Manuscrit - laboratoire PROTEE - Université du Sud - Toulon - Var

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Manuscrit - laboratoire PROTEE - Université du Sud - Toulon - Var

Université du Sud Toulon Var Laboratoire PROTEE

RAPPORT DE STAGE

Master I CHARME

Chimie Analytique Réactionnelle et Modélisation en Environnement

INFLUENCE SUR LES CARACTERISTIQUES

DE LA MATIERE ORGANIQUE EXTRAITE PAR DENSITE

D'UNE COLONNE DE SOL FERTIRRIGUEE

Arselle GANDEU NGUELEBEK

Encadrant : Dr. Stéphane MOUNIER Année académique: 2008-2009

1


REMERCIEMENTS

Je tiens à remercier Yves Lucas, le grand patriarche qui m'a accueilli au sein du laboratoire

PROTEE et m'a été d'un soutien non estimable tout au long de cette année.

Je tiens à remercier particulièrement mon encadreur Stéphane Mounier qui, malgré toutes ses

occupations, a été on ne peut plus présent et quand il le fallait .

Ensuite, j'adresse un grand merci à Cédric Garnier qui en quelques mots m'a fait comprendre mon

sujet de stage.

Puis je tiens aussi à remercier Gaël Durrieu pour toute l'aide qu'il m'a apporté lors de mes analyses

et pour sa disponibilité.

Merci à Lobna Gharbi , pour avoir partager avec moi ses connaissances sur Porquerolles et pour sa

gentillesse.

A Véronique Lenoble, merci pour ce bonjour si chaleureux qui annonce à chaque fois une bonne

journée et pour la bonne humeur dont toi seule à le secret.

Et enfin,sincères remerciements à tous mes collègues de M1 Charme ainsi qu'à tous les autres

membres de l'équipe CAPTE pour leur convivialité.

2


SOMMAIRE

LISTE DES FIGURES..................................................................................................................... 4

LISTE DES TABLEAUX................................................................................................................. 5

RESUME............................................................................................................................................ 6

I- INTRODUCTION......................................................................................................................... 7

II-MATERIELS ET METHODES.................................................................................................. 8

II-1: Le sol......................................................................................................................................... 8

II-1-1:Présentation du site d'échantillonnage.......................................................................... 8

II-1-2:Échantillonnage des sols............................................................................................... 8

II-2:Le carbone organique particulaire.......................................................................................... 9

II-2-1:Principe de mesure......................................................................................................... 9

II-2-2:Préparation des échantillons.......................................................................................... 9

II-2-2-1:Le carbone total............................................................................................ 9

II-2-2-2: Le carbone inorganique............................................................................... 9

II-2-2-3:Mesure du POC sur les filtres......................................................................10

II-3:Séparation densitométrique.....................................................................................................11

II-3-1:Préparation de la séparation densitométrique...............................................................11

II-3-1-1: Le polytungstate de sodium..........................................................................11

II-3-1-2: La colonne de purification du polytungstate de sodium.............................. 12

II-3-1-3: La sonication............................................................................................... 13

II-3-1-4: Préparation de la solution de polytungstate de sodium.............................. 13

II-3-2:Principe de la séparation densitométrique : protocole expérimentale...........................14

II-3-2-1:Séparation de la fraction libre..........................................................................14

II-3-2-2:Séparation de la fraction occluse.....................................................................14

III-RESULTATS ET DISCUSSION..............................................................................................16

III-1: Résultats de la séparation densitométrique........................................................................16

III-2: Étude des variations de la teneur en carbone.....................................................................17

III-2-1: variation dans sol brut..................................................................................................17

III-2-2: Variation de la teneur en carbone sur les filtres..........................................................19

III-3: comparaisons des résultats …...............................................................................................22

III-3-1:comparaison des différentes valeurs de POC obtenues dans la fraction d


LISTE DES FIGURES

Figure 1: Courbe de calibration pour la mesure du carbone total dans le sol brut..............................9

Figure 2: Courbe de calibration pour la mesure du carbone total dans les fractions........................10

Figure 3: photo de la colonne de recyclage........................................................................................12

Figure 4:: organigramme du processus de fractionnement des sols..................................................15

Figure 5:histogramme présentant les variations de la masse dans chaque fraction en

fonction de la densité........................................................................................................................17

Figure 6: évolution du carbone sur les fractions non irriguée(SIP) et irriguée (IRR)d'un profil de

sol......................................................................................................................................................18

Figure 7:Répartition du carbone dans les différentes fractions.........................................................21

Figure 8:Variation du carbone dans la fraction d


LISTE DES TABLEAUX

Tableau1: diagramme de répartition des produits utilisés dans la colonne........................................11

Tableau 2: Les différentes concentrations utilisées pour la préparation des solutions.......................13

Tableau 3:Pourcentage de masse de sol que représente chaque fraction ramené à100%.................16

Tableau 4:résultats de l'analyse du carbone sur le sol brut ;concentration moyenne de carbone en

ppm.....................................................................................................................................................17

Tableau 5 résultats de l'analyse du carbone ; en gras, les valeurs de carbone qui ne sont pas

statistiquement différents...................................................................................................................19

Tableau 6: Pourcentage de carbone extrait sur le filtre dans chaque fraction du sol .......................20

Tableau 7:Concentrations du carbone organique en ppm dans les fractions d


Résumé

La distribution de la matière organique dans le sol est d'une importance particulière dans l'étude des

sols. Ainsi pour pouvoir suivre cette distribution, quatorze échantillons de sol sont analysés dont

sept ayant été irrigués par les eaux usées et sept autres non irrigués pris comme références. Ces

échantillons ont été prélevés dans un profil de 1m de sol à différentes profondeurs 0-5cm, 5-10cm,

10-20cm, 20-40cm, 40-60cm, 60-80cm et 80-100cm.

