Objectifs

• Décrire le complexe argilo-humique (CAH) et expliquer pourquoi il retient les cations.
• Expliquer l'échange d'ions entre le CAH et la solution du sol, puis entre le sol et la racine.
• Interpréter une expérience de percolation sur une colonne de terre.
• Calculer et interpréter la capacité d'échange cationique (CEC) et le taux de saturation.
• Relier ces mécanismes à des pratiques agricoles : chaulage, apport d'engrais, lutte contre le lessivage.

1. Le sol, un réservoir d'ions

Un sol est formé de trois phases :

• une phase solide : sables, limons, argiles (minérales) et humus (matière organique décomposée) ;
• une phase liquide : la solution du sol, de l'eau qui contient des ions dissous ;
• une phase gazeuse : l'air du sol, entre les grains.

Les argiles et l'humus s'associent, grâce à des ions calcium \(\ce{Ca^2+}\) qui servent de « ponts », pour former le complexe argilo-humique (CAH). Ce sont des particules très fines (des colloïdes) dont la surface porte de très nombreuses charges négatives.

On distingue donc deux sortes d'ions dans le sol :

• les ions fixés (adsorbés) sur le CAH : une réserve à long terme, protégée de la pluie ;
• les ions libres dans la solution du sol : directement disponibles pour la plante, mais faciles à entraîner par l'eau en profondeur (c'est le lessivage).

Fais glisser chaque nom sur la bonne partie du schéma.

2. L'échange d'ions entre le CAH et la solution du sol

Les cations fixés sur le CAH ne sont pas collés pour toujours. Ils peuvent être remplacés par d'autres cations de la solution du sol : c'est l'échange cationique. Cet échange est réversible et respecte toujours l'égalité des charges : un ion \(\ce{Ca^2+}\) (deux charges positives) est remplacé par deux ions \(\ce{K+}\) (une charge chacun).

Le sens de l'échange dépend surtout de la concentration des ions dans la solution : si on apporte beaucoup de \(\ce{K+}\) (engrais potassique), ils chassent une partie du calcium fixé ; si la solution s'appauvrit en \(\ce{K+}\), le CAH en libère. Le CAH joue ainsi un rôle de tampon : il maintient une composition assez stable de la solution du sol.

Expérience : la colonne de terre

On remplit un entonnoir de terre de jardin, on y verse une solution de chlorure de potassium \(\ce{KCl}\) et on analyse le liquide recueilli (le percolat).

3. L'échange d'ions entre le sol et la racine

L'absorption se fait au niveau des poils absorbants, de fines expansions des cellules de la racine, en contact étroit avec les particules du sol. Le mécanisme se déroule ainsi :

flowchart LR
A[Respiration de la racine] --> B[Ions hydrogène rejetés]
B --> C[Hydrogène remplace potassium sur le CAH]
C --> D[Potassium libre dans la solution]
D --> E[Potassium absorbé par le poil absorbant]

4. Mesurer la richesse d'un sol : CEC et taux de saturation

• La capacité d'échange cationique (CEC) est la quantité totale de cations que le CAH peut retenir. On l'exprime en milliéquivalents pour 100 g de terre sèche (\(\mathrm{meq/100\,g}\)). Un sol riche en argile et en humus a une CEC élevée ; un sol sableux, une CEC faible.
• La somme des bases échangeables \(S\) est la quantité de cations nutritifs fixés : \(S = \ce{Ca^2+} + \ce{Mg^2+} + \ce{K+} + \ce{Na+}\) (en \(\mathrm{meq/100\,g}\)).
• Le taux de saturation \(V\) indique quelle part des places est occupée par ces cations utiles :

Exemple résolu

L'analyse d'un sol de Bobo-Dioulasso donne : CEC \(= 20\ \mathrm{meq/100\,g}\) ; \(\ce{Ca^2+} = 12\) ; \(\ce{Mg^2+} = 4\) ; \(\ce{K+} = 1\) ; \(\ce{Na+} = 0{,}5\) (en \(\mathrm{meq/100\,g}\)). Calcule \(S\), puis \(V\), et déduis la quantité de \(\ce{H+}\) fixés.

À toi de jouer

Un sol sableux de la région de Thiès a une CEC de \(5\ \mathrm{meq/100\,g}\) et une somme des bases \(S = 2\ \mathrm{meq/100\,g}\). Calcule son taux de saturation. Ce sol est-il acide ?

5. Applications agricoles

• Le chaulage : apporter de la chaux ou du calcaire fournit des \(\ce{Ca^2+}\) qui remplacent les \(\ce{H+}\) du CAH. Le sol devient moins acide et le calcium aide le CAH à rester bien structuré (floculé).
• Les apports de matière organique (fumier, compost) : ils augmentent la quantité d'humus, donc la CEC, et le sol retient mieux les sels minéraux.
• Le fractionnement des engrais azotés : les nitrates n'étant pas retenus par le CAH, une grosse dose unique est en partie perdue par lessivage dès les premières pluies et peut polluer les nappes d'eau. Mieux vaut plusieurs petits apports.
• Éviter les feux de brousse répétés et le défrichement excessif : ils détruisent l'humus et réduisent la CEC des sols.

Erreurs fréquentes

• Croire que le CAH retient tous les ions : il ne retient que les cations.
• Oublier l'égalité des charges dans l'échange : un \(\ce{Ca^2+}\) s'échange contre deux \(\ce{K+}\), pas contre un seul.
• Penser que la racine absorbe directement les ions fixés : elle absorbe des ions dissous, libérés par l'échange avec ses \(\ce{H+}\).
• Confondre CEC et somme des bases \(S\).

Récapitulatif

Le complexe argilo-humique, chargé négativement, retient les cations et forme une réserve protégée du lessivage. Ces cations s'échangent avec ceux de la solution du sol, en respectant l'égalité des charges. La racine rejette des \(\ce{H+}\) qui chassent les cations nutritifs vers la solution, où les poils absorbants les absorbent par transport actif. La CEC et le taux de saturation \(V = \frac{S}{\text{CEC}} \times 100\) mesurent la capacité et la richesse du sol ; chaulage, matière organique et engrais fractionnés permettent de les entretenir.