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ÉGÉO 2142 - Pédologie
Semaine 07
Solutions de soldéfinition– définition
– échantillonnage– compositioncomposition– spéciation– déterminant– variabilité
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• 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
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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
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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
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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
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• 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.
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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
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Lysimétrie
• Sans tension
Macro-pores (>75µm)
Meso-pores (30-75µm)
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Lysimétrie
Meso-pores (30-75µm)
• Avec tension
Micro-pores (5-30µm)
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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
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Centrifugation Déplacement immiscible
www.ualberta.ca/.../MOil
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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
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ComparaisonCo pa a sodes méthodesHorizon B podzoliqueRégion de St-HippolyteBassin versant HermineBassin versant Hermine
Source: M.-C. Duquette, 2010
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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, …
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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
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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
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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
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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)
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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)
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Sposito G. 1989. The Chemistry of Soils, p 69.
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Sposito G. 1989. The Chemistry of Soils. p 78 & p 217
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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
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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+
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Spéciation de l’aluminium dissous
pH solutions de sols forestiersdu Bouclier Canadien
Havlin, Beaton, Tisdale & Nelson. 1999. Soil Fertility and Fertilizers, p 43.
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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
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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
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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
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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
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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
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•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.
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5 Déterminants composition solution de sol5. Déterminants composition solution de sol
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5 Déterminants composition solution de sol5. Déterminants composition solution de sol
Vitesse de réaction
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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
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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)
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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
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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
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Variabilité spatiale - échelle bassinVariabilité spatiale échelle bassinLessivage latéral du haut vers le bas
Échelle profil: génétique des horizonsÉchelle profil: génétique des horizons et pédogénèse
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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…
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Variabilité temporelle Échelle saisonVariabilité temporelle - Échelle saisonVariabilité spatiale – Échelle bassin
7, 8, 9
1, 2, 3
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Variabilité temporelle Échelle annuelle- Échelle annuelle
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