Une méthode de séparation physique des sols : la séparation par densité est utilisée pour séparer les

différentes fractions de la matière organique contenue dans le sol à savoir la fraction libre et la

fraction occluse incorporée dans les agrégats de sol ; un traitement sonique lui est associé dans le

but d'avoir une libération de la matière organique contenue dans la fraction occluse. Pour pouvoir

séparer ces fractions de sol, des solutions de polytungstate de sodium à différentes densités 1,6, 1,8

et 2,0 g/cm 3 sont utilisées. L'étude de la variation en carbone organique dans les différentes

fractions montre que la fraction superficielle possède la concentration la plus élevée en carbone

due à la proximité des débris végétaux décomposés ou en voie de décomposition.

La pauvreté des sols irrigués en matière organique est constatée ce qui amène à dire que la

fertirrigation entraîne une évacuation de la matière organique vers des profondeurs plus élevées.

Mots clés: matière organique, séparation par densité, agrégats, carbone organique, irrigation

Abstract

The distribution of organic matter in soil is of an particular importance in the study of soils.

Hence, to follow this distribution, fourteen samples of soil are analysed which seven have been

irrigated by wastewater and seven other non-irrigated taken as reference. These samples were

collected in a 1m soil profile, at different depths : 0-5cm, 5-10cm, 10-20cm, 20-40cm, 40-60cm ,

60-80cm and 80-100cm.

A physical method of soil separation : density separation is used to separate several organic matter

fractions in free light fraction and ''occluded '' fraction; sonication treatment is associated with this

density separation to have a release of organic matter content in the occluded fraction. To separate

these fractions of soil, solutions of sodium polytungstate at different densities 1.6, 1.8 and 2.0

g/cm 3 were used.

Study of the variation of organic carbon in the different fractions shows that the free light fraction

which is consider to be the superficial fraction has the highest concentration of carbon due to the

proximity with plants debris , this fraction is usually composed of their slightly decomposition .

It is find that irrigated soils are poorer in organic matter than non-irrigated land; thus, it can be

concluded that leaching allows a total evacuation of the organic material to greater depths.

k eywords:

organic matter, heavy fractionation, aggregates, organic matter, irrigation.

6


I - INTRODUCTION

La structure du sol et plus particulièrement la distribution de la matière organique (M.O) dans une

matrice de sol est considérée comme étant l'un des facteurs déterminants du processus de la

décomposition microbienne dans les écosystèmes terrestres et aquatiques (Golchin et al, 1994b).

Cette distribution de la matière organique dans le sol est soumise à une grande variabilité spatiale

et temporelle due au fait que les mécanismes qui contrôlent la séquestration de la M.O et le cycle

du carbone organique dans les sols ne sont que partiellement compris (Basile Doelsch, 2006).

Par ailleurs, parce que la structure du sol joue un rôle important sur les variations et la stabilisation

de la M.O, sa localisation dans la matrice du sol est d'une importance particulière (Carter and

Gregorich, 1996).

Ainsi, pour pouvoir étudier l'évolution de la M.O dans les différentes fractions du sol, plusieurs

méthodes d'analyse aussi bien physiques que chimiques ont été utilisées par les auteurs mais

finalement, le fractionnement physique du sol et plus précisément la séparation par densité a été

adoptée. La séparation par densité est moins destructive et les résultats obtenus sont jugés

directement liés à la structure et à la fonction de la matière organique in situ (Golchin et Al, 1994a).

Les séparations densitométriques sont utilisées pour deux raisons principales : la séparation de la

fraction légère (libre et non complexée) constituée principalement de débris végétaux non

décomposés ou partiellement décomposés mais aussi pour la séparation des associations organominérales,

généralement sous la forme d'agrégats(Golchin et al,1994a).

Pour une meilleure optimisation de la séparation par densité, des études ont essayé de séparer les

fractions légères des sols, notamment par l'ébullition, le broyage fin, et le traitement ultrasonique.

Et finalement, le traitement ultrasonique a été adoptée (Greenland and Ford 1964, Ford et al 1969)

et ce pour séparer les agrégats avant le traitement à l'aide d'un liquide de séparation.

Les caractéristiques de ces fractions : taille, densité, taux de sédimentation varient en fonction des

techniques d'isolation utilisées, le traitement subit par les échantillons, et surtout la quantité

d'énergie nécessaire pour la désagrégation (Angélina Kölb et al, 2005).

