ÉGÉO 2142 - Pédologie

Semaine 07

Solutions de soldéfinition– définition

– échantillonnage– compositioncomposition– spéciation– déterminant– variabilité

• Concepts de base – solution de sol (S S )Concepts de base solution de sol (S.S.)S.S. centre des activités chimiques et biologiques

dans un soldans un sol• Absence d’eau = ralentissement des processusExemplesp

organismes tombent en dormance ou meurent; altération chimique est ralentie;

• Retour eau = retour des réactions chimiques et de l’activité biologique en dormancel activité biologique en dormance

1. Définition Solution de Sol (S.S.)

Ph li id d l h é d’i i i l– Phase liquide du sol, chargée d’ions, qui circule dans les espaces libres ou pores du sol. C’est le lieu des interactions entre le sol et la vie (biologie du soldes interactions entre le sol et la vie (biologie du sol et végétale).

S SS. S.

http://www.fao.org/docrep/R4082E/r4082e03.htm

1. Définition Solution de Sol (S.S.)

L i i d l S S i fl é l fl– La composition de la S.S. est influencée par le flux de matière et d’énergie entre la S.S. et son environnement et par le champ gravitationnel de la

S S

environnement et par le champ gravitationnel de la terre (Sposito 1989).

S. S.

http://www.fao.org/docrep/R4082E/r4082e03.htm

1. Définition Solution de Sol (S.S.)

S S è é h l– S.S. est un système ouvert: échange avec les autres constituants du sol (air, sol, entités biologiques…).S S t d i d l’ t d l t

S S

– S.S. est dynamique dans l’espace et dans le temps.

S. S.

http://www.fao.org/docrep/R4082E/r4082e03.htm

• Eau des argiles et colloïdes: liée fortement

2. Échantillonnage de la solution de sol• Eau des argiles et colloïdes: liée fortement

aux feuillets argileux.E h i d bé ian

te

• Eau hygroscopique: adsorbée par attraction moléculaire.

é cr

oiss

a

• Eau pelliculaire: faiblement adsorbée et formant un film d’eau autour des grains es

sibi

lité

(« centrifugeable »).• Eau capillaire: eau mobile saturant les pores

Acc

e

p pen zone non-saturée.

2. Échantillonnage de la solution de sol

• Méthode terrain:– Lysimétrie

• Méthodes laboratoire– CentrifugationCentrifugation– Déplacement avec liquide immiscible (CCl4)– Extraction à l’eauExtraction à l eau

Lysimétrie

• Sans tension

Macro-pores (>75µm)

Meso-pores (30-75µm)

Lysimétrie

Meso-pores (30-75µm)

• Avec tension

Micro-pores (5-30µm)

Micro-lysimétrie

soil column or rhizotron

Glass tipCeramic Capillary

Polyetheretherketone (PEEK)

5 mm

10 mm

grid of micro-lysimeters

Polyetheretherketone (PEEK)

capillary 1.59 mm (1/16” ) 50 mm out to collection device

Long nails for fixation

plexi-glass plate

Plexi-glass plate

5 mm grid of bored holes

Centrifugation Déplacement immiscible

www.ualberta.ca/.../MOil

E i à l’Extraction à l’eauColonne: simulation de la gravité Batch: simplicité de la méthode

Cut 60 ml HDPE syringe

55 mm1) Sol + H2O2) BFresh Soil sample

HDPE frit

55 mm 2) Brassage3) Centrifugation4) Filtration

Soil solution repository45 mm

)

Figure 20.4. Schematic of device used to collect soil solutions during separation with a centrifuge (Soon and Warren, 1993). But: reproduire plus fidèlement

possible la solution de solpossible la solution de sol

ComparaisonCo pa a sodes méthodesHorizon B podzoliqueRégion de St-HippolyteBassin versant HermineBassin versant Hermine

Source: M.-C. Duquette, 2010

3. Composantes de la solution de solp

• Matrice : H2O Fraction totale

• Ions dissous : – Simples

Fraction solideFiltre 0,45µmSimples

– Complexes– Organiques

Fraction dissoute

, µ(convention)

– Organiques• Solides : argiles, colloïdes organiques• Gaz: CO O H S CH• Gaz: CO2, O2, H2S, CH4, …

3. Composantes de la solution de solp

Ions Composés majeurs(10-4 à 10-2 mol/L)

Composés mineurs(10-6 à 10-4 mol/L)

Autres(< 10-6 mol/L)(10 4 à 10 2 mol/L) (10 6 à 10 4 mol/L) (< 10 6 mol/L)

CationsSimples Ca2+, Mg2+, K+, Na+ Fe2+, Mn2+, Zn2+, Cu2+, Al3+ Cr3+, Cd2+, Pb2+

Complexes NH4+ PbOH+

AnionsSimples Cl- F-p

Complexes SO42-, HCO3

-, NO3- HS-, H2PO4

- CrO42-, HMoO4

-

Composés majeurs(10-5 à 10-3 mol/L)

