bx24,
...)
que sontobs-ervés des accroissements de rendements des
Le facteur flux solide ->
liquide paraît
doncpouvoir
contrôler la nutritionphosphatée
des cul-tures.L’exemple
de l’essai Bx 24 dont les résultatssont commentés
ci-après
illustre bien cette ob-servation. Le sol sableux de cet essai contientdes
quantités
importantes
dephosphore
poten-tiellement assimilable tant à
l’analyse chimique
(Dyer)
qu’à
l’analyse
isotopique (E1)
mêmeaprès
6 ans sansapport
dephosphore
(P Dyer
= 130mg(P).kg
-1
;
E1 = 12,4mg(P).kg
-1
);
le facteurin-tensité,
cp,dépasse largement
la valeur de 0,2mg(P).l
-1
considérée comme nécessaire et suffi-sante pour assurer une alimentation satisfaisante des cultures(Barber, 1984).
Néanmoins,
uneaugmentation
régulièrement significative
desren-dements du maïs cultivé sous
irrigation
dans cesol
profond
est obtenue avec desapports
an-nuels
d’engrais
phosphatés
soluble-eau,
la doseappliquée
laplus
élevée(87
kg(P).ha
-1
)
ne semontrant que
parfois supérieure
à celle de 40kg
(P).ha
-1
.
Lescaractéristiques
chimiques
etisoto-piques
d’unepart
etagronomiques
d’autrepart
sont donc contradictoires.
Cependant,
les flux de transfertspotentiels
sont lesplus
faibles de ceuxmesurés sur les échantillons
étudiés,
particulière-ment pour Po. Mais
d’après
la valeur absolue dece flux pour
Po,
ce fluxpourrait
encore suffire àsatisfaire les
exigences
en P du maïs.C’est un fait établi que toute valeur issue d’une
analyse
chimique
ouisotopique
d’une terre oùtoute la terre
participe
auxéchanges
entre sol etsolution est une valeur
potentielle.
Dans la réalitédu
champ,
seulement 1-2% du sol au maximumest en contact, à un instant
donné,
avec lesys-tème racinaire actif et la
plante
nepeut
doncbé-néficier dans le meilleur des cas et en perma-nence que de 1-2% des
possibilités
de renouvellement des ions de laphase liquide
parceux de la
phase
solide. C’est pour cetteraison,
et aussi parce que les ions
phosphate migrent
peu, que le flux de transfert des ions
phosphate
devient le facteur limitant de la nutrition
phospha-tée.
Cette
approche
des mécanismes de nutritionphosphatée
dans les sols enplace
permet
decomprendre pourquoi,
dans un soldonné,
d’unepart
desplantes
ou des variétés différentespour-ront
réagir
ou non à desapports
d’engrais
phos-phaté
en raison des différences dans leursys-tème
racinaire,
et d’autrepart
lorsque
le fluxpotentiel
estlimité,
uneplante
donnée, peut
ounon
réagir
à desapports
en fonction de l’état deson
système
racinaire. Quant aux valeurs seuilsdes flux
qui permettraient
deprévoir
aveccerti-tude
l’aptitude
réelle d’un sol donné à assurer de manière satisfaisante la nutritionphosphatée
d’une succession de culture - en l’absence de facteurs autres que P limitant la croissance -,fera
l’objet
d’un travail ultérieur. Mais onpeut
dès maintenant
indiquer
que la valeur de 80 mg(P)min
-1
.
(kg.sol)
-1
pourrait
être ce seuil pourles
plantes
degrande
culture dont lesrende-ments seraient
proches
du rendementpotentiel.
CONCLUSION
La nutrition
phosphatée
desvégétaux
dans lessols en
place
nepeut
êtreexpliquée
que si les ionsphosphate
de la solution du sol sontrenou-velés 10 à 100 fois
plus
vite que la solution du sol dont l’eau est consommée pour assurer latranspiration.
C’est donc la vitesse derenouvel-lement
qui
paraît
être le facteurprimordial
de cette nutrition alors que l’on n’évalue que desquantités
dephosphore
éventuellementassimi-lable par utilisation des méthodes convention-nelles
d’analyse
de P du sol. En faisantappel
aux
techniques
descinétiques d’échanges
isoto-piques,
il a étépossible
de déterminer desvi-tesses et des flux de renouvellement des ions
phosphate
de la solution du sol par des ions enprovenance de la
phase
solide. Lacomparaison
des données relatives aux flux derenouvelle-ment et aux rendements des cultures
permet
demettre en
évidence,
comme on lepressentait,
lerôle déterminant des flux dans la nutrition
phos-phatée
et, parlà,
dans la réaction des culturesaux
apports
d’engrais
frais.D’après
les résultatsobtenus sur les échantillons de terre
étudiés,
les flux d’ionsphosphate
entrephases
solide etli-quide
seraientamplement
suffisants si lesra-cines avaient la
possibilité
d’exploiter
la totalité du sol. Mais on sait quel’exploitation
racinaire ne concernequ’une
très faible fraction dessur-faces des
particules,
tout enpouvant
être trèsvariable d’une
plante
à l’autre en fonction desconditions
climatiques
ou de structure du sol et d’uneespèce végétale
à l’autre. Cetteanalyse
permet
d’expliquer pourquoi
les rendements d’une culture donnée sur un sol donnépeuvent,
en fonction des
années,
être ou non modifiéspar un
apport
récentd’engrais.
Cette
approche
des mécanismes de lanutri-tion
phosphatée
conduit àprivilégier
l’alimenta-tionhydrique
pour assurer la nutritionphospha-tée. On sait
depuis longtemps
que le rendementd’une
plante
comme le riz inondé n’estpratique-ment
jamais
modifié par desapports
d’engrais
phosphatés
mêmelorsque
les sols ont deste-neurs en
phosphore
assimilable très faibles alorsque les rendements des cultures
pluviales
dansles mêmes sols
peuvent
être accrus par desap-ports
d’engrais.
En culture inondée ouhumide,
le renouvellement des ionsphosphate
de la solu-tion du sol est assuré en permanence, cequi
nepeut
être le cas en culture sèche.La nutrition
phosphatée
desplantes
nepeut
être assurée de manière continue que si un
re-nouvellement, en
quantité
suffisammentimpor-tante, du
phosphore
de la solution du solpeut
être assuré. Ce fait a 2conséquences
agronomi-ques essentielles :- la
présence
d’eau entre laphase
solide du solet la racine est
indispensable,
mêmelorsque
laplante
dispose,
pour sonévapotranspiration,
d’une
quantité
d’eaujuste
suffisante;
- le renouvellement local des ions
phosphate
pourra être d’autant
plus
faible pour assurer leprélèvement
par uneplante
d’unequantité
don-née que le
système
racinaire actif seraplus
dé-veloppé.
Les résultats concernant les flux d’ions
phos-phate
et leshypothèses
relatives à l’alimentationhydrique
racinaire concomitante devraientguider
les futures recherches en matière de
raisonne-ment de la fertilisation
phosphatée.
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