Un examen optique de la matrice du sol a démontré que les agrégats dans le sol sont généralement

et arbitrairement distingués par leur taille en «macro» >250µm et «micro»


II: MATERIELS ET METHODES

II-1:Le sol

II-1-1:Présentation générale du site d'échantillonnage

Les sols étudiés de nature calcique prélevés dans l'île de Porquerolles sont peu ou pas évolués c'est

à dire des sols caractérisés par un faible degré d'altération.

L'horizon humifère est rapidement identifiable et la structure est souvent peu affirmée ; ce sont des

sols à texture sableuse ou sablo-limoneuse issus de la dégradation des matériaux sur pente (parc

national de Port-Cros, documents d'objectifs Natura 2008).

L'île de Porquerolles est située au Sud-Est de la France au large de la côte varoise, ayant une

altitude de 142 m à son plus haut point. Avec 7km de long sur 2 à 3km de large, à la même latitude

(43°N) que le Cap Corse, l'île de Porquerolles est la plus grande de l'archipel des îles d'Hyères ;

présentant une température annuelle moyenne de 15,3°C et une pluviométrie moyenne annuelle

575mm elle est rattachée à un climat de type méditerranéen sub-humide (en moyenne). En fait, la

pluviométrie est assez variable suivant les années avec parfois des successions d'années sèches où

le climat peut être rapporté au type semi-aride (parc national de Port-Cros, documents d'objectifs

Natura 2008).

II-1-2:échantillonnage des sols

Quatorze échantillons de sol ont été prélevés, ce sont soit des échantillons de sol brut (SIP) qui

serviront de référence soit des échantillons de sols ayant subit une ''fertirrigation'' ou irrigation

fertilisante (IRR) qui consiste à irriguer les sols avec des eaux usées ( industriels ou urbains), ou

encore une irrigation à l'aide des effluents issus d'eaux de lagunage (Gharbi-Tarchouna, 2008).

Les échantillons ont été prélevés dans un profil en long de 1m de sol, à différentes profondeurs 0-

5cm, 5-10cm, 10-20cm, 20-40cm, 40-60cm, 60-80cm, 80-100cm aussi bien sur la partie irriguée

(IRR) que sur celle non irriguée (SIP).

Mais à cause d'un manque de Solution de Polytungstate de sodium (SPT) et de temps, les travaux

ont uniquement été effectués sur les fractions comprises entre entre 0 et 40 cm.

II-2: Le carbone organique particulaire

L'analyse du carbone dans les échantillons de sol solide ou dissous se font par oxydation par voie

sèche à l'aide de l'auto analyseur Shimadzu TOC-5000A couplé à ses périphériques le SSM-5000A

et ASI-5000A.

Pour la mesure du carbone organique particulaire seuls le TOC-5000A et son module SSM-5000A

sont utilisés ; le module ASI-5000 étant utilisé uniquement pour les échantillons liquides.

8


II-2-1:Principe de mesure

La mesure du carbone organique particulaire repose sur la détection par une cellule Infrarouge Non

Dispersif (NDIR) du dioxyde de carbone formé par oxydation catalytique de l'échantillon solide à

très haute température, environ 900°C pour le carbone organique total et 200°C pour le carbone

inorganique.

Un signal de détection est produit par cette cellule spécifique et se traduit par la génération d'un pic

gaussien dont la surface calculée par une unité de traitement incorporée dans le TOC, est non

seulement proportionnelle à la quantité de CO2 dégagée, mais également à la concentration de

carbone .

II-2-2: Préparation des échantillons

II-2-2-1:Carbone total (CT)

Avant le début de la mesure, un étalonnage de l'appareil avec des solutions standard est effectué à

partir de 16 g de glucose pour vérifier si on a effectivement 40% de carbone. Pour une meilleure

précision des analyses, il est conseillé d'adapter les concentrations des solutions standard à celles

des échantillons à analyser. Ces solutions standard préparées ont respectivement pour concentration

1gC/L, 5gC/L, 10gC/L (figure 1).

aire

140

120

100

80

60

40

20

0

courbe de calibration

f(x) = 11,44x + 2,68

R² = 1

0 2 4 6 8 10 12

concentration en carbone (g/L)

Figure 1: Courbe de calibration pour la mesure du carbone total dans le sol brut

Les mesures du CT sont faites en triplicats, à chaque fois, environ 150mg de sol sont mis dans une

barquette en céramique (préalablement brûlé à vide à 450°C pour éliminer le carbone

atmosphérique) et introduite à l'aide d'un injecteur dans le tube à combustion chauffé à 900°C, le

CO2 ainsi dégagé passe par un piégeur halogène et est ensuite détecté par la cellule NDIR

9

aire

Régression linéaire

pour aire


II-2-2-2: Carbone inorganique

Le principe de mesure du carbone inorganique est identique à celui du Carbone total à la seule

différence que le four est chauffé à une température de 200°C et que l'acide phosphorique 25% est

utilisé pour transformer le carbonate en CO2 sans détruire le carbone organique.

L'étalonnage est effectué à partir du NaHCO3 avant le début de toute série de mesure.

II-2-2-3: Mesure du POC sur les filtres

Les mesures se font sur les échantillons (filtres + particules) obtenus par séparation

densitométrique et mis à l'étuve pour le séchage.