Composés mineurs(< 10-6 mol/L)(10 5 à 10 3 mol/L) (< 10 6 mol/L)

Organiques Acides formiques, tartariques, oxaliques citriques fulviques

Carbohydrates, phénols, alcools

citriques, fulviques

Force ionique (I):Force ionique (I):

• Charge totale en éléments dissous dans le sol

• I = ½ ∑ Ci (Zi)2

oùoùC = concentration (mole ou M)

Z = valence (charge électrique)( g q )

• Forte influence sur la spéciation et sur la distribution des éléments entre phase solide et solution de soldes éléments entre phase solide et solution de sol

Force ionique (I):Force ionique (I):I = ½ ∑ Ci (Zi)2

d ti itéExemple :

0 01 M NaCl =

conductivitéélectrique

0,01 M NaCl ½ [(0,01(+1)2) + (0,01(-1)2)]½ [ 0,01 + 0,01] = 0,01M

~ 1,5 mS/cm

0,01 M CaCl2 =½ [(0,01(+2)2) + (0,02(-1)2)] ~ 3,0 mS/cm½ [(0,04) + (0,02)] = 0,03M

,

Force ionique ≠ Concentration

Bilan ioniqueBilan ionique• Postulat : la solution de sol respecte le concept d’électroneutralité

Él li é• Électroneutralité : ∑ charges positives = ∑ charges négatives

• Déficit = ions non dosés surtout MO dissoute (anions)Déficit ions non dosés surtout MO dissoute (anions)

Cations AnionsK+ Ca2+ Mg2+ Total Cl- NO3

- SO42- Total Bilan

μmolc/L 6 8 8 22 7 7 8 22 =μmol /L 6 4 4 14 7 7 4 18

K+ Ca2+ Mg2+ Total Cl- NO3- SO4

2- Total Bilanμmol /L 6 4 4 14 6 6 2 14μmolc/L 6 8 8 22 6 6 4 16 ≠

Anions organiques (COD)

4. Spéciation d’un élément en solution

S é i i Di ib i d’ élé• Spéciation: Distribution d’un élément en ses diverses espèces chimiques (Nolan et al., 2003)

• Espèce chimique: Forme chimique spécifique d’un élément dans un medium donné (eau, solide etc.)

• Formes chimiques = ions libres (Cd2+), ions complexes (CdCl+), états d’oxydation (Fe2+, Fe3+), isotopes (206Pb 207Pb)isotopes (206Pb, 207Pb)

Sposito G. 1989. The Chemistry of Soils, p 69.

Sposito G. 1989. The Chemistry of Soils. p 78 & p 217

Spéciation du carbone inorganique dissousCO2 + H2O ↔ H2CO3 ↔ HCO3

- + H+ ↔ CO32- + H+

Acide carbonique Bicarbonate Carbonate

Solubilité gaz dans H2OCO2: 8,878 mL/LO2: 0,030 ml/LN2: 0.015 mL/L

Beaucoup d’H+ en solution

Moins d’H+ en solution

Peu d’H+ en solution

Spéciation de l’aluminium dissous

Le solvant – H2O

Spéciation de l aluminium dissous

Le solvant H2O

HO105(-) (+) AlO

H OH

H½ ½

½½

HO

H

H

½ ½ ½

HAl*(H2O)6 ↔ Al*(H2O)5 (OH-) + H+

Al*(H2O)5 ↔ Al*(H2O)4 (OH-) + H+

Al*(H2O)4 ↔ Al*(H2O)3 (OH-) + H+

Al*(H2O)3 ↔ Al*(H2O)2 (OH-) + H+

Al*(H2O)2 ↔ Al*(H2O) (OH-) + H+

Al*(H2O) ↔ Al*(OH-) + H+

Spéciation de l’aluminium dissous

pH solutions de sols forestiersdu Bouclier Canadien

Havlin, Beaton, Tisdale & Nelson. 1999. Soil Fertility and Fertilizers, p 43.