Le principe de la mesure est le même que celui de la mesure du carbone total, à la seule différence

qu'on fait 2 petits trous dans le filtre à l'aide d'un poinçon de diamètre 5,3mm ; et ensuite, après la

pesée, ces petites pastilles sont mises dans des barquettes et introduites dans l'injecteur. Les

mesures sont effectuées en triplicats.

Mais bien avant tout ce processus de mesure, une calibration de l'appareil est faite à l'aide des

solutions standard de glucose de concentrations respectives 0,1gC/L, 0,5 gC/L, 1gC/L et le blanc a

été fait à 0gC/L afin de déterminer la courbe d'étalonnage (figure 2). A tour de rôle, un volume de

100µL de chacune de ces solutions est prélevé, imprégné sur une fibre en céramique

(préalablement brûlé à 900°C) et mis dans une barquette;

aire

20,000

18,000

16,000

14,000

12,000

10,000

8,000

6,000

4,000

2,000

0,000

courbe d'étalonnage

f(x) = 18,52x - 0,24

R² = 1

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

concentration (g/L)

Figure 2: Courbe de calibration pour la mesure du carbone total dans les fractions

10

aire

Régression

linéaire pour

aire


II-3:Séparation densitométrique

II-3-1:Préparation de la séparation densitométrique

II-3-1-1:Le polytungstate de sodium

De nombreux liquides aussi bien organique ou inorganique ont été utilisé pour des séparations par

densité mais le polytungstate de sodium (SPT) Na6 O39 W12 H2O est le composé de référence et ce

malgré son coût élevé (Six et Al, 1999).

Le SPT présente de nombreux avantages: il est réutilisable, moins toxique que les liquides

organiques ou des solutions de ZnBr2 et NaI. Le SPT possède également une faible viscosité à des

concentrations élevées contrairement à certaines solutions inorganiques et aussi sa gamme

d'utilisation est large; en effet, sa densité est comprise entre 1,0 et 3,1 g/cm 3 (Six et al, 1999).

Mais avant toute réutilisation, le SPT doit être recycler pour diverses raisons; en effet, de petites

quantités de carbone sont échangées entre le sol et la solution de SPT, d'où le nettoyage avant les

études sur la matière organique. En plus, pendant le processus de fractionnement , le sodium Na+ se

dissocie du polytungstate et ainsi les cations présents dans le sol notamment le Ca 2+ peuvent

occuper le site libéré et former des espèces insolubles ; ces dernières précipitent lorsque la solution

de SPT est recyclée et concentrée.

II-3-1-2:Colonne de purification du polytungstate de sodium

La colonne de purification du SPT a été préparée à partir des études réalisées par J. Six et al (1999)

et les résultats ont été adaptés à notre matériel.

Ayant un diamètre de 2,4 cm et une hauteur de 45 cm, la colonne (figure 3) est remplie

respectivement avec du charbon actif, de la résine cationique (Dowex 50W-X8, 100-200 mesh,

hydrogen form, Biorad laboratories ) et de la laine de verre à des proportions variables (tableau 1).

Le charbon actif est utilisé pour extraire les contaminants organiques du SPT; la résine cationique

quant à elle est utilisée pour rendre la solution de SPT en sa forme sodique, avant que les précipités

ne soient formés.

Laine de verre 2,52 cm

Charbon actif 21,05cm

Laine de verre 0,84 cm

Résine cationique

6,32 cm

Laine de verre 0,84 cm

Charbon actif 5,89 cm

Laine de verre 2,52 cm

tableau1: diagramme de répartition des produits utilisés dans la colonne

11


figure 3: photo de la colonne de recyclage

L'écoulement dans la colonne se fera sous le seul effet de la gravité.

La colonne ainsi prête est rincée avec 300 mL d'eau MilliQ pour éliminer les cations présents dans

le charbon actif et 500 mL de NaCl saturé à 1 M a également été utilisé pour régénérer la résine

cationique et enfin 300 mL d'eau MilliQ pour éliminer l'excès de NaCl.

Lors du remplissage de la colonne, son volume mort est déterminé afin de ne pas avoir des pertes

de SPT lors du recyclage ; La colonne ainsi préparée est remplie par l'eau MilliQ en attendant son

utilisation.

II-3-1-3: La sonication

12


Le traitement ultrasonique permet la libération de la matière organique occluse contenu dans les

agrégats de sol. La détermination du temps de sonication s'est faite à partir des études réalisées par

E.Noirtin en 2008 (communication personnelle) qui s'est inspiré des recherches réalisées par

Golchin, (1994a) .

Il constata que le pourcentage de la masse de sol présent dans chaque fraction (PM)

diminue avec l'augmentation du temps de sonication à 25 min. A l'inverse la diminution du temps

de sonication montre une légère augmentation du PM.

L'observation à la loupe binoculaire a montré qu'après 25 min de sonication les structures

présentent dans les fractions de densité supérieure à 1,6Libre sont plus petites qu'après 12min30s et

6min30s' de sonication. Les incrustations minérales des fragments de détritus végétaux

apparaissaient également libres d'incrustation minérale.

Il en a été conclu que les agrégats étaient fortement détruits au bout de 25min d'ultra-son, et comme

il n'est pas apparu de différences significatives entre 12min20s et 6min15s d'ultrason un temps de

6min15s a alors été adopté .

Pour notre étude, un bain à ultrasons Branson 1210 avec une puissance de 80 watts a été utilisé.

II-3-1-4:Préparation de la solution de SPT

Les différentes solutions de SPT utilisées ont pour densité d=1,6, d=1,8 et d=2,0 (Golchin,1994 a);

La solution à d=1,6 est préparée en duplicats.

Pour leur préparation, la charte de mixage a été utilisée ( annexes p.29).

Ainsi 90 mL de solution ont été préparées pour chaque densité et la quantité de SPT ainsi que

d'eau précis ont été utilisé (tableau 2).

masse d'eau(g) masse de SPT(g)

D=1,6 72,54 66,69

D=1,8 72,9 89,1

D=2,0 67,5 112,5

Tableau 2: Les différentes concentrations utilisées pour la préparation des solutions

II-3-2: Principe de la séparation densitométrique: Protocole expérimentale

Les séparations par densité sont utilisées pour séparer la fraction libre légère de la fraction occluse

des sols.

II-3-2-1: Séparation de la fraction libre

13


Dans un tube à centrifuger en verre de 100 mL, 16g d'échantillon de sol sec préalablement tamisé à

2mm est placé et 40 mL de SPT d=1,6 y sont ajoutés (E.Noirtin 2008, communication personnelle).

Le tube fermé avec un couvercle en plastique est secoué manuellement jusqu'à l'homogénéisation

de la solution et ceci pendant un laps de temps court (2min) pour éviter la séparation des agrégats.

Le mélange est laissé au repos pendant 30min, avant une centrifugation à 3500tr /min, pendant 30

min. Ensuite, une filtration du surnageant sur du filtre de verre ( Whatman GF/A , seuil de coupure

0,70 micron et diamètre de 0,47 mm) préalablement brûlé à 450 °C et pesé à vide. Le filtre de verre

ainsi utilisé est mis à l'étuve ( échantillon 1: fraction 1,6 Lib) à une température de 80°C jusqu'au

séchage complet de l'échantillon. En effet, le filtre est pesé de temps en temps pour pouvoir suivre

l'évolution de sa masse et dès que cette dernière devient constante, l'échantillon est retiré de l'étuve,

pesé et mis dans une boîte plastique support pour filtre dans l'attente d'être soumis à différentes

analyses.

II-3-2-2: Séparation de la fraction occluse.

Après le retrait de la fraction libre de la matière organique, 40mL de SPT d=1,6 est ajouté au culot

et après avoir été légèrement secouée, elle est mise dans un bain à ultrasons pendant 6min 30s ce

qui aboutit à la destruction des agrégats et à la libération de la matière organique occluse.

Ensuite une centrifugation pendant 1h à 3500 tr/min est effectuée puis filtration du surnagent sur

du filtre de verre ce dernier est mis à l'étuve (échantillon 2 : fraction 1,6 occ) ; ceci aboutit à la

libération de la fraction légère de la matière organique occluse.

Par la suite, 40mL de SPT d=1,8 est ajouté au culot et après avoir été légèrement secoué, la

nouvelle solution est centrifugée pendant 1h à 3500 tr/ min et une fois de plus, le surnageant est

filtré sur du filtre de verre et la fraction 1,6-1,8 (échantillon 3) ainsi obtenu est mise à l'étuve.

Et enfin, 40mL de SPT d=2,0 est additionné au culot restant dans le tube à centrifuger et il subit le

même traitement que dans le cas précédent, légère agitation, passage dans le tube à centrifuger

pendant 1h à 3500 tr/min, filtration du surnageant sur du filtre de verre et mise de l'échantillon 1,8-

2,0 à l'étuve à 80°C jusqu'au séchage complet du filtre.

Après chaque étape de fractionnement, les différentes solutions de SPT sont recyclées dans la

colonne de purification, ensuite, la solution est évaporée (pour éliminer l'excès d'eau) dans l'étuve à

une température comprise entre 120°C et 140°C (dépendant de la densité), puis une vérification de

la masse du SPT est faite et enfin la solution est mise au frais pour les prochaines analyses.

L'organigramme simplifié du processus de fractionnement des sols (figure 4) est effectué afin de

mieux interpréter les résultats.

14


16 g d'échantillon sec < 2mm + 40 mL SPT d=1,6

dans tube à centrifuger en verre

légère agitation manuelle, repos 30min,

centrifugation 3500tr/min pendant 30 min

filtration du surnageant sur filtre de verre 0,45mm; seuil de coupure 70µm

(préalablement brûlé à 450°C et pesé à vide)

échantillon 1: fraction d


III -RESULTATS ET DISCUSSION

III-1: La séparation densitométrique

Les résultats de la séparation densitométrique sont calculés en pourcentage de masse de sol par

fraction et ramenés à la masse totale de sol utilisée (tableau 3).

% m asse de sol par fraction


SIP20-40

SIP10-20

SIP 5-10

SIP 0-5

Figure 5.a:histogramme présentant les variations de la masse dans les sols non irrigués en

fonction de la densité.