Toxicité de l’aluminium sur les plantes

Soil acidification and fine root f S t i

High soluble Al levels are toxic to plants

response of Scots pineVanguelova, E.I. (2002) Unpuplished PhD thesis, The University of Reading, UK

http://www.ctahr.hawaii.edu/tpss/research_extension/rxsoil/acid.htm

Toxicité de l’aluminium sur les plantes

Al-activated malate efflux protects

pH sol ≈ 5,6

wheat root tips from Al toxicityhttp://www.plantstress.com/Articles/toxicity_m/Tolerance.htm pH sol ≈ 4,9

Ross S.M. Retention, Transformation and Mobility of Toxic Metal in Soils. In Toxic Metals in Soil Plant System p126In Toxic Metals in Soil-Plant System. p126

Toxicity of sixty-three metals and metalloids to Hyalella aztecaat two levels of water hardness (Borgmann et al 2005)at two levels of water hardness (Borgmann et al 2005)

v

v

v v

Toxicity of sixty-three metals and metalloids to Hyalella aztecaat two levels of water hardness (Borgmann et al 2005)at two levels of water hardness (Borgmann et al 2005)

Les plus toxiques :Cd, Ag, Pb, Hg, Cr (anion) et Tl, avec une concentration létale de 5 à 58 nmol/L

Suivi de :U, Co, Os, Se (anion), Pt, Lu, Cu, Ce, Zn, Pr, Ni, et Yb avec une concentration létale de 225 à 1500

Amphipode d’eau douce présent d l d l d’A é i d

nmol/L

dans les grands lacs d’Amérique du Nord

•Le manganèse dans l'eau potable peut être •L’aluminium dans l’eau potable et l’Alzheimertoxique pour les enfants

Des doses communes au Québec sont associées à des variations du QI chez les enfantsLouise-Maude Rioux-Soucy, 20 semptembre 2010, Le Devoir

(Société d’Alzheimer du Canada)

La majorité des chercheurs ne considèrent plus l'aluminium comme un facteur de risque de la f qmaladie d'Alzheimer. Par contre, certains scientifiques cherchent encore à déterminer si certaines personnes sont à risque de développer cette maladie parce que leur corps a de lacette maladie parce que leur corps a de la difficulté à traiter les aliments renfermant les métaux suivants : cuivre, fer et aluminium.

•L’arsenic dans l’eau potable(Santé Canada)Santé Canada et le Centre international de recherche sur le cancer considèrent l'arsenic comme une substance cancérigène pour l'humain. On en a étudié les effets dans une population de

Photo : Agence Reuters Toby MelvilleLe problème concerne les eaux souterraines etnon les eaux de surface.

Taïwan où l'eau potable contient de fortes concentrations naturelles d'arsenic (plus de 0,35 ppm). L'arsenic est l'un des nombreux produits chimiques pour lesquels Santé Canada a établi des recommandations de 0,010 milligrammes par litre et nous continuerons de la réviser pour tenir compte des nouvelles méthodes de traitement et des nouvelles données sur les risques sanitaires.

5 Déterminants composition solution de sol5. Déterminants composition solution de sol

5 Déterminants composition solution de sol5. Déterminants composition solution de sol

Vitesse de réaction

6. Variabilité de la solution de sol

Variabilité spatialep

facteurs:facteurs:- topographie (ex: Fe dépression)

microtopographie- microtopographie- décomposition matière (ex: souche)

fil d l t ôl l’ t- profils de sol: contrôle par l’aspect génétique des horizons

PrécipitationsC. É. ≈ 26 (2 - 113 µS/cm)

ÉC.É. = conductivité électrique

PluviolessivatsC. É. ≈ 27 (8 - 184 µS/cm)

Horizons organiquesC. É. ≈ 43 (10 - 193 µS/cm)

Horizons minérauxC. É. ≈ 18 (13 - 34 µS/cm)

RuisseauC. É. ≈ 23 (9 - 110 µS/cm)

6. Variabilité de la solution de sol

Variabilité spatiale - échelle profilumol/L

0 50 100 150

umol/L

DONPrécipitations incidentes

Pluviolessivat

DONNO3NH4

Horizons organiques

Horizons minéraux

Ruisseau

Racines-NO3, NH4+ → NO3

- (nitrification), adsorption DON

Ruisseau

Turgeon, 2004

Parenthèses sur la nitrificationNH4

+ → NO3- sous l’action des bactéries (Nitrosomonas et Nitrobacter)

NO3- :NO3 :

• complexe facilement assimilable par les plantes• se déplace rapidement ers les racines des plantes• se déplace rapidement vers les racines des plantes• se lessive rapidement hors de la zone racinaire

En présence de coupes forestières ou de chablis: augmentation significative du NO3

- dans les solutions de sol et augmentation à l’exutoirel exutoire

Variabilité spatiale - échelle bassinVariabilité spatiale échelle bassinLessivage latéral du haut vers le bas

Échelle profil: génétique des horizonsÉchelle profil: génétique des horizons et pédogénèse

Variabilité temporelleVariabilité temporelle

facteurs:- température du sol- croissance vs dormance végétation- couverture nivalecouverture nivale- sécheresse estivale

pluies automnales- pluies automnales- changement chimie précipitations

h t tili ti d l- changement utilisation du sol…

Variabilité temporelle Échelle saisonVariabilité temporelle - Échelle saisonVariabilité spatiale – Échelle bassin

7, 8, 9

1, 2, 3

Variabilité temporelle Échelle annuelle- Échelle annuelle