IRR 20-40

IRR 10-20

IRR 5-10

IRR 0-5

0 20 40 60 80 100 120

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Figure 5.b : histogramme présentant les variations de la masse dans chaque fraction en

fonction de la densité dans les sols irrigués

17


III-2: étude du carbone

II-2-1: variation dans le sol brut

Les résultats de l'analyse du carbone au TOC sont représentés ci-dessous

Profondeur(cm) SIP(ppm)

IRR(ppm)

0-5 1,118 0,209

5-10 0,830 0,249

10-20 0,509 0,262

20-40 0,221 0,164

40-60 0,183 0,025

60-80 0,183 0,017

80-100 0,123 0,011

Tableau 4:résultats de l'analyse du carbone sur le sol brut ;concentration moyenne de carbone

en ppm

On constate que les concentrations en carbone dans le sol brut sont très basses conformément aux

résultats obtenus par des études précédentes (Gharbi Tarchouna, 2008) aussi bien dans la fraction

irriguée où elles varient entre 0,209 et 0,011 ppm que dans la fraction non irriguée 1,118 et 0,123

ppm bien qu'étant plus élevées que les précédentes.

Il est aussi remarqué que les concentrations en carbone sont décroissantes avec la profondeur

(figure 6). En effet, La décroissance de la concentration en carbone dans le sol non irrigué est plus

marquée que celle du sol irriguée (concentration proche de 0) et en plus , il constaté que le

pourcentage dans les fractions 0-5cm des deux sols sont très différents.

La figure montrant ces décroissances (figure 6) montre également que la décroissance est plus

marquée jusqu'à la profondeur 40 cm et ensuite la concentration en carbone tend à se stabiliser dans

le sol.

18


concentration en carbone(ppm)

1,200

1,000

0,800

0,600

0,400

0,200

0,000

0-5 5-10 10-20 20-40 40-60 60-80 80-100

profondeur(cm)

figure 6: évolution du carbone sur les fractions non irriguée(SIP) et irriguée (IRR)d'un profil

de sol.

Les analyses statistiques ont montré que les valeurs en carbone du sol non irrigué sont

statistiquement différents exception étant faite aux échantillons situés aux profondeurs 40-60cm

et 60-80cm. En ce qui concerne le sol irrigué, les valeurs de carbone des fractions 0-5cm, 5-10cm

et 10-20cm ne sont pas statistiquement différents.

Ces analyses statistiques ont également permis de constater qu'il existe une différence statistique

entre les valeurs de carbone du sol irrigué et celles du sol non irrigué (tableau 5) : la différence de

comportement du carbone organique dans les deux sols est donc confirmé par ces résultats.

Profondeur(cm) SIP(ppm) IRR(ppm) IRR (ppm)

0-5 1,118 0,209

5-10 0,830 0,249

10-20 0,509 0,262

20-40 0,221 0,164

40-60 0,183 0,025

60-80 0,183 0,017

80-100 0,123 0,011

Tableau 5 résultats de l'analyse du carbone ; en gras, les valeurs de carbone qui ne sont pas

statistiquement différents

19

SIP

IRR


Les différentes variations observées pour les valeurs de carbone entre les sols irrigués et les sols

non irrigués seraient dues à la minéralisation de la M.O celle-ci pouvant être une cause du lessivage

de la M.O contenue dans le sol par les eaux usées.

Il faut également signaler que l'irrigation n'est pas la seule cause de la décroissance du carbone

dans la sol puisqu'on constate après cette baisse une stabilisation à partir de 60 cm aussi bien dans

le sol irrigué que dans celui non irrigué.

En fait, la minéralisation de la M.O est conditionnée par l'humidité du sol, la présence des

nutriments (Sollins et al, 1996) et la nature des composés contenus dans les eaux usées. Il est alors

probable que l'augmentation de l'activité microbienne due à l'irrigation et surtout à l'humidité du

sol provoque une baisse du carbone organique. Par ailleurs, il est aussi prouvé que le carbone

organique contenu dans le sol peut stimuler l'activité des micro organismes (mais ceci doit être

provoquée par la fertilisation et l'irrigation) qui à leur tour augmente la minéralisation de la matière

organique (Solis et al,2005).

III-2-2: variation des teneurs en carbone sur les filtres

Les analyses de TOC ont été effectuées sur les différents filtres et la méthode de calcul est

rapportée dans l'annexe (p.29). Un test ANOVA réalisé sur ces résultats a montré que le Ftest à 2) ne sera pas prise en compte dans nos

calculs(caractères gris, tableau 6).

Sur la base de ces résultats, le pourcentage de carbone extrait dans le sol c'est à dire le pourcentage

de carbone chaque fraction du sol a été estimé (tableau 6) ainsi que la répartition du carbone dans

les différentes fractions (figure 7a&b).

%C dans les fractions


SIP20-40cm

SIP10-20cm

SIP 5-10cm

SIP0-5cm

Figure 7a:Répartition du carbone dans les différentes fractions du sol non irrigué

IRR20-40cm

IRR10-20cm

IRR 5-10cm

IRR 0-5cm

0 10 20 30 40 50 60 70 80

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Figure 7b:Répartition du carbone dans les différentes fractions du sol irrigué

La première observation faite est celle des variations du carbone dans les différentes fractions des

sols irrigués et non irrigués qui sont presque identiques, bien que les sols irrigués possèdent des

concentrations en carbone dans la fraction d >2 moins élevées (55%) que celle des sols non

irrigués (70%).

Cette différence est due à l'irrigation qui entraîne le lessivage de la M.O.

Il est aussi constaté que la fraction de densité >1,6lib qui ne représente que 1,70% de la masse du

sol contient en moyenne 15% de carbone.

Selon la littérature, la majeure partie du carbone se retrouve dans les fractions de densité supérieure

à 2 qui représente plus de 80% de la masse de sol et dans les fractions de densité inférieure à 1,6

21


lib. Faute de temps, les analyses de TOC sur les fractions d>2 n'ont pas pu être effectuées mais une

estimation de ces valeurs a été faite. Il est remarqué que près de 65% du carbone est contenu dans

cette fraction; mais, il est également remarqué que la fraction 1,6libre possède une grande

contribution dans la quantité totale de carbone organique contenu dans le sol que la fraction de

densité d >2.

Et conformément aux recherches précédentes (Golchin et al, 1994 a&b; E.Noirtin, 2008

communication personnelle), il est aussi constaté que la concentration en carbone organique dans le

sol évolue de la manière suivante: 2,0 >1,6 libre > 1,8-2,0 > 1,6-1,8 > 1,6 occ.

Cette évolution du carbone organique dans le sol est aussi celle de la M.O contenue dans les

différentes fractions.

La matière organique de la fraction supérieure à 2 est celle associée à la phase minérale du sol et

constituée essentiellement des micro-organismes et de leurs métabolites (Golchin et al, 1994).

Les faibles valeurs de la concentration en carbone dans les fractions 1,6occ seraient dues au fait que

la matière organique qui entre dans le système du sol soit rapidement minéralisée.

L'extraction à la densité 1,6 g/cm 3 a été choisi parce que cette densité inclue la plupart des fractions

organo-minérales de la fraction légère. La quantité de carbone élevée contenue dans cette fraction

montre que cette dernière contient encore un peu de matériel minéral ceci due à l'influence

dominante de la litière des plantes.

La proportion de sol contenue dans la fraction légère est liée au type de végétation et les facteurs

qui influencent le rééquilibrage entre la production et la décomposition de la litière (Golchin et

al;1994 a).

Il est aussi prouvé que la période (saison) dans laquelle l'échantillonnage a été fait, la profondeur

d'échantillonnage, la méthode d'échantillonnage et la méthode de traitement peuvent avoir une

influence certaine sur les résultats obtenus dans cette fraction (Gharbi Tarchouna, 2008).

La différence entre le pourcentage en carbone des sols non irrigués plus élevé dans la fraction

supérieure à 2 que dans les sols irrigués est en adéquation avec les résultats obtenus de l'analyse

des échantillons de sol brut.

III-3: comparaisons

I II-3-1:comparaison des différentes valeurs de POC obtenus pour la fraction d


Une analyse statistique de ces données est effectuée et il est constaté que ces valeurs de carbone

sont statistiquement différentes entre elles exception faite aux concentrations de carbone dans les

profondeurs 0-5 et 5-10cm qui sont statistiquement identiques(case noire, tableau 7).

Les courbes de variation de ces concentrations en fonction de la profondeur (figure 8) montre une

fois de plus que les concentrations en carbone dans les sols irrigués sont inférieures à celles des sols

non-irrigués.

0,250

0,200

0,150

0,100

0,050

0,000

variation du carbone dans la fraction d


profondeur 0-5cm est très élevée comparer à celles des autres profondeurs.

Et aussi, l'irrigation à plus d'effet sur les sols de Porquerolles dans les premières fractions (0 à

60cm) que ceux de Lins

concentration de carbone (ppm)

1,200

1,000

0,800

0,600

0,400

0,200

0,000

0-5 5-10 10-20 20-40 40-60 60-80 80-100

profondeur (cm)

Figure 9: Variation du carbone dans les sols bruts irrigués et non irrigués de Lins (SI et E66

respectivement) et de Porquerolles (respectivement IRR et SIP)

Il est aussi constaté que dans les sols de Lins la valeur du carbone quelque soit le traitement subit

par le sol dans les profondeurs 0-5cm et 80-100 cm sont identiques contrairement aux sols de

Porquerolles où la différence en carbone à la profondeur 0-5cm des sols irrigués et non irrigués est

très élevée. Ceci ramène à l'hypothèse à savoir que l'irrigation n'a pas beaucoup d'effets sur les sols

de Lins comparé à ceux de Porquerolles, néanmoins ceci pourrait plutôt être due à la différence

dans la nature des deux sols: les sols de Porquerolles étant calciques et ceux de Lins férrallitiques;

En effet , les sols férrallitiques sont des sols argileux et de ce fait, leur surface spécifique est très

élevée comparée à celui des sols calciques, la M.O peut alors facilement s'adsorber à la surface des

particules du sol.

Par contre, les concentrations en carbone dans les fractions 1,6occ et 1,6-1,8 sont très basses, voire

nulle dans la fraction irriguée ce qui permet de conclure que dans les sols de Lins, la matière

organique dans les agrégats du sol irrigué est jeune (contenue dans les agrégats des fractions 1,8-2

et 1,6-1,8) contrairement à celle des agrégats du sol non irrigue ( présente dans la fraction 1,6 occ).

l'hypothèse suivante est ainsi émise : La matière organique minéralisée par le surcroit d'activité

microbienne dans le sol irrigué est en partie remplacée par les détritus organique du rio Capim qui

provoque un effet priming (fertilisation).

24

SIP

IRR

E66

SI


1000

80

60

20

0

sols irrigués sols non irrigués

1,6lib 1,6occ 1,6-1,8 1,8-2


CONCLUSION

Les études réalisées sur les sols irrigués et non irrigués de Porquerolles permettent de comprendre

les variations de la matière organique dans les fractions (libre et occluse) du sol et de comprendre

l'effet de l'irrigation qui selon la nature des composés contenus dans les eaux usées entraîne une

minéralisation plus ou moins intense.

Il est ainsi démontré que le pourcentage de carbone dans le sol n'est pas uniquement lié à la

profondeur mais également aux différentes fractions présentes dans le sol. Le carbone contenu dans

la M.O croît avec l'augmentation de la décomposition en matière organique (Krosshavn et al.1992)

la conséquence de cette décomposition peut être une baisse en oxygène et en hydrogène dans le sol.

(Lüttig, 1986).

En général, la variation de la matière organique dans les fractions du sol est plus prononcée pour les

fractions légères ( celles situées entre 1,6 et 1,8) et elles finissent par se stabiliser en profondeur.

Ces fractions libres ou inter- agrégats, situées entre les agrégats de sol contiennent la majeure

partie de la matière organique contenue dans le sol. De ce fait, elle est d'une importance capitale

dans la compréhension des processus de séparation physique. Néanmoins, la fraction occluse est

aussi d'une importance particulière puisqu'elle est constituée de la matière organique contenue dans

les agrégats du sol d'où l'importance du traitement ultrasonique.

En dépit de l'utilisation fréquente de la séparation densitométrique pour les études de la matière

organique présente dans les sols, de nombreux problèmes fondamentales, conceptuels et

expérimentaux demeurent (Christensen,1992) ; puisque la litière du sol qui est d'une grande

diversité suivant le climat, du type de végétation et de sols influe fortement sur les concentrations

en carbone.

D'autres études complémentaires telles que la fluorescence du solide , la résonance magnétique

nucléaire du 13 C et les observations au microscope électronique par balayage peuvent être jumeler à

la séparation densitométrique et à la mesure du carbone organique pour avoir de meilleures

informations sur la distribution de la matière organique. Par ailleurs, pour une meilleure efficacité

dans les résultats, des mesures d'azote peuvent également être effectuer dans les sol et ratio C/N

sera utiliser pour tirer des résultats plus nets.

26


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WWW.geoliquids.com/products.2008 Sodium polytungstate

28


Charte de mélange

Pour des densités de 1.00 à 2.00 et de 2.25 à 3.0

Note: utiliser uniquement de l'eau distillée ! Travailler dans un environnement non poussiéreux. Utiliser uniquement du

verre , du plastique ou de l'inox 100%. Ajouter du SPT solide dans l'eau et non de l'eau dans du SPT solide.

Solution DENSITY (g/ml) SPT (Grams) H 2 0 (ml)

1000 ml 1,00 0 1000

1000 ml 1,05 52 998

1000 ml 1,10 121 979

1000 ml 1,15 195 955

1000 ml 1,20 264 936

1000 ml 1,25 325 925

1000 ml 1,30 379 921

1000 ml 1,35 432 918

1000 ml 1,40 504 896

1000 ml 1,45 558 892

1000 ml 1,50 615 885

1000 ml 1,55 694 859

1000 ml 1,60 741 856

1000 ml 1,65 808 842

1000 ml 1,70 867 833

1000 ml 1,75 927 823

1000 ml 1,80 990 810

1000 ml 1,85 1051 799

1000 ml 1,90 1125 775

1000 ml 1,95 1178 772

1000 ml 2,00 1250 750

1000 ml 2.25 1576 676

1000 ml 2,30 1662 637

1000 ml 2,35 1741 612

1000 ml 2,40 1803 595

1000 ml 2,45 1870 581

1000 ml 2,50 1930 570

1000 ml 2,55 1995 556

1000 ml 2,60 2052 545

1000 ml 2,65 2114 538

1000 ml 2,70 2175 527

1000 ml 2,75 2247 508

1000 ml 2,80 2297 504

1000 ml 2,85 2356 492

1000 ml 2,90 2420 478

1000 ml 2,95 2478 472

1000 ml 3,00 2552 450

29


Résultats de la séparation densitométrique

échantillon masse filtre (mg) masse échantillon+filtre (mg) masse échantillon de sol (mg) % de la masse de sol pourcentage de carbone valeurs de la masse ram à 100%

d


épartition du carbone dans les différentes fractions

masse filtre masse filtre masse échantillon masse masse

% de Masse introduite

[MES] mg QCT mg pour %

échantillon (mg) (g)

(mg) échantillon(g) échantillon+filtre (g) C(ppm) dans SSM (mg) Q de mg C de C/g 16g de sol Extraction

